Модифицированные фототепловые методы для определения электронных и тепловых параметров полупроводниковых материалов

Технический прогресс на рубеже 21-го века выдвинул высокие требования к качеству полупроводниковых материалов, в первую очередь к точности и экспрессности определения их тепловых и электронных параметров.

Контактные методы исследования имеют отрицательные характеристики из-за большой погрешности измерений и ограничений для образцов полупроводниковых материалов, обладающих высокой теплопроводностью, малыми временами жизни носителей заряда, а также для тонкопленочных образцов.

Потребности производства ставят перед исследователями задачи, связанные с разработкой моделей и методик локального, дистанционного, неразрушающего контроля материалов путем определения их тепловых и электронных параметров в широком температурном диапазоне. Решать эти задачи возможно благодаря использованию бесконтактных, неразрушающих, безэталонных фототепловых методов.

Впервые физическая основа и теоретическое обоснование одного из наиболее популярных фототепловых методов — метода «мираж» -эффекта были рассмотрены в работе Fournier D., Boccara A.C., Badoz J. [1]. Фоторефлекционный метод, как правило, применяется в тех случаях, когда применение метода «мираж» — эффекта из-за особенностей геометрии образца становится затруднительным.

К данному времени различные группы исследователей показали возможность измерения тепловых и электронных параметров образцов с применением вышеупомянутых методов, однако, так и не было создано экспресс — методов определения параметров образцов в реальном времени. Не проводились измерения тепловых и электронных параметров образцов в различных температурных диапазонах, которые могли бы раскрыть процессы распространения тепла в образце и определить механизм формирования погрешностей определяемых физических параметров образцов. Точность измерения параметров образцов, определяемых методом «мираж» — эффекта с импульсным возбуждением, была невысока (до 30%). При определении параметров образцов не учитывалось влияние скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда. Измерения тепловых и электронных параметров широко применяемых в промышленности тонкопленочных материалов (которые невозможно достоверно провести с использованием традиционных контактных методов) бесконтактными методами в России вообще не проводились из-за отсутствия технической базы для существовавшей методики.

Цель работы:

Цель данной работы состояла в модернизации фототепловых методов, позволяющей улучшить их характеристику, учесть скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда при обработке экспериментальных результатов, добиться понижения погрешности определения тепловых и электронных параметров полупроводниковых материалов, а также проводить измерения тепловых параметров тонкопленочных образцов.

Для достижения цели данной работы решались следующие задачи:

— по созданию фототеплового экспресс — метода, позволяющего определять параметры образцов с меньшей погрешностью и в режиме реального времени;

— по разработке и реализации методики измерения коэффициента температуропроводности тонких пленок, в том числе с высокими коэффициентами теплои температуропроводности;

— по созданию расчетной модели обработки экспериментальных результатов, получаемых с использованием импульсного метода «мираж» — эффект, учитывающей влияние рекомбинационных процессов на поверхности образца;

— по проведению измерений температуропроводности полупроводниковых образцов в диапазоне (77−300) К.

Научная новизна:

1. Создан экспресс — метод на основе фоторефракционного явления, который благодаря впервые примененному разделению пробного луча позволяет в режиме реального времени проводить более корректные измерения параметров образцов (коэффициентов диффузии, теплои температуропроводности, времени жизни носителей заряда) по сравнению с традиционным методом «мираж» — эффекта.

2. Разработана и экспериментально реализована оригинальная методика на базе фоторефлекционного эффекта с использованием искусственно созданных биений между пробным и возбуждающим излучениями, позволяющая проводить измерения коэффициента температуропроводности и геометрических размеров тонкопленочных образцов.

3. Впервые обнаружен эффект пространственного раздвоения пробного луча при прохождении фронта температурной волны через полупроводник.

4. Предложена расчетная модель обработки экспериментальных результатов, получаемых с использованием импульсного метода «мираж» — эффект, учитывающая влияние рекомбинационных процессов на поверхности образца.

5. Впервые проведены измерения скорости поверхностной рекомбинации кремниевых образцов методом «мираж» — эффект.

6. Впервые проведены измерения коэффициентов температуропроводности кремниевых образцов в диапазоне (77−300) К импульсным методом «мираж» — эффект, позволившие понять механизм распространения тепла в образцах и характер методической погрешности эксперимента.

Практическая ценность работы:

Предложенные в работе новые фототепловые методики, использующие разделение пробного луча, специально созданные биения между пробным и возбуждающим излучениями, а также расчетную схему, учитывающую скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда, позволяют:

— более корректно, по сравнению с традиционными методиками, определять параметры полупроводников (коэффициент температуропроводности, время жизни носителей заряда, скорость поверхностной рекомбинации, коэффициент диффузии носителей) в режиме реального времени;

— определять скорость поверхностной рекомбинации образцов с использованием импульсного метода «мираж» — эффект;

— определять коэффициент температуропроводности и геометрические размеры тонкопленочных материалов, измерение которых другими методами не представляется возможным;

— снизить погрешность определения тепловых (коэффициент температуропроводности) и электронных (коэффициента диффузии фотоиндуцированных носителей заряда, времени жизни носителей заряда) параметров полупроводников;

— измерять параметры полупроводниковых образцов (коэффициенты теплои температуропроводности) в диапазоне (77−300)К.

Основные положения, выносимые на защиту, учитывают научную новизну и практическую ценность работы и состоят в следующем:

1. Впервые предложен, обоснован и экспериментально реализован экспресс — метод на базе фоторефракционного явления, основанный на оригинальной идее использования разделенного пробного луча, что позволило измерять физические параметры образцов (коэффициенты диффузии, теплои температуропроводности, время жизни носителей заряда) в режиме реального времени, а также значительно снизить погрешность их измерений — на (10−25)%.

2. Разработана и экспериментально реализована новая методика измерения коэффициента температуропроводности тонких пленок фоторефлекционным методом, использующая специально созданные биения между пробным и возбуждающим излучениями.

3. Впервые экспериментально обнаружен эффект пространственного расщепления пробного луча при прохождении фронта температурной волны через полупроводник и дана его интерпретация, позволившая понять механизм формирования фототеплового сигнала на малых глубинах зондирования.

4. Создана новая расчетная модель обработки результатов, получаемых с использованием импульсного метода «мираж» — эффект, учитывающая влияние рекомбинационных процессов на поверхности образца, а также позволяющая определить скорость поверхностной рекомбинации и понизить погрешность определения параметров (коэффициента диффузии, времени жизни носителей заряда) образца.

5. Впервые импульсным методом «мираж» — эффект проведены измерения коэффициентов температуропроводности кремниевых образцов в диапазоне (77−300) К, подтвердившие эффективность физической модели метода и выявившие характер методической погрешности эксперимента.

Вклад автора:

Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы:

Основные результаты докладывались на:

1. 8-ой Международной Конференции по Фотоакустическим и Фототепловым явлением (Гваделупа, Франция, 1994 г.).

2. Международном Семинаре по Современной акустике (Нанкин, Китай, 1994 г.).

3. 4-м Семинаре по Фотоакустике и Фототепловым Явлениям (Гливиц, Польша, 1999 г.).

4. Научной Сессии МИФИ-99 (Москва, 1999 г.).

5. Научной Сессии МИФИ-2000 (Москва, 2000 г.).

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах:

1. Лапшин К. В., Петровский А. Н., Сальник А. О. Применение метода фотодефлекционной спектроскопии для измерения температуропроводности кремния при низких температурах. Письма в ЖТФ. М, 1993, том 9, вып. 1, сс. 24−28.

2. Лапшин К. В., Петровский А. Н., Сальник А. О., Зуев В. В. Применение метода фотодефлекционной спектроскопии для измерения скорости поверхностной рекомбинации кремния в диапазоне температур (77 — 300) К. Письма в ЖТФ, М., 1994, том 20, вып. 21, сс. 60−64.

3. Lapshin К.V., Salnick А.О., Petrovsky A.N. Low Temperature Si Thermal Properties Characterisation Using the Photothermal Beam Deflection 8-th Topical International Meeting on Photoacoustic and Photothermal Phenomena. Guadeloupe, France, 1994, pp. 135−136.

4. Petrovsky A.N., Lapshin K.V., Zuev V.V. and Salnick A.O. Low temperatures Si thermal and electron measurements using the mirage technique. International Workshop on Modern Acoustics. Nanjing, China, 1994, p. 72.

5. Петровский A.H., Лапшин K.B., Зуев B.B. Измерение тепловых и электронных параметров полупроводников методом «мираж» — эффект с импульсным возбуждением и раздвоением пробного луча. Письма в ЖТФ, М., 1998, том. 24, вып. 17, сс. 63−67.

6. Лапшин К. В., Петровский А. Н., Зуев В. В., Лабузов Д. О. Исследование тепловых параметров тонких пленок методом «мираж» -эффект с гармоническим возбуждением с применением гетеродинирования возбуждающего и пробного излучений. Научная сессия МИФИ-99. М., 1999, том 3, сс. 168−169.

7. Петровский А. Н., Лапшин К. В., Зуев В. В. Измерение тепловых и электронных параметров полупроводников методом «мираж» — эффект с импульсным возбуждением с раздвоением пробного луча. Научная сессия МИФИ-99. М., 1999, том 3, сс. 170−171.

8. Anatoly N. Petrovsky, Konstantin VI. Lapshin, Vyacheslav V. Zuev. The definition of the electron and thermal properties of Si samples using pulse «mirage» effect with probe beam have been separated. 4rd Workshop on Photoacoustics & Photothermics. Gliwitce, Poland, 1999, p. 94.

9. Петровский A.H., Лапшин K.B., Зуев В. В., Явление раздвоения пробного луча на малых глубинах зондирования образца в импульсном фотодефлекционном методе. Научная сессия МИФИ-2000. М., 2000, том 4, сс. 146−147.

10. К. В. Лапшин, А. Н. Петровский, В. В. Зуев, А. Д. Кирюхин, Д. В. Лабузов. Исследование образцов с тонкими пленками методом фототеплового отражения с гармоническим возбуждением с применением гетеродинирования возбуждающего и пробного излучений. Письма в ЖТФ. М., 2000, том 26, вып. 2, сс. 35−40.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате решения задач по модификации фототепловых методов для определения электронных и тепловых параметров полупроводников получены следующие основные результаты.

1. Создан экспресс-метод на базе фоторефракционного эффекта, который впервые — благодаря примененному разделению пробного луча — позволяет в режиме реального времени «безконтактно», безэталонно определять значения параметров образцов (коэффициенты диффузии, теплои температуропроводности, время жизни носителей заряда), в том числе понизить погрешность их измерения.

2. С помощью предложенного экспресс-метода на созданной оригинальной установке определены значения коэффициентов температуропроводности (погрешность измерения которых была — по сравнению с классическим методом — снижена с 25% до 15%) и скоростей распространения максимумов градиентов тепловых волн кремниевых образцов.

3. Впервые разработана и экспериментально реализована методика измерения коэффициента температуропроводности тонких пленок на основе фоторефлекционного явления путем использования специально созданных биений между пробным и возбуждающим излучениями.

4. Впервые обнаружен эффект пространственного расщепления пробного луча при прохождении фронта температурной волны через полупроводник. Дана интерпретация данного явления, позволившая более точно понять особенности формирования фототеплового сигнала, наблюдаемого при исследованиях образцов с использованием метода «мираж» — эффект.

5. Предложена расчетная модель обработки результатов, получаемых с использованием импульсного метода «мираж» — эффект, учитывающая влияние рекомбинационных процессов на поверхности образца. Данная модель позволяет определять скорость поверхностной рекомбинации образцов, а также снизить погрешности определения коэффициента диффузии и времени жизни носителей заряда исследуемых образцов.

6. Благодаря использованию предложенной расчетной модели обработки результатов, впервые фототепловыми методами определены значения скоростей поверхностной рекомбинации носителей заряда в исследуемых материалов.

7. Впервые проведены измерения коэффициентов температуропроводности кремниевых образцов в диапазоне (77−300) К импульсным методом «мираж» — эффект. По полученным экспериментальным значениям коэффициентов температуропроводности сделаны выводы о тепловых процессах, протекающих в исследуемом образце после воздействия на него возбуждающего излучения (а следовательно о достоверности используемой физической модели), и о характере формирования погрешностей определения параметров полупроводниковых образцов.

В заключение хочу выразить искреннюю благодарность моему научному руководителю А. Н. Петровскому за постоянное внимание и помощь в работе, В. В. Зуеву за ценные обсуждения и помощь в работе, а также И. Г. Гончарову за помощь в редактировании автореферата к данной работе.