Устройство для измерения концентрации носителей заряда в полупроводниковых материалах

Полезная модель относится к технике измерения электрофизических параметров полупроводниковых материалов и направлена на повышение точности измерений концентрации носителей заряда в таких материалах. Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации носителей заряда в полупроводниковых материалах, которое содержит измерительный зонд и регистрирующий прибор, для повышения точности измерений концентрации носителей заряда измерительный зонд снабжен электрическим нагревателем, а регистрирующий прибор выполнен в виде милливольтметра. 2 илл.

Полезная модель относится к технике измерения электрофизических параметров полупроводниковых материалов, а точнее к устройствам, применяемым для измерения концентрации носителей заряда (к.н.з.) в полупроводниках.

Известно устройство для измерения концентрации носителей заряда в полупроводниковых материалах, основанное на эффекте Холла [1].

Устройство содержит электромагнит, источник тока и милливольтметр для измерения ЭДС Холла. Недостатком этого устройства является низкая локальность измерений. Измерения проводят на пластинах полупроводников размером ~10×10 мм² и толщиной 0.5÷1 мм. Уменьшение размеров измеряемых пластин приводит к снижению точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения концентрации носителей заряда в полупроводниковых материалах, содержащее измерительный зонд и регистрирующий прибор [2].

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения к.н.з. в условиях проведения локального тестирования полупроводникового материала.

Задачей, поставленной при разработке настоящей полезной модели, является решение проблемы обеспечения высокой точности измерения к.н.з. при локальном тестировании полупроводникового материала. Технический результат полезной модели - устройство, обеспечивающее достижение поставленной задачи.

Названные задача и технический результат обеспечиваются тем, что в устройстве для измерения концентрации носителей заряда в полупроводниковых материалах, которое содержит измерительный зонд и регистрирующий прибор, для повышения точности измерений к.н.з. измерительный зонд снабжен электрическим нагревателем, а регистрирующий прибор выполнен в виде милливольтметра.

Техническая сущность полезной модели поясняется схемами, представленными на фигурах.

Фиг.1 - схема устройства для измерения к.н.з., принятого за прототип.

Фиг.2 - схема предлагаемой полезной модели.

Устройство, схематически изображенное на фиг.1, содержит измерительный зонд 1 с механизмом подъема и опускания (не показан), который контактирует с исследуемым образцом 2, и регистрирующее устройство 3, измеряющее сопротивление контакта (R_S) измерительного зонда. Измерительный зонд в месте контакта оставляет на измеряемом образце лунку диаметром d_K, которая и определяет локальность измерения величины R_S.

Далее измеренное значение R _S переводят в величину удельного сопротивления () =k·R_S, где k - константа, которая определяется из измерений R_S у образца с известным значением величины [2]. Используя известную зависимость n=f() [3] стр.61, где n - к.н.з., переводят величину в величину n. Но такое определение n из зависимости n=f() не является точным. Выражение для имеет вид =(е·µ·)^-1 [3] стр.55, где e - заряд электрона, µ - подвижность носителей заряда. Величина µ зависит от n [3] стр.60, что учтено в кривых зависимости n=f() [3] стр.60. Но величина µ зависит также от качества кристаллической решетки полупроводника, т.е. наличия в ней вакансий атомов, дислокации, упругих напряжений, нейтральных атомов и т.д. Вышеперечисленные факторы связаны с чистотой исходных материалов и технологией получения кристаллов полупроводниковых материалов [3] стр.55-56 и не могут быть учтены в кривой зависимости n=f() [3] стр.61. Поэтому величина n, полученная из измерений R_S, может существенно отличаться от ее действительного значения, что является существенным недостатком прототипа. Схема предлагаемого устройства, лишенная указанного недостатка, представлена на фиг.2. Устройство содержит: измерительный зонд 1 с устройством подъема и опускания, измеряемый образец 2, регистрирующее устройство 3, в качестве которого применен милливольтметр, электрический, и нагреватель (4).

Устройство функционирует следующим образом, Запитывают электрический нагреватель 4 от стабилизированного источника питания, благодаря чему разность температур T между контактом измерительного зонда с образцом и остальной частью образца остается в процессе измерений постоянной. Из-за нагрева в месте контакта зонд-образец возникает термоэдс (U _T), величина которой измеряется милливольтметром. Выражение для величины U_T можно записать в виде [5] стр.239

где А и С константы для измеряемого образца, а величина n однозначно связана с U_T.

Таким образом, введение электрического нагревателя измерительного зонда позволило заменить измерение величины R_S, которая зависит как от величины к.н.з., так и от подвижности носителей заряда (н.з), величиной U_T, которая зависит только от к.н.з. Тем самым устраняется погрешность в определении величины к.н.з,, связанная с подвижностью н.з. Локальность измерения, как и при измерении R_S, определяется диаметром лунки d_K, оставляемой измерительным зондом на измеряемом образце.

Пример использования устройства. За 10-15 мин. до начала работы включают электрический нагреватель зонда. За это время происходит нагрев измерительного зонда до температуры T₁, которая выше температуры измеряемого образца T ₂. Точное значение температуры зонда T₁ не имеет значения. Важно, чтобы величина T=T₁-T₂ не менялась со временем. Это достигается применением стабилизированного источника электропитания электрического нагревателя зонда. Далее с помощью механизма подъема и опускания зонда (на фиг.2 не показан) осуществляется контакт измерительного зонда 1 с образцом 2. Примерно через 5÷10 сек происходит нагрев контакта и показания милливольтметра (3) изменяются. С окончанием прогрева контакта показания милливольтметра стабилизируются и происходит съем показаний U_T. Таким образом, получают k значений U_Ti в разных точках образца. Для вычислений величин n_i (i=1÷k) используют выражение (1). Поскольку величина T в процессе измерений не меняется, то величину T·A в (1) обозначим через В. Тогда уравнение (1) будет иметь вид

В уравнении (2) имеются две неизвестные константы B и C. Поэтому для их нахождения необходимо иметь два эталонных образца с разными известными значениями n_1э и n_2э и однотипные с измеряемым образцом. Например, измеряется образец германия Ge с дырочным типом проводимости. Тогда в качестве эталонных образцов используются образцы Ge с дырочным типом проводимости. Пусть известным значениям n _1э и n_2э эталонных образцов соответствуют измеренные значения величин U_Tэ1 и U_Tэ2 - Тогда величины n_i (опускаем элементарные выкладки) можно вычислить по формуле:

Проведенные испытания подтвердили промышленную применимость предлагаемого устройства. Оно может быть использовано для измерения величины к.н.з. там, где необходима высокая локальная точность измерений. Например, в исследовательских целях при разработке полупроводниковых материалов с высокой однородностью распределения электрофизических параметров, а также для контроля однородности распределения легирующей примеси в производстве полупроводниковых материалов.

Источники информации.

1. Л.П.Павлов. «Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов», М.: Высшая школа. 1975 г. стр.48-60.

2. B.C.Пантуев, В.А.Петухов. «Автоматизация при измерении удельного сопротивления методом сопротивления растекания // Электронная техника», сер.6. Материалы. 1979. вып.2. с.106-108.

3. А.Я.Нашельский, «Производство полупроводниковых материалов». М.: Металлургия. 1982 г. стр.55-.64.

4. А.В.Картавых, Э.С.Копелиович и др. «Формирование примесной неоднородности при выращивании монокристаллов Ge в условиях микрогравитации» // Кристаллография. 1997. т.42. 4. стр.756.

5. Л.А.Неменов, М.С.Соминский. «Основы физики и техники полупроводников», Ленинград. Наука. 1974.

Устройство для измерения концентрации носителей заряда в полупроводниковых материалах, содержащее измерительный зонд и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что измерительный зонд снабжен электрическим нагревателем, а регистрирующий прибор выполнен в виде милливольтметра.