научная статья по теме МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА ВАН ДЕР ПАУ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКООМНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА ВАН ДЕР ПАУ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКООМНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 115-119

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.315.592

МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА ВАН ДЕР ПАУ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКООМНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

© 2014 г. А. Г. Белов*, В. А. Голубятников, Ф. И. Григорьев, А. П. Лысенко, Н. И. Строганкова

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Россия, 101000, Москва, ул. Мясницкая, 20 *Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности ГИРЕДМЕТ Россия, 119017, Москва, Большой Толмачевский пер., 5, стр. 1 E-mail: aplysenko@hse.ru Поступила в редакцию 05.02.2014 г.

Показано, что применение метода Ван дер Пау становится возможным при освещении приконтакт-ных областей образца монохроматическим излучением изменяемой интенсивности с энергией квантов, большей ширины запрещенной зоны исследуемого материала. На основе модернизированного метода Ван дер Пау предложена методика определения параметров высокоомных полупроводников, таких как удельное сопротивление, концентрация свободных носителей заряда и их подвижность. Методика отработана на примере полуизолирующего арсенида галлия n-типа проводимости с концентрацией электронов при комнатной температуре порядка 107 см-3.

DOI: 10.7868/S0032816214050164

ВВЕДЕНИЕ

Попытки измерения электрофизических параметров (удельного сопротивления, концентрации основных носителей заряда и их подвижности) высокоомных полупроводников (например, полуизолирующего теллурида кадмия) по методу Ван дер Пау наталкиваются на серьезные трудности. При смене полярности тока через образец измеряемый сигнал либо не меняет знак, либо знак меняется, но значения сигнала по модулю заметно (в несколько раз) различаются. По результатам таких измерений невозможно определить значения электрофизических параметров образца.

Во многом рассматриваемый эффект обусловлен контактными явлениями, в частности очень большими переходными сопротивлениями омических контактов [1—4]. Если влияние контактов устранить (или, по крайней мере, заметно уменьшить), то можно ожидать, что по результатам измерений удастся определить значения вышеупомянутых параметров. Одним из способов воздействия на переходное сопротивление омического контакта является освещение области контакта поглощаемым светом [5].

Наши предыдущие эксперименты [5] показали, что при освещении области контактов в присутствии электрического поля концентрация основных носителей заряда увеличивается во всем

образце. При этом, естественно, существенно упрощаются электрометрические и гальваномагнитные измерения.

Основная идея развиваемого подхода заключается в том, что, увеличивая за счет света неравновесную концентрацию основных носителей заряда, которая линейно растет с ростом интенсивности света [5], находим такие параметры образца, которые также при достаточной подсветке линейно меняются с интенсивностью света. Тогда простая экстраполяция этих линейных зависимостей до нулевого значения подсветки позволяет отсечь на оси ординат собственные темновые значения этих параметров.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В качестве модели нами был выбран образец более изученного (чем СёТе) материала — полуизолирующего арсенида галлия п-типа проводимости. Образец (рис. 1) был выполнен в виде квадратной пластины со стороной а = 10 мм и толщиной dобр = 1.7 мм. По углам квадрата нанесены индиевые контакты диаметром Бк ~ 1 мм. Вся поверхность образца, за исключением малой области (с зазором 1 мм) вблизи контактов, закрыта светонепроницаемой маской. Для освещения приконтактной области использовались светоди-оды марки ЕЭЕР-1Ь83 с энергией квантов, пре-

115

8*

Светодиод

ЧХ-

т

Светодиод

-м-

т

*

У

я а

Светонепроницаемая маска

п, 107 см-3 30

20

10

Рис. 1. Схема образца: 1-4 — индиевые контактные площадки.

вышающеи ширину запрещенной зоны полупроводника. Длина волны излучения светодиодов в максимуме составляла 740 нм, интенсивность излучения принималась прямо пропорциональной току /сд через светодиоды, которые можно было включать в любом сочетании.

Для измерения использовалась традиционная четырехконтактная геометрия (метод Ван дер Пау), когда для пропускания тока и фиксации измеряемого сигнала поочередно используются различные пары контактов. В процессе измерений сила тока через образец поддерживалась постоянной (20 нА). Измерения проводились при комнатной температуре и при одном, двух (по диагонали образца) и четырех сразу включенных светодиодах. При включении нескольких свето-диодов они соединялись последовательно.

Вначале нами были проведены измерения э.д.с. Холла при подсветке контактов в разной комбинации. При этом независимо от того, какие контакты освещались, ток всегда пропускался через контакты 1 и 3, а э.д.с. Холла измерялась между контактами 2 и 4. Рассчитанные по результатам этих измерений зависимости концентрации свободных носителей заряда от интенсивности освещения представлены на рис. 2. Интенсивность излучения регулировалась величиной прямого тока через светодиоды.

Согласно рис. 2, зависимости концентрации электронов от силы тока через светодиоды, начиная с 50 мА, хорошо описываются прямыми линиями, экстраполяция которых к оси ординат дает приблизительно одинаковые значения: п0 = = (8—9) • 107 см-3. Это свидетельствует о правильности выбранного способа измерений. При силе тока через светодиоды меньше 50 мА значения концентрации электронов определяются с большой погрешностью, 25—30%, эти точки на рис. 2 не представлены. Разброс значений п0, определяемых по отсечке на оси ординат, гораздо меньше. Таким образом, можно считать, что п0 и есть ис-

50

100

150 200

250

300 , мА

Рис. 2. Зависимости концентрации электронов от тока через включенные светодиоды: 1 — включен только один светодиод — либо № 1, либо № 3; 2 — включены два светодиода — № 1 и № 3; 3 — включены все 4 све-тодиода.

комая темновая концентрация электронов в образце.

Далее нами были получены зависимости от тока через светодиоды некой величины стэфф, которая в стандартном методе Ван дер Пау определяется как удельная проводимость. Измерения проводились при освещении контактов в различной комбинации. Результаты приведены на рис. 3.

Удивительно, но и эти зависимости хорошо аппроксимируются линейной функцией. Удивительно потому, что, например, для зависимости 2 освещаются один токовый контакт и один — потенциальный. Получается, что освещение даже потенциальных контактов влияет на измеряемую проводимость. Тем не менее, экстраполяция измеренных зависимостей в область нулевой освещенности дает практически одинаковую отсечку (3.8—4.0) • 10—8 (Ом • см)—1, что соответствует значению "темнового" удельного сопротивления р0 = (2.6—2.5) • 107 Ом • см.

Возникает, однако, вопрос: насколько определяемая таким образом проводимость соответствует реальности?

Для ответа на этот вопрос целесообразно сравнить значения концентрации электронов пэфф(/сд), рассчитанные из зависимости стэфф (1сд), с аналогичными значениями, полученными из холлов-ских измерений пхолл(/сд), при одинаковых условиях засветки приконтактных областей. Такие зависимости концентрации электронов от тока через светодиоды (включены все четыре светодиода) приведены на рис. 4. При этом для расчетной

4

3

0

МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА ВАН ДЕР ПАУ

117

°эфф, 10 8 Ом 1 см 1

3

1 1 1111

50

100

150 200

250

300 /Сд, мА

Рис. 3. Зависимости стэфф от тока /сд через светодиоды: 1 — включен светодиод № 1; 2 — включены два свето-диода — № 1 и № 3; 3 — включены все 4 светодиода.

п, 107 см-3

30 Г

20

10

2

1

- л--"

^ — 1 1 1111

50

100

150 200

250

300 , мА

0

0

зависимости пЭфф(/сД) = aЭфф/qц« (где Ц« - подвижность электронов, q — заряд электрона) подвижность электронов выбиралась из условия, что обе зависимости выходят из одной точки (ц« « 2930 см2 • В-1 • с-1).

Анализ рис. 4 показывает, что зависимости пэфф(/сд) и пхолл(/сд) существенно различаются. Это свидетельствует о том, что неравновесная концентрация электронов, созданная освещением, распределяется неоднородно по объему образца, что связано с неоднородностью электрического поля. Эту связь можно объяснить следующим образом.

В отсутствие тянущего электрического поля генерированные светом электронно-дырочные пары диффундируют совместно на диффузионную длину дырок, т.е. практически остаются в пределах освещаемой области. Если же в образце есть электрическое поле, то электроны и дырки разделяются. Электроны как основные носители заряда дрейфуют к положительному полюсу образца без рекомбинации. Дырки же, двигаясь в противоположную сторону, притягивают к себе из объема кристалла, а в конечном счете, из внешней цепи электроны - основные носители. На расстоянии эффективной диффузионной длины дырки рекомбинируют, и в результате весь ток через образец переносится избыточными электронами. При этом величину тока А/, создаваемого этими избыточными носителями заряда в дополнение к темновому току, можно определить из соотношения А/ = Ап^«Б, где Ап - количество электронно-дырочных пар, создаваемых светом в единицу времени, - подвижность основных носителей заряда, Е - локальная напряженность электрического поля. Как видно из приведенного соотношения, фототок будет зависеть от напряженности электрического поля в зоне облучения.

Рис. 4. Зависимости концентрации электронов от тока через светодиоды (включены все четыре): 1 -Пэфф(/сд) (расчет); 2 - п

холл(/сд) (эксперимент).

При измерении э.д.с. Холла наибольшая напряженность электрического поля наблюдается по диагонали квадрата, и здесь же будет наибольший прирост концентрации основных носителей заряда. При измерении удельного сопротивления картина поля совершенно другая, и поэтому при изменении интенсивности освещения концентрация меняется по другому закону и в другом месте. Однако обе зависимости линейные.

Таким образом, из приведенных экспериментальных результатов следует, что метод Ван дер Пау при использовании подсветки области контактов позволяет достаточно надежно определить исходную (темновую) концентрацию свободных носителей заряд

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком