Введение к работе
Актуальность работы:
Технический прогресс на рубеже 21-го века выдвинул высокие
требования к качеству полупроводниковых материалов, в первую очередь
к точности и экспрессное 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 цели разработки моделей и методик локального, дистанционного, неразр'ушшощего контроля материалов путем определения их тепловых и электронных параметров в широком температурном диапазоне.
Решать задачи этого направления возможно благодаря использованию . бесконтактных. неразрушающих безэталонных фототепловых н фотоакустических методов, в первую очередь с использованием таких перспективных методов, как метод «мираж» -эффект и фоторефлекщ-юнный метод. .
Впервые физическая основа и теоретическое обоснование метода «мираж» - эффект были рассмотрены в работах Фурнье, Боккара и Бадоза. Фоторефлекционный метод, как правило, применяется в тех случаях, когда применение метода «мираж»- эффект - из-за особенностей геометрии образца - становится затруднительным." - „
. К данному времени различные группы исследователей показали возможность измерения тепловых и электронных параметров образцов с применением вьішеупомяігутьіх методов, однако, так и не было создано экспресс - методов определения параметров образцов в релыюм времени. Не проводились измерения тепловых и электронных параметров образцов в различных температурных диапазонах, которые могли бы раскрыть, процессы распространения тепла в образце и определить характер методической погрешности методов. Точность измерения параметров образцов, определяемых методом «мираж» - эффект с импульсным возбуждением, была невысока (до 30%). При определении параметров образцов не учитывалось влияние скорости поверхностной рекомбинации
:.-3-
носителей заряда. Исследования тонких пленок в России фототепловыми методами вообще не проводились из-за отсутствия соответствующей технической базы.
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 определена тепловых и электронных параметров полупроводниковых материалов, а также проводить измерения тепловых параметров тонкопленочных образцов.
Для достижения целії 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 тепло- и температуропроводности;
по созданию расчетной модели обработки экспериментальнлх результатов, получаемых с использованием импульсного метода «мираж» - эффект, учитывающей влияние рекомбинационных процессов на поверхности образца; л- .
по проведению измерений температуропроводности полупроводниковых образцов п диапазоне (77-300) К.
Научная новизна:
-
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, тепло- и температуропроводности, времени жизни носителей заряда) по сравнению с традиционным методом «мираж»- эффекта.
-
Разработана и экспериментально реализована оригинальная методика на базе фоторефлекционного эффекта с использованием искусственно
, созданных биений между пробным и возбуждающим излучениями,
. - --,..:- -4- ..; ..'.
позволяющая проводить измерения коэффициента
температуропроводности и геометрических размеров тонкопленочных
образцов. '.','-.
3. Впервые обнаружен эффект пространственного раздзоения 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 б 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 тонкоплеиочных материалов, измерение которых другими методами не представляется возможным;
снизить погрешность определения тепловых (коэффициент температуропроводности) и электронных (коэффициента диффузии фотонндуцированных носителей заряда, времени жизни носителей заряда) параметров полупроводников;
измерять параметры полупроводниковых образцов -5-
(коэффициенты тепло- и температуропроводности) з диапазоне (77-300)К.
Основные положения, выносимые на защиту, учитывают
научную новизну «.практическую ценность работы и состоят в
следующем: -
-
Впервые предложен, обоснован и экспериментально реализован экспресс - метод на базе фоторефракционного явления, осиованішй на оригинальной идее использования разделенного пробного луча, что позволило измерять физические парамехры образцов (коэффициенты диффузии, тепло- и температуропроводности, время жизни носителей заряда) в режиме реального времени, а также значительно снизить' погрешность их измерений - на (10-25)%.
-
Разработана и экспериментально реализована новая методика измерения коэффициента температуропроводности тонких пленок фоторефлекционным методом, использующая специально созданные
биеНИЯ Между ПробнЫМ И ВОЗбуЖДаЮЩИМ ИЗЛучеНИЯМИ. 'V-'.''
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. ".;.
-
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.
-
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.
ч Вклад автора: .
- * -**"~
. - Изложенные в работе результаты получены автором лично или в ' соавторстве при его непосредственном участии.
-б-
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.).
-
Научной Сессии МИФИ-99 (Москва, 1999 г.).
-
Научной Сессии МИФИ-2000 (Москва, 20.00 г.).
Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах в отечественной и зарубежной печати, список которых приведен ниже.
Объем и структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 83 наименования. Работа изложена на 141 странице и включает 25 рисунков и 1 таблицу.