SU1000945A1 - Method of determination of free charge carrier concentration in degenerated semiconductor - Google Patents

Method of determination of free charge carrier concentration in degenerated semiconductor Download PDF

Info

Publication number
SU1000945A1
SU1000945A1 SU802990811A SU2990811A SU1000945A1 SU 1000945 A1 SU1000945 A1 SU 1000945A1 SU 802990811 A SU802990811 A SU 802990811A SU 2990811 A SU2990811 A SU 2990811A SU 1000945 A1 SU1000945 A1 SU 1000945A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
concentration
sample
magnetic field
semiconductor
measured
Prior art date
Application number
SU802990811A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Григорий Максович Миньков
Владимир Венедиктович Кружаев
Ольга Эдуардовна Рут
Леонид Петрович Зверев
Original Assignee
Уральский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.А.М.Горького
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Уральский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.А.М.Горького filed Critical Уральский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.А.М.Горького
Priority to SU802990811A priority Critical patent/SU1000945A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1000945A1 publication Critical patent/SU1000945A1/en

Links

Landscapes

  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Description

Изобретение относитс  к способам контрол  параметров полупроводников и может быть использовано дл  исследовани  однородности и качества материалов , примен емых в полупроводниковом приборостроении, а также дл  научных исследований. Известен способ определени  концентрации носителей зар да в полупроводниках , основанный на эффекте Холла , заключающийс  в том, что образец полупроводникового материала помещают в ортогональные магнитное и электрическое пол , измер ют проводимость образца и холловскую разность потенциалов , по которым с помощью расчетных формул определ ют параметры материала СОНедостатками известного способа  вл ютс  невысока  точность измерений , обусловленна  паразитными эффектами , например эффектом Эттингаузена зависимость результатов от формы образца , а также невозможность локаль- ного определени  концентрации. Известен также способ определени , концентрации носителей зар да в полупроводниках , основанный на измерении вольт-фарадных характеристик барьера Шоттки, заключающийс  в том, что на участке поверхности полупроводника создают барьер Шоттки, к нему прикладывают обратное измен ющеес  напр жение и измер ют зависимость емкости барьера от приложенного напр жени , в результате обработки -которой по расчетной формуле определ ют концентрацию примесей на заданной глубине полупроводника С2 . Недостатком этого способа также  вл етс  невысока  точность измерений, обусловленна  неточностью измерений площади контакта, величин емкости и напр жени  на барьере, а также-ошибками дифференцировани  зависимости емкости барьера от приложенного напl правило, произ р жени , которое, как вод т графически. Применимость метода вольт-фарадных характеристик барьера Шоттки ограничена также и тем, что не дл всех полупроводников при изготовлении кон такта металл-полупроводник образуетс барьер Шоттки, в частности дл  таких материалов, как п - InAs, п - РЬТе, име ющих на поверхности обогащенный носи тел ми слой. Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ определени  концентрации свободных носителей зар да в вырожденных полупроводниках, основан ный на эффекте Шубникова-де Гааза и заключающийс  в том, что помещают об разец в магнитное поле, регистрируют осцилл ции поперечного магнитосопротивле-ни  образца при изменении магнитного пол , измен ют их период по величине, обратной напр женности маг нитного пол , и с помощью расчетной формулы определ ют параметр. В случае изотропного закона дисПерсии концентрации свободных носите лей зар да рассчитывают согласно это V по формуле му спсгс 1 Г 2Р 13/2 ftr/ 1 гзр д электрона; скорости сзета в вакууме; посто нна  Диоака; период осцигцт ций мзг-;-||1То™ сопротивлений по величине,, обратной напр женное Г;--, мзг нитного пол , Этот способ  вл етс  значьгге.пьио гогзее -с-;ным, чек указанные вуше йк гсак дл  определени  концеитрдции наобхо.ачмо измер ть всего одну величину период осци.-пл ций по ве мчмне обратной -напр женности .магнитного по л . Кроме гого. ос лнесталекию cncr;D ба не сопутствуют какие-либо существенные паразитные эффекты влужкщиа на период осцилл ции Гз. Основным недостат ом известного способа  вл етс  то, что он дает усредненное по объему образца эначенне концентрации и не может быть использо взн дл  определени  локальной приповер ностной концентрации носителей зар да ,.т.е. не дает возможности измерени  концентрационного профил . Цель изобретени - обеспечение ло кального определени  концентрации но iS сителеи и повышение точности измерений . Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу определени  концентрации свободных носителей зар да в вырожденных полупроводниках, зак.лючающемус  в том, что помещают образец в магнитное поле, регистрируют осцилл ции поперечного магнитосопротивлени  образца при изменении магнитного пол , измер ют их период по величине, обратной напр женности магнитного пол  , и с помощью расчетной формулы определ ют параметр, к исследуемому образцу осуществл ют туннельный контакт и дополнительно измер ют период осцилл ции дифференциального магнитосопротивлени  туннельного контакта при нулевом напр жении смещени  на нем. Поскольку в данном случае регистрируютс  осцилл ции дифференциального магнитосопротивлени  образца с туннельным контактом в магнитном поле, в нем определ етс  средн   концентраци  свободных носителей зар да в малом объеме , где S - площадь туннельного контакта, В - длина свободного пробега, т.е. обеспечиваетс  высока  .локальность измерений. Физическа.  сущность способа по сн .летс  следунлдим образом. Дифференциальное сопротивление туннельного контакта при посто нном нап .р. жв.мии смещени  V обратно пропорцио|-;ально п/,отности состо ний полупроводник ..: при энергии p+eV (р - энерги  Фар.... полупроводника, знак смещени  соответствует знаку потенциала на полупроводниковом электроде). Если конT3s-r помещают а магнитное поле, в плотности состо ний полупроводника ;|,о ег; ,-о-гс  максимумы, св занные с уровн ми Ландау. Это приводит к возникновению осцилл ции типа де Гаазаван .ъпьфена в зависимости дифференциального сопротивлени  от магнитного по/г . Осцилл ции периодичны по величине 5 обратной величине напр женности магнитного пол , и при нулевом смеидении на контакте их период определ ют квазиимпульс электронов в полупроводнике при энергии, равной энергии Ферми, который в случае изотропного закона дисперсии однозначно сз зан с концентрацией носителей зар да в полупроводнике. Пример. Согласно предлагаемому способу определ ют концентрацию злектронов 8 различных точках образца n - InAs. с ,25- Туннельные контакты n- InASxf.Px окисел Pb изготавливают по известной методике. При этом образец п- InAs-.yPx после механической шлифовки и полировки трав т в полирующем травителе и обезгаживают при в вакууме (2-5) рт. ст. в течение двух часов. Окисление провод т в атмосфере сухого кислорода при давлении 750 мм рт. ст.О и 120°С в течение ч. Свинец нанос т термическим распылением через маску в вакууме (1-2)-10 мм рт. ст. Туннельный контакт может быть осуществлен с помощью прижимного электрода 5 из свинца. В обоих случа х туннельный контакт легко удал етс  с образца после эксперимента. При изготовлении туннельного контакта образец имел при ОмическиеЗО этом комнатную температуру контакты к п- 1лА5.Р изготавливают вплавлением инди . Во врем  измерений образец помеща ют в жидкий гелий в рабочий объем сверхпровод щего соленоида. Осцилл ции дифференциального магнитосопротивлени  измер ют с помощью устройст ва дл  исследовани  малых нелинейнос тей вольт-амперных характеристик тун нельных структур, позвол ющего осуществл ть запись зависимости дифференциального магнитосопротивленил от напр женности магнитного пол  в диапазоне 0-60 кЭ на двухкоординатном самописце. Концентрацию свободных носителей определ ют в двух точках поверхности образца, отсто щих одна от другой на 3 мм. Исследуемый объем вблизи каждой точки составл ет (О ,05О ,051 О ) ,5-10-3 см Результаты приведены на чертеже, из которого видно, что периоды осцил л ций дл  двух кривых существенно отличаютс . Кривой 1 соответствует концентраци  ,08-1 О см ; кривой 2 - 9,0710 . Из данных, представленных на чертеже, очевидно, что с помощью предлагаемого метода можно регистрировать и меньшую рааницу в концентрации электронов, в то врем  как другие методы уже в приведенном примере не позвол ли бы с достоверностью различить концентрации носителей в двух точках образца.The invention relates to methods for monitoring parameters of semiconductors and can be used to study the uniformity and quality of materials used in semiconductor instrument making, as well as for scientific research. A known method for determining the concentration of charge carriers in semiconductors, based on the Hall effect, is that a sample of a semiconductor material is placed in an orthogonal magnetic and electric field, the sample conductivity and the Hall potential difference are measured, by which the parameters of the material are determined using design formulas The residues of the known method are low measurement accuracy due to parasitic effects, for example, the Ettingausen effect sample shape, as well as the impossibility of local concentration determination. There is also known a method for determining the concentration of charge carriers in semiconductors based on measuring the capacitance-voltage characteristics of the Schottky barrier, which means that a Schottky barrier is created on the surface area of the semiconductor, the reverse voltage is applied to it and the dependence of the barrier capacitance on it is measured the applied voltage, as a result of processing by which the impurity concentration at a predetermined depth of semiconductor C2 is determined by the calculated formula. The disadvantage of this method is also low measurement accuracy due to inaccurate measurements of the contact area, capacitance values and voltage on the barrier, as well as errors in differentiating the dependence of the barrier capacitance on the applied rule, which can be used graphically. The applicability of the capacitance-voltage characteristics of the Schottky barrier is also limited by the fact that not all semiconductors form a Schottky barrier for the manufacture of a metal-semiconductor contact, in particular for materials such as n-InAs, n-PbTe, which have an enriched nose on the surface tel mi layer. The closest to the present invention is a method for determining the concentration of free charge carriers in degenerate semiconductors, based on the Shubnikov-de Haas effect and consisting in placing a sample in a magnetic field, register the oscillations of the transverse magnetoresistance of the sample when the magnetic field changes , their period is changed by the magnitude, inverse of the magnetic field strength, and the parameter is determined using the calculation formula. In the case of an isotropic dysperse law, the concentration of free charge carriers is calculated according to this V by the formula ssgsc 1 G 2P 13/2 ftr / 1 gsr d electron; szeta speed in vacuum; Permanent Dioac; The oscillating period of the bcg -; - || 1To ™ resistance by the magnitude of, the inverse stress G; -, of the magnetic field, This method is significant, the check indicated in the test On a single scale, measure only one value the period of oscillations by the reverse magnitude of the magnetic field. Except gogo. The osteoporosis cncr; D ba does not have any significant parasitic effects due to the Gz oscillation period. The main disadvantage of the known method is that it gives the value of the concentration averaged over the volume of the sample and cannot be used to determine the local solitary concentration of charge carriers, i.e. does not allow measurement of the concentration profile. The purpose of the invention is to provide a local determination of the concentration of the iS system and increase the accuracy of measurements. The goal is achieved by the fact that, according to the method of determining the concentration of free charge carriers in degenerate semiconductors, which consists in placing the sample in a magnetic field, transverse magnetoresistance oscillations of the sample are recorded when the magnetic field is changed, their period is measured by the reciprocal magnetic field strengths, and a parameter is determined using a calculation formula, a tunnel contact is made to the sample under study, and the oscillation period is additionally measured th magnetoresistance tunnel junction at zero voltage bias thereon. Since in this case oscillations of the differential magnetoresistance of a sample with a tunnel junction in a magnetic field are recorded, it determines the average concentration of free charge carriers in a small volume, where S is the area of the tunnel junction, B is the mean free path, i.e. high measurement locality is provided. Physical The essence of the method according to years. In the following way. Differential resistance of a tunnel junction at a constant voltage. The displacements of the displacement V are inversely proportional to | -; Scale p /, of the semiconductor state: .. at an energy p + eV (p is the Far ... energy of a semiconductor, the sign of the displacement corresponds to the sign of the potential on the semiconductor electrode). If conT3s-r is placed a magnetic field in the density of states of a semiconductor; |, o er; , -o-gs maxima associated with Landau levels. This leads to the appearance of a de Ha'Azavan-é ьpfen type oscillation depending on the magnetic-magnetic resistance of the differential resistance. The oscillations are periodic in magnitude 5 to the inverse of the magnetic field strength, and at zero contact on their contact, the quasi-momentum of electrons in a semiconductor is determined at an energy equal to the Fermi energy, which in the case of an isotropic dispersion law is uniquely related to the concentration of charge carriers in the semiconductor . Example. According to the proposed method, the electron concentration is determined at 8 different points of the n-InAs sample. c, 25-tunnel contacts of n-InASxf.Px Pb oxide are made according to a known technique. At the same time, after mechanical grinding and polishing, the p-InAs-.yPx sample is etched in a polishing etchant and out-dusted at a vacuum (2–5) Hg. Art. in two hours. The oxidation is carried out in a dry oxygen atmosphere at a pressure of 750 mm Hg. O and 120 ° C for hours. Lead is applied by thermal spraying through a mask in a vacuum (1-2) -10 mm Hg. Art. The tunnel contact can be made with a lead clamp 5. In both cases, the tunnel contact is easily removed from the sample after the experiment. In the manufacture of the tunnel contact, the sample had room temperature for ohmic ZOE, with a contact temperature of n-1A5A. It is made by fusing indium. During measurements, the sample is placed in liquid helium in the working volume of a superconducting solenoid. Differential magnetoresistance oscillations are measured using a device for studying small nonlinearities of the current – voltage characteristics of tunnel structures, which allow recording the dependence of the differential magnetoresistance on the magnetic field strength in the range of 0–60 kOe on a two-coordinate recorder. The concentration of free carriers is determined at two points on the surface of the sample, 3 mm apart. The volume under study near each point is (O, 05O, 051 O), 5-10-3 cm. The results are shown in the drawing, from which it can be seen that the oscillation periods for the two curves are significantly different. Curve 1 corresponds to concentration, 08-1 O cm; curve 2 is 9.0710. From the data presented in the drawing, it is obvious that using the proposed method, it is possible to register a smaller amount of electron concentration, while other methods in the given example would not be able to reliably distinguish carrier concentrations at two points of the sample.

Claims (2)

По сравнению с методом вольт-фарадных характеристик предлагаемый способ позвол ет существенно увеличить точность измерений (примерно в 2-k раза); в отличие от метода, основанного на эффекте Шубникова-де Гааза, позвол ет измер ть локальную приповерхностную концентрацию носителей зар да, что  вл етс  очень важным в полупроводниковом приборостроении, поскольку именно приповерхностные свойства материалов определ ют параметры многих полупроводниковых приборов; кроме того, можно с высокой точностью измер ть концентрационные профили в вырожденных эпитаксиальных пленках полупроводниковых материалов, и таким образом, улучшить контроль их качества. Формула изобретени  Способ определени  концентрации свободных носителей зар да в вырожденных полупроводниках, заключающийс  в том, что помещают образец в нитное поле, регистрируют осцилл ции поперечного магнитосопротивлени  образца при изменении магн итного пол , измер ют их период по величине, обратной напр женности магнитного пол , и с помощью расчетной формулы определ ют параметр, отличающийс   тем, что, с целью обеспечени  локального определени  концентрации носителей и повышени  точности, к исследуемому образцу осуществл ют туннельный контакт и дополнительно измер ют период осцилл ции дифференциального магнитосопротивлени  туннельного контакта при нулевом напр жении смещени  на нем. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Батавин В.В. Контроль параметров полупроводниковых материалов и эпитаксиальных слоев. М., Советское радио, 19.78, с. 23-27. Compared with the method of capacitance-voltage characteristics, the proposed method allows to significantly increase the measurement accuracy (approximately 2-k times); in contrast to the Shubnikov-de Haas effect method, it is possible to measure the local surface concentration of charge carriers, which is very important in semiconductor instrument making, since it is the surface properties of materials that determine the parameters of many semiconductor devices; In addition, concentration profiles in degenerate epitaxial films of semiconductor materials can be measured with high accuracy, and thus, their quality control can be improved. Claims The method for determining the concentration of free charge carriers in degenerate semiconductors, which consists in placing a sample in a magnetic field, records oscillations of the transverse magnetoresistance of a sample when the magnetic field changes, measure their period by the inverse of the magnetic field, and using a calculation formula, a parameter is defined, characterized in that, in order to provide a local determination of carrier concentration and increase in accuracy, to the sample under study was carried out The tunnel contact is additionally measured and the oscillation period of the differential magnetoresistance of the tunnel contact is measured at a zero bias voltage across it. Sources of information taken into account during the examination 1.Batavin V.V. Control parameters of semiconductor materials and epitaxial layers. M., Soviet Radio, 19.78, p. 23-27. 2.Цидильковский И.М. Электроны и дырки в полупроводниках. М., Наука , 1972, с. (прототип).2. Tsidilkovsky I.M. Electrons and holes in semiconductors. M., Science, 1972, p. (prototype). s Is i чh 2020 ЛL
SU802990811A 1980-10-08 1980-10-08 Method of determination of free charge carrier concentration in degenerated semiconductor SU1000945A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU802990811A SU1000945A1 (en) 1980-10-08 1980-10-08 Method of determination of free charge carrier concentration in degenerated semiconductor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU802990811A SU1000945A1 (en) 1980-10-08 1980-10-08 Method of determination of free charge carrier concentration in degenerated semiconductor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1000945A1 true SU1000945A1 (en) 1983-02-28

Family

ID=20921090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU802990811A SU1000945A1 (en) 1980-10-08 1980-10-08 Method of determination of free charge carrier concentration in degenerated semiconductor

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1000945A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5126569A (en) * 1989-03-10 1992-06-30 Massachusetts Institute Of Technology Apparatus for measuring optical properties of materials
RU2464548C1 (en) * 2011-05-17 2012-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of determining charge carrier concentration profile in semiconductor quantum-dimensional structure

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5126569A (en) * 1989-03-10 1992-06-30 Massachusetts Institute Of Technology Apparatus for measuring optical properties of materials
RU2464548C1 (en) * 2011-05-17 2012-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of determining charge carrier concentration profile in semiconductor quantum-dimensional structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kuhn et al. Ionic contamination and transport of mobile ions in MOS structures
Giaever Electron tunneling between two superconductors
Yee et al. Application of a Kelvin microprobe to the corrosion of metals in humid atmospheres
Smith et al. Electron-electron interactions continuously variable in the range 2.1> r s> 0.9
Goldberg et al. New galvanomagnetic effect
Jeckelmann et al. High-precision measurements of the quantized Hall resistance: Experimental conditions for universality
Mak et al. Specific contact resistance measurements on semiconductors
Landwehr et al. Galvanomagnetic properties of grain boundaries in germanium bicrystals from 1.25 to 240° K∗
SU1000945A1 (en) Method of determination of free charge carrier concentration in degenerated semiconductor
Schneider et al. Shubnikov-de Haas effect and effective mass in n-InP in dependence on carrier concentration
Wieder Electrical and galvanomagnetic measurements on thin films and epilayers
Hooper et al. The electrical properties of zinc diffused indium phosphide
Read et al. Ionic hall effect in sodium chloride
Tansley AC profiling by Schottky gated cloverleaf
Nitzan et al. Field-effect mobility in quantized accumulation layers on ZnO surfaces
Matthews et al. Temperature dependence of the Hall and longitudinal resistances in a quantum Hall resistance standard
Eisenstein et al. High precision de Haas-van Alphen measurements on a two-dimensional electron gas
Fujisada Effects of diffusion current on galvanomagnetic properties in thin intrinsic InSb at room temperature
Landwehr The discovery of the quantum Hall effect
Stankiewicz et al. Shubnikov‐de Haas Oscillations in CdvHg1− vSe
Schmidt et al. Application of wet chemical selective etch techniques to the fabrication of thin silicon detectors
SU817808A1 (en) Method of determining effective mass of carriers in semiconductors and semimetals
Slot et al. Electric-field distribution near current contacts of anisotropic materials
Statz et al. Structure of surface states at the germanium-germanium oxide interface
Einspruch Effects of a magnetic field on the surface conductance of germanium