Для вивчення дифузії в твердих тілах в даний час розроблено велику кількість фізичних і фізико-хімічних методів дослідження Ці методи засновані на вимірі розподілу концентрації диффундирующего речовини в досліджуваному зразку в залежності від часу і температури дифузійного відпалу При цьому розподіл концентрації визначається або прямими вимірами її в різних частинах досліджуваного зразка за допомогою хімічних, спектроскопічних, рентгенівських, електронографіческіх, радіоактивних та інших методів аналізу, або ж непрямим чином – за допомогою вивчення характеру змін деяких фізичних властивостей речовини, викликаних проникненням дифундуючої домішки

Широке розвиток отримали методи вивчення дифузійних процесів, засновані на використанні радіоактивних ізотопів Їм властива висока чутливість, універсальність і порівняльна простота В даний час найбільш перспективним методом вимірювання дифузійних профілів є мас-спектроскопія вторинних іонів

1С фізичної точки зоруCs не може перевищувати величини розчинності дифундують речовини в розчиннику, тобто Csmax = Cim, Де Cim – Гранична розчинність домішки в даному речовині при температурі дифузії

(МСВІ) Цей метод забезпечує вимірювання низької концентрації домішок (наприклад, ~ 5 · 1015 см-3 бору та мишяку в кремнії), володіє

високою роздільною здатністю по глибині (кілька нанометрів), універсальністю Метод МСВІ поряд з радіоактивним методом дозволяє визначити загальну кількість введеної домішки, тому, якщо необхідно визначити електрично активну частину домішки, то слід скористатися електричними методами До теперішнього часу розроблені і широко використовуються специфічні напівпровідникові методи вимірювання дифузійних профілів електрично активних домішок (або їх електрично активної частини) та їх коефіцієнтів дифузії в напівпровідниках Ці методи засновані головним чином на дослідженні змін електричних властивостей в різних частинах напівпровідникового зразка, обумовлених проникненням туди дифундують атомів Ці методи не настільки універсальні, як радіоактивні та МСВІ, але їх перевагою є незначна трудомісткість і відсутність специфіки, повязаної із застосуванням радіоактивних ізотопів Проте слід мати на увазі, що практичне застосування напівпровідникових методів дослідження можливо тільки при використанні матеріалів високої хімічної чистоти Крім того, дифундує речовина повинна бути електрично активної домішкою і впливати на електричні властивості досліджуваного напівпровідника До напівпровідниковим методів належать метод електронно-діркового переходу, метод фото-ерс, Метод електропровідності і ємнісний метод [39, 41] Ми

нижче розглянемо лише один з них – метод p n-Переходу, що дозволяє безпосередньо визначати концентрацію навіть при дуже малих глибинах проникнення домішок, коли вимір ефекту Холла неможливо

Відомо, що характерною особливістю напівпровідників є те, що введенням донорних або акцепторних домішок можна надавати полупроводниковому матеріалу електронний або дірковий характер провідності Введення відповідних домішок (акцепторних у разі напівпровідників n-Типу та донорних – у разі напівпровідників p-Типу) в поверхневий шар зразка призводить до виникнення досить вузьких перехідних областей, де характер провідності речовини змінюється з електронного на дірковий або навпаки Ці перехідні області (p n-Переходи) при дифузійному відпалі переміщаються в напрямку градієнта концентрації дифундуючої домішки При цьому швидкість переміщення переходу визначатиметься швидкістю дифузії домішки Тому, досліджуючи швидкість переміщення кордону електроннодирочного переходу в залежності від температури і часу дифузійного відпалу, можна за отриманими даними обчислити коефіцієнт дифузії Глибина залягання p n-Переходу і його форма (різкий або розмитий перехід) при заданій температурі і часу дифузійного відпалу в кожному випадку визначаються початковими і граничними умовами досвіду (дифузія з тонкого шару, нанесеного на поверхню зразка дифузія з постійного джерела і т д)

Нехай у вихідний матеріал, наприклад n-Типу, з відомою концентрацією, рівномірно розподіленим за обсягом донорної домішки Cd, Дифузією при температурі T протягом часу t вводиться акцепторная домішка Потім кристал досить швидко охолоджується, поверхня його сошліфовивать під малим кутом α (рис 87) і за допомогою точкового зонда досліджується вид вольт-амперної характеристики або визначається знак термо-ерс уздовж сошлифовать поверхні Якщо дифундує речовина електрично активно і кожен атом, що проник в досліджуваний зразок, створює там електрон або дірку, а також відомі початкові і граничні умови досвіду, то можна знайти характер розподілу концентрації введених носіїв струму в досліджуваному зразку У зразку p n-Перехід виникає в тому місці, де концентрація носіїв струму, що вносяться домішковими атомами, стає рівною концентрації протилежних за знаком заряду початкових носіїв струму в досліджуваному образце Cd = Ca(x, t)

Сутність цього методу полягає в одночасному визначенні кордонів p n-Переходу в двох зразках з різними початковими значеннями концентрації носіїв струму Cd1 і Cd2 (передбачається, що подвиж

Рис 87 Схема методу електронно-діркового переходу для визначення коефіцієнта дифузії

При особливо точних вимірах коефіцієнтів дифузії слід мати на увазі таку обставину При визначенні кордону p n-Переходу за допомогою термозонда отримане значення x, Як правило, дещо відрізняється від дійсного значення, при якому концентрація носіїв струму, обумовлених дифузією домішкових атомів, в точності дорівнює концентрації вихідних носіїв струму у зразку Така відмінність обумовлена ​​тим, що за наявності носіїв двох знаків (що має місце в перехідній області) коефіцієнт термо-ерс α в напівпровідниках залежить не тільки від концентрації, але також від подвижностей і ефективних мас носіїв струму [6,41] Оскільки розходження в ефективних масах мало позначається на α (через логарифмічною залежності), то рівність нулю коефіцієнта термо-ерс визначається умовою: nµ= pµp, Де n і p, µі μ– Концентрації і рухливості електронів і дірок відповідно Тому для точного визначення D величину Cd в рівняннях (819) і (821) слід помножити на відношення рухливості вводяться носіїв струму до рухливості основних носіїв струму

При вимірі коефіцієнтів дифузії методом електрон-діркових переходів також слід звертати особливу увагу на наявність освітлення поверхні зразка, оскільки останнє призводить до появи фото-ерс, яка, накладаючись, наприклад на вимірювану термо-ерс, часто абсолютно спотворює результати вимірювань і призводить до помилкових висновків

Джерело: І А Случинський, Основи матеріалознавства і технології напівпровідників, Москва – 2002