ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 93-96
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.315.592
ПРИМЕНЕНИЕ ПОДСВЕТКИ КОНТАКТОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОВОДИМОСТИ ВЫСОКООМНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
© 2014 г. В. А. Голубятников, Ф. И. Григорьев, А. П. Лысенко, Н. И. Строганкова, М. Б. Шадов, А. Г. Белов*
Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Россия, 101000, Москва, ул. Мясницкая, 20 *Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "ГИРЕДМЕТ" Россия, 119017, Москва, Большой Толмачёвский пер., 5, стр. 1 E-mail: aplysenko@hse.ru Поступила в редакцию 10.06.2013 г.
Показано, что подсветка омических контактов к высокоомным образцам теллурида кадмия и арсе-нида галлия влияет не только на переходное сопротивление контакта, но и на объемную проводимость образцов за счет повышения концентрации свободных носителей заряда. Приведена модель, объясняющая увеличение объемной проводимости образца при засветке приконтактной области. Предложена методика раздельного определения переходного сопротивления омического контакта и объема образца, пригодная для высокоомных полупроводников.
DOI: 10.7868/S0032816214020074
ВВЕДЕНИЕ
Создание качественных омических контактов к полупроводникам [1, 2] является важной практической задачей не только в технологии создания полупроводниковых приборов, но и при изготовлении образцов для измерения электрофизических параметров материалов. Процесс измерения, в конечном счете, сводится к измерению токов через образец и напряжения на нем. Однако, когда приходится исследовать высокоомные материалы, негативную роль начинает играть переходное сопротивление контактов. В этом случае получение достоверных результатов становится проблематичным настолько, что традиционные четырех-зондовые методы перестают работать, поэтому удельное сопротивление р оценивается двухзон-довым методом (см., например, [3]). Очевидно, что при этом погрешность определения р может оказаться непредсказуемо большой. Таким образом, необходимо снижать переходное сопротивление контактов. В идеальном случае оно должно быть значительно ниже объемного сопротивления измеряемого образца независимо от полярности поданного смещения. Один из возможных способов снижения переходного сопротивления контакта — создание неравновесных носителей заряда путем освещения поверхности полупроводника в области контакта.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для изучения влияния освещения на свойства омических контактов к высокоомным полупроводникам нами были исследованы образцы монокристаллического теллурида кадмия, изготовленные в форме прямоугольного параллелепипеда размером 3 х 3 х 22 мм. На торцы образца были нанесены индиевые контакты, которые обеспечивали линейную вольт-амперную характеристику двухполюсника в интервале напряжений ±10 В. Продольные грани образца, за исключением узких полосок шириной 1 мм вблизи контактов, были защищены от света. Рядом с каждой из этих полосок располагалось по четыре галогеновые лампы (со стороны каждой грани). Поскольку длина биполярной диффузии в этом материале не превышает нескольких микрон, предполагалось, что при освещении избыточные носители заряда будут создаваться только вблизи контактов, уменьшая тем самым переходное сопротивление.
Как видно из рис. 1 (кривая 1), сопротивление образца с ростом интенсивности света уменьшается почти на 3 порядка, однако на насыщение, как мы предполагали, не выходит. Это означает, что либо максимальной освещенности, создаваемой применяемыми лампами, недостаточно, либо имеют место какие-то дополнительные эффекты. Чтобы проверить наличие других эффектов, исследования были проведены при освещении только одного контакта. При воздействии света только на один контакт в предположении, что пере-
Я, Ом 109
(а) Jl Як1 Яоб Як2
2.0 Р, Вт
Рис. 1. Зависимость полного сопротивления образца монокристаллического теллурида кадмия от мощности, потребляемой каждой лампой: 1 — освещены оба конца образца; 2 — освещен только один конец.
ходные сопротивления контактов существенно больше объемного сопротивления образца, полное сопротивление (рис. 2а) практически не должно изменяться.
К нашему удивлению, эффект от освещения одного контакта оказался практически вдвое меньше, чем от освещения двух контактов (кривая 2 на рис. 1). Характерно также, что эффект не зависел от знака потенциала освещаемого контакта. На основании этого можно предположить, что освещение приконтактной зоны образца каким-то образом влияет и на объемную проводимость теллурида кадмия.
Модель наблюдаемого эффекта можно рассмотреть на примере эквивалентной схемы, изображенной на рис. 2б. Ожидаемая зависимость тока через образец от освещенности приконтакт-ных областей (люкс-амперная характеристика) приведена на рис. 3 (кривая 1). Ее можно представить как результат суперпозиции двух токов, протекающих через элементы У1 и У2 (см. рис. 2б). Элемент У1 представляет собой исходную систему (см. рис. 2а), в которой свет воздействует только на приконтактные области, в результате чего снижается только переходное сопротивление контактов, не затрагивая объем образца. В этом случае люкс-амперная характеристика элемента У1 может быть представлена кривой 2 на рис. 3.
Проводимость элемента У2 связана с рожденными светом носителями заряда, которые модулируют проводимость объема образца, и должна линейно зависеть от числа рождаемых в единицу времени избыточных носителей заряда. В свою очередь, число последних должно быть пропорционально поглощенным квантам света, т.е. интенсивности падающего на образец света. Соответственно люкс-амперная характеристика элемента
У1 ь
(б)
Рис. 2. Эквивалентные схемы исследуемого образца-двухполюсника: а — в виде последовательно включенных сопротивления объема образца Яоб и двух контактных сопротивлений Як1 и Як2; б — в виде параллельно включенных элементов У1 и У2. Проводимость элемента У1 характеризует исходную систему, в которой свет воздействует только на приконтактные области, а проводимость элемента У2 связана с рожденными светом носителями заряда.
У2 должна быть линейной функцией (кривая 3 на рис. 3).
Отсечку на оси ординат можно определить как У/Яоб (где Яоб — исходное объемное сопротивление) и, таким образом, отделить сопротивления контактов от объемного.
Для проверки изложенной гипотезы нами были исследованы образцы более изученного материала — полуизолирующего арсенида галлия п-ти-па проводимости. Образец был выполнен в виде пластины размером 10x10 мм и толщиной 1.7 мм. По углам пластины были нанесены индиевые контакты диаметром ~0.8 мм. Вся поверхность, за
Я об + 2 Я к
Рис. 3. Люкс-амперные характеристики: 1 — образца в целом; 2, 3 — элементов У1 и У2 соответственно (см. рис. 2).
3
2
ПРИМЕНЕНИЕ ПОДСВЕТКИ КОНТАКТОВ
95
Светодиод
-м-
п, 107 см 30
-3
У'у.
у
* *
5
^ Светонепроницаемая маска
<А)
Ток через образец, нА 80
60
40
20
0 50 100 150 200 250 300 350 Ток через светодиоды, мА
Рис. 4. Зависимость тока через контакты 1-3 образца, схематически показанного в верхней части рисунка, от освещенности этих контактов.
исключением малой области (с зазором 1 мм) вблизи контактов, была закрыта светонепроницаемой маской.
Для засветки области контактов использовались светодиоды марки ЕDEF-1LS3, энергия квантов излучения которых превышала ширину запрещенной зоны полупроводника. Интенсивность излучения пропорциональна току через последовательно соединенные светодиоды.
На рис. 4 приведена зависимость тока через контакты 1-3 при постоянном напряжении 10 В от тока через светодиоды (освещались только контакты 1 и 3). Согласно рисунку, при токах через светодиоды >50 мА люкс-амперная характеристика становится линейной, и ее аналитическая аппроксимация имеет вид: I = 14.89 + + 0.232/св, где 1св — ток через светодиоды. Таким образом, Яоб = Г//отс = (6.7 ± 0.4) • 108 Ом, а Як = = (8.6 ± 0.5) • 108 Ом, где /отс — ток отсечки (см. рис. 3), а Як — контактное сопротивление. Соответственно удельное контактное сопротивление будет равно рк « 4.35 • 106 Ом • см2.
Используя контакты 2-4, можно измерить э.д.с. Холла и определить концентрацию электронов внутри кристалла и ее зависимость от уровня освещения контактов 1-3 (рис. 5). Анализ рис. 5 показывает, что концентрация электронов строго линейно зависит от тока через светодиоды, а значит, и от интенсивности облучения.
300 I, мА
Рис. 5. Зависимость концентрации свободных электронов в образце п^аЛ8 от тока через светодиоды (см. рис. 4).
Таким образом, эксперименты подтверждают парадоксальный факт, что освещение малой области кристалла вблизи контакта приводит к повышению концентрации основных носителей заряда во всем кристалле, в том числе и на расстоянии от освещаемого контакта, много большем диффузионной длины. Более того, результат не зависит от того, контакт с каким потенциалом (положительным или отрицательным) освещать.
Для объяснения этого факта можно предложить следующую модель (рис. 6). В случае, когда освещается контакт с положительным потенциалом (рис. 6а), рождаемые светом электронно-дырочные пары разделяются тянущим электрическим полем. Генерируемые электроны уходят в контакт, а дырки затягиваются полем в глубь образца. Происходит своеобразная инжекция дырок в материал с очень низкой исходной концен-
(а)
Светодиод
-н-
Ш
Е
Рис. 6. Модель поведения свободных носителей заряда в образце полуизолирующего арсенида галлия п-типа проводимости при освещении контакта с положительным (а) и отрицательным (б) потенциалом.
2
1
4
п
трацией основных носителей заряда (в нашем случае пп0 = 1.5 • 107 см-3). Иначе говоря, практически при любом освещении возникает высокий уровень инжекции, при котором для компенсации заряда инжектированных неосновных носителей заряда из внешней цепи поступает необходимое количество основных носителей заряда. В стационарном состоянии дырки рекомбиниру-ют с электронами в пределах диффузионной длины Lp, замыкая тем самым силовую линию тока. Это во многом похоже на то, что имеет место при прямом токе через р-п-переход с высокоомной базой [4]. Для обеспечения стационарного про
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.