Инфракрасная спектроскопия электрически активных примесей в кремнии и германии

• Автор: Андреев, Борис Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07, 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 335 с. : ил.

Содержание.
Введение.

Глава 1. Электрически активные примеси в полупроводниках

Обзор литературы

1.1. Энергетические спектры примесей в кремнии и германии

1.2. Интенсивности переходов в спектрах фотовозбуждения примесей.

1.3. Абсорбционная ИК спектроскопия электрически активных примесей.

1.4. Фототермическая ионизация примесей

1.5. Экспериментальная техника ФТИС и АС.

1.6. Измерение концентрации электрически активных примесей.

1.7. Электрически активные примеси в высокочистых кремнии и германии

Глава 2. Бесконтактный вариант спектроскопии фотопроводимости
полупроводников
2.1. Принцип действия и устройство бесконтактного преобразователя
2.2. Формирование сигналов фотопроводимости
в бесконтактном преобразователе
2.3. Раздельная регистрация и 5Сспектров.
2.4. Чувствительность бесконтактного способа регистрации спектров
фотопроводимости полупроводников.
Глава 3. Спектрометры инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов длин волн для исследования электрически активных примесей в кремнии и германии8.
3.1. Дифракционный спекгрометр для ФТИС
3.2. Фурьесиекгрометр высокого разрешения для бесконтактной
фототермоионизационной и абсорбционной спектроскопии полупроводников
. Спектрометр и рслаксометр субмиллиметрового диапазона
с лампами обратной волны.
Глава 4. Спектроскопические параметры электрически активных
примесных центров в кремнии и германии.
4.1. Энергетические спскгры примесей в германии.
4.2. Энергетические спектры элементарных доноров и акцепторов в кремнии
4.3. Силы осцилляторов оптических переходов в спскграх фотовозбуждения
мелких примесных центров в i и
4.4. Спекгроскопические параметры двойных термодоноров в кремнии
Глава 5. Концентрационные зависимости спектров фотовозбуждения
электрически активных примесей в кремнии и германии.
5.1. Форма линий в спектрах оптического поглощения и
фототермической ионизации примесей
5.2. Зависимость ширины линий в спектрах ФТИ от концентрации примесей
5.3. Определение концентрации примесных комплексов.
5.4. Зависимость времени релаксации фотопроводимости от концентрации компенсирующих примесей в высокочистом германии.
5.5. Влияние селективного поглощения на спектры фотопроводимости
в области фотоионизации примесей.
Глава 6. Примесный состав высокочистых и легированных кристаллов
кремния и германия
6.1. Элементарные примеси и примесные комплексы в высокочистом
гидридном германии.Г
6.2 Источники поступления примесей в высокочистый германий.
6.3. Электрически активные примесные центры в
высокочисгом и моноизотопном кремнии
6.4. Примесная фотопроводимость в легированном слабо компенсированном р
6.5. Энергетический спекгр кислородсодержащих термодоноров в кремнии.
6.6. Особенности формирования термодоноров в кристаллах кремния,
выращенных по Чохральскому, при отжиге иод давлением
6.7. Кремний с минимальными диэлектрическими потерями
Глава 7. Излучающие и электрически активные
примесные центры в кремниевых структурах,
легированных редкоземельными элементами и кислородом
7.1. Излучающие центры в и 8Юе, содержащие ионы Ег3
7.2. Спектроскопические параметры и микрострукгура ценгра
7.3. Электрически активные центры в кремнии, легированном
редкоземельными элементами.
7.4. Эффективность и температурное гашение люминесценции иона Ег3 в эпитаксиальных кремниевых структурах
7.5. Излучающие центры, содержащие ион Но3 в кремнии
7.6. О возможности лазерной генерации в кремниевых структу рах,
. легированных редкоземельными элементами.
Приложение 1.
Приложение 2.
Заключение.
Литература


Согласно существующим представлениям, развитым в работах Когана с сотрудниками ,, механизм линейчатой фотопроводимости состоит в одновременном или последовательном поглощении атомом примеси фотона и фононов, в результате чего происходит фотовозбуждение носителя, связанного на примеси, и его термическая ионизация см. При ионизации атома примеси возникает дополнительный свободный носитель заряда, дающий вклад в фотопроводимость. Спектр фототермической ионизации но положению линий на шкале частот совпадает со спектром оптического поглощения. Вероятносгь термической ионизации носителя из возбужденного состояния отлична от единицы, поскольку переходы связанных носителей по возбужденным состояниям, вызванные поглощением и испусканием фононов, могут закончиться прилипанием из п возбужденного состояния с вероятностью т. Представление о фототермической ионизации из локализованных состояний ввел Мотт еще в г. Позднее это явление рассматривал Перлин с соавторами ,. Теорию фототермической ионизации примесей в полупроводниках разработали Коган и Седунов . Результаты экспериментальных исследований температурных зависимостей интенсивностей линий ФТИ и определений Г приведены в . Т7 коэффициент, пропорциональный концентрации примеси и силе осциллятора перехода. Г ширина линии ФТИ. Отношение Е Гп может быть больше 3 и линии ФГИ можно наблюдать в чистых материалах с совершенной кристаллической структурой даже при низких температурах, когда вероятности термической ионизации малы. Высокая чувствительность фототермоионизационной спектроскопии является важным достоинством, выделяющим ее из других методов анализа. Это свойство связано с особенностью формирования сигнала примесной фотопроводимости, вследствие которой величина сигнала иРГ не зависит от концентрации примесей, как основных, так и компенсирующих в весьма широких пределах их изменений . Для измерения фотопроводимости полупроводник с нанесенными контактами включают в цепь последовательно с источником напряжения и нагрузочным резистором . ЛЯ,. Пг2 п
Здесь и напряжение на образце, Я его сопротивление, Г2 частота модуляции излучения, т время жизни носителя заряда в свободной зоне. В дальнейшем будем полагать частоту модуляции низкой Ох 1. Рис. Схема регистрации сигнала фотопроводимости. В работе получена формула, описывающая концентрационную зависимость аналитического сигнала при фототермической ионизации
би,. П1 А 2 1 1 кх2 4х кх1где . КП и кх шип. МКОмпМосн. Ф ГИ, р коэффициент ионизации примеси теплом и фоновым излучением, А площадь облучаемой поверхности образца,. В условиях, когда тепловая и фоновая генерация носителей заряда с примесей практически не изменяют их заполнения, относительное изменение электропроводности полупроводника под действием зондирующего излучения спектрометра, а, значит и его примесная фотопроводимость, не зависят от концентрации основной и компенсирующей примесей при Мкомп. Оценки показали, что для примесей III и V групп в германии в обычных условиях спектроскопического эксперимента при темпе
ратуре 6 8 К характерная концентрация П г см . При уменьшении концентрации до величин для 9 см3 аналитический сигнал ФТИ начинает уменьшаться. Из соотношения 1. ФТИС. ФТИсигнапа и величины генерационнорекомбинационного шума минимально обнаружимая концентрация равна
где V объем образца ширина полосы пропускания схемы регистрации. Для примесей 1 и V групп в кремнии и германии величина, равная i 5 6 ат. В ряде экспериментальных работ 1, 0 регистрировали ФТИспектры примесей в германии при концентрации до см3. Наиболее чистые из существующих образцы кремния и германия содержат Ю
атомов электрически активных примесей в см . Очевидна поэтому перспектива аналитических применений метода ФТИС. Необходимо отметить, что генерационнорекомбинационный шум является не единственным источником шума, ограничивающим предел обнаружения. Серьезную проблему традиционного варианта ФТИС представляет контактный шум 1, связанный с качеством омических контактов к образцу. Влияние качества кон тактов на величину предела обнаружения примесей методом ФТИС, отмечаемое во многих работах, не исследовано. Очевидно, что величина iVi , определяемая суммарной мощностью шумов в полосе пропускания схемы регистрации, может заметно превысить приведенную выше теоретическую оценку.