CC BY
96
УДК 539.67:621.315.592
СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ФОТОАКУСТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКООМНЫХ ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКОВ
В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, Р.Н.Антонов
Представлен новый способ фотоакустической микроскопии высокоомных пьезополупроводников, основанный на изменении внутреннего трения под действием оптического излучения от лазерного луча, вызывающего внутренний фотоэффект в полупроводнике. Изложены принципы построения фотоакустического микроскопа, управляемого с помощью микроконтроллера и персонального компьютера
Ключевые слова: лазер, внутреннее трение, пьезополупроводник, микроскопия
Известные в настоящее время способы фотоакустической микроскопии [1-3] основаны на облучении объекта импульсным оптическим излучением, которое вызывает локальный разогрев приповерхностной области тела и порождает в нем акустическую и тепловую волны. Акустическую волну регистрируют с помощью прикрепляемого к исследуемому объекту пьезоэлектрического преобразователя. Сканируя поверхность образца лазерным лучом, получают ее фотоакустическое изображение. Однако, при исследовании полупроводников таким способом нагрев приповерхностной области может приводить к существенным изменениям параметров материала и возникновению различных паразитных эффектов, затрудняющих интерпретацию результатов. Для исследования пьезоэлектрических полупроводников (соединений группы А3В5, А2В6 и др.) предлагается использовать новый физический принцип фотоаку-стической микроскопии, основанный на изменении акустического поглощения (внутреннего трения), обусловленного акустоэлектронной релаксацией, при оптическом облучении образца [4]. При этом требуется энергия излучения много меньшая чем в случае классического фотоакустического эффекта [5], так как используется явление внутреннего фотоэффекта, при котором не происходит заметного разогрева материала. Предлагаемый способ фотоаку-стической микроскопии позволяет получать двух и трехмерное изображение электрофизических характеристик полупроводниковой пластины, таких как электропроводность, время релаксации проводимости и др.
Физический принцип описываемого способа микроскопии основан на изменении величины внутреннего трения (ВТ) в полупроводниковой пластине пьезоэлектрического среза под воздействием оптического облучения из области спектра внутреннего фотоэффекта. При измерениях ВТ механические колебания пластины индуцируют знакопеременное пьезоэлектрическое поле в объеме полупроводника.
Митрохин Виктор Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук,
профессор, е-шай: [email protected]
Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук,
профессор, е-шай: [email protected]
Антонов Роман Николаевич - ВГТУ, аспирант.
е-шай: [email protected]
При определенной температуре и частоте механических колебаний релаксационное взаимодействие этого поля со свободными носителями заряда (например, генерируемых светом) может приводить к перераспределению последних по объему кристалла и рассеянию части акустической энергии. Таким образом, оптическая генерация свободных носителей заряда может вызывать изменение ВТ исследуемой пластины. Механизм акустоэлектронного поглощения такого типа подробно описан в работе [4]. Наиболее сильно данный эффект будет проявляться в высокоомных полупроводниках, у которых мала темновая концентрация носителей заряда
Описываемый способ фотоакустической микроскопии проиллюстрируем на примере измерения однородности распределения электропроводности по приповерхностной области пластины нелегированного полуизолирующего арсенида галлия, выращенного методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава (метод ЬБС). Пластины имели удельное сопротивлением порядка 107 Ом-см и оптическое поглощение при длине волны 10.6 мкм < 10-2 см -1 (изготовитель пластин - ООО «ГИРМЕТ», Москва).
На рис. 1 показана зависимость ВТ от температуры пластин полуизолирующего нелегированного GaAs при различной величине энергетической освещенности (облученности) Е. Величина Е регулировалась изменением расстояния от источника излучения до пластины.
Из рисунка видно, что при затемненном образце (кривая 1) наблюдается пик внутреннего трения при температуре 315 К. При облучении образца излучением от инфракрасного светодиода Ь538Б6С (длина волны 860 нм) с энергией фотона —1,4 эВ (соответствует краю фундаментального поглощения GaAs) исходный пик расширяется в низкотемпературную область. При большой облученности (кривые 6, 7) происходит подавление ВТ за счёт экранирования пьезоэлектрического поля свободными носителями заряда, активированными оптическим облучением.
Наличие максимума ВТ на рис. 1 можно объяснить наличием дефектов, создающих глубокие уровни в материале. Хотя полупроводник и не содержит специально введенных компенсирующих примесей, однако, по современным представлениям данный материал содержит собственные структур-
ные дефекты типа БЬ-2, являющиеся глубокими компенсирующими центрами. Природа этих дефектов достаточно хорошо изучена и описана в научной литературе [6]. Большинство исследователей сходятся на том, что дефекты типа БЬ-2 представляют собой комплексы собственных структурных дефек-
тов, связанных с нарушением стехиометрии материала. При повышении температуры эти глубокие центры электрически активируются, что вызывает акустоэлектронный релаксационный процесс пьезоэлектрической природы [4] и пик ВТ.
о
ю
О
220
260
340
380
300
т, К
1 - Е = 0; 2 - Е = 0,36 Емакс; 3 - Е = 0,2 Емакс; 4 - Е = 0,28 Е^; 5 - Е = 0,64 Е^; 6 - Е = 0,88 Е^. (Емакс—80 Вт/м2)
Рис. 1. Температурная зависимость внутреннего трения в полуизолирующем специально не легированном арсениде галлия при различной облученности Е
При комнатной температуре (293 К) зависимость ВТ от облученности будет иметь вид максимума (рис. 2). Значение Е = 1 соответствует Еш£1х -облученности, приводящей к подавлению ВТ за счет экранирования пьезоэлектрического поля [4].
На показанных кривых (рис. 2) имеется участок роста ВТ (Е < 0,4; область А и начало области В) и участок подавления ВТ (Е > 0,4; конец области В и область С). На первом участке концентрация свободных носителей заряда сравнительно мала. При Е = 0,4 концентрация свободных носителей примерно равна концентрации объемных пьезоэлектрических зарядов. Дальнейшее увеличение интенсивности облучения приводит к усилению экранирования пьезоэлектрического поля свободными носителями заряда, уменьшению акустоэлектронного релаксационного поглощения и полному подавлению ВТ при Е = 1.
Для микроскопии предлагается использовать линейный участок А на кривых, показанных на рис
2, соответствующий малым значениям облученности. Крутизна этого участка зависит от равновесной концентрации свободных носителей заряда п (тем-
нового значения), которая уменьшается в направлении от Ряда 1 до Ряда 3.
Характер зависимости ВТ опиваемой природы от по для образцов нелегированного полуизолирую-щего GaAs показан на рис. 3.
Е, отн. ед.
Рис. 2. Зависимость ВТ от облучености Е (температура образца 293 К) при различных значениях темновой концентрации носителей заряда п0: 1- 1010см-3; 2 -
7 8 9 10 11 12 13
Log nr см'3
Рис. 3. Зависимость высоты пика внутреннего трения от концентрации свободных носителей заряда n для образцов нелегированного полуизолирующего GaAs ориентации <110> (100)
Из рис. 2 и 3 видно, что величина ВТ зависит как от неравновесной концентрации носителей, генерируемых излучением (рис. 2), так и от равновесной (тепловой) концентрации носителей заряда (рис. 3). В данном методе микроскопии предлагается использовать изменение величины ВТ полупроводниковой пластины AQ-1 под действием локального оптического облучения, которое будет зависеть от значения По облучаемой области образца. При фиксированном уровне облученности измеряемое значение AQ-1 будет определяться наклоном кривой на участке 1 (рис. 2), то есть величиной равновесной проводимости тестируемого участка пластины. Численное значение AQ-1 будет зависеть также от объемной доли облучаемого лазером участка образца, вносящего вклад в общее внутреннее трение пластины. Изменение глубины области оптического поглощения (глубины зондирования) можно осуществлять путем изменения длины волны лазерного излучения (за счет изменения величины коэффициента поглощения а).
Таким образом, сканируя поверхность образца лазерным лучом в двух взаимно ортогональных направлениях можно изучать однородность величины внутреннего трения, а, следовательно, и электрических свойств исследуемой пластины, например, проводимости. В результате будет формироваться фотоакустическое изображение электрической однородности объекта.
При использовании импульсного лазерного облучения и анализе кривых релаксации внутреннего трения в точках оптического облучения, можно получить изображение, отражающее распределение времени жизни неравновесных носителей заряда по поверхности или объему пластины. Подробно методика анализа кривых релаксации ВТ при оптическом облучении изложена в работе [4]. Так как измерение ВТ осуществляется резонансным методом, то измерение малых времен жизни будет ограничено временем затухания акустического сигнала. Более эффективным будет изучение «медленных» релаксационных процессов, таких как прилипание неравно-
весных носителей заряда на мелких примесных уровней или процессов термостимулированной проводимости с участием глубоких уровней .
Описанный принцип фотоакустического сканирования электрической однородности пластин пьезополупроводников может быть реализован с помощью установки для измерения ВТ в высокоомных пьезополупроводниках [4], снабженной сканирующим блоком с лазерной головкой (рис.4). Закрепленный на подвижной направляющей лазер обеспечивает достаточно узкий монохроматический поток излучения нужной длины волны и интенсивности. Для GaAs предполагается использование ин-жекционного полупроводникового лазера с длинной волны 0,65 мкм. Два шаговых привода (от привода чтения DVD дисков) обеспечат сканирование образца лазерным лучом в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Данный блок должен быть закрыт светонепроницаемым кожухом для устранения неконтролируемой засветки образца. Лазерную головку выбирают с фокусировкой обеспечивающей требуемое расстояние до исследуемой пластины.
Для автоматизации процесса получения фото-акустического «изображения» с помощь данной установки предлагается дополнительно использовать управляющий микроконтроллер и персональный компьютер. Это позволит автоматически задавать режимы сканирования (ширину и высоту поля сканирования, шаг сканирования и др.) и анализировать получаемую в ходе измерения информацию, преобразуя её в удобную для восприятия форму, Программную часть можно написать на одном из языков программирования, например на C++, реализовав удобный графический интерфейс и необходимые средства управления. Аппаратную часть удобнее всего реализовать на микроконтроллере, который будет взаимодействовать с ПК посредством одного из его портов (предполагается использовать COM порт). Примерный принцип работы такого устройства:
а) передача с компьютера параметров сканирования и сигнала о начале работы;
б) включение лазера;
в) измерение внутреннего трения;
г) передача значения внутреннего трения в компьютер;
д) перемещение лазерной головки по горизонтали на один шаг;
е) повтор пунктов 2-5 до окончания сканирования строки заданной длины;
ж) перемещение лазерной головки на один шаг по вертикали;
з) повтор пунктов 2-7 до окончания сканирования заданного числа шагов по вертикали и горизонтали;
и) подача в компьютер сигнала о окончании работы.
1 - образец; 2 - лазерная головка; 3 - горизонтальные направляющие; 4 - вертикальная направляющая; 5 - двигатель для перемещения по вертикали; 6 - двигатель для перемещения по горизонтали
Рис. 4. Блок сканирования образца лазерным лучом
В подобной установке предъявляются повышенные требования к конструкции механизма перемещения лазерной головки, так как от стабильности и точности перемещения последней будет зависеть достоверность полученных результатов, разрешение сканирования и вероятность создания помех и шумов при измерении. Фокусировка лазера должна обеспечивать необходимую разрешающую способ-
ность установки. При использовании лазера перестраиваемого по длине волны [7], можно осуществлять сканирование образца по глубине, что даст возможность получать распределение изучаемых параметров по объему.
Литература
1. Рабодзей Н.В. Применение фотоакустической микроскопии в диагностировании ИЭТ при разработках и в производстве / Н.В. Рабодзей, В.А. Борисов, Н.М. Галина, А.К. Русакова // Электронная промышленность. -1990. - № 7. - С. 214 - 221.
2. Волкенштейн С. Лазерная фотоакустическая диагностика скрытых дефектов в изделиях электроники / С. Волкенштейн, В. Ланин, А. Хмыль // Компоненты и технологии. - 2007. - № 11. - С. 154 - 158.
3. Авербах В.И. Метод лазерной фотоакустической диагностики качества монтажа кристаллов, сварных и паяных микросоединений в изделиях микроэлектроники и электронной техники / В.И. Авербах, С.С. Волкенштейн, С.Б. Школык // J. China Integrated Circuit. - 2004. - Vol. 64. - P. 129 - 135.
4. Митрохин В. И., Рембеза С. И., Свиридов В. В., Ярославцев Н. П. Воздействие оптического излучения на внутреннее трение в пьезополупроводниках с глубокими центрами / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, Н.П. Ярославцев ФТП. - 2002. - Т. 33. - №2. - С. 138 - 143.
5. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика М.: Наука, 1991. 306 с.
6. В.И. Фистуль “Атомы легирующих примесей в полупроводниках”, М.: ФИЗМАТЛиТ, 2004. - 432 с.
7. СОЛАР лазерные системы: твердотельные перестраиваемые лазеры. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www. solarls. eu/titan_ru.html
Воронежский государственный технический университет
PHOTOACOUSTIC SCANNING LASER MICROSCOPY TO STUDY PIEZOELECTRIC
SEMICONDUCTORS
V.I. Mitrokhin, S.I. Rembeza, R.N. Antonov
A new method of photoacoustic microscopy, high-resistivity semiconductors, based on the change of internal friction under the influence of optical radiation from a laser beam, causing the internal photoelectric effect in semiconductors
Key words: laser, internal friction, pezopoluprovodik microscopy
