фототермоионизационная спектроскопия

ФОТОТЕРМОИОНИЗАЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ (ФТИС; в англоязычной лит-ре PTIS) (устар. назв.- фотоэлектрическая спектроскопия) - метод спектроскопии полупроводников (ПП), в к-ром хим. природа, энергетич. спектр и др. характеристики примесей, примесных комплексов и др. дефектов ПП определяются по линейчатым спектрам их примесной фотопроводимости. Такая фотопроводимость возникает в результате оптич. возбуждения атома примеси и последующей (или одновременной) его термич. ионизации, при к-рой и создаются свободные носители заряда. Оптич. возбуждение примесных атомов ПП осуществляют монохроматич. излучением, частоту к-рого v (энергию фотонов hv)можно плавно изменять. При определ. значениях v, отвечающих условию hv= , где и -энергии основного и одного из возбуждённых уровней энергии атома примеси, последний, поглощая фотон, переходит в возбуждённое состояние, если квантовый переход разрешён отбора правилами .При измерениях спектров темп-pa ПП подбирается так, чтобы ионизовались только возбуждённые атомы примеси (фототер-мич. ионизация). В результате фотопроводимость возникает только при определ. значениях v благодаря ионизации атомов определ. сорта.

Полученный спектр располагается в области энергий фотонов, меньших энергии ионизации примесей , и состоит из линий спектральных серий, отвечающих энергиям оптич. переходов из основного состояния во все возможные возбуждённые состояния. У примесей одного типа (доноров или акцепторов) разной хим. природы в данном ПП энергии возбуждённых состояний, в к-рые осуществляется переход, различаются очень мало, а энергии осн. состояний и соответственно энергии оптич. переходов, определяющие положение линий в спектрах фотопроводимости, существенно различны (см. Полупроводники), что и позволяет определять хим. природу примесей по спектрам фотопроводимости. Форма спектра и отд. линий даёт возможность судить об энергетич. структуре примесных атомов, их взаимодействии, образовании примесных комплексов, степени неоднородности распределения примесных атомов. Эти данные можно получать также, исследуя спектры поглощения фотонов примесями, т. е. методами абсорбционной спектроскопии. Преимущество Ф. с. состоит в её существенно большей чувствительности. Техника Ф. с. подобна технике абсорбционной спектроскопии, но в отличие от последней, где регистрация излучения, прошедшего через исследуемый образец, производится спец. приёмниками излучения, в Ф. с. приёмником служит сам исследуемый образец.

Схема Ф. с. приведена на рис. 1. Образец исследуемого ПП 1 помещают в криостат 2, где он охлаждается (обычно до темп-ры кипения гелия), чтобы исключить термич. ионизацию атомов примеси из осн. состояния. К одной из граней образца с помощью соответствующей оптич. системы или световода (4) подводят модулированное излучение. К электрич. контактам, специально изготовленным на торцевых гранях образца, присоединяют источник напряжения (батарея Б) и нагрузочное сопротивление R_н (рис. 1, a). Изменение электропроводности ПП, возникающее в результате фототермич. ионизации атомов примеси, вызывает изменение напряжения на ПП, к-рое и является спектрометрич. сигналом.

Рис. 1. Схемы контактного (а)и бесконтактного (б) методов фототермоионизационной спектроскопии.

В связи с тем, что изготовление малошумящих омич. контактов (особенно в тех случаях, когда ПП при низкой темп-ре обладает высоким электрич. сопротивлением) представляет большие трудности, а также потому, что в процессе изготовления контактов возможно загрязнение образца (внесение дополнит. примесей), часто применяют бесконтактную схему Ф. с. (рис. 1, б). В этом случае ПП помешают между обкладками воздушного конденсатора 5, включённого в одно из плеч резонансного ВЧ-моста 6, питаемого генератором Г. Поток излучения, попадая на образец, изменяет ёмкость конденсатора и нарушает баланс моста; возникает спектрометрич. сигнал, пропорциональный числу возникших носителей заряда.

Метод Ф. с. обладает чрезвычайно высокой чувствительностью к обнаружению примесей в ПП. Она обусловлена тем, что величина регистрируемого напряжения U не зависит от концентрации примеси в широких пределах её изменений. Концентрация носителей заряда dn, образующихся при фототермоионизации, и концентрация свободных носителей заряда n, генерируемых тепловыми колебаниями и фоновым излучением, много меньше концентрации основных N и компенсирующих N_к примесей и одинаковым образом от них зависят. Т. к. U~dn/n. то значение U оказывается не зависящим от N и N_к. Расчёт показывает, что при обычных условиях измерений (чаще всего реализуемых при обычной интенсивности пучка спектрометра, интенсивности фонового излучения и темп-ре измерений) в Ge и Si значение U не зависит от концентраций примесей вплоть до N, N_к=10⁹-10⁸ см^-3, а при дальнейшем уменьшении концентраций примесей уменьшается линейно. При ограничении мин. регистрируемого сигнала шумами, создаваемыми генерационно-рекомбинационными процессами, предел обнаружения примесей III и V групп периодич. системы элементов в этих ПП должен составлять 10⁶- 10⁷ атомов в 1 см³ (или 10^-16- 10^-15 атомных %).

Рис. 2. Фототермоионизационные спектры примесей в высокочистых образцах германия (а)и кремния (б), зарегистрированные бесконтактным методом. Метки на горизонтальных отрезках указывают спектральные линии данной примеси. Метки, направленные вверх, соответствуют основным примесям, вниз - компенсирующим; v-волновое число.

В случаях, когда в ПП содержатся примеси неск. сортов, относит. концентрации разл. примесей пропорциональны отношениям их концентраций. Эти отношения измеряют по отношению интенсивностей соответствующих спектральных линий (отношению площадей под контурами линий) с учётом статистики заполнения уровней энергии и сил осцилляторов оптич. квантовых переходов. Определение абс. концентраций примесей требует дополнит. измерений концентраций электронов (или дырок) при более высокой темп-ре, когда все примеси ионизованы. Ф. с. позволяет установить хим. состав как основных, так и компенсирующих примесей. Для этого ПП облучают, наряду с монохроматич. излучением частоты v, светом из полосы собственного (межзонного) поглощения; в результате ионизованные в равновесных условиях примесные атомы нейтрализуются и становятся оптически нейтральными и фотоэлектрически активными.

На рис. 2 приведены фототермоионизац. спектры чистых образцов Ge и Si. Линии в спектрах относятся к технологически неконтролируемым остаточным кол-вам примесей и примесных комплексов. В образце Ge (рис. 2, а)суммарная концентрация акцепторов N_A=6^.10¹⁰ см^-3, доноров N_Д=9^.10⁹ см^-3, темп-pa образца T=6,5 К, разрешение 0,03 см^-1. В образце Si (рис. 2, б) N_A=10¹² см^-3, N_Д=10¹¹ см^-3, Т=17 К, разрешение 0,25 см^-3. Кроме анализа чистоты Ge и Si Ф. с. используется также для исследования локализованных состояний и анализа примесей в арсениде галлия, фосфиде индия, теллуриде кадмия, ПП алмазе и др. Чистые полупроводники А₃В₅ содержат больше остаточных примесей, чем Ge и Si. Для устранения эффектов, связанных с перекрытием состояний близко расположенных атомов примеси, приводящих к сильному уширению и даже исчезновению линий в спектрах, исследуемые образцы помещают в магн. поле, к-рое "сжимает" основное и возбуждённое состояния, увеличивает энергии связи электронов и снимает перекрытие состояний.

В зависимости от способа возбуждения примеси существуют варианты Ф. с.: ЛОВ-фотоионизационная спектроскопия- возбуждение лампой обратной волны, лазерная магн. Ф. с.- возбуждение монохроматич. пучком излучения лазера и сканирование спектра примеси плавно изменяющимся магн. полем.

Лит.: Kogan S. M., Lifshits Т. М., Photoelectric spectroscopy. A new method of analysis of impurities in semiconductors, "Physica status solidi" (A), 1977, v. 39, p. 11; Гершензон Е. М. [и др.], Применение субмиллиметровой ЛОВ спектроскопии для определения химической природы и концентрации примесей в чистых полупроводниках, "ФТП", 1983, т. 17, в. 8, с. 1430; Андреев Б. А., Лифшиц Т. М., Фототермоионизационная спектроскопия примесей в германии и кремнии, "Высокочистые вещества", 1990, № 5, с. 7; Лифшиц Т. М., Фототермоионизационная спектроскопия примесей в полупроводниках, "ПТЭ", 1993, № 1, с. 10. Т. М. Лифшиц.

   <<      Предметный указатель      >>