Неразрушающий способ определения параметров кристаллов полупроводников

 

Использование: изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам определения кристаллографической полярности поверхностей полупроводниковых кристаллов cds. Сущность изобретения: каждую поверхность образца освещают светом, регистрируют спектр экситонного излучения в диапазоне длин волн 482-496 нм и определяют кристаллографическую полярность для высокоомных кристаллов на основе сравнения полуширины линии экситонного излучения каждой из поверхности, а для низкоомных кристаллов - по отношению интенсивностей этих линий. 3 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к способам кристаллографической ориентации биполярных полупроводников, и может быть использовано для определения кристаллографической полярности поверхностей полупроводниковых пластин, используемых при производстве изделий полупроводниковой оптоэлектроники, при изготовлении полупроводниковых фотоприемников, излучателей, лазеров с электронной и оптической накачкой, а также при изучении физических свойств кристаллов.

Известен способ определения полярности поверхностей полупроводников, основанный на измерении отраженных от поверхности рентгеновских лучей и сравнения этой интенсивности с расчетным значением [1]. Недостатком этого способа является его сложность, большая трудоемкость, недостаточная достоверность, обусловленные необходимостью предварительной рентгеновской ориентировки кристалла и теоретического расчета мало отличающихся интенсивностей рентгеновских лучей, отраженных от разных поверхностей полупроводника.

Известен способ, основанный на различном характере растворения полярных поверхностей CdS в химических травителях [2]. К недостаткам этого способа относятся большой расход материала и потеря оптического качества поверхностей полупроводника.

Известен также способ, основанный на помещении образца в жидкость и визуальном наблюдении на его поверхностях фигур, при котором образец помещают в диэлектрическую жидкость с удельным сопротивлением ρ = 10⁸-10¹² Ом˙ см и диэлектрической проницаемостью ε = 4-20, проводят к образцу игловой электрод, прикладывают к нему напряжение амплитудой 10-100 кВ, а о кристаллографической полярности поверхностей полупроводника судят по картине поверхностных стримерных разрядов. Недостатком данного способа является то, что в процессе его реализации происходит образование кратеров и каналов пробоя в приэлектродной области, то есть разрушение материала.

Известен также способ определения параметров полупроводниковых кристаллов (ширины запрещенной зоны, например), в котором образец освещают светом с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны, и возбуждают люминесценцию, а затем регистрируют спектр экситонного излучения, исходя из которого определяют искомый параметр [1]. Однако кристаллографическая полярность поверхностей монокристаллов CdS этим способом не определялась.

Цель изобретения - осуществление возможности измерения кристаллографической полярности поверхностей в кристаллах CdS, в том числе высокоомных и низкоомных.

Цель изобретения достигается тем, что пластину, содержащую полярные поверхности (0001) и (0001) помещают в жидкий азот, последовательно освещают каждую поверхность полупроводниковой пластины светом с энергией квантов большей ширины запрещенной зоны, регистрируют спектр экситонного излучения в диапазоне длин волн 482-496 нм и по форме резонансной полосы излучения свободных экситонов судят о кристаллографической полярности поверхностей полупроводника, при этом для высокоомных и среднеомных кристаллов полярность определяют по полуширине данной полосы, а для низкоомных кристаллов - по относительной интенсивности полосы излучения.

На фиг. 1 и 2 - линии резонансного излучения свободных экситонов для этих кристаллов; на фиг. 3 - линии экситонного излучения для кристаллов с удельным сопротивлением ρ < 1 Ом˙ см (низкоомные кристаллы). У низкоомных кристаллов в полосе экситонного излучения появляются два пика, первый из которых определяется излучением свободных экситонов (А), а второй, связанных (I). В этом случае поверхности различаются по отношению интенсивностей этих пиков: отношение интенсивностей линий свободного и связанного экситонов (I_а/I _l) на поверхности (0001) всегда меньше, чем на поверхности (0001).

В табл. 1 приведены результаты измерений полуширины полосы резонансного излучения свободных экситонов l_1/2, и относительных интенсивностей свободных и связанных экситонов (I_А и I_l соответственно) для различных образцов кристаллов.

Полупроводниковую пластину из CdS, вырезанную перпендикулярно оси и содержащую полярные поверхности (0001) с атомами кадмия и (0001) с атомами серы помещают в криостат, заполненный жидким азотом и каждую его поверхность поочередно подвергают действию света с энергией квантов больше ширины запрещенной зоны (например, лампа ДРШ-250, λ = 365, 405, 436 нм, или Не-Сd-лазер, λ = 4416 ).

При освещении в кристалле происходит возбуждение собственного излучения )люминесценции), экситонные полосы которого регистрируют с помощью монохроматора.

Предлагаемый способ основан на том обнаруженном нами свойстве, что при возбуждении падающим на кристалл светом резонансного излучения свободных экситонов, полуширина его полосы на поверхности (0001) имеет большую величину, чем на поверхности (0001) (табл. 1), что и позволяет различать эти поверхности. Было также установлено, что данный признак определения кристаллографической полярности поверхности применим только для кристаллов с удельным сопротивлением ρ> 10⁴ Ом ˙см (так называемые высокоомные кристаллы) и с удельным сопротивлением 1< ρ< 10⁴ Ом ˙см.

Нижний предел значения интенсивности возбуждающего света определяется порогом чувствительности регистрирующей аппаратуры, а верхний предел - эффектом повышения температуры образца под действием излучения (I_max < 10 кВт/см²).

Таким образом, использование заявляемого способа позволяет определять кристаллографическую полярность поверхности кристалла CdS, вне зависимости от его удельного электрического сопротивления.

П р и м е р 1. Образец СdS, имеющий две полярные поверхности (0001) и (0001), помещают в криостат, заполненный жидким азотом. Ориентацию плоскостей определяют предварительно независимым способом с помощью стримерных разрядов. Обе базисные плоскости поочередно подвергают действию света с λ = 4416 . С помощью регистрирующего устройства (использовалась промышленная установка КСВУ-23 регистрируют излучение в диапазоне длин волн 482-496 см. По форме полосы (в спектре излучения отсутствует линия связанных экситонов 1) видно, что высокоомный кристалл. Полуширина полосы излучения на одной поверхности имеет значение 15 , а на другой - 10 . Полуширина, имеющая большую величину соответствует (0001), противоположная базисная плоскость имеет индексы (0001).

П р и м е р 2. Образец CdS, имеющий две полярные поверхности (0001) и (0001) (установленные с помощью химически избирательного травления) помещают криостат, заполненный жидким азотом. Обе базисные плоскости поочередно подвергают действию света с λ = 4416 . С помощью регистрирующего устройства (использовалась промышленная установка КСВУ-23) регистрируют излучение в диапазоне длин волн 482-496 нм. По форме полосы (наличие линии связанных экситонов малой интенсивности) видно, что это среднеомный кристалл. Полуширина полосы излучения на одной поверхности имеет значение 20 , а на другой 12 . Полуширина, имеющая большую величину, соответствует плоскости (0001). Противоположная базисная плоскость имеет индексы (0001).

П р и м е р 3. Образец СdS, имеющий две полярные поверхности (0001) и (0001), помещают в криостат, заполненный жидким азотом. Обе базисные плоскости поочередно подвергают действию света с λ= 4416 . С помощью регистрирующего устройства (использовалась промышленная установка КСВУ-23) регистрируют излучение в диапазоне длин волн 482-496 нм. Полоса экситонного излучения имеет кроме полосы свободного экситона А еще и полосу связанного экситона 1, следовательно, это низкоомный кристалл. На одной поверхности I_A/I_l = 1,046, а на другой 0,8125. Следовательно, первая поверхность (0001), а вторая (0001).

Формула изобретения

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, включающий охлаждение образца до температуры жидкого азота, облучение образца светом с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны материала образца, возбуждение люминесценции, регистрацию спектра экситонного излучения и определение по его характеристикам параметров полупроводника, отличающийся тем, что, с целью определения кристаллографической полярности поверхностей кристаллов сульфида кадмия, последовательно облучают светом каждую поверхность, спектр экситонной люминесценции регистрируют в диапазоне длин волн 482 - 496 нм для каждой поверхности, а кристаллографическую полярность поверхностей полупроводника для высокоомных кристаллов и кристаллов с удельным электрическим сопротивлением 1Ом˙см < ρ < 10^fdw54 Ом˙см определяют на основе сравнения полуширины линии экситонного излучения для каждой поверхности, а для низкоомных кристаллов - по отношению интенсивностей этих линий.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5