[LT] Pasiūlymas yra iš medžiagų metrologijos srities, o būtent - puslaidininkinių medžiagų optinių savybių matavimo srities ir gali būti naudojamas gilių lygmenų kompensavimo laipsnio nustatymui didžiavaržiuose puslaidininkiniuose kristaluose. Pasiūlytas būdas gali būti taikomas mikroelektronikai bei optoelektronikai skirtų medžiagų charakterizavimui ir puslaidininkinių kristalų auginimo technologijos įvertinimui. Pasiūlytame būde, kuriame optiškai nustatomas gilių lygmenų pusiausviriosios užpildos arba kompensavimo laipsnis puslaidininkiuose, tiriamąjį objektą optiškai kaupinant dviem koherentiškais lazerinės spinduliuotės pluošteliais priemaišinės krūvininkų generacijos sąlygomis ir suformuojant dinaminę difrakcinę gardelę, naujai įvedamas trečiasis optinis kanalas su zondo pluošteliu, matuojama zondo pluoštelio difrakcijos efektyvumo kinetika nuo atspindžio gardelės, išskiriamas difrakcijos signalas nuo sugerties koeficiento moduliacijos perelektrintuose giliuose centruose ir nuo dvifotonės sugerties gardelės, išmatuojami šių gardelių difrakciniai efektyvumai ir iš jų santykio nustatomas kristalo gilių lygmenų kompensavimo laipsnis.
[EN] The invention is intended for metrology of semiconductor materials for electronics and optoelectronics, in particularly, for determination of the deep level compensation ratio in high resistivity semiconductor crystals. It can be used for characterization of semiconductor wafers, the compensation homogeneity and, thus, for evaluation of the related growth technology. A method for optical determination of the compensation ratio of deep level impurity (i.e. of an equilibrium occupation of the levels) uses two coherent pulsed laser beams for the optical generation of nonequilibrium carriers from the deep impurity levels and for recording of a transient reflection grating, while a third probe beam monitors the kinetics of light diffraction efficiencies on the amplitude reflection gratings in recharged deep traps and on the two-photon grating, and a ratio of these two diffraction efficiencies provides the compensation ratio of a deep level impurities in a semiconductor.
[0001] Pasiūlymas yra iš medžiagų metrologijos srities, o būtent - puslaidininkinių medžiagų optinių savybių matavimo srities ir gali būti naudojamas gilių lygmenų kompensavimo laipsnio nustatymui didžiavaržiuose puslaidininkiniuose kristaluose. Pasiūlytas būdas gali būti taikomas mikroelektronikai bei optoelektronikai skirtų medžiagų charakterizavimui ir puslaidininkinių kristalų auginimo technologijos įvertinimui.
[0002] Žinomas optinis būdas gilių lygmenų kompensavimo laipsnio nustatymui puslaidininkinėse medžiagose yra aprašytas straipsnyje L.A. de Montmorilon, Ph. Delaye, G. Roosen, H. Bou Rjeily, F. Ramaz, B. Briat, 1. G. Gies, J. P. Zielinger, M. Tapiero, H. J. von Bardeleben, T. Amoux, J.e. Launay: "Correlations between microscopic properties and the photorefractive response for vanadiurn-doped CdTe" J. Opt. Soc. Am. B, tomas 13, psl. 2341-2351, 1996 m. Gilių lygmenų kompensacijos laipsnio nustatymui naudojama dviejų bangų fotorefraktyvaus maišymo metodika ir papildomi priemaišinės sugerties koeficiento matavimai.
[0003] Žinomas būdas remiasi tuo, kad dviejų skirtingo intensyvumo lazerio pluoštelių I1 ir I2 interferenciniu šviesos lauku tiriamajame kristale dėl priemaišinės krūvininkų generacijos ir jų pernašos sukuriamas periodinis erdvinio krūvio elektrinis laukas Esc(x), kuris erdviškai moduliuoja medžiagos lūžio rodiklį n(x) ir sukuria difrakcinę elektrooptinę gardelę, pastumtą interferencinio šviesos lauko atžvilgiu per ketvirtį gardelės periodo. Praeinantis per gardelę I1 pluoštelis kryptingai difraguoja į silpnesnįjį I2, todėl pastarojo pluoštelio energija sustiprinama dydžiu ΔI2. Išmatavus pluoštelio I2 pokytį A = ΔI2/I2, pagal sąryšį A= exp (ГL) yra surandama elektrooptinio stiprinimo koeficiento vertė Г =(2π/λ) n03 reff Esc (čia L yra kristalo storis, n0 - lūžio rodiklis bangai, kurios bangos ilgis yra λ, reff - elektrooptinis koeficientas, susiejantis Esc vertę su lūžio rodiklio pokyčiu). Iš stiprinimo koeficiento Г priklausomybės nuo gardelės periodo Λ arba gardelės vektoriaus k= 2π/Λ (1)
[0004]
[0005] Aproksimacijos būdu nustatomi du parametrai: elektron-skylinės konkurencijos faktorius ξ0 ir atvirkštinis Debajaus ekranavimo ilgis k0, susietas žinomu sąryšiu su efektyvia gilių centrų koncentracija Neff:
[0006]
[0007] Abu parametrai priklauso nuo gilių centrų koncentracijos NT =N+ + N0 pagal sąryšius (3):
[0008]
[0009] kurie susieja gilių lygmenų jonizuotas ir neutralias būsenas N+, N0 su optinės sugerties koeficientu α bangos ilgiui (:
[0010]
[0011] su žinomais fotojonizacijos skerspjūviais Sn, Sp, Pasinaudojant sąryšiais (2-3) bei sugerties koeficiento verte α, išskaičiuojamas gilios priemaišos kompensavimo laipsnis R = N+/NT.
[0012] Analogo trūkumas yra tai, kad jį naudojant tiriamasis kristalas turi būti išpjautas pagal atitinkamas kristalografines ašis ir išmatuota priklausomybė Г(k), keičiant gardelės periodą. Tai sukuria papildomų sunkumų paruošiant bandinį matavimams. Eksperimento atlikimas prie 6-8 gardelės periodų taip pat reikalauja nemažų laiko sąnaudų.
[0013] Analogo trūkumams pašalinti kompensacijos laipsnio puslaidininkinėse medžiagose nustatymo būde, kuriame optinį kaupinimo kanalą sudaro du koherentiniai lazerio spinduliuotės pluošteliai, fotosužadinantys tiriamąjį objektą priemaišinės krūvininkų generacijos sąlygomis, naujai įvedamas trečiasis optinis kanalas su zondo pluošteliu, matuojama zondo pluoštelio difrakcijos efektyvumo kinetika nuo atspindžio gardelės, išskiriamas difrakcijos signalas nuo sugerties koeficiento moduliacijos, išmatuojami difrakciniai efektyvumai nuo amplitudinės gardelės perelektrintuose giliuose centruose ir nuo dvifotonės sugerties gardelės, ir iš šių difrakcinių efektyvumų santykio nustatomas kristalo gilių lygmenų kompensavimo laipsnis.
[0014] Siūlomas būdas yra paremtas fizikiniais reiškiniais, kai tiriamajame bandinyje impulsinio žadinimo sąlygomis vyksta priemaišinė krūvininkų generacija, jų pernaša bei tarpjuostinė dvifotonė krūvininkų generacija. To pasekmėje yra sukuriama moduliuota nepusiausvirųjų krūvininkų koncentracija ΔN, šviesos sugerties moduliacija Δα ir vidinio elektrinio lauko Esc moduliacija. Šie procesai palydimi optinių savybių pokyčių, kurie stebimi zonduojančiojo pluoštelio difrakcijoje nuo vienu metu egzistuojančių fazinių bei amplitudinių dinaminių difrakcinių gardelių. Suminis difrakcijos efektyvumas ηsum bei jo kinetika aprašomi formule:
[0015]
[0016] Čia KFC, KPR ir KABS yra moduliacijos koeficientai, priklausantys nuo tiriamojo kristalo. Kaip matyti, gardelė turi fazines (ΔN, Esc) ir amplitudines (Δα=Δα1 +Δα2) moduliacijos komponentes; čia Δα1 yra sugerties moduliacija dėl gilių centrų perelektrinimo ir Δα2 yra sugerties moduliacija dėl dvifotonės sugerties. Siūlomo būdo atveju kupinantys pluošteliai sužadina bandinį iš priešingų pusių, tad gardelės periodas yra labai mažas, Λ =λ/2n, t.y. tik kelios mikrono dalys. Esant tokiam periodui, šviesa sugeneruotų krūvininkų koncentracijos moduliacijos vertė ΔN sparčiai nyksta dėl difuzijos jau gardelės formavimosi metu ir neįtakoja ηsum vertės. Moduliacijos komponenčių Δα1 ir Esc įtaka difrakcijos signalui gali būti išmatuota, parinkus dvi ortogonalias kristalo kristalografinių ašių kryptis ir šviesos pluoštelių poliarizacijas, kurioms
[0017]
[0018] Matavimai šiomis sąlygomis leidžia nustatyti difrakcijos nuo sugerties gardelės giliuose priemaišiniuose centruose vertę Δα1. Difrakcija nuo dvifotonės gardelės Δα2(t) = βI0(t) yra izotropinė ir įtakoja ηsum vertę visuomet, tačiau tik lazerio impulso veikimo metu.
[0019] Impulsinio piksekundinio fotosužadinimo sąlygomis išmatuotą ηsum(t) kinetiką sudaro dvi dalys: pradinė greitoji dalis (rodanti Δα2 vertę, t.y. dvifotonės gardelės įtaką) ir po jos sekanti lėtesnė irimo komponentė (ji parodo sugerties gardelės giliuose centruose Δα1 įtaką). Iš difrakcijos kinetikos išskiriamos dvi difrakcijos efektyvumo vertės. Maksimali difrakcijos signalo amplitudės vertė ηsum(t) = ηmax paimama iš pradinės kinetikos dalies, kai žadinantys ir zonduojantis šviesos impulsai sutampa laike. Antroji signalo amplitudės vertė η2 paimama iš lėtosios kinetikos dalies. Šių verčių santykis Ra.= η2/ηmax ir kristalo gilių lygmenų kompensavimo laipsnis R skaitmeninio modeliavimo keliu gali būti susiejami sąryšiu
[0020]
[0021] kur Sn ir Sp yra atitinkamai elektronų ir skylių generacijos iš gilaus lygmens skerspjūviai. Iš šios priklausomybės yra nustatomas gilių lygmenų kompensavimo laipsnis tiriamajame puslaidininkyje R.
[0022] Kompensavimo laipsnio nustatymo būdo realizavimui naudojama optinė schema, pateikta paveiksle 1. Ją sudaro 25 ps impulso trukmės ir 1064 nm bangos ilgio šviesos lazerinis impulsinės spinduliuotės šaltinis 1, optiniai dalikliai 2, 3 ir 14, veidrodžiai 4, 9, 16 ir 17, Glano prizmė 5, optinio pluoštelio vėlinimo linija, sudaryta iš transliacinio stalelio 7 su elektromechanine pavara ir prizmės 8, poliarizacinė plokštelė 10, fotodetektoriai 6 ir 15, tiriamas bandinys 12 ir duomenų surinkimo sistema 13. Schemos elementų paskirtis - suformuoti optinio žadinimo ir zondavimo kanalus, nukreipti juos į tiriamą puslaidininkinį kristalą, zonduojančiu pluošteliu sekti vyksmus kristale įvairiais laiko momentais ir registruoti šių vyksmų kinetiką pagal zonduojančio pluoštelio difragavusios dalies charakteristikas.
[0023] Puslaidininkinių medžiagų kompensavimo laipsnio nustatymo būdas realizuojamas taip. Lazerinės spinduliuotės pluoštelis iš šaltinio 1 sklinda optiniu kanalu. Optinis daliklis 2 iš šio kanalo nukreipia 10-20 % spinduliuotės į kanalą, naudojamą zondavimui. Likusioji spinduliuotės dalis optiniu dalikliu yra padalinama į dvi lygias dalis ir sukuria du optinius žadinimo kanalus. Dėka 4, 16 ir 17 veidrodžių optiniai žadinimų kanalai patenka į tiriamąjį bandinį iš priešingų jo pusių ir vienu metu. Zondavimo spinduliuotės pluoštelis veidrodžio 9 pagalba yra nukreipiamas į vėlinimo liniją (optinis stalelis 7 ir prizmė 8) ir iš jos veidrodžio 11 pagalba - į tiriamąjį bandinį. Zonduojančiojo pluoštelio kelyje patalpinta poliarizacine plokštele 10 parenkama pluoštelio poliarizacija, statmena optinio žadinimo kanalų spinduliuotės poliarizacijai. Dalis zonduojančios spinduliuotės pluoštelio praeina pro matuojamąjį bandinį ir patenka į detektorių 15. Difragavusi dalis Glano prizme yra nukreipiama į detektorių 6. Fotodetektoriai 6 ir 15 perduoda proporcingus registruojamoms energijoms elektrinius signalus į elektroninį duomenų surinkimo bloką. Surinkti duomenys matematiškai apdorojami ir yra išskaičiuojamas momentinis difrakcinis efektyvumas η, kuris yra apibrėžiamas kaip difragavusio pluoštelio energijos santykis su praėjusio pro bandinį zonduojančio pluoštelio energija. Vėlinimo linija pakeitus zonduojančio pluoštelio atėjimo laiką į bandinį, yra išmatuojama difrakcinio efektyvumo kinetika η(t).
[0024] Gilių lygmenų kompensavimo laipsnio puslaidininkiuose nustatymo būdas realizuotas galio arsenido (GaAs) kristaluose, kuriuose dominuoja gilus EL2 donorinis lygmuo. 2a paveiksle pateiktos eksperimentinės difrakcinio efektyvumo kinetikos išmatuotos naudojant aprašytąją schemą. Vienas iš GaAs kristalų specialiai buvo legiruotas siliciu - seklia donorine priemaiša, kuri padidino gilių lygmenų pradinę užpildą. Kompensavimo laipsnis tiriamuose bandiniuose nustatytas iš difrakcijos efektyvumo verčių, pamatuotų skirtingu laiku, santykio Ra.= η(0)/η(t); čia η(0) - difrakcijos efektyvumas išmatuotas pradiniu laiko momentu, kai žadinantys ir zonduojantis šviesos impulsai sutampa laike, η(t) - difrakcijos efektyvumas pamatuotas po laiko t > τL, kur τL- lazerio impulso trukmė. Iš gautojo santykio verčių Ra=0,12 ir Ra=0,006 (atitinkamai pirmajam ir antrajam bandiniui) ir priklausomybės tarp šio santykio vertės ir kompensavimo laipsnio, kuri parodyta 2b paveiksle, nustatytos Gilių lygmenų kompensavimo laipsnio vertės. Specialiai nelegiruotame GaAs kristale EL2 kompensavimo laipsnis R = 0,62, o legiruotame siliciu - R = 0,37.
[0025] Palyginus su analogu, pasiūlytas kompensavimo laipsnio (gilių lygmenų užpildos) nustatymo būdas yra paprastesnis ir universalesnis, nes nereikalauja elektrooptinio kristalo išpjovimo specifinėmis kristalo grafinėmis kryptimis. Be to, šį metodą galima panaudoti gilių lygmenų kompensavimo laipsniui nustatyti standartinėse, mikroelektronikoje naudojamose puslaidininkinėse plokštelėse, išpjautose augimo ašies [001] kryptimi.
Gilių lygmenų kompensavimo laipsnio nustatymo puslaidininkiuose būdas, kuriame tiriamasis objektas optiškai kaupinamas dviem lazerinės spinduliuotės koherentiškais pluošteliais priemaišinės krūvininkų generacijos sąlygomis, kurie suformuoja dinaminę difrakcinę gardelę, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad naujai įveda trečiąjį optinį kanalą su zondo pluošteliu, matuoja zondo pluoštelio difrakcijos efektyvumo kinetiką nuo atspindžio gardelės, išskiria difrakcijos signalus nuo sugerties koeficiento moduliacijos perelektrintuose giliuose centruose ir nuo dvifotonės sugerties gardelės, išmatuoja šių gardelių difrakcinius efektyvumus ir iš jų santykio nustato kristalo gilių lygmenų kompensavimo laipsnį.