1.4 Пределы растворимости примесей

Ge….(1 стр)

При изучении поведения примеси в полупроводнике и влияния на его свойства предполагается, что остальные примеси растворены в нём в таких концентрациях, что ими можно пренебречь, т.е. вполне корректно можно рассматривать первичный твёрдый раствор на основе полупроводника в двойной системе полупроводник-примесь. Область такого твёрдого раствора представлена на рисунке.9, на которой видно, что растворимость примеси существенно зависит от температуры («ретроградный солидус»). Из такой микродиаграммы состояния, которая является типичной для полупроводниковых твёрдых растворов, извлекается информация о величине предельной растворимости примеси, температуре предельной растворимости, а также о возможности распада твёрдого раствора, образованного при температуре Т₁, в условиях рабочих температур полупроводника Т₂ (a→a+). Растворимость примесей ряда железа в кремнии находятся ниже 10¹⁷ см^-3. Это затрудняет экспериментальное определение температурной зависимости растворимости примеси.

Рисунок.9 Диаграмма состояния в области микроконцентраций примеси в полупроводниковом кремнии, где «L» - линия ликвидуса.

Ионизация примесных атомов в области микродиаграммы двойной системы зависит от того, что собой представляет полная бинарная система полупроводник-примесь. В случае, если при взаимодействии основы с примесью возникают прочные химические связи, приводящие к образованию новых фаз, то бинарная система может быть выражена диаграммой состояния с одним конгруэнтно плавящимся соединением при полной растворимости в жидком состоянии и частичной растворимости в твёрдом состоянии (рисунок.10,11,12).

Рисунок.10. Фазовая диаграмма Cr-Si [25].

Рисунок.11. Фазовая диаграмма Ni-Si [25].

Рис.12. Фазовая диаграмма Fe-Si [25].

Как видно из приведённых диаграмм, прочная фаза на основе такого соединения ведёт себя как самостоятельный компонент (CrSi₂, Ni₂Si, FeSi). По этой фазе двойная система может быть разделена на простые системы Si–Me_xSi_y и Me_xSi_y – Me. Следовательно, для такой системы интересующий нас первичный твёрдый раствор «а» (рисунок.9) представляет собой твёрдый раствор в кремнии не Me, а компонента Me_xSi_y (в равновесии находятся фазы «а» и «Me_xSi_y») При границах зёрен или внутризёренных дефектах большинство металлов фактически находятся в форме силицидов, включений В этом состоянии их рекомбинационная активность слабее, чем в междоузельно растворённом состоянии и порог деградации ФЭП возрастает.

На этой основе возможна коррекция диффузионной длины ННЗ в mc-Si.

3.Методики исследования

3.1Электрофизические измерения

Для измерения удельного электрического сопротивления на пластинах продольного и поперечного распила mc-Si используется прибор «РОМЕТР», принцип работы которого основан на четырёхзондовом методе. Главный элемент этого прибора зондовая головка, с линейным расположением зондов на расстоянии 1,3 мм друг от друга. УЭС вычисляется исходя из величины электрического тока, пропускаемого через крайние зонды головки, а также из значения разности потенциалов для средних головок.

В установке «РОМЕТР» уравнение температурной зависимости проводимости полупроводника выражается формулой:

(3.1)

где T- температура образца, E_g – ширина запрещённой зоны.

В данной формуле предусмотрен замер температуры образца и введение соответствующей поправки на выдаваемое значение УЭС при отклонении температуры от комнатной.

Для определения подвижности образцов mc-Si в виде пластинок прямоугольной формы, с толщеной 2±0,1 мм, использовалась схема для эффекта Холла (приборная линейка), включающая в себя: установку для контроля типа проводимости (генератор пилообразного напряжения; осциллограф КРС-S500, с функцией двухкоординатного графопостроителя), электромагнит ФЛ-1(Н=8800 Эрстед.) , амперметр М 367, милливольтметр В7-35(0.1–10 мА), источник питания постоянного тока Б5-43(0.1–10 мА), вольтамперометр цифровой Щ-1518 (на уровне десятков и сотен микровольт).

Контакты наносились с помощью In-Ga пасты на торцевые части образца.

Чтобы минимизировать погрешности, измерения проводились при двух направлениях тока и магнитного поля, а измеренные величины усреднялись для четырех пар контактов.

С помощью бесконтактного СВЧ – резонаторного метода (стандарт SEMI MF1535) по кривой релаксации фотопроводимости (рисунок.13) осуществляется измерение времени жизни ННЗ.

Рисунок.13. Нарастание и спад фотопроводимости, соответственно, при включении и выключении фотовозбуждения.

Полученное из измерения значение t_ннз, называется эффективным временем жизни ННЗ. Объёмное время жизни находится из соотношения:

(3)

где τ_V - объёмное время жизни, τ_S – время поверхностной рекомбинации. Причём вклад от поверхностной рекомбинации можно разделить на две составляющих: диффузию и собственно поверхностную рекомбинацию:

= = (4)

где D – коэффициент диффузии ННЗ, S–скорость поверхностной рекомбинации, d - толщина образца. Изменение величина τ_sr сильно влияет на эффективное время жизни. Для получения точного значения τ_V существуют три подхода:

1. Устранение поверхностной рекомбинации. Из условия τ_eff≈τ_V, добиваемся для τ_S пренебрежимо малого значения, за счёт окисление и/или пассивация поверхности согласно конкретной методике.

2. Использование поверхностной рекомбинации. Для выполнения условия τ_sr=0, за счёт ухудшения поверхности, добиваются бесконечного значения S. Тогда из формул (3) и (4):

- (5)

3. Измерение скорости поверхностной рекомбинации. Данный способ основан на использовании нескольких источников света, имеющих различный коэффициент поглощения в объёме полупроводника α. Здесь наблюдается различное влияние процессов поверхностной рекомбинации на результат измерения эффективного времени жизни. Объёмное время жизни ННЗ находится за счёт экстраполяции результатов измерения τ_eff и α.

Для устранения влияния высших гармоник, точкой отсчёта для определения эффективное время жизни будет 0,7 сигнала фотопроводимости. В программе на лабораторной установке «ТАУМЕТР-2М» ( который, осуществляет генерацию избыточных носителей заряда за счёт воздействия на измеряемый образец полупроводника импульсным лазерным излучением), объёмное (точнее скорректированное эффективное) время жизни в программе, рассчитывается по формуле (5).