Введение к работе
В настоящей работе представлены выполненные автором в 1974-1993 годах теоретические и экспериментальные исследования физических процессов взаимодействия инфракрасных лазерных излучений в полупроводниках и созданные на их основе методы лазерной интерферометрии рекомбинационных характеристик полупроводников. Описаны приборы высшей категории сложности, разработанные для лазерной интерферометрии полупроводников. Приведены данные о влиянии новых технологических приемов на реком-бинационные характеристики полупроводников, впервые полученные с помощью разработанных методов и средств лазерной интерферометрии.
Актуальность темы.
Физические процессы, связанные с генерацией и рекомбинацией неравновесных носителей тока, определяют работу целых классов полупроводниковых приборов: транзисторов, тиристоров, фотоприемников. Поэтому на протяжении многих лет проводились и проводятся исследования характеристик полупроводников, определяющих рекомбинационные процессы. Непрерывно ведется и совершенствование методов исследований реком-бинационных характеристик полупроводников. Среди них следует особо отметить ставший классическим метод Н.А.Толстого -П.П.Феофилова.
Вместе с тем создание новых полупроводниковых материалов, приборов и технологических процессов вызывает потребность в создании все новых, более тонких методов исследования рекомбинационных характеристик полупроводников. Особенно методов бесконтактных, неразрушающих и локальных, позволяющих исследовать не только усредненную рекомбина-ционную характеристику образца, но и распределение исследуемого параметра но его объему и поверхности. Большой интерес представляет также определение различий в рекомбинационных параметрах электронов и дырок.
Лазерное излучение широко используется для исследования свойств разнообразных материалов, в том числе и полупроводниковых. Это связано с тем, что создано большое число типов лазеров видимого и инфракрасного диапазона, на разные длины волн, различной мощности, с различными геометрическими характеристиками луча. Значительный материал накоплен по физике взаимодействия лазерных излучений с полупроводниками.
Однако число работ по исследованию взаимодействия лазерного излучения
с неравновесными носителями заряда в полупроводниках не столь велико.
Причем при исследовании этою взаимодействия обычно интерференцией лазерного излучения в полупроводнике или пренебрегали или ее подавляли. Только в небольшом числе работ интерференционные эффекты учитывались. Вместе с тем, учет и использование этих более тонких, но надежно регистрируемых эффектов, позволяет рассчитывать на создание с их помощью новых методов исследования и получение более детальных сведений о рекомбинационных характеристиках полупроводников. Еше меньше работ посвящено использованию взаимодействия лазерного излучения с полупроводниками для исследования в них рекомбинационных процессов. Здесь следует отметить предложенный Харриком метод измерения времени жизни по поглощению инфракрасного излучения на свободных дырках.
Появление в научных лабораториях к началу настоящих исследований инфракрасных лазеров с большой длиной волны, прежде всего лазеров на двуокиси углерода с длиной волны 10,6 мкм, расширило возможности проведения исследований полупроводников с помощью лазеров.
Таким образом, к началу работ, результаты которых излагаются в настоящей диссертации, существовала потребность и открывалась возможность сделать новый крупный шаг в развитии такого перспективного научного направления как лазерные методы исследования полупроводников -на основании исследования физических процессов взаимодействия лазерных излучений с неравновесными носителями тока в этих материалах создать бесконгактные и неразрушающие методы и средства исследования их рекомбинационных характеристик.
Цель работы.
Общей задачей настоящей работы было создание на основе исследования интерференционного взаимодействия лазерного излучения большой длины волны с неравновесными носителями заряда в полупроводниках, бесконтактных и неразрушающих методов и средств исследования рекомбинационных характеристик полупроводников, а также проведение исследований влияния на рекомбинацнонные характеристики новых технологических процессов с помощью разработанных методов и средств.
Для эгого было необходимо:
I. Исследовать теоретически и экспериментально физический механизм абсорбинонно-шперференционного взаимодействия лазерных излучений в полупроводниках.
-
Исследовать особенности взаимодействия длинноволнового инфракрасного лазерного излучения с полупроводниковыми образцами, не являющимися идеальным интерферометром.
-
Предложить бесконтактные методы исследования рекомбинационных характеристик полупроводников, основанные на проведенных исследованиях абсорбционно-интерференционного взаимодействия лазерных излучений в полупроводнике, проанализировать возможности и ограничения таких методов, разработать технику физического эксперимента для их реализации.
-
Провести разработанными методами исследования рекомбинационных характеристик полупроводников и влияния на эти характеристики новых технологических процессов.
-
Оценить возможности использования результатов исследований в технике.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Впервые предложен физический механизм интерференционной модуляции длинноволнового инфракрасного лазерного излучения в полупроводнике за счет генерации в этом полупроводнике электронно-дырочных пар коротковолновым светом и показана возможность получения за счет этого эффекта режима оптического усиления.
-
Впервые предложено использование физического механизма интерференционной модуляции для создания методов раздельного определения времен жизни электроноЕ и дырок в полупроводниках, объемного значения времени жизни носителей тока и скорости их поверхностной рекомбинации, для раздельного определения времен жизни носителей заряда в поверхностных слоях и подложках, а также для оценки толщины слоев, отличающихся от объема своими рекомбинационными характеристиками, и разработаны эти методы.
-
Впервые обоснована возможность определения в одном эксперименте концентрации, энергетического положения и сечений захвата электронов и дырок на центры рекомбинации из экспериментальных температурных зависимостей времен жизни электронов и дырок.
-
Впервые с целью практической реализации методов лазерной интерферометрии полупроводников исследованы как теоретически, так и экспериментально особенности взаимодействия зондирующего лазерного излучения с полупроводниковыми образцами, обладающими большим показателем, преломления, а также неидеально плоскими, неидеально параллельными и шероховатыми поверхностями.
-
Впервые созданы приборы и установки для лазерной интерферометрии рекомбинационных характеристик, полупроводников. Разработаны критерии выбора узлов, построения оптических схем и схем обработки сигналов в зависимости от стоящей экспериментальной задачи и исследуемого полупроводника.
-
Исследованы возможности и ограничения лазерной интерферометрии рекомбинационных характеристик полупроводников, источники погрешностей и их возможные величины.
-
Впервые с помощью методов и средств лазерной интерферометрии получены данные об увеличении в два раза объемного времени жизни неравновесных носителей тока в кристаллах антимонида индия, выращенных в сильном поперечном магнитном поле, и о возникновении вблизи поверхности кристаллов этого вещества, подвергнутых обработке атомарным водородом, слоя толщиной около 10 мкм, с увеличенным в 6-8 раз временем жизни носителей.
-
В сплаве кадмий-ртуть-теллур впервые в одном эксперименте бесконтактно определены концентрация, энергия активации, а также сечения захвата электронов и дырок рекомбинашонными центрами.
Основные положения^ выносимые на защиту.
-
Генерация в полупроводнике электронно-дырочных пар излучением с энергией фотонов больше ширины его запрещенной зоны позволяет эффективно модулировать пропускаемое через этот полупроводник инфракрасное лазерное излучение с энергией фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника при выполнении условий интерференции этого излучения в полупроводнике. Возможно даже получение эффекта оптического усиления, когда изменение мощности модулируемого длинноволнового лазерного излучения больше мощности управляющего коротковолнового излучения, поглощающегося в полупроводнике.
-
Анализ характеристик инфракрасного лазерного излучения с энергией фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника после его интерференционного взаимодействия с полупроводником позволяет эффективно получать информацию о рекомбинационных параметрах полупроводника при генерации в нем электронно-дырочных пар излучением с энергией фотонов больше ширины запрещенной зоны, и может быть положен в основу бесконтактных методов исследования рекомбинационных характеристик полупроводников.
Такой анализ позволяет раздельно определить: времена жизни электронов , дырок; объемное время жизни и скорость поверхностной рекомбинации; времена жизни носителей в поверхностных слоях и объеме полупроводника, ценить толщину слоев, отличающихся от объема значением времени жизни Іосителей заряда.
-
Отличия формы исследуемого полупроводникового образца от реального интерферометра из-за неплоскостности, непараллельности или шероховатости поверхностей его граней, несмотря на высокие значения доказателя преломления полупроводника, не являются препятствием для исследования его методами лазерной интерферометрии, если интерференционная контрастность образца для зондирующего луча больше, чем 1,2. Легко измеряемое в опыте значение этой контрастности позволяет получить данные, необходимые для расчетов из величины интерференционной модуляции значений неравновесных концентраций электронов и дырок и их. времен жизни.
-
Измерение в широком температурном интервале и совместный анализ экспериментальных температурных зависимостей времен жизни как электронов, так и дырок позволяют определить параметры рекомбишционных центров: их концентрацию, энергетическое положение уровня рекомбинации в запрещенной зоне полупроводника, сечения захвата на эти центры электронов и дырок.
-
При исследовании рекомбинационных параметров полупроводников методами лазерной интерферометрии возможно исследование образцов без использования специальных резонагорных систем. Использование последних повышает чувствительность лазерной интерферометрии, но значительно ужесточает требования к оптическому качеству образцов.
-
При определении рекомбинационных параметров полупроводников с использованием лазерной интерферометрии при равенстве времен жизни электронов и дырок оптимальным является фазовый анализ информационного сигнала, а при их неравенстве, - амплитудный или частотный (в зависимости от ожидаемых значений времен жизни и доступного оборудования).
7.Лазерно-интерферометрические исследования показывают, что обработка поверхности антимонида индия атомарным водородом позволяет в несколько раз увеличить время жизни носителей в поверхностном слое толщиной порядка 10 мкм, и подтверждают данные об очень большой для соединений А, Ъ5 скорости диффузии водорода в антимониде индия, а выращивание кристаллов антимонида индия в поперечном магнитном поле напряженностью от 0,1 до 0,4 Тл позволяет подавить образование в кристаллах
центров рекомбинации и в два раза увеличить значения времени жизни и подвижность носителей, что важно для создания фотоприемников.
Приоритет результатов. Основные результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на научных конференциях в нашей стране и за рубежом. В частности, на 13-й Общей конференции отделения конденсированных сред Европейского Физического Общества в Регенсбурге, Германия, в 1993 году, на 14-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике в Санкт-Петербурге в 1991 году , на Международной конференции "Микроэлектроника-90" в Минске в 1990 году , на Всесоюзных конференциях: по физике полупроводников в 1988 году , по неразрушающим физическим методам и средствам контроля в Свердловске в 1991 году , по метрологическим проблемам микроэлектроники в Мытищах в 1991 году и ряде других, а также на Всесоюзных семинарах "Многослойные структуры на основе узкозонных полупроводников" в 1990 году и "Лазеры и современное приборостроение" в 1991 году .
Публикация результатов диссертации, '
Основное содержание диссертации отражено в 25 статьях, 10 авторских свидетельствах и 12 тезисах докладов.
Объем и структура диссертации.
