Модифициронанные фототепловые методы для определения электронных и тепловых параметров полупроводниковых материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

• ^ РГБ 01

г

Лапшин Константин Владимирович ^ до |у|Др| 2300

модифицированные фототепловые методы для

определения' электронных и тепловых параметров полупроводников ых материалов

01.04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕ Ф Е PAT

диссертации на соискание ученой стспсии кандидата физико-математических наук

Автор: ^

Москва - 2000 г.

Работа выполнена в Московском государственном инженерно -физическом институте (Техническом Университете)

Научный руководитель: кандидат физ.-мзт. наук, ведущий

научный сотрудник-,

Петровский Анатолий Николаевич •

Официальные оппоненты: доктор физ,-мат. паук, профессор,

Ермаченко Валерий Михайлович,

доктор физ.-мат. наук, профессор, Крайнов Владимир Павлович.

Ведущая организация: . • ' МГУ им. М.В. Ломоносова.

Защита состоится _2000 г. в __ часов

на заседании диссертационного совета К053. 03. 01 в МИФИ по адресу: 115409, г. Москва, Каширское ш., д. 31., тел: 323-9167, 324-8498.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

' Автореферат разослан М2. " "_2000 г.

Просим примять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета, старший научный сотрудник кандидат физ.- мат. наук,

Выходные сведения

Подписано в печать 23.03.2000 г.

Заказ . . . Тираж 100 экз.

Типография МИФИ. Москва, Каширское ш., д. 31. / ■ >

Руднбв И. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы:

Технический прогресс на рубеже 21-го века выдвинул высокие требования к качеству полупроводниковых материалов, в первую очередь к точности и экспрессности определения их тепловых и электронных параметров. ;

Контактные методы исследования' имеют отрицательные характеристики из-за большой погрешности измерений и ограничений для образцов полупроводниковых материалов, . обладающих высокой теплопроводностью, малыми временами жизни носителей Заряда, а также для тонкопленочных образцов.

Потребности производства ставят перед исследователями цели разработки моделей и методик локального, дистанционного, неразрушающего контроля материалов путем определения их тепловых и электронных параметров в широком температурном диапазоне.

Решать задачи этого -направления возможно благодаря использованию . бесконтактных. неразрушающих безэталонных фототепловых и фотоакустических методов, в первую очередь с использованием таких перспективных методов, как метод «мираж» -эффект и фоторефлекционный метод. .

Впервые физическая основа и теоретическое обоснование метода «мираж» - эффект были рассмотрены в работах Фурнье, Боккара и Бадоза. Фоторефлекционный метод, как правило, применяется в тех случаях, когда применение метода «мираж» - эффект - из-за особенностей геометрии образца - становится затруднительным." .

.К данному времени различные группы исследователей показали возможность измерения тепловых и электронных параметров образцов с применением вышеупомянутых методов, однако, так и не было создано экспресс - методов определения параметров образцов в рельном времени. Не проводились измерения тепловых и электронных параметров образцов в различных температурных диапазонах, которые могли бы раскрыть, процессы распространения тепла в образце и определить характер методической погрешности методов. Точность измерения параметров образцов, определяемых методом «мираж» - эффект с импульсным возбуждением, была невысока (до 30%). При определении параметров образцов не учитывалось влияние скорости поверхностной рекомбинации

.-3-

носителей заряда. Исследования тонких пленок в России фототепловыми методами вообще не проводились из-за отсутствия соответствующей технической базы.

Цель работы:

Цель данной работы состояла в модернизации фототепловых методов, позволяющей улучшить их характеристику, учесть скорость поверхностной .рекомбинации носителей заряда при обработке экспериментальных результатов, ' добиться понижения погрешности определения тепловых и электронных параметров полупроводниковых материалов, а также проводить измерения тепловых параметров тонкопленочных образцов.

Для достижения цели данной работы решались следующие

задачи:

- по созданию фототеплового экспресс - метода, позволяющего определять параметры образцов с меньшей погрешностью и в режиме реального времени;

- по разработке и реализации, методики измерения коэффициента температуропроводности тонких пленок, в том' числе с высокими коэффициентами тепло- и температуропроводности;

- по созданию расчетной модели обработки экспериментальнлх результатов, получаемых с использованием импульсного метода «мираж» - эффект, учитывающей влияние рекомбинационных процессов на поверхности образца; .

- по проведению измерений температуропроводности полупроводниковых образцов в диапазоне (77-300) К.

Научная новизна:

1. Создан экспресс - метод на основе фоторефракционного явления, который благодаря впервые примененному разделению пробного луча позволяет в режиме реального времени проводить более' корректные измерения параметров образцов (коэффициентов диффузии, тепло- и температуропроводности, времени жизни носителей заряда) по сравнению с традиционным методом «Мираж» - эффекта.

2. Разработана и экспериментально реализована оригинальная методика на базе фоторефлекционного эффекта с использованием искусственно

, созданных биений между пробным и возбуждающим излучениями, • . -4-

позволяющая проводить измерения коэффициента

температуропроводности и геометрических размЗров тонкопленочных образцов. .

3. Впервые обнаружен эффект пространственного раздвоения пробного луна при прохождении фронта температурной водны через полупроводник.

4. Предложена расчетная модель обработки экспериментальных результатов, получаемых с использованием импульсного метода «мираж» - эффект, учитывающая влияние рекомбинационных процессов на поверхности образца.

5. Впервые проведены измерения скорости поверхностной рекомбинации кремниевых образцов методом «мираж» - эффект..

6. Впервые проведены измерения ' коэффициентов температуропроводности кремниевых образцов б диапазоне (77-300) К импульсным методом «мираж» - эффект, позволившие понять механизм распространения тепла в образцах и характер методической погрешности эксперимента.

Практическая ценность работы:

Предложенные в работе новые фототепловые методики, использующие разделение пробного луча, специально созданные биения между пробным и возбуждающим излучениями, а также расчетную схему, учитывающую скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда, позволяют:

- более корректно, по сравнению с традиционными методиками, определять параметры полупроводников (коэффициент температуропроводности, время жизни носителей заряда, скорость поверхностной рекомбинации, коэффициент' диффузии носителей) в режиме реального времени;

- определять скорость поверхностной рекомбинации образцов с использованием импульсного метода «мираж» - эффект;

- определять коэффициент . температуропроводности и геометрические размеры тонкоплеиочных материалов, измерение которых другими методами не представляется возможным;

- снизить погрешность определения тепловых (коэффициент температуропроводности) и электронных (коэффициента диффузии фотонндуцированных носителей заряда, времени жизни носителей заряда) параметров полупроводников;

измерять параметры полупроводниковых образцов -5-

(коэффициенты тепло- и температуропроводности) з диапазоне (77-300)К.

• Основные положения, выносимые на защиту, учитывают научную новизну «.практическую ценность работы и состоят в следующем: - .

1. Впервые предложен, обоснован и экспериментально реализован экспресс - метод на базе фоторефракционного явления, основанный на оригинальной идее использования разделенного пробного луча, что позволило измерять физические параметры образцов (коэффициенты диффузии, тепло- и температуропроводности, время жизни носителей заряда) в режиме реального времени, а также значительно снизить' погрешность их измерений - на (10-25)%.

2. Разработана и экспериментально реализована новая методика измерения коэффициента температуропроводности тонких пленок фоторефлекционным методом, использующая специально созданные биения между пробным и возбуждающим излучениями. ,

3. Впервые экспериментально обнаружен эффект пространственного расщепления пробного луча при прохождении фронта температурной волны через полупроводник и дана его интерпрётацня, позволившая понять механизм формирования фототеплового сигнала на малых глубинах зондирования. V

4. Создана новая расчетная модель обработки результатов, получаемых с использованием импульсного метода «мираж» - эффект, учитывающая влияние рекомбинационных процессов на поверхности образца, а также позволяющая определить скорость поверхностной рекомбинации и понизить погрешность определения параметров (коэффициента диффузии, времени жизни носителей заряда) образца.

5. Впервые импульсным методом «мираж» - эффект проведены измерения коэффициентов температуропроводности кремниевых образцов в диапазоне (77-300) К, подтвердившие эффективность физической модели

метода, и выявившие характер методической погрешности эксперимента. •

'ч Вклад автора: .

. - Изложенные в работе результаты получены автором лично или в ' соавторстве при его непосредственном участии.

-б-

Апробация работы:

Основные результаты докладывались на:

1.8-ой Международной Конференции по Фотоакустическим и Фототепловым явлением (Гваделупа, Франция, 1994-г.). 2. Международном Семинаре по Современной акустике (Нанкин, Китай, 1994 г.). •

3.4-м Семинаре по Фотоакустике и Фототепловым Явлениям (Гливиц, Польша, 1999 г.).

4. Научной Сессии МИФИ-99 (Москва, 1999 г.).

5. Научной Сессии МИФИ-2000 (Москва, 20.00 г.).

Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах в отечественной и зарубежной печати, список которых приведен ниже.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 83 наименования. Работа изложена на 141 странице и включает 25 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении работы . обоснована актуальность создания эффективных методик и экспериментальных установок для исследования тепловых и электронных параметров полупроводников фототепловыми методами в широком температурном диапазоне, сформулированы проблемы, решение которых явилось целью работы, определена научная новизна и практическая значимость данного исследования, перечислены защищаемые в работе положения. ' .

В . литературном обзоре показано, что использование фототспловых методов в исследованиях твердотельных образцов в настоящее время является одним из наиболее быстро развивающихся направлений. Обосновано такое важное преимущество данного направления по сравнению с традиционными методами, как его бесконтактный, локальный, безэталонный н неразрушающий характер. Отмечено, что в ряде публикаций периодически предлагаются новые модификации фототепловых методов, повышающие 'их чувствительность

-7- •"-' - •

и позволяющие исследовать параметры образцов в большем диапазоне температур, что говорит о большом потенциале метода и его передовом характере. '

Для решения поставленных задач в работе были разработаны и реализованы 3 методики на основе фоторефракционного явления, и одна методика на основе фоторефлекционного явления, а также разработана схема расчета электронных параметров образца, определяемых , фототепловым методом, учитывающая скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда.

- 1. Для проведения низкотемпературных ' исследований была создана модифицированная - установка исследования образцов импульсным методом «мираж» - эффект, учитывающая геометрию прохождения пробного и возбуждающего излучений в уникальном криостате "Парек", во внутреннем' объеме которого располагался исследуемый образец.

По полученным экспериментальным данным после проведенной компьютерной обработки была построена температурная зависимость коэффициента температуропроводности в диапазоне (77-300) К, описываемая следующей формулой:

Ог = А1Ч-МЗ±0.08)> . .. (!)

где коэффициент А а (2,2 ± 0,5). 10"3 см2/(К|,18с)

Заметим, что характерный вид при температурах близких к комнатным хорошо . согласуется с . ожидаемой асимптотической зависимостью. Действительно, коэффициент температуропроводности Бт можно представить в виде: ' -

Б, = сог^ V • £, ; - (2)

где V - фононная скорость, равная скорости звука в кристалле, - I - средняя длина свободного пробега фононов. ■ . (

Скорость фононов в температурном диапазоне (77 - 300) К изменяется незначительно, а величина средней длины овободного пробега фононов £ (обратно пропорциональная^ среднему времени релаксации фононов) при комнатных - температурах обратно пропорциональна температуре.

2. Для проведения исследований по • 'пространственному ■ • -8- .

распределению прошедшего через образец пробного излучения была создана модифицированная установка импульсного метода «мираж» -эффектов которой полезный сигнал снимался одновременно и раздельно с каждой площадки двухплощадочного фотодиода. В ходе эксперимента был обнаружен эффект расщепления пробного луча. Дано объяснение данного эффекта: отклонение пробного луча обусловлено градиентом коэффициента преломления образца, возникающим под действием • индуцированных возбуждающим излучением тепловых волн и волн концентрации заряда. В момент прохождения максимума тепловой (электронной) волны через зону зондирования пробного луча, часть пробного луча, до которой максимум не- дошел, отклоняется в противоположную сторону, нежели часть луча, через которую максимум уже прошел. .

Эффект расщепления пробного луча особенно выражен на малых глубинах зондирования, при которых тепловая (электронная) волна еще не размыта и глубина ее распространения может быть сравнима с диаметром пробного излучения в образце. Учет данного эффекта позволит . более корректно интерпретировать. получаемые экспериментальные результаты. Систематическое выявление данного эффекта в эксперименте позволит более корректно применять физическую модель формирования фототсплового сигнала в образце, а ' следовательно более достоверно определять тепловые и электронные параметры измеряемых материалов (коэффициенты тепло- и температуропроводности, диффузии, время жизни и. скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда).

3. В целях снижения погрешности и увеличения быстродействия импульсного метода «мираж» - эффект была предложена принципиально новая методика, использующая для зондирования образца разделенный пробный луч (в общем случае - с многократным вертикальным и горизонтальным расслоением). На основе предложенной методики была собрана установка, использующая раздвоение пробного луча, общий вид которой представлен на Рис.1..

Схема установки частично совпадала со схемой установки для низкотемпературных исследования и электронных параметров образцов. Образец (1) помещался в короткофокусную телескопическую систему (2) с фокусным расстоянием Г = 3 см. Не-Ие лазер (3) использовался в качестве источника пробного излучения (4). Принципиальным новшеством данной схемы явилось помещение на пути пробного луча перед входом в телескоп разделительного кубика, разделяющего пробный луч (4) на два коллннеарных лазерных луча (5) диаметром 2 мм и

-9-

расстоянием между лучами до вхождения в образец 8,5 мм (в ходе апробации экспериментальной схемы были '. также получены положительные результаты по использованию для раздвоения пробного луча (на пути следования которого предварительно располагалась диафрагма) кристалла исландского шпата - однако, из-за своего -предварительного, неполного, характера данные результаты ниже рассматриваться не. будут). Лучи входили в оптическую систему равноудаленно от -оптической оси, разведенные по вертикали. .Юстированная система (6) имела 3 степени свободы (погрешность вертикального смещения, использующегося при варьировании глубины зондирования пробного луча, составляла 7 мкм), в том числе и вдоль оптической оси телескопа. Важным параметром являлось положение образца относительно фокуса телескопа, Очевидно, что нахождение образца в фокусе малоинформативно, так как оба луча в этой точке пересекаются, и мы не имеем дополнительной информации, ради которой и производилось раздвоение луча. Также нерационально и размещение, образца вдали от перетяжки, так как в этом случае диаметр луча пробного излучения в образце будет велик. Оптимальным представлялось размещение образца сразу за' или перед перетяжкой. Проблема расходимости (сходимости, если образец расположе'н перед перетяжкой)' лучей в образце (при использовании относительно тонких образцов, толщина которых меньше - на порядок и более - расстояния между линзами телескопа) является кажущейся, так как угол сходимости (расходимости) составляет всего около 4 градусов и молено принять за отсчет глубины зондирования глубину прохождения пробных лучей в середине образца. .

Принципиальным прогрессом схемы с раздвоением пробного луча следует считать тот факт, что информация за каждый возбуждающий импульс снимается одновременно с двух глубин зондирования.

На выходе из оптической системы пробные лучи разводились призмой и подавались на два двухплощадочных фотодиода (8), закрытых Б! фильтрами. Фотодиоды располагались на столиках с микронной подачей (9) (точность подачи составляла 7 мкм). Сигналы с фотодиодов (8) подавались иа каналы "А" и "В" двухлучевого' цифрового программируемого осциллографа С9-16 (10).

Другим новшеством, введенным в схему, было отведение части возбуждающего излучения (11) от Шэ лазера (12) с помощью делительной пластины (13.) на фотодиод ФД-24К (14), сигнал с которого подавался на вход запуска осциллографа С9-16 (10). Благодаря такому запуску отсекались электрические наводки на полезный сигнал со стороны 11Ь

. -10- ■

лазера.

- Использование схемы с раздвоением пробного луча позволило получать информацию за один возбуждающий импульс одновременно с двух глубин зондирования (в нашем эксперименте использовались глубины зондирования пробного луча х, равные 250 мкм и 450 мкм).

Такжз существенно повысилась точность метода. Действительно, выразив, коэффициент температуропроводности (Б,) через разность времен положений тепловых максимумов фоготепловых сигналов с обоих пробных лучей -Д^ши глубину сканирования пробного луча, расположенного дальше от поверхности сигнала х2 и расстояние между пробными лучами в образце Дх, в простейшем приближении имеем:

. Вт = Ах.х2(1-Дх/2х2)/ЗД1пт. (3)

Из (3) видно, что погрешность определения От для схемы с раздвоенным пробным лучом зависит от погрешности определения Дх, Д^ш* и х2 - 5(Дх)№0, 5(ДЪ1их)№о и 5(х2)ПУо , соответственно.

Параметр Д(тзх в предложенной ^ схеме не зависит от пространственной, временной неоднородности и неоднородности по интенсивности облучения образца возбуждающим излучением, что позволяет понизить погрешность его определения с 10% (традиционная схема метода «мираж» - эффект) до менее 1%.

Случайные погрешности измерения глубины зондирования х2 и расстояния между пробными лучами в образце Дх, связаны с погрешностью позиционирования котировочного столика, на котором закреплен образец. Систематическая погрешность измерения х2 и Дх связана с диаметром пробного излучения в образце, на входе и выходе из образца не превышающего 80 мкм (физическое ограничение, накладываемое на перетяжку пробного луча, составляет 20 мкм).

При использовании схемы с разделением пробного луча погрешность измерения Дх была снижена вдвое - с 30% до 15%. Систематическая погрешность измерения глубины зондирования была снижена с 6% до 2%.

Таким образом, погрешность определения при использовании метода с раздвоением пробного луча 5(Бт)1и,0 ~ 15%, что значительно .меньше погрешности определения Бт с использованием традиционной схемы - 5(Вт)опе ~ 25%. Кроме этого, возможность измерения параметров образцов за один возбуждающий импульс существенно улучшает экспрессцость метода.

- . Благодаря относительному характеру измерений погрешность

■ ■: ' ■-'•' ' -и-

скорости распространения максимумов градиентов тепловых волн 5(V,)lw0, рассчитанная аналогичным образом, в работе составляла около 5%, что значительно меньше погрешности традиционной схемы метода «мираж» - эффект 5(V|)OTi:~30%. . В работе исследовались полированные кремкигвые образцы с временами жизни неосновных носителей 170 мкс (р - типа) и 0,7 мкс (п-типа). •

Определенные коэффициенты температуропроводности для исследуемых образцов составили, соответственно, (0,80+0,15) см2/с для кремниевого образца п -типа для всех серий и (0,90±0,15) см2/с для кремниевого образца р - типа - для всех серий. Скорости распространения максимумов градиентов тепловых воли в исследуемых образцах составили (112±5) см/с для образца р - типа и (105±5) см/с для образца п -типа. , • , • ; . '

Показанные выше преимущества методики использования двойного пробного луча делают ее особенно удобной при локальных исследованиях тепловых и электронных параметров образца (в том числе для определения качества обработки поверхности, наличия мнкротрещин, примесных уровней и пр.). Кроме того, при разделении пробного луча на несколько' лучей как по горизонтали, так и по вертикале (создав зондирующую образец матрицу), можно снимать локальную информацию о физических параметрах по всему образцу одновременно. С помощью предлагаемой методики можно также определять физические параметры образца не только по временным параметрам, но и (одновременно) по амплитуде фототеплового сигнала, что увеличивает количество снимаемой полезной информации за один возбуждающий импульс и может быть использовано при исследовании электронных параметров образцов с большими временами жизни фотоиндуцированных носителей заряда. ' ' "

4. Для повышения точности измерения электронных параметров образцов (коэффициента диффузии, времени жизни носителей заряда) и измерения скорости поверхностной рекомбинации была впервые предложена расчетная схема, учитывающая скорость .поверхностной рекомбинации носителей заряда. Ранее измерения скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда фототепловыми методами не проводились. В работе было впервые получено выражение для определения электронных параметров образцов в явном виде:

т .Щплх\ [и 22 2?) 40<па

(А Ш ^ р ( ^ I

v I Л

л__'шах 2

+

20(п„ 2Д. г 2

г2 г3

г3 2? г^Дго

где г = 1 + /Л + х / 2л/Огтах ), А = 0.34802, В = -0.09588, С -

0.74786, р = 0.47047, Б - скорость поверхностной рекомбинации, О -коэффициент диффузии носителей заряда,, т - время жизни фотонндуцированных носителей заряда образца. . . .

' Для исследуемого .полированного образца кремния БЕ4-600 п -типа с временем жизни неравновесных носителей заряда порядка 300 мке, скорость поверхностной рекомбинации составила (400±100)см/с (что по порядку величины Совпадает с величинами поверхностной рекомбинации для полированных кремниевых образцов с соответствующей обработкой поверхности, известными из литературных истопников).

•'5.'Для проведения бесконтактного определения параметров тонких пленок с помощью фоторефлекционного метода была предложена оригинальная методика, в которой благодаря использованию модуляции близкими по значению частотами пробного и возбуждающего излучений удалось перенести значения фазы регистрируемого фототеплового сигнала из диапазона сотен, и тысяч кГц в' диапазон единиц кГц. Таким образом, стало возможно применение стандартных низкочастотных синхронных детекторов, выпускаемых отечественной промышленностью.

Блок - схема установки, используемой в эксперименте по исследованию тонких пленок, представлена на Рис.2.

Физическая основа методики построена на зависимости коэффициента - отражения поверхности образца от температуры -поверхности, изменяющейся под действием возбуждающего излучения.

В качестве источника возбуждающего излучения в эксперименте использовался Аг лазер ОГМ-5М(1) с непрерывным излучением на длине волны излучения X = 0,5 «мкм, мощность которого во время эксперимента ' задавалась 1 Вт.

', Возбуждающее излучение подавалось, на акустооптнческий модулятор (2), сконструированный по специальному заказу для данного

-13-'

эксперимента. В эксперименте в качестве возбуждающего излучения использовалась одна из двух первых мод промоделированного излучения (с частотой модуляции излучения равной частоте, подаваемой на акустооптический модулятор), мощность излучения в которой выставлялась максимально возможной (мощность варьировалась путем изменения угла вхождения - излучения в кристалл акустооптического модулятора). Используемые в эксперименте первая и нулевая мода вырезались диафрагмой (3), не пропускающей остальные моды (в том числе и вторую первую моду). . . .:

Незамодулированное излучение (нулевая мода) подавалось на второй акустооптический ' модулятор (4), после которого первая промоделированная мода (мощность излучения в ней выставлялась минимальной, с перекачкой энергии в третью моду), вырезанная диафрагмой (5) и ослабленная системой светофильтров (б), использовалась в качестве пробного излучения. Мощность пробного излучения была более чем на один порядок меньше . мощности возбуждающего излучения, что позволяло пренебречь влиянием пробного излучения на формирование теплового отклика в образце. Несущие частоты модуляции акустооптнческих модуляторов задавались с высокочастотных генераторов Г4-143 (7,8). Модуляции возбуждающего и пробного излучения Шь ш2 задавались • путем модулирования высокочастотных сигналов с генераторов Г4-143 низкими частотами (отличающимися по величине на несколько процентов), подаваемыми с генераторов сигналов специальной формы Г6-28 (9,10). Сигналы со входов синхронизации двух генераторов Г6-28 подавались на сумматор (11). С помощью частотомера электронно-счетного 43-54 (12) осуществлялся . контроль образуемых на сумматоре биений, частота которых равнялась разности частот модуляции пробного и возбуждающего излучении и поддерживалась в течение всего эксперимента равной 5 кГц. Биения суммарного сигнала с сумматора (11), отфильтрованные от суммарного сигнала с помощью специально сконструированного операционного усилителя (13), не пропускающего колебания с частотами боле 10 кГц (и менее 1 кГц), подавались на опорный вход синхронного детектора УПИ-2 (14).

Суммарную мощность опорного сигнала Р| можно представить в

виде:

Р1-11(0'~2 + со5(ш10 + со5(со21) = 2 + 2соз(о)11)со5(Дю1/2), (5)

при Асо = | ©! - ©2 I « (01, Ш2.

Таким образом, мощность низкочастотного сигнала, подаваемая с операционного усилителя на опорный вход синхронного детектора, была пропорциональна со5(Дю^2), а частота этого сигнала составляла 2,5 кГц.

На фотодиод ФД-24К (15) подавались пробное возбуждение, отразившееся от образца (16) и разведенное с падающим на образец излучением делительным кубиком (17), и часть возбуждающего излучения, отведенного делительным кубиком (18) и. ослабленного светофильтром (19) до мощности сравнимой с мощностью падающего на фотодиод пробного излучения.

Питание фотодиода (15) .осуществлялось от источника • постоянного напряжения УНИП-7 (20). .

Формирование полезного сигнала' обусловлено зависимостью коэффициента отражения поверхности образца от температуры поверхности, которая зависела от теплового отклика образца на возбуждающее излучение.

Сигнал с фотодиода подавался на операционный усилитель (21), а с него на вход "А'' усилителя-преобразователя импульсного УПИ-2 (14). Показания с УПИ-2 снимались с двух квадратурных каналов усилителя па . два цифровых вольтметра В7-16А (22). Визуальное наблюдение биении сигнала производилось с помощью контрольного осциллографа С1-67 (23). . . ;

■ Отраженный от образца пробный луч отличался от падающего на

образец пробного луча на некий зависящий от частоты модуляции сдвиг фаз 5(со), обусловленный откликом образца. В этом случае мощность Р2 излучения, падающего на фотодиод (14), можно записать:

Рг-Ш ~ 2 + со5(оэ,г) + соз(со21 + 5) = 2 + 2 сов^ - 5/2)СОБ(ДОЛ/2 - 5/2), (б)

Так ■ как в рассматриваемом частотном диапазоне время .быстродействия фотодиода х- было меньше периода колебаний интенсивности Т=27г/соь электрический сигнал с фотодиода повторял временное изменение интенсивности, описываемой выражением (б). Для простоты в (6) мы предположили, что мощности излучений, падающих на фотодиоды, равны, а в выражении (5) - что мощности смешиваемых на сумматоре электрических сигналов совпадают (учет различия мощностей смешиваемых сигналов приведет к иным коэффициентам, стоящим перед слагаемыми в выражениях (5) и (6), но не повлияет на вид частотного и фазового распределений, имеющих значение для определения физических параметров исследуемых образцов).

В работе исследовалась вольфрамовая пленка, напыленная на

-15-

<

кремниевую подложку. По ' полученной частотной зависимости фототепдового сигнала была рассчитана толщина пленки - "10 мкм. Данное значение является разумным с учетом способа приготовления пленки. При известной же толщине, пленки из выражения (б) можно определять тепловую характеристику материала От, сравнивая величину которой с табличной .характеристике!] материала, можно оценивать качестсо нанесения покрытия. ■

Таким образом, удалось провести измерение параметров тонкой ' пленки бесконтактным фоторефлекционным методом с использованием стандартной технической базы.

Основные результаты и выводы: *

1. Создан зкспрссс-метод на базе фоторефракционного эффекта, который впервые - благодаря примененному разделению пробного луча - позволяет ' в режиме реального времени «безконтактно», безэталонно определять значения параметров образцов (коэффициенты диффузии, тепло- и температуропроводности, время жизни носителей заряда), в том числе понизить погрешность их измерения.

2. С ' помощью предложенного экспресс-метода на созданной оригинальной установке определены значения коэффициентов температуропроводности (погрешность измерения которых была - по сравнению с классическим методом - снижена с 25% до 15%) и скоростей распространения максимумов градиентов тепловых, волн кремниевых образцов.

3. Впервые разработана и экспериментально реализована методика измерения коэффициента температуропроводности тонких пленок на основе фоторефлекционного явления путем использования специально созданшлх биений между'пробным и возбуждающим излучениями.

4. Впервые обнаружен эффект пространственного расщепления пробного луча при прохождении фронта температурной волны через полупроводник. Дана интерпретация данного явления, позволившая более точно понять особенности формирования фототеплового сигнала, наблюдаемого при исследованиях образцов с использованием метода «мираж» - эффект. • ' •

5. Предложена расчетная модель обработки результатов, получаемых с использованием импульсного метода «м11раж» - эффект, учитывающая влияние-' рекомбннацпонных процессов на поверхности образца. Данная модель позволяет определять скорость поверхностно» рекомбинации образцов, а также снизить погрешности определения коэффициента

-16-.

диффузий и времени жизни носителей заряда исследуемых образцов.

6. Благодаря использованию предложенной расчетной модели обработки результатов, впервые фототепловыми методами определены значения скоростей поверхностной рекомбинации носителей заряда в исследуемых материалов. "

7. Впервые проведены. • измерения коэффициентов температуропроводности кремниевых образцов в диапазоне (77-300) К импульсным методом «мираж» - эффект. По " полученным экспериментальным значениям коэффициентов температуропроводности сделаны выводы о тепловых процессах, протекающих в исследуемом образце после воздействия на него возбуждающего излучения (а следовательно о достоверности используемой физической модели), и о •характере формирования погрешностей определения параметров полупроводниковых образцов. _

Основные результаты диссертации опубликованы п 10 печатных

работах:

1. Лапшин К.В., Петровский А.Н., Сальник А.О. Применение метода фотсдефлекционной спектроскопии для измерения температуропроводности кремния при низких температурах. Письма в

' ЖТФ. М., 1993, том 9, вып. 1, сс. 24-28.

2. Лапшин К.В., Петровский А.Н., Сальник А.О., Зуев В.В. Применение метода фотодефлекцнонной спектроскопии для измерения скорости поверхностной рекомбинации кремния в диапазоне температур (77 - 300) К. Письма в ЖТФ, М., 1994, том 20, вып. 21, сс. 60-64.

3. Lapshin K.V., Salnick А.О., Petrovsky A.N. Low Temperature Si Thermal Properties Characterisation Using the Photothermal Beam Deflection 8-th Topical International Meeting on Photoacoustic and Photothermal Phenomena. Guadeloupe, France, 1994, pp. 135-136.

4. Petrovsky A.N., Lapshin K.V., Zuev V.V. and Salnick A.O. Low temperatures Si thermal and electron measurements using the mirage technique. International Workshop on Modern Acoustics. Nanjing, China, 1994, p. 72.

5. Петровский A.M., Лапшин K.B., Зуев B.B. Измерение тепловых и электронных параметров полупроводников методом "мираж" - эффект с импульсным возбуждением и раздвоением пробного луча. Письма в ЖТФ, М., 1998, том. 24, вып. 11, сс. 63-67.

6. Лапшин К.В., Петровский А.Н., Зуев В.В;, Лабузов Д.О. Исследование тепловых параметров тонких пленок методом "мираж" - эффект с

: -17-

гармоническим возбуждением с применением гетеродинирования возбуждающего н пробного излучении. Научная сессия МИФИ-99. М., 1999, том 3,сс. 168-169. '

7. Петровский А.Н., Лапдшп К.В., Зуев В.В. Измерение тепловых и электронных параметров полупроводников методом "мираж" - эффект с импульсным возбуждением с раздвоеньем пробного луча. Научная сессия МИФИ-99. М, 1999, том 3, сс. 170-171.

8. Anatoly N. Petrovsky, Konstantin VI. Lapshin, Vyachcslav V. Zuev. The definition of the electron and thermal properties of Si samples using pulse "mirage" effcct willi probe beam have been separated. 4rd Workshop on Photoacoustics & Photothermics. Gliwitce, Poland, 1999, p. 94. . "

9. Петровский A.H., Лапшин K.B., Зуев B.B., Явление раздвоения пробного луча на малых глубинах зондирования образца в импульсном' фогодефдекционном методе. Научная сессия МИФИ-2000. М., 2000, том 4, сс. 146-147. . ; " - V '

10. К.В. Лапшин, А.Н. Петровский, . В.В. Зуев, А. Д. Кирюхин, Д.В. Лабузов. Исследование образцов с тонкими пленками методом фототешювого отражения с гармоническим возбуждением с применением гетеродинирования возбуждающего и пробного излучений. Письма • в Ж'ГФ. М., 2000, том 26, вып. 2, сс. 35-40. ■

12

Рис. 1. Блок - схема экспериментальной установки по исследованию тепловых и электронных параметров образцов методом "мираж" - эффект Ь импульсным возбуждением с раздвоением пробного луча

2„ 3 41 5„

Рис. 2. Блок - схема экспериментальной установки для исследование образцов с топкими пленками фоторефлекционным методом с гармоническим возбуждением с применением гетеродшшрования возбуждающего и пробного излучений