Способ определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СОСТОЯНИЙ В ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЕ А140РФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ , включающий приложение напряжения к структуре с барьером Шоттки, регистрацию тока и вычисление искомой величины, отличающийс я тем, что, с целью определения распределения плотности состояний в объеме аморфных полупроводников и повышения точности, к исследуемой структуре прикладывают импульсное напряжение, дополнительно подвергают ее воздействию импульса .света с л he длиной волны % S ---, длительностью Л W с fc ---, интенсивностью,удовлетвогп ряющей условию , и регистрип руют изменение амплитуды переходного фототока в зависимости от времени между окончанием приложения к структуре импул1зса напряжения и временем фотовозбуждения, где ; Eg - ширина запрещенной зоны полупроводника , эВ; Ь - постоянная ГЬтанка, зВ-с; с - скорость света, см-с; 1S W - ширина области пространст (Л венного заряда в полупроводнике , см; Р подвижность электронов в зоне проводимости полупроводника , Е -. максимальная напряженность поля в области пространст . венного заряда, В-см п - собственная концентрация носителей заряда в полупро .воднике, Пд - концентрация фотовозбужденных . носителей заряда,см .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОЕ ав

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ и

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fl0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3579350/25 (22) 15.04.83 (46) 30,03.91. Бюл. У 12. (71) Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) О.И.Коньков, А.А.Андреев и Е.И.Теруков (53) 621.382 (088.8) (56) Р.Victorovitch and Э. Iousse, Capacitauce — voltage measurement

on а — Si Shottky barrier I Ноп—

Cryst Solids 35-36, р. 569, 1980.

W.Е. Spear and P.Ñ. Le Comber, Investigation of localised state

destribution in amorphons Si fihus

I Non-Cryst Solids 8-10, р. 727, 1972. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СОСТОЯНИЙ B ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЕ АИОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ,включающий приложение напряжения к структуре с барьером Р(оттки, регистрацию тока и вычисление искомой величины, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью определения распределения плотности состояний в объеме аморфных полупроводников и повышения точности, к исследуемой структуре прикладывают импульсное напряжение, дополнительно подвергаИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников ° (g))$ Н 01 L 21/66, 0 Ol К 31/26 ют ее воздействию импульса света с

hc длиной волны А (— -- длительностью

Е К

7 (— —, интенсивностью,удовлетво"(МЕ

По ряющей условию — — — (1 и регистрируют изменение амплитуды переходного фототока в зависимости от времени между окончанием приложения к структуре импульса напряжения и временем фотовозбуждения, где ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ; постоянная Планка, эВ с; скорость света, см с ширина области пространственного заряда в полупроводнике, см; подвижность электронов в зоне проводимости полупровод ника, см В с максимальная напряженность поля в области пространственного заряда, В см собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике, см ; концентрация фотовозбужденных носителей заряда,см

Известен способ определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников, связанный с измерением вольтфарадных характеристик. В этом способе осуществляется измерение емкосИ 27488 ти структуры с барьером Шоттки или р-и перехода в зависимости от приложенного напряжения. Обработка экспериментальных данных в рамках сущест" 5 вующих моделей позволяет получить .информацию о распределении плотности состояний в запрещенной зоне аморфного полупроводника.

Недостатками данного способа являются — недостаточная точность определения распределения плотности состояний в объеме аморфного полупроводника вследствие невозможности выделе- f5 ния влияния поверхностных состояний в определяемую плотность, ограниченность диапазона определения распределения плотности состояний по энергии, 20 длительность процесса измерений.

Известен также способ определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупровод- 25 ников, включающий приложение напряжения к структуре с барьером Чоттки, регистрацию тока и вычисление искомой величины. Согласно этому способу к структуре с барьером 1Воттки (металл-окисел-полупроводник) прикладывается внешнее постоянное напряжение и регистрируется поверхностный ток на границе окнсел — полупроводник.

Изменение величины внешнего напряже35 ння ведет к изменению загиба зон в полупроводнике на границе окисел-полупроводник, что меняет концентрацию свободных носителей в полупроводнике и приводит к изменению поверхностного тока, измеряемого между контактами. Иатематическая связь между величиной измеряемого поверхностного тока и плотностью состояний, с одной стороны, и между внешним напряжением 45 и плотностью состояний, с другой стороны, позволяет определить величину плотности состояний и ее распределение в запрещенной зоне аморфного полупроводника.

Данный способ позволяет определить распределение плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников в широком диапазоне энергий и несколько повышает точность.

Недостатками способа являются невозможность получения распределения состояний в объеме полупроводника, невысокая точность вследствие высокой чувствительности к поверхности состояниям в связи с регистрацией поверхностного тока и влияния трудно устранимых посторонних токов (токи утечки, эмиссионные токи,термоэлектрические токи).

Цель изобретения - определение распределения плотности состояний в объеме аморфных полупроводников и ,повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения распределения плотности состояний в запрещенной зоне аморфных полупроводников, включающем приложение напряжения к структуре с барьером Шоттки,регистрацию тока и вычисление искомой величины, к исследуемой структуре прикладывают импульсное напряжение,дополнительно подвергают ее воздействию импульса света с длиной волны

hc Л

% = — —, длительностью

Ея Е интенсивностью, удовлетворяющей усп ловию — +- 1, и регистрируют иэмеп нение амплитуды переходного фототока в зависимости от времени между окончанием приложения к структуре импульса напряжения и временем фотовоэбуждения, где:

Eg — ширина запрещенной зоны полупроводника, эВ;

h — постоянная Планка, эВ с; с — скорость света, см.с

v — ширина области пространственного заряда в полупроводнике, см; (Ц вЂ” подвижность электронов в зоне проводимости полупроводI ника, c M 8 ° c

Š— максимальная напряженность поля в области пространствен-! ного заряда, В см и — собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике, см и — концентрация фотовоэбужден««3 ных носителей в заряде,см

Предлагаемый способ основан на измерении амплитуды переходного фототока, для чего необходимо создание неравновесных фотовозбужденных носителей заряда в объеме полупроводника. Это условие выполняется при ис д 6 — — ° С другой стороны, длительpg

127488 с

F f -cap()() P с е J Н(Я)дЕ, (х) (2) потенциала в

5 1 ность светового импульса, определяющая время нарастания переходного фототока от нулевого значения до максимума, должна быть такой, чтобы за это время фотовозбужденные носители заряда не вьппли из области пространственного заряда, что реализуется при условии (, †вЂ, Генерируемые

Л (Ц Е при фотовозбуждении носители могут искажать распределение поля в полупроводнике. Для устранения этого эффекта интенсивность света должна удовлетворять условию, прн котором концентрация фотовозбужденных носителей не превышает собственной концентрации носителей заряда в полупроводнике, т.е. при условии

llo и †-- 1. При невыполнении указанных условий для длины волны, длительности и интенсивности светового импульhc Л w и, са, т.е. при ф ) — --, (. O — --, — - 1

Eg (МЕ n окажется невозможным определение распределения плотности состояний в объеме полупроводника и повышение точности.

При таком профиле потенциала плотность заряда в ОПЗ определяется выражением

4-Е1Р(Х) f)one f "®)agi

Eg где е — заряд электрона, ))1(P) — функция распределения плотности состояний в запрещенной зоне полупроводника, см эВ энергия, эВ;

Ц)(х) — профиль потенциала в ОПЗ,В.

При приложении к структуре внешнего напряжения "-" на электроде 1, "+" на электроде 4 (см.фиг.l), происходит изменение профиля потенциала в полупроводнике, что иллюстрируется Фиг.3.

При таком профиле потенциала плотность заряда в ОПЗ определяется выражением

4 -elf(1()

pons = e f is(F)d

Еу

3О где Е (х) — профиль

На фиг.l представлена исследуемая структура; на фиг.2 — профиль распределения потенциала в структуре с барьером Шоттки в отсутствии внешнего напряжения; на фиг.3 — профиль распределения потенциала при приложении к структуре внешнего напряжения; на Фиг. 4,5,6 — представлена временная диаграмма, разъясняющая порядок следования импульсов и оегистрации фототока; на фиг.7 — определенное предлагаемым способом расп- ределение плотности состояний в запрешенной зоне аморфного кремния, Дпя структуры с барьером .!1оттки (Фиг.l),ñîäåðæàùåé металлический полупрозрачный контакт 1, слой 2 диэлектрика, слой 3 исследуемого аморфного полупроводника, металлический электрод 4 на границе диэлектрикполупроводник в отсутствии внешнего напряжения в равновесной ситуации образуется загиб зон и формируется область пространственного заряда, что показано на Фиг.2, где граница

5 эоны проводимости F граница 6 валентной зоны Е, уровень 7 Ферми полупроводника F, область 8 пространственного заряда (ОПЗ).

ОПЗ при приложении внешнего напряжения,В.

Г = Ч ), ехр(- — — )

Е

kT (3) где 11)1) — фотонная частота, Гц;

Я вЂ” энергия освобождаемого состояния, эВ; постоянная . эВ оград

Т вЂ” абсолютная температура, град.

Тогда энергия состояний, освобождающихся к моменту времени t после окончания импульса напряжения:

Вольфмана, $(t) = kTln(t)f)),) (4) 55

При этом вьппе f (t) локализованные состояния свободны, а ниже — заняты электронами, и формулу (2) можно переписать, в. виде:

После выключения внешнего напряжения профиль потенциала в ОПЗ стремиться к равновесному, т.е. переходить от E(X) к ((х) за счет термического освобождения электронов с локализованных состояний в ОПЗ с ве40 Роятностью

1.1 27488 (5) 35

7

Es-и ()

Ь (x t) е J M(p)dg +

1. ооа

Cy-cap(x)

e j и(Я)дЕ.

C(P

Поле в ОПЗ определяется по закону

Пуассона:

Ei(x,t) = — - (p (х,t)dx+c, (6). 1

ESSED x где С вЂ” диэлектрическая проницаемость вакуума, Р, м — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; с — постоянная интегрирования, В ° м

Амплитуда измеряемого переходноrо фототока определяется выражением

Ь р,+рр . „-И

j e ) Ei (x> t)fg Ip4 e,1к у о (7)

1"- щ — дрейфовые подвижности элект- 25

tl ронов и дырок в полупроводнике соответственно, см . В ° с толщина слоя полупроводника, см; 30 квантовый выход;

-с

g. — коэффициент поглощения,см

I — поток подающих фотонов, о см -с"

С вЂ” длительность импульса возбуждения,с.

Таким образом, система уравнений (4) — (7) позволяет установить количественную связь между амплитудой переходного фототока и величиной плотности состояний, а изменение этой амплитуды во времени после окончания импульса напряжения — распределение плотности состояний в интервале энергий от границы зоны проводимости до середины запрещенной зоны. Распределение плотности состояний B интервале от границы валентной зоны до середины запрещенной зоны определяется аналогично путем приложения к структуре внешнего напряжения другой полярности.

На фиг. 4,5,б представлена временная диаграмма, разъясняющая порядок следования импульсов и регистрации

55 фототока.

К исследуемой структуре приклады вают внешнее импульсное напряжение (фиг.4). Спустя некоторый интервал времени t после окончания приложения к структуре импульса напряжения, структура подвергается воздействию импульса света длительностью 9 (фиг.5)..Производится регистрация переходного фототока во времени.При этом за время фотовозбуждения б переходный фототок возрастает от нулевого значения до амнлитудного (максимального) j а после окончания фотовозбуждения спадает в соответствии с законами дрейфа, диФФузии и т.д. пакета фотоинжектированного заряда- (фиг.б).

Производится измерение двух величин: временного интервала от окончания приложения к структуре импульса напряжения до времени, при котором переходный фототок достигает своего амплитудного (максимального) значения, равный г. = и + Ac, /2, и амплитуды (максимального значения) переходного фототока j,êîòîðàÿ достигается в момент времени

+ Ai. /2 после окончания приложения к структуре импульса напряжения.

По значению времени t t + 9 /2

1 по формуле (4) определяется энергия

Я(с + Ф /2), а по амплитуде переходного фототока j по формулам (5) — (7) определяется величина плотности состояний Н(Я) для этой энергии f (t +

+ A /2)

Таким образом, чтобы определить величину плотности состояний Н() при любой наперед заданной энергии 8 т.е, определить распределение плотности состояний в запрещенной зоне, нужно произвести последовательность вышеуказанных операций, т.е. произвести измерение амплитуды (максимального значения) переходного фототока

j для соответствующего заданной энергии Я интервала времени между окончанием приложения к структуре импульса напряжения и временем фотовозбуждения. Конкретная реализация способа осуществлялась следующим образом: в качестве металлического полупрозрачного контакта 1 .использовалась пластина толщиной 100 А с коэффициентом пропускания 0,3, в качестве диэлектрика — слой 2 Si0 толо щиной 1000 А, в качестве исследуемого полупроводника — пленка аморфного кремния, полученного методом разложения силана в ВЧ-разряде,тол10

11274

9 щина пленки составляла 0,5 микрона, в качестве металлического электрода

4 — слой 111Ст толщиной 800 А на стеклянной подложке.

Измерения проводились на типовой

5 установке для определения дрейфовой подвижности из времяпролетиых измерений. Возбуждение проводилось лазером ЛГИ-21 с длиной волны 337 нм,дли- 10 тельностью импульса 10 нс и потоком фотонов 3 ° 10 мм с . К структуре прикладывалось импульсное напряжение длительностью 300 мкс и амплитудой 2В. Переходный фототок наблюдался на экране осциллографа. Проводилась регистрация изменения амплитуды переходного фототока в зависимости от времени между окончанием приложения к структуре импульса напряжения и временем фотовоэбуждения.Измерения проводились в диапазоне времен больше 1 икс. !

Определенное распределение плотности состояний в аморфном кремнии 25 представлено на фиг.7. Как видно из фиг.7 предлагаемый способ позволяет определить распределение плотности состояний практически по всей ширине запрещенной зоны полупроводника и выявить особенности распределения, что необходимо для анализа работы

1 полупроводниковых. приборов на основе аморфных полупроводников.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ обеспечивает определение распределения плотности состояний в объеме полупроводника и повышение точности эа счет устранения влияния посторонних токов и исключения влияния поверхностных сост6яний, Кроме того, способ позволяет определить распределение плотности состояний практически по всей ширине запрещенной зоны аморфного полупроводника, определить изменение распределения плотности состояний по объему.за счет соответствующего выбора длины волны возбуждающего света и сократить время измерений.

1 I 27488

1127488

Внешнюе КЯРЯЯЯВнЯ

Фиг.5

ПерехаУ =6+ -у

A (E) СМ Зад

Фиг.E

10

1 ——

Б Р,2 0Я Do О 10. 12 1Ф ",E й„, у

1зю

Редактор С.Титова Техред А. Кравчук Корректор М.Демчик

Заказ 1062 Тираж 372 Под пи с ное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", ri Ужгород, ул. Гагарина, 101