Лазерная интерферометрия рекомбинационных характеристик полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ИНСТИТУТ АНАЛИТИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи ■ Для служебного пользования 9кз.И

ФЕДОРЦОВ Александр Борисович

УДК 621.315.592

Лазерная интерферометрия рекомбинационных характеристик полупроводников

01.04.01 - техника-физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

С.Петербург - 1994

Работа выполнена на кафедре физики Северо-Западного заочного политехнического института. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В.И.Ильин; доктор физико-математических наук, ст. н. сотрудник А.А.Лебедев; доктор физико-математических наук, профессор В. Е, Приват.

Ведущая организация - ВИЦ "РОИ им.С. И. Вавилова".

Защита диссертации состоится ¿шАа^ 1995 г< в /£~часов на заседании диссертационного совета Д.003,53.02 при Институте аналитического приборостроения РАН по адресу: 198103,-С.Петербург, Рижский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ИАП РАН. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по вышеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан " ^"^якаФ^А 199 ^г.

Ученый секретарь специализированного

совета кандидат физико-математических наук А.П.Щербаков.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 рекомбинацион-ных 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 по 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.

I

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 бесконтактные 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 н экспериментально физический механизм абсорбшшнно-шперференционного взаимодействия лазерных излучений в полупроводниках.

2. Исследовать особенности взаимодействия длинноволнового инфракрасного лазерного излучения с полупроводниковыми образцами, не являющимися идеальным интерферометром.

3. 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.

4. Провести разработанными методами исследования рекомбинационных характеристик полупроводников и влияния на эти характеристики новых технологических процессов.

5. Оценить возможности использования результатов исследований в технике.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. 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.

2. Впервые предложено использование физического механизма интерференционной модуляции для создания методов раздельного определения времен жизни электронов 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.

3. Впервые обоснована возможность определения в одном эксперименте концентрации, энергетическое положения и сечений захвата электронов и дырок на центры рекомбинации из экспериментальных температурных зависимостей времен жизни электронов и дырок.

4. 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.

5. 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.

6. Исследованы возможности и ограничения лазерной интерферометрии рекомбинационных характеристик полупроводников, источники погрешностей и их возможные величины.

7. Впервые с помощью методов и средств лазерной интерферометрии получены данные об увеличении в два раза объемного времени жизни неравновесных носителей тока в кристаллах антимонвда индия, выращенных в сильном поперечном магнитном поле, и о возникновении вблизи поверхности кристаллов этого вещества, подвергнутых обработке атомарным водородом, слоя толщиной около 10 ыкм, с увеличенным в 6-8 раз временем жизни носителей.

8. В сплаве кадмий-ртуть-теллур впервые в одном эксперименте бесконтактно определены концентрация, энергия активации, а также сечения захвата электронов и дырок рекомбинационными центрами.

Основные положения^ выносимые на защиту.

1. 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.

2. 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 |осителей заряда.

3. Отличия формы исследуемого полупроводникового образца от реального интерферометра из-за неплоскостности, непараллельности или шероховатости поверхностей его граней, несмотря на высокие значения ¡показателя 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.

4. Измерение в широком температурном интервале и совместный анализ экспериментальных температурных зависимостей времен жизни как электронов, так и дырок позволяют определить параметры рекомбштциониых центров: их концентрацию, энергетическое положение уровня рекомбинации в запрещенной зоне полупроводника, сечения захвата на эти центры электронов и дырок.

5. 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.

6. 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? В^ 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 » кристаллах

5

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 14-11 Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике в Санкт-Петербурге в 1991 году , на Международной конференции "Микроэлекгроника-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.

Диссертация Состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов, а также списка цитированной литературы. Об'ем диссертации составляет 247 страниц машийописного текста, в том числе 6 таблиц, 56 рисунков. Список литературы содержит 107 наименований.

. Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработанные методы лазерной интерферометрии полупроводников и реализующая их техника физического эксперимента значительно расширили аналитические возможности исследования рекомбинационных характеристик полупроводников. Они впервые предоставили возможности:

- раздельного определения неравновесных концентраций электронов и дырок;

- раздельного определения времен жизни электронов и дырок;

- раздельного определения объемного значения времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации;

- определения в одном эксперименте концентрации, энергетического положения и сечений захвата электронов и дырок на центры рекомбинации; 6

- оценки толщины слоев, отличающихся от объема своими рекомбина-ционными свойствами. Причем все эти измерения являются бесконтактными и неразрушающими.

2. Созданный полуавтоматический лазерный тауметр показал возможность использования аппаратуры лазерной интерферометрии рекомбинационных характеристик полупроводников не только для научных исследований, но и для метрологического обеспечения производства.

3. Интерферометрические исследования, выполненные с помощью лазерного тауметра, позволили впервые определить влияние новых технологий на рекомбинационные характеристики антимонида индия. Установлено, что выращивание кристаллов в сильном поперечном магнитном поле примерно вдвое увеличивает время жизни носителей и их подвижность, а обработка поверхности атомарным кислородом создает вблизи него слой толщиной порядка 10 мкм, в котором время жизни носителей возрастает в 6-8 раз, что позволяет улучшить параметры инфракрасных детекторов на основе In Sb.

4. Созданный при проведении работы инфракрасный лазер непрерывного излучения на угарном газе, перестраиваемый по длине волны в диапазоне от 5,3 до 6,3 мкм, может использоваться не только при исследовании узкозонных полупроводников, но и перспективен при проведении других исследований, в частности, при измерении спектров веществ.

5. Быстродействующий лазерный прибор для измерения толщины полупроводниковых и диэлектрических пленок в диапазоне 10 мкм - J мм, созданный на основе оптической схемы для изменения угла падения лазерного .луча в фиксированной точке неподвижного образца, резко увеличил скорость измерений и впервые позволил производить измерения толщины жидких пленок в процессе их растекания и испарения.

Личный вклад автора в проведенное исследование выражается в том, что мною была разработана программа исследований, выдвинуты положенные в основу работы научные идеи и цано их теоретическое обоснование, разработаны методы лазерной интерферометрия и схемы построения средств их реализации. Проектирование этих средств, исследование свойств полупроводников и проведение расчетов выполнено под моим руководством преподавателями кафедры Ю.В.Чуркиным, Д.Г.Летенко, А.С.Ивановым, А.Г.Аре'шкиным, А.Я.Поляковым. В обсуждении ряда результатов участвовали профессора Л.Е.ВороЕьев, К.Ф.Комаровских, И.В.Крутецкий, В.И, Стафеев. Мною выполнена систематизация и обобщение результатов и сформулированы вынесенные на защиту научные положения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во Введении обоснована актуальность проблем, рассмотренных в диссертации, дана общая характеристика работы, сформулирована ее цель, кратко изложено содержание диссертации, выдвинуты защищаемые положения.

■ В первой главе рассмотрен физический механизм интерференционно -абсорбционного взаимодействия в полупроводнике двух лазерных излучений. Этот механизм заключается в следующем. Одно из излучений имеет энергию фотонов больше ширины запрещенной зоны. Оно поглощается в полупроводнике и генерирует электронно-дырочные пары, изменяя концентрацию свободных носителей заряда. Другое излучение соответствует области прозрачности полупроводника. Оно является зондирующим и имеет энергию фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника. Исследуемый полупроводниковый образец выполняется в виде плоскопараллельной пластинки. Он заключается между отражающими поверхностями, образующими интерферометр Фабри-Перо. В качестве таких отражающих поверхностей, в частности, могут служить грани самого образца за счет скачка показателя преломления на границе воздух-полупроводник. Параметры зондирующего излучения, как прошедшего через образец, так и отраженного, определяются результатом интерференции.

Генерация в полупроводнике неравновесных носителей тока при его освещении лазером-инжектором приводит К изменению показателя преломления и коэффициента поглощения полупроводника на длине волны зондирующего лазерного луча. Это, в свою очередь, приводит к изменению интенсивности зондирующего луча, прошедшего через образец (и отраженного им), вследствие перестройки полупроводникового интерферометра по длине волны и возрастания поглощения в нем.

В главе в линейном приближении устанавливается взаимосвязь между модуляцией зондирующего излучения и изменением концентрации свободных носителей в полупроводнике при освещении его лазером-инжектором. Устанавливаются пределы применимости введенной модели, в которой изменение показателя преломления считается прямо пропорциональным концентрации неравновесных носителей. Так как концентрация неравновесных носителей связана с их временем жизни, то устанавливается взаимосвязь значения модуляции зондирующего луча с этой величиной.

Сделанные расчеты показали, что изменение мощности прошедшего

образец зондирующего луча (т.е. ее переменная составляющая) может превосходить значение мощности вызывающего этот эффект излучения инжектирующего лазера. Таким образом, возможна реализация оптического усиления в системе лазер-полупроводник. Расчеты показали также, что предложенный механизм абсорбцнонно-интерференционной модуляции может быть экспериментально обнаружен. Описаны опыты по обнаружению и исследованию этого эффекта, которые были выполнены на германии. В ходе этих опытов была подтверждена правомерность предложенной модели явления и установлена пропорциональность между величиной интерференционной модуляции и концентрацией неравновесных носителей тока.

В главе показано, что в условиях справедливости сделанных линейных приближений и в пренебрежении рекомбинацией носителей на поверхности величина модуляции зондирующего луча не зависит от глубины поглощения света инжектора, если время жизни носителей имеет одинаковую величину во . всем объеме. Получены формулы, связывающие величину модуляции зондирующего луча как с концентрацией неравновесных носителей и их временем жизни, так и с интерференционными характеристиками образцов -производными его пропускания по фазовому углу зондирующего излучения и величине поглощения за один проход. В главе обосновывается возможность создания методов определения концентрации и времени жизни неравновесных электронов и дырок из анализа характеристик прошедшего через полупроводник или отраженного им зондирующего лазерного луча. Обосновывается также возможность определения концентраций и энергии активации центров рекомбинации, сечений захватов на эти центры электронов и дырок. Основные результаты, изложенные в главе, опубликованы а работах /1-8/.

Во второй главе с целью определения возможности интерференционного зондирования реальных образцов рассмотрены особенности интерференционного взаимодействия монохроматического излучения инфракрасного лазера с полупроводниковыми образцами, обладающими большим показателем преломления и отличающимися от идеального интерферометра шероховатостью, неплоскостиостью и непараллельностью поверхностей.

В частности, рассмотрено влияние клиновидности полупроводникового образца на его интерференционную контрастность. Установлены закономерности, связывающие интерференционную контрастность клиновидного полупроводникового образца с контрастностью идеального интерферометра Фабри-Перо, изготовленного из данного полупроводника, и

с величиной изменения толщины образца по ширине зондирующего лазерного луча. Проведено сравнение расчетных данных с опытными, полученными путем измерения геометрического профиля и интерференционной контрастности клиновидных германиевых образцов для излучения лазера на углекислом газе.

В главе также описаны результаты экспериментального исследования влияния шероховатости граней образца на его интерференционную контрастность, выполненные для определения возможности проведения лазерно - интерферометрических исследований шлифованных образцов. Подобные образцы, в частности, используются в качестве подложек при производстве тиристоров. В результате была подтверждена возможность измерений таких образцов. Было также установлено, что для расчета интерференционной контрастности шлифованных образцов можно пользоваться той же формулой, что и для клиновидных, если в ней учитывать величину неоднородности образца по толщине, вызванную как его клиновидностью, так и шероховатостью.

В главе выводятся формулы, связывающие величины производных коэффициента пропускания реальным образцом зондирующего излучения (по фазовому углу этого излучения в образце и по его поглощению в образце за один проход) с интерференционной контрастностью образца для зондирующего излучения, которая легко измеряется экспериментально, Знание этих производных необходимо для расчета концентраций неравновесных носителей тока и их времени жизни из величины интерференционной модуляции зондирующего луча, возникающей при генерации в полупроводнике электронно-дырочных пар лазером-инжектором.

На основе полученных физических закономерностей машинными методами были рассчитаны зависимости указанных производных от интерференционной контрастности образцов для кремния, антимонида индия и сплава кадмий-ртуть-теллур.

Основные результаты, представленные в данной главе, опубликованы в работах/9,10,11,46/.

Третья глава диссертации посвящена анализу и обоснованию лазерно-интерференционных методов определения различных рекомбинационных характеристик полупроводника. Так анализ формул, полученных в главе 1 и связывающих величину модуляции зондирующего луча с концентрациями и временами жизни неравновесных электронов и дырок, выполненный совместно с анализом зависимостей входящих в эти формулы производных пропускания образца зондирующего луча по фазовому углу и величине поглощения

зондирующего луча за один проход от фазового угла, полученных в главе 2, позволил на основе установленных физических закономерностей предложить способ раздельного определения в одном опыте концентраций и времен жизни как неравновесных электронов, гак и неравновесных дырок.

Метод основан на различии в характере зависимостей этих двух производных пропускания от фазового угла. Действительно, фазовый угол зондирующего излучения в образце пропорционален оптической (и геометрической) толщине последнего. Если толщина образца вследствие каких-либо причин возрастает, то поглощение в нем тоже растет. Зависимость же пропускания от фазового угла носит периодический характер. То есть изменение пропускания вследствие изменения фазового угла с увеличением оптической толщины образца может как возрастать, так и убывать. Таким образом, если произвести измерения модуляции зондирующего луча, возникающей в образце при его освещении оптическим инжектором при двух различных значениях оптической толщины образца, то мы получаем систему двух линейных уравнений относительно неравновесных концентраций электронов и дырок, которая легко разрешается. Аналогично можно получить систему двр уравнений относительно времени жизни электронов и времени жизни дырок, из которой раздельно определяются две эта величины.

В эксперименте достичь изменения оптической толщины образца и фазового угла в нем можно различными способами: помещением образца во внешний резонатор и изменением расстояния между его зеркалами, небольшим изменением температуры образца или разворотом образца относительно зондирующего луча. Можно также проводить перестройку по фазовому углу путем сдвига образца перпендикулярно зондирующему лучу. Перестройка в этом случае происходит из-за того, что в разных точках образца он обычно имеет несколько различную толщину. При такой перестройке, однако, теряется одно из достоинств метода - его локальность.

Отметим, что лазерная интерферометрия позволяет не только в одном эксперименте раздельно определить неравновесные концентрации электронов и дырок и их время жизни, но и сделать это бесконтактно и локально.

Впервые экспериментально раздельное определение времен жизни электронов и дырок было выполнено нами на образцах германия, легированного сурьмой и компенсированного примесью меди. Измерения были выполнены с использованием специально стабилизированного лазера на углекислом газе ЛГ-23 в качестве оптического зонда и гелий-неонового лазера ЛГ-126 с длиной волны 1,15 мкм в качестве инжектора. Измерения проводились при двух разных

углах падения, соответствующих двум разным угловым положениям образца относительно зондирующего лазерного луча. Полученные в опыте значения времен жизни электронов и дырок существенно различались из-за рекомбинации через уровни атомов меди в запрещенной зоне германия и хорошо коррелировали со значениями, рассчитанными для данных образцов по статистике Шокли-Рида.

В главе также предложен метод бесконтактного лазерно-интерферометрического определения объемного времени жизни носителей, которое является объективной характеристикой материала (в отличие от их времени жизни в конкретном образце),а также определения скорости поверхностной рекомбинации носителей. Для проведения таких исследований необходимо наличие оптического инжектора с несколькими длинами волн, на которых глубина проникновения излучения в материал и, соответственно, глубина области генерации носителей достаточно различаются.

Очевидно, в полубесконечном образце измеренное время жизни тем ближе к объемному, чем меньше коэффициент поглощения инжектирующего луча и чем более равномерной по объему является генерация им неравновесных носителей тока. Однако наличие тыльной поверхности образца изменяет ситуацию. Диффузия носителей от места их генерации также существенно влияет на измеряемое в опыте время жизни в данном образце.

Проведенные опыты и расчеты показали, что в ряде случаев измерения интерференционной модуляции зондирующего луча,проведенные при двух различных длинах волн инжектора (из которых, например, одна соответствует преимущественно поверхностному, а другая преимущественно объемному поглощению),позволяют получить два уравнения, из решения которых определяются объемное время жизни и скорость поверхностной рекомбинации. Измерения проводились на кремнии с удельным сопротивлением 130 Ом.см, оптическим зондом служил лазер на углекислом газе ЛГ-74, а оптическим инжектором гелий-неоновый лазер ЛГ-126 с длиной волны 0,63 мкм и светодиоды АЛ-119А с дайной волны 0,94 мкм. Измерения, проводившиеся на образцах различной толщины и подвергшихся различным видам обработки поверхности, дали одинаковые значения объемного времени жизни носителей во всех образцах. Полученные величины скорости поверхностной рекомбинации соответствовали известным из литературы значениям, характерным для каждого вида обработки, и результатам, полученным в ФТИ им.Иоффе, где изготавливались образцы. Применение оптических инжекторов с разными длинами волн или перестраиваемых по длине волны позволяет также, измерить 12

времена жизни раздельно в поверхностном слое и в подложке за счет выбора коэффициента поглощения зондирующего луча, соответствующего слою и объему, и освещения образца инжектором поочередно с двух сторон. Оно позволяет также определить толщину слоев, отличающихся от объема своими рекомбинационными характеристиками, например, элитаксиальных слоев, даже в тех случаях, когда слои не отличаются от объема оптическими характеристиками. Действительно, если время жизни носителей в объеме полупроводника меньше,чем в поверхностном слое, го при увеличении длины волны оптического инжектора и его проникновении в объем величина модуляции зондирующего излучения начинает уменьшаться. В главе приводятся рассчитанные зависимости для такого случая. Использование этих зависимостей позволило обнаружить возникновение на поверхности антимонида индия слоев с повышенным значением времени жизни после обработки образцов атомарным водородом. Основные результаты, представленные в данной главе, опубликованы '. в работах /12-18, 38/.

Четвертая глава диссертации посвящена описанию и анализу техники физического эксперимента, основанной на принципе лазерной интерферометрии рекомбинационных характеристик полупроводников и реализованной в виде лазерных тауметров, представляющих собой установки высшей категории сложности для бесконтактного измерения неравновесных концентраций носителей тока и их времен жизни. Рассмотрена общая схема лазерного тауметра, который позволяет измерять времена жизни электронов и дырок в германии, кремнии, антимониде индия и сплаве кадмий-ртуть-теллур вплоть до минимальных значений 3-10" с в диапазоне температур от азотной до комнатной. Описаны главные узлы установки и критерии их выбора, в том числе узлы специально разработанные и изготовленные лазеры и приемники зондирующего излучения, оптический (инфракрасный) вакуумный криостат, оптические инжекторы, модуляторы и схемы их питания, перечислены используемые оптические элементы н радиоизмерительные приборы.

В главе описан целый ряд предложенных и исследованных оптических схем взаимодействия зондирующего излучения с полупроводниковым образцом. Предложенные резонаторные схемы с расположением исследуемого образца в объеме внешнего резонатора, в объеме резонатора лазера-зонда и на месте выходного зеркала этого лазера значительный выигрыш в величине сигнала дают в случае очень слабо поглощающих и оптически хорошо подготовленных образцов, ■ •

Часто специальная оптическая подготовка поверхностей образцов для

измерений нежелательна, и часто они обладают заметным поглощением на длине волны зондирующего луча. Как показали опыт и расчеты, в этих случаях применение резонаторных систем нецелесообразно. Возможно использование интерференционных свойств самого образца, когда зеркалами интерферометра служат его параллельные грани за счет разницы показателей преломления полупроводника и воздуха. Однако в этом случае возникает проблема перестройки интерферометра по фазовому углу зондирующего излучения, которая необходима для раздельного измерения времен жизни электронов и дырок. Эта проблема была нами решена за счет создания оригинальной оптической схемы, позволяющей изменять угол падения лазерного луча в фиксированной точке неподвижного образца. Причем делать это в 10 ООО раз быстрее, чем известные аналоги. Для улучшения отношения сигнал/шум нами ' были разработаны двухлучевые схемы зондирования, в том числе схема с работой фотоприемника на нелинейную нагрузку,

В главе описаны предложенные методы и оптико-электронные схемы обработки информационного сигнала при лазерной интерферометрии полупроводников и дан их сравнительный анализ. В частности, фазовый метод имеет преимущество, когда времена жизни электронов и дырок равны. Метод основан на измерении разности фаз оптического инжектора и приемника зондирующего излучения. Эга разность фаз возникает вследствие отставания колебаний неравновесной концентрации носителей от колебаний интенсивности генерирующего их излучения и несет информацию о времени жизни носителей тока. В этом варианте не требуется предварительного знания параметров полупроводника, он позволяет упростить оптико-механическую часть установки и обеспечивает высокую производительность при необходимости большого числа измерений.

Амплитудный метод основан на измерении амплитуды переменной составляющей прошедшего через образец (или отраженного им) зондирующего излучения, возникающей при одновременном освещении образца' светом оптического инжектора, промоделированного с фиксированной частотой. Его рационально использовать, когда времена жизни электронов и дырок различаются, и когда такие параметры полупроводника, как его показатель преломления и эффективные массы электронов и дырок, известны.

Частотный вариант лазерной интерферометрии основан на измерении амплитудно-частотной характеристики зондирующего излучения после его взаимодействия с исследуемым образцом при изменении частоты зондирующего излучения. Вследствие уже упоминавшегося отставания колебаний 14

неравновесных концентраций электронов и дырок от частоты инжектирующего света при повышении частота модулятора выше величины, обратной времени жизни носителей, происходит уменьшение амплитуды зондирующего луча вследствие значительного уменьшения амплитуды колебаний неравновесной концентрации носителей. Частотный вариант позволяет производить измерения времен жизни раздельно электронов и дырок, при этом не требуется знания каких-либо параметров полупроводника. Однако измерения требуют значительного времени, их желательно производить, пользуясь усилителями типа "лок-ин". Кроме того, для проведения измерений малых времен жизни требуются малоинерционные фотоприемники зондирующего излучения с постоянной времени, меньшей измеряемого времени жизни.

При измерениях объемного времени жизни в толстых или сильно поглощающих образцах предложена обработка сигнала гетеродинного типа. В этом случае модулируются оба лазерных луча - зондирующий и инжектирующий, причем с различными частотами, а измеряется сигнал фотоприемника на суммарной или разностной частоте. Результаты, описанные в главе 4, опубликованы в работах /19-21, 23-30/.

В пятой главе рассматриваются особенности и ограничения лазерно-интерференционных методов исследования рекомбинацщонных характеристик полупроводников, а также вытекающие отсюда требования к исследуемым образцам. Отмечается, что основным критерием пригодности образцов для лазерно-интерферметрических измерений является их интерференционная контрастность, то есть отношение пропускания образцом зондирующего излучения в интерференционном максимуме к значению пропускания в интерференционном минимуме. У реальных полупроводниковых образцов эта величина из-за неплоскостности, непараллельности граней и их шероховатости всегда меньше, чем у идеального интерферометра Фабри-Перо с таким же коэффициентом отражения зеркал. Для исследования образцов методами лазерной интерферометрии их интерференционная контрастность должна быть не менее 1,2. Стандартные полупроводниковые пластины, используемые в микроэлектронике, обычно этому критерию удовлетворяют. Описаны приспособления, позволяющие подготовить образцы для лазерно-интерферометрических измерений. Отмечается, что препятствием для проведения измерений может также явиться сильное поглощение зондирующего излучения в образце. В частности, это может быть связано со слишком большой равновесной концентрацией свободных носителей тока. Произведение этой концентрации на толщину образца не должно превосходить значения 10'8 -

10'9 см2 . Проводится сравнение результатов, полученных предложенным методом, с результатами, полученными на тех же образцах известными контактными методами там, где это было возможно.

Такие сравнительные измерения были выполнены на германии, кремнии и наиболее подробно на антимониде индия. Были измерены в интервале 77 К - 300 К температурные зависимости интерференционной модуляции зондирующего излучения, из которых рассчитывались времена жизни электронов и дырок в этом диапазоне температур. Выполненное сопоставление результатов с литературными данными, полученными ранее другими авторами и другими методами, показало их хорошее соответствие.

Проведена оценка и показаны основные источники погрешности измерений при использовании различных методов лазерной интерферометрии.

В амплитудном методе при больших величинах модуляционного сигнала относительная погрешность в определении времени жизни оценивается как сумма взятых с весом от 1 до 2 погрешностей величин, входящих в уравнение, связывающие эти величины. То есть таких параметров полупроводника, как показатель преломления, эффективные массы электронов и дырок, сечения поглощения на них зондирующего излучения и определяемых из опыта значений интенсивности инжектора и производных пропускания образцом зондирующего ¡шучення по его фазовому углу и величине поглощения за один проход. На практике это может приводить к систематической погрешности от 10 до 40% и случайной на уровне №20%. При малых значениях модуляции зондирующего луча погрешность измерения времени жизни определяется отношением сигнал/ шум в оптико-электронном тракте зондирующего излучения и ее относительная величина равна удвоенному значению этого отношения.

В фазовом варианте лазерной интерферометрии погрешность измерений времени жизни в основном определяется элементами оптико-электронных трактов инжектирующего и зондирующего излучений и при достаточной величине сигнала редко превосходит 10%. В частотном методе природа и величина погрешности в основном те же, что в фазовом. В главе показано, что особенности лазерной интерферометрии позволяют проводить исследования неравновесных процессов в полупроводниках при весьма малых отношениях неравновесных концентраций к равновесным. Это является следствием периодической зависимости пропускания образцом зондирующего излучения от набега его фазы в образце. В результате удается производить измерения неравновесной концентрации носителей в узкозонных полупроводниках при комнатной температуре. В частности, при измерениях в антимониде индия 16

при комнатной температуре неравновесная концентрация носителей составляла. 1013 см"3 на фоне равновесной концентрации I016 см"3. Бесконтактный съем информации при лазерной интерферометрии позволяет с ее помощью исследовать внутренний фотоэффект в полупроводниках, к которым затруднено изготовление контактов, и в диэлектриках. Результаты главы 5 опубликованы в работах /22, 31,21,46/.

Результаты исследования лазерно-интерферометрическими методами рекомбинационных характеристик антимонида индия и сплава кадмий- ртуть-теллур, изложены в шестой главе.

Работы по антимониду индия выполнялись совместно с институтом "Гиредмет" (Москва), где были изготовлены по новым технологиям образцы. Так как этот материал предназначен для использования в инфракрасных детекторах, то основным параметром исследования было выбрано влияние новых технологических приемов - выращивания кристаллов в сильном поперечном магнитном поле и обработки их атомарным водоромом - на времена жизни неравновесных носителей тока в интервале температур от азотной до комнатной, а также на распределение этого параметра по объему образцов.

При температурах ниже 150 К время жизни носителей в антимонвде индия, как известно, определяется их рекомбинацией через уровни в середине запрещенной зоны. Эти уровни связаны со структурными дефектами в виде страт роста кристалла, которые являются следствием тепловой конвекции в расплаве при выращивании кристалла в поле силы тяжести при наличии градиента температуры. Мы исследовали влияние магнитного поля с индукцией от 0,1 до 0,4 Тл, приложенного при выращивании кристаллов поперечно направлению роста. Исследовались выращенные по методу Чохральского слитки антимонида индия дырочной проводимости с концентрацией носителей при 77 К от 1,8-1012 см"3 до 2,3-Ю'2 см'3. При.этом часть слитка выращивалась при включенном магнитном поле, а часть - без него. Измерения времен жизни проводились в интервале от 77 К до 300 К. по амплитудному методу со "свободным" (без внешних зеркал) образцом. В качестве зонда использовался стабилизированный лазер ЛГ-74, а в качестве оптического инжектора -специально разработанный нами лазер на угарном газе, перестраиваемый по длине волны от 5,3 до 6,3 мкм.

Установлено, что приложение сильного поперечного магнитного поля в процессе выращивания слитка антимонида индия приводит к увеличению объемного времени жизни при 77 К примерно в 2 раза. Примерно в 1,5 раза возрастает подвижность носителей. Возрастание времени жизни носителей

наблюдается при температурах ниже 150 К. При более высоких температурах времена жизни носителей в частях слитка, выращенных в поле и без него, не различаются, что свидетельствует о смене механизма рекомбинации при этой температуре.

Было также исследовано влияние пассивации водородом антимонида индия с целью увеличения в нем времени жизни носителей тока. Гидрогенизация в последнее время используется довольно широко для пассивации примесей и дефектов в полупроводниках. Однако традиционные методы гидрогенизации пластин плазмой водорода оказались неприменимы к антимониду индия вследствие того, что его контакт с плазмой сопровождается возникновением летучих гидридов, вследствие чего поверхности пластин покрываются слоем металлического индия, который препятствует диффузии водорода.

В московском институте "Гиредмег" для гидрогенизации антимонида индия был применен метод скрещенных пучков, который позволяет создать поток нейтральных атомов водорода из потока молекулярного водорода, пересекающего пучок магнитоактивной водородной СВЧ плазмы. Образующиеся ионы удерживаются в плазме магнитным полем, а нейтральные атомы образуют поток атомарного водорода, которым обрабатываются пластины антимонида индия.

Исследовались пластинки антимонида индия с концентрацией электронов при 77 К от 1,8Ч1014 см"3 до 4,6-1014 см"3, подвергнутые гидрогенизации по методу о скрещенных пучков при температуре 100°С в течение 15 минут. В образцах проводилось измерение времени жизни носителей до и после гидрогенизации так, как это описано выше. Были получены зависимости модуляции зондирующего лазерного луча от длины волны оптического инжектора в диапазоне от 5,3 до 6,3 мкм. В этом диапазоне глубина проникновения излучения в антимонид индия меняется от 1 до 1000 мкм, что позволяет получить из результатов измерений модуляции распределение времени жизни от координаты, направленной в глубь образца. Анализ результатов показал, что после гидрогенизации атомарным водородом у лицевой и тыльной поверхностей антимонида индия образуется слой толщиной порядка 10 мкм, в котором время жизни носителей тока значительно (в 6-8 раз) увеличивается, что мы связываем с пассивацией рекомбинационных уровней в этом слое.

Из толщины этого слоя можно оценить значение о коэффициента диффузии водорода в антимониде индия при 100°С, которое составляет 3*10"'° смг /с. Это примерно на три порядка больше, чем в других материалах А3В5, но совпадает с данными, полученными Р.Вильсоном. 18

Эффект пассивации центров рекомбинации наблюдался нами также в эпитаксиалышх пленках антимонида индия, выращенных на подложках из этого же материала.

В этой же главе излагаются результаты исследования лазерно -интерферометрическим методомтемпературных зависимостей времен жизни неравновесных электронов и дырок в сплаве кадмий-ртуть-теллур (X = 0,3).

Целью исследования была реализация предложенной в главе 2 идеи о возможности определения значения микроскопических рекомбинационных параметров полупроводника из экспериментальных температурных зависимостей времен жизни, полученных как для электронов, так и для дырок. Исследовались образцы дырочного кадмий-ргуть-теллура, в которых отношение числа атомов кадмия к числу атомов теллура сост зляло от 0,302 до 0,316. При температуре 77 К концентрация дырок составляла 2-Ю15 см"3, а их подвижность 500 см2 /B.c. Методика измерений была аналогичной использовавшейся при исследовании антимонида индия.

Из измерения зависимостей модуляции зондирующего луча от интенсивности оптического инжектора было определено значение интенсивности инжектора - 1021 квант/м^с, до которого измеряемое время жизни от интенсивности инжектора не зависит. При использовании интенсивностей менее ДО21 квант/м2 • с в температурном диапазоне от 77 К до 300 К для каждой температуры были измерены по два значения модуляции зондирующего луча при двух разных значениях фазового угла, а из них рассчитаны эффективные времена жизни электронов и дырок для каждой длины волны из использовавшихся; ими были: 0,63 мкм, 1,15 мкм, 3,39 мкм и диапазон 5,3-6,3 мкм. В соответствии с процедурой, описанной в шве 3, из этих данных были вычислены температурные зависимости об'емных значений времен жизни и электронов и дырок. Эти зависимости имели три явно выраженных температурных диапазона: от 300 до 200 К, от 200 до 120 К и ниже 120 К.

Нами были также рассчитаны теоретически температурные зависимости времени жизни с учетом состава и концентрации мелкой легирующей примеси для трех механизмов рекомбинации: излучательной, Оже и Шокли-Рида.

В диапазоне от 300 К до 200 К. экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетной зависимостью, учитывающей вклад всех трех механизмов. Величина тангенса угла наклона этой зависимости близка к половине ширины запрещенной зоны, что указывает на существенный вклад излучательной рекомбинации.

В температурном интервале от 200 до 120 К наблюдается возрастающее

различие в измеренных временах жизни электронов и дырок. Этот факт, а также ярко выраженный активационный характер зависимостей логарифмов времен жизни электронов и дырок от температуры свидетельствует о преобладании в этом диапазоне рекомбинации Шокли-Рида. Используя модель рекомбинации через один уровень, мы из наклона зависимости логарифма времени жизни от температуры определили его энергию активации, т.е. расстояние до края ближайшей разрешенной зоны - 0,066 эВ.

С использованием полученной величины энергии активации были определены плотности состояний, приведенные к уровню ловушек. Вместе с известными значениями равновесных концентраций электронов и дырок и измеренными значениями неравновесных концентраций их подставили в наиболее общие формулы Шокли-Рида, и с учетом условия электронейтральности получили общие выражения для времен жизни электронов и дырок. Используя реальные соотношения в температурном интервале 200-77 К между значениями различных величин концентрации, входящих в эти формулы, их удалось упростить и из их совместного рассмотрения с использованием экспериментальных значений времен жизни электронов и дырок получить значение коэффициента захвата дырок на рекомбинационный уровень, равное 1,4'10'ш см3 с'1.

Используя затем значения времен жизни, полученные из опыта для диапазона 200 К - 120 К, известные значения энергии активации уровня и коэффициента захвата на него дырок с учетом соотношений между концентрациями для этой температуры, получили концентрацию рекомбинационных центров, равную 1,8- 10м см"3 , и коэффициент захвата на них электронов - 3' 10'8 см3 с"1. Все полученные значения находятся в хорошем соответствии с литературными данными для образцов, изготовленных по сходным технологиям.

Таким образом было показано, что лазерная интерферометрия позволяет не только бесконтактно определить значения времен жизни и неравновесных концентраций как электронов, так и дырок, но и из анализа их температурных зависимостей определить микроскопические рекомбинационные параметры -концентрацию и энергию активации центров рекомбинации, коэффициенты захвата на них электронов и дырок.

Основные результаты, представленные в шестой главе, опубликованы в работах /36-39, 42, 45-47/.

Глава седьмая содержит описание некоторых практических применений разработанных лазерных методов исследований и реализующей их техники 20

физического эксперимента.

Полуавтоматический лазерный тауметр "Монохром-5" был создан с целью проверки возможности использования лазерной интерферометрии для исследования рекомбинационных свойств полупроводниковых образцов не только в научных целях, но и в промышленности. . Назначение прибора -измерение времени жизни носителей тока в полированных и шлифованных кремниевых пластинах толщиной 300-400 мкм, предназначенных для производства полупроводниковых приборов в АО "Светлана". Прибор работает в полуавтоматическом режиме "из кассеты в кассету". Для подачи пластины на измерительную позицию и ее перемещения в приемную кассету используется серийный загрузчик 09ВК-110М. Равенство времен жизни электронов и дырок в измеряемых пластинах позволило использовать фазовую обработку сигнала. Это, в свою очередь, позволяет обеспечить высокое отношение сигнал/шум в измерительном тракте и упрощает кинематическую схему тауметра. Тауметр работает по двухлучевой схеме. В качестве зонда использован гелий-неоновый лазер ЛГ-111 с длиной волны 3,39 мкм, а в качестве оптического инжектора -набор из шести светодиодов АЛ-119А с длиной волны 0,94 мкм, обеспечивающих достаточно большую глубину слоя генерации неравновесных носителей. Время, затрачиваемое на контроль одной пластины на тауметре, не превышает 2 секунд, а полное время разбраковки кассеты с двадцатью пятью пластинами диаметром от 60 до 125 мм не превышает 10 минут. Диапазон измеряемых значений времени жизни от 0,1 до 1000 мкс. Применение тауметра в объединении "Светлана" позволило в подложках, используемых для производства приборов выявить две группы кристаллов, различающихся по значению времени жизни носителей.

Быстродействующий лазерный интерферометр для измерения толщины неметаллических твердых и жидких пленок был создан на основе оптический схемы с эллиптической оптикой для изменения угла падения лазерного луча в заданную точку неподвижного образца. Схема первоначально была разработана для реализации возможностей амплитудного варианта лазерной интерферометрии по раздельному измерению времен жизни электронов и дырок. Принцип действия прибора основан на подсчете числа интерференционных максимумов, наблюдающихся в отраженном свете при изменении угла падения лазерного луча в заданных пределах. Максимумы и минимумы интенсивности лазерного луча наблюдаются вследствие интерференции лучей, полученных при отражении от лицевой и тыльной поверхностей пленки. Прибор позволяет измерять толщину пленок в диапазоне от 10 мкм до 1 мм и превосходит по быстродействию японские аналоги на

несколько порядков при малой (менее 2 мВт) мощности зондирующего луча. Малое, менее 0,2 мс время отдельного измерения и высокая, более 100 с' частота измерений впервые позволили измерять толщину жидких пленок в процессе их растекания и испарения.

Перестраиваемый .по длине волны и стабилизированный по мощности инфракрасный лазер на угарном газе первоначально был создан нами для исследования узкозонных полупроводников в качестве источника, обеспечивающего возможность генерации неравновесных носителей заряда в слое, глубина которого может регулироваться. Этот лазер имеет стабильную мощность излучения и возможность перестройки по длине волны в диапазоне от 5,3 до 6,3 мкм, что, например, обеспечивает изменение коэффициента поглощения его излучения в антимониде индия на несколько порядков. Стабилизация мощности и возможность перестройки по длинам волн была получена нами за счет замены выходного зеркала в технологическом лазере ИЛГН-706 дифракционным элементом - эшелеттом, установленным на уголковом отражателе,позволяющем варьировать угол наклона эшелетта к оптической оси прибора без изменения положения выходного луча. При этом мощность лазера снизилась с 10 до 0,6 Вт, а ее нестабильность - с 30 до 2%. Эшелегг позволил подавить хаотические скачки лазера по линиям-излучения и мощности и обеспечил практически плавную перестройку по линиям генерации в диапазоне от 5,3 до 6,3 мкм. Очевидно, такой лазер может использоваться не только для. исследования узкозонных полупроводников, но и в других областях исследований. В частности, в качестве перестраиваемого монохроматического источника с высокой мощностью излучения при спектральных исследованиях веществ.

Основные результаты данной главы опубликованы в работах /18, 26, 3335, 40-42, 44/.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен, теоретически обоснован, экспериментально исследован физический механизм интерференционной модуляции в полупроводнике инфракрасного лазерного излучения с энергией фотонов меньше ширины запрещенной зоны. Модуляция возникает при одновременном освещении этого полупроводника коротковолновым излучением, генерирующим в полупроводнике неравновесные носители тока. 22

2. Предложен теоретически н экспериментально обоснован принцип лазерной интерферометрии для бесконтактного, неразрушающего и локального исследования рекомбинационных параметров полупроводников, которая основана на анализе параметров интерференционной модуляции инфракарсного лазерного излучения с энергией фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника после его взаимодействия с исследуемым образцом, который одновременно освещается коротковолновым излучением, генерирующим в полупроводнике неравновесные носители тока.

3. Разработанные методы лазерной интерферометрии позволяют измерять раздельно неравновесные концентрации электронов и дырок, также раздельно их времена жизни, объемное время и скорость поверхностной рекомбинации, времена жизни неравновесных носителей заряда в поверхностных слоях и подложках. Кроме того, лазерная интерферометрия позволяет оценить толщину поверхностных слоев, отличающихся от объема значением рекомбинационных параметров.

4. Установлена возможность лазерно-интерференционных измерений на реальных полупроводниковых образцах, в том числе шлифованных, а также на пластинах, используемых для производства полупроводниковых приборов. Для этого были выполнены теоретический анализ и экспериментальные исследования взаимодействия длинноволнового лазерного излучения с полупроводниковыми образцами, не являющимися идеальным интерферометром Фабри-Перо вследствие шероховатости, неплоскостности и непараллельности поверхностей. Исследовано влияние этих причин на интерференционную контрастность образцов, которая служит критерием пригодности образцов для интерферометрических измерений. Установлены взаимосвязи между легко определяемой на опыте интерференционной контрастностью образца и его интерференционными параметрами, используемыми для расчета рекомбинационных характеристик полупроводника из данных интерферометрии.

5. Разработаны и исследованы принципы построения систем и устройств, являющихся средствами реализации методов лазерной интерферометрии полупроводников. Эти методы и средства защищены рядом авторских свидетельств. Разработаны критерии выбора элементов установок и оптимизации их электронных и оптических схем в зависимости от параметров исследуемого полупроводника и ..стоящей задачи. В частности, подробно исследованы возможные схемы взаимодействия зондирующего лазерного излучения с образцом и способы обработки информационного» сигнала. Показано, что

использование специальных резонаторных систем повышает чувствительность лазерной интерферометрии, но значительно ужесточает требования к оптическому качеству образцов. Установлено, что во многих случаях достаточной чувствительностью и надежностью обладает простейшая оптическая схема, в которой зеркалами интерферометра являются поверхности образца за счет скачка на них показателей преломления.

6. Созданы уникальные экспериментальные установки для лазерной интерферометрии рекомбинационных характеристик полупроводников -лазерные тауметры, позволяющие производить измерения неравновесных концентраций носителей и .их времен жизни с амплитудным, фазовым или частотным анализом сигнала в германии, кремнии, антимониде индия, сплаве кадмий-ртугь-теллур в интервале температур от азотной до комнатной.

Минимальные значения времени жизни, которые возможно измерять на данных установках, - 3-Ю'10 с.

7. Определены основные источники и величины возможных погрешностей различных вариантов реализации метода лазерно-интерферометрических измерений. Проведено сравнение данных, полученных с помощью лазерной интерферометрии, с данными контактных измерений и литературными данными. Показана возможность использования лазерной интерферометрии для исследования рекомбинационных характеристик диэлектриков и узкозонных полупроводников при комнатной температуре. Определены требования к образцам, предназначенным для лазерно-интерферометрических исследований. Установлено, что основным ограничением для лазерно - интерферометрических исследований является поглощение зондирующего излучения в полупроводнике. Вследствие этого произведение концентрации в образце носителей заряда на его толщину обычно не должно превышать 1018 см"2.

8. Показано, что из получаемых с помощью лазерной интерферометрии температурных зависимостей времен жизни как электронов, так и дырок, возможно определение параметров центров рекомбинации носителей тока в полупроводниках. В частности, в сплаве кадмий-ртуть-теллур определены концентрация, энергетическое положение рекомбинационных уровней и сечения захвата на них как электронов, так и дырок.

9. С помощью разработанных методов и созданных средств физического эксперимента проведено исследование времен жизни носителей заряда в антимониде индия.

В результате впервые установлено, что выращивание кристаллов этого полупроводника в сильном поперечном магнитном поле приводит к подавлению 24

возникающих при росте кристаллов центров рекомбинации, увеличению времени жизни носителей и их подвижности. Также установлено, что обработка поверхности антимонида индия атомарным водородом увеличивает в 6-8 раз время жизни носителей заряда в поверхностном слое толщиной порядка 10 мкм. Из условий обработки и толщины слоя оценен коэффициент диффузии водорода в антимониде индия, который много выше, чем в других полупроводниках А3В5.

10. Показана возможность использования лазерной интерферометрии не только в научных целях, но и в производственных для контроля и разбраковки пластин по величине времени жизни носителей заряда. Созданный полуавтоматический таумегр позволяет провести разбраковку кассеты с 25-ю кремниевыми пластинами за 10 минут.

11. Ряд узлов н приборов, разработанных специально как составные части лазерных таумегров, имеют самостоятельное значение для техники физического эксперимента. Это непрерывный инфракрасный лазер на угарном газе, перестраиваемый по длине волны в диапазоне от 5,3 до 6,3 мкм, и оптическая схема для изменения угла падения лазерного луча в фиксированной точке неподвижного образца. На базе этой схемы бьи, в частности, создан лазерный прибор для измерения толщины неметаллических пленок, по быстродействию на несколько порядков превосходящий аналоги. Его использование впервые позволило измерять толщину жидкой пленки в процессе ее испарения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Воробьев Л.Е., Крутецкий И.В., Федорцов А.Б. Интерферометр, перестраиваемый по длине волны. A.c. 471634 СССР, МКИ HOIS 3/18. Заявл. 17.05,73. Опубл. 25.05.75. Бюл. N 19.

2. Воробьев Л.Е., Крутецкий И.В., Федорцов А.Б. Модуляция длинноволнового инфракрасного излучения с помощью подмодулятора на меньшую длину волны./Друды СЗПИ:Сб, научн.трудов. - Л., 1974.-В.29.-С.20-23. •

3. Крутецкий И.В., Федорцов А,Б. Оптическое усиление в системе лазер-

25

фотопроводник//Письма в журн.техн.физ.- 1977.-Д.З.-В.1.-С.З-6.

4. Экспериментальное обнаружение абсорбционно-интерференционного взаимодействия света в полупроводнике./Выжигин Ю.В., Комаровских К.Ф., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.//Физ. и техн.полупр. -T-2Ct-B.9--C.i747.

5. Крутецкий И.В., Панков A.M., Федорцов А.Б. О возможности улучшения соотношения сигнал/шум в фотоэлектрических приемниках за счет предварительного оптического усиления.//Деп. в ВИНИТИ 17.03.85., N 3990.

6. Комаровских К.Ф., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Интерференционный метод измерения неравновесной концентрации носителей заряда в полупроводниках.//Вопросы радиоэлектроники. -1987.-Сер. ТПО.-В.1.-С.52-55.

7. Комаровских К.Ф., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Бесконтактное определение времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках./ /Методы и средства повышения эффективности производства. Сб.научн.тр.СЗПЙ.-Л., 1987.-С.52-55.

8. Воробьев Л.Е., Летенко Д.Г., Федорцов А.Б. Определение параметров рекомбинационных центров в Cd03Hg07Te бесконтактным методом лазерной интерферометрии .//Письма в жур'н.техн.физ.-1991.-Т.17.-В.20.-С. 18-22.

9. Влияние клиновидности интерферометра Фабри-Перо на его контрастностъ./Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В., Шалыгин В.А., Штурбин A.B./

, СЗПИ, Л., 1986.- Деп. в ВИНИТИ 26.02.87. N 1457-В87.

10. Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Влияние шероховатости интерферометра Фабри-Перо на его контрастность./СЗПИ.- СПб, 1987,- Деп. в ВИНИТИ 26.02.87., N 1457-В87.

11. Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В., Поляков А.Я. Расчет резонансных характеристик полупроводникового интерферометра Фабри-Перо ./СЗПИ, СПб, 1992.-Деп. в ВИНИТИ 13.10.92., N 2957-В92.

12. Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Раздельное определение времен жизни неравновесных электронов и дырок в полупроводниках интерференционным методом.//Письма в журн.техн.физ.-1988.-Т.14.-В.4.-С.321-324.

13. Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Способ бесконтактного определения времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках. A.c. 1589948 СССР: МКИ Н Ol L 21/66. ДСП.

14. Комаровских К.Ф., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Способ бесконтактного определения неравновесных носителей тока в полупроводниках. A.c. 1473552 СССР. МКИ3 GOIR 31/26 ДСП.

15. Диагностика времен жизни электронов и дырок, а также скорости их

поверхностной рекомбинации в полупроводниковых структурах по измерению интерференционной модуляции./ Воробьев Л.Е., Иванов A.C., Комаровских К.Ф., Летенко Д.Г., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.//Х1 Всес.конф.по физ.полупр,-Кишинев, 1988.-С.105-106.

16. Контроль об'емного времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда в полупроводниках методом инфракрасного лазерного зондирования./Воронков В.Б., Иванов A.C., Комаровских К.Ф., Летенко Д.Г., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.//Журн.техн.физ., 1991.-Т.61.-В.2.-С.104-108.

17. Способ бесконтактного определения толщины эпитаксиальных полупроводниковых слоев./Арешкин А.Г., Иванов A.C., Федорцов А.Б., Федотова К.Ю.//А.С. 1737261А1 СССР,- МКИ3 G01B 11/06.-Заявл. 18.01.90. Опубл. 30.05.92. Бюл. N 20.

18. Торчинский H.A., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Интерференционный способ измерения толщины полупроводниковых слоев.'A.c. 1747877 СССР МКИ3 GO1B11/06. Заявл. 15.07.90. Опубл. 15.07.92. Бюл, N 26.

19. Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Методика ускоренной настройки резонатора лазера ЛГ-44 при его использовании в качестве интерферометра Фабри-Перо при исследовании твердых тел.// Приб. я техн.экспер.-1989.-В.1.-С.220-221.

20. Летенко Д.Г., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В. Способ бесконтактного определения времени жизни неравновесных отелей тока в полупроводниках. A.c. 1.591.761 СССР. МКИ3НОИ21/66. - Заявл. 13.10.87. ДСП.

21. Летенко Д.Г., Федорцов А,Б., Чуркин Ю.В. Способ бесконтактного определения времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках.//А.с. 1.600.586 СССР. МКИ3 HOIL21/66. Заявл. 25.01.88. ДСП.

22. Бесконтактный лазерный интерферометрический метод неразрушающего исследования рекомбинационных характеристик электронов и дырок в полупроводниках./Арешкин А.Г., Воробьев Л.Е., Иванов A.C., Комаровских К.Ф., Летенко Д.Г., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.//14-Я Междунар.конф.по когерентной и нелинейной оптике, С-Пб,, 1991.-Т.2.-С.104,

23. Неразрушающий контроль электрофизических параметров полупроводников методом инфракрасной лазерной интерферометрии./Арешкин А.Г., Иванов A.C., Комаровских К.Ф., Летенко Д.Г., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.//12-Я Всесоюзн.конф. "Неразрушающие физические методы и средства контроля", Свердловск, 1991.- Т.4.- С.9-10. -

24. Бесконтактная фазовая методика контроля времени жизни носителей тока в полупроводниках./Арешкин А.Г., Иванов A.C., Летенко Д.Г., Федорцов А.Б.//Приб. и техн.экспер., 1991. -В.4.-С.202-203.

25. Быстрое измерение угловой зависимости коэффициента отражения лазерного луча неподвижным образцом./Иванов A.C., Летенко Д.Г., Торчинский И А, Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.// Приб. и техн.экспер., 1991.- В.4.- С.222-224.

26. Иванов A.C., Летенко Д.Г.,Торчинский И А, Федорцов А.Б. Устройство для изменения угла Падения. A.c. 1772609 СССР МКИ31772609. Заявл. 24.04.90. Опубл. 30.10.92. Бюл. N 40. '

27. Парицкий Л.Г. и Федорцов А.Б. Схема включения фотодиода для регистрации малых'изменений больших световых сигналов.// Приб. и техн.экспер., 1969.- В.6.- С.121-122.

28. Иванов A.C., Федорцов А.Б. Фотометр. A.c. 1.758527 СССР. МКИ3 G01 N 21/59. Заявл. 11.08.89. Опубл. 30.08.92. Bkm.N 32.

29. Определение значений времени жизни электронов и дырок в полупроводниках по результатам лазерного инфракрасного зондирования./ Арешкии А.Г., Иванов A.C., Комаровских К.Ф., Ле-тенко Д.Г., Федорцов А.Б. и Чуркин Ю.В.//Всес.конф."Метролокические проблемы микроэлектроники", Мытищи,1991.- С.81.

30. Иванов A.C., Федорцов А.Б. Способ бесконтактного измерения Бремени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках. A.c. 1778821 AI, MMOIL 21/66. Заявл. 10.06.91. Опубл. 30.11.92. Бюл. N 44.

31. Температурная зависимость времен жизни неравновесных носителей заряда в JnSb, легированном Ge, при поверхностном лазерном возбуждении./ Летенко Д.Г., Комаровских К.Ф., Попов Ю.Г., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В./ /Письма в ЖТФ, 1990,- Т. 16. - В.8.- С.52-55.

32. Бесконтактное лазерное определение времен жизни неравновесных электронов и дырок в антимониде индия ./Летенко Д.Г., Савватеев В.Н., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.//Всесоюзн.совещ."Фотоэлектрич.явл.в полупроводниках", Ашхабад, 1991.- С.316.

33. Непрерывный стабилизированный лазер на угарном газе, перестраиваемый по длине волны в диапазоне 5,3т6,3 мкм./ Летенко Д.Г., Савватеев В.Н., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.// Приб.и техн.эксперимента, .1992.-В.1.-С.158-160.

34. Метрологический инфракрасный лазер, перестраиваемый по длине волны в диапазоне 5,3-6,3 мкм./Летенко Д.Г., Савватеев В.Н., Федорцов А.Б., 28

Чуркин Ю.В.//4-Я Всесоюзн. конф. "Применение лазеров в технол. и сисг. ■ передачи и обраб. инф.", Киев, 1991.- С.71.

35. Стабилизированный СО-лазер, перестраиваемый по длине волны излучения 5,3-6,3 мкм, предназначенный для изучения структур на основе антимонида индия./Летенко Д.Г., Савватеев В.Н., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В./ /Школа-семинар "Лазеры и современ. приборостроение", С.-Петербург, 1991.-С.170.

36. Влияние выращивания в магнитном поле на электрофизические и рекомбинационные характеристики антимонида индия./Векшина В.С.,Летенко Д.Г.,Нагибин О.В., Поляков А.Я.,Федорцов А.Б.,Чуркин Ю.В.//Письма в ЖТФ, 1992.-Т.18. -В.2. -С.21-25.

37. Влияние атомарного водорода на вр :мя жизни неравновесных носителей заряда в антимонвде индия./Летенко-Д.Г., Молодцова Е.В.,Пахомов A.B..Поляков А.Я.,Федорцов А.Б. и Чуркин Ю.В.// Физ.и техн.полупроводников,1991.-Т.25.-ВЛ2.-С.2132-2134. " '

38. Исследование времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации в эпитаксиальных структурах из InSb и слоях CdHgTe лазерным интерференционным методом./ Воробьев Л.Е., Комаровских К.Ф.,Летенко Д.Г.,Стафеев В.И.,Федорцов А.Б. и Чуркин Ю.В.// Всесоюзн.семин."Многосшойные структуры на основе узкозон.полупр.",Нукус, 1990. -С.42-48.

39. Измерение времен жизни неравновесных электронов и дырок в КРТ неразрушающим лазерным методом./Летенко Д.Г., Комаровских К.Ф., Поляков А.Я., Федорцов А.Б.// Всес.совещ. "Фотоэлектрич. явл. в полупроводниках", Ашхабад, 1991.- С.90.

40. Промышленная лазерная тауметрия кремниевых пластин./ Арешкин А.Г., Федорцов А.Б, и др./Друды 9-й Междунар. конф. "Микроэлектроника-90". Т.1.- С.288.

41. Полуавтоматический лазерный комплекс для оперативного контроля качества полупроводниковых пластин./Арешкин А.Г., Иванов A.C., Комаровских К.Ф., Федорцов А.Б.//Всесоюзн. конф. "Измерения и контроль при автоматиз. произв. процессов", Барнаул, 1991.- Т.2.- С.52.

42. Бесконтактный лазерный интерференционный метод неразрушающего исследования рекомбинационных характеристик электронов и дырок в полупроводниках./ Арешкин А.Г., Воробьев JI.E., Иванов A.C., Комаровских К.Ф., Летенко Д.Г., Федорцов А.Б., Чуркин Ю.В.// Изв. Акад. Наук. Сер. физич.-1992.-Т.56.-В.12,-С.121-129.

43. A fast operating laser device for measuring thicknesses of liqued and solid films/Fedortsov A.B., Letenko D.G., Churkin Ju.V.,Torchinsky l.A.,Ivanov A.S.//, Review of Scientific Instrum,1992.-T.63.-B.7.-C.3579-3582.

44. The iaser interferometry for the evaporation Kinetics of liquid films./Fedortsov A.B.,Letenko D.G.,Tsentsiper L.M., Ivanov A.S.,Torchinsky l.A.// 13-th Int.Conf.of the Condensed Matter Div.of Europ. Phys.Soc. Regeiisburg, 1993.- C.1535.

45. Contactless lokal investigation of the electron properties of semiconductors and insulators using the laser interferometry./Vorobjev L.E,,Ivanov A.S.,Letenko D.G., Polyakov A.Y.,Fedortsov A.B.,Churkin Yu.V.//13-the Int.Conf. of the Condensed Matter Div of Europ,Phys.Soc. Regensburg, 1993,- C.1427.

46. Excess carrier lifetime measurments in indium antimonide using a contactless laser technigue./Fedortsov A.B., Letenko D.G., Churkin Yu.V., Sawateev V.N.// Journ. of Mater. Sd: Mat. in Electronics. - 1993. - B.3. - C.203-207.

47. Contactless local determination of recombination centre parameters in Cd03Hg07 Te by infrared laser »interferometry./Fedortsov A.B., Letenko D.G., Polyakov A.Y., Stafeev V.I., Vorobjev L.E.//Semicond. Science and Tech., 1994. T.9. - B.l. - C.69-76.

IloanwceHO k nsM8in tt, 12.94. 3afcas # 2. Tnpa*t ITO.

Ome^araHO «a pOTanpimre Will Cn«5rTV. CaHKT-flsTepdypr, ilojiHT8x(tn»jeokbh pi., 29.