Эта особенность спектров отражения легированных полупроводников в инфракрасной области может быть положена в основу простого оптического метода определения концентрации носителей N из спектров отражения. Экспериментальные зависимости спектрального положения длины волны минимума отражения для электронного сильнолегированного кремния n-типа (λ_n-s1) и дырочного p-типа (λ_p-s1) от концентрации носителей представлена на рис. 2.3. При этом концентрация носителей в эталонных образцах определялась по измерению слоевого сопротивления четырехзондовым методом с использованием известных эталонных кривых, связывающих удельное сопротивление р- и n-кремния с концентрацией свободных носителей. Недостатком данного метода является сравнительно невысокая точность установления спектрального положения длины волны минимума отражения для слаболегированных полупроводников.

Более сложные и точные методики определения концентрации, подвижности и эффективной массы свободных носителей заряда по коэффициентам отражения легированных полупроводников в инфракрасной области спектра детально описаны в ряде работ. В некоторых из них измеренные зависимости отражения сравниваются с эталонными кривыми в весьма широком спектральном диапазоне — от 1 до 50 мкм. Исследование инфракрасных спектров отражения от поверхности полупроводников дает возможность получить информацию не только об электрофизических свойствах кристаллов, но и о состоянии их поверхности, качестве химической и механической обработки, когда глубина нарушений поверхности составляет от 1 до 50 мкм и соизмерима с длиной волны инфракрасного излучения, используемого для измерений. Это удается сделать несмотря на то, что из-за трудностей регистрации суммарного отражения и его диффузной составляющей в инфракрасной области измеряется, как правило, лишь зеркальная составляющая коэффициента отражения и ее температурная зависимость.

Оптические исследования тонких легированных слоев кремния и других полупроводников было бы значительно легче и точнее выполнять с помощью излучения, которое сильно поглощается материалом полупроводника. Таким, например, является ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,2–0,4 мкм, почти полностью поглощаемое слоями кремния толщиной всего 0,05—0,1 мкм. Однако изменение концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике в очень широких пределах практически не влияет на его оптические свойства в коротковолновой области спектра.

Спектры отражения в ультрафиолетовой области помогли выполнить фундаментальные исследования для физики твердого тела — установить особенности зонной структуры полупроводников, подтвердив выводы теории. Характерные для многих полупроводниковых материалов всплески отражения объясняются резким ростом показателя поглощения, что вызывается межзонными переходами при большой ширине запрещенной зоны в тех областях зависимости E от k, где k ≠0.

C помощью измерения коэффициента зеркального отражения в ультрафиолетовой области спектра также удается весьма тонко контролировать качество механической и химической полировки поверхности полупроводниковых кристаллов, поскольку коэффициент отражения в этой области спектра заметно зависит от глубины остающихся после полировки нарушений на поверхности кремния и арсенида галлия. Только после того, как глубина нарушений в результате дополнительной полировки становится меньше длины волны ультрафиолетового (0,2–0,4 мкм) и видимого (0,4–0,75 мкм) излучений, использованных при измерениях, коэффициент отражения в этих областях спектра перестает изменяться.

Высокой эффективности оптического контроля способствует наличие пиков отражения, имеющихся у кремния и арсенида галлия в ультрафиолетовой области спектра. Например, контроль за состоянием поверхности кремния лучше вести при длине волны 0,28 мкм, где коэффициент отражения хорошо отполированного кремния достигает 70 %. Для увеличения различия между коэффициентами отражения пластин с разной обработкой поверхности полезно воспользоваться прибором для наблюдения многократного отражения ультрафиолетового излучения от набора пластин с одинаковой обработкой поверхности. В этом же приборе другой набор хорошо отполированных пластин позволяет выделить из спектра источника ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,28 мкм, наиболее полезное для контроля состояния поверхности кремния.

Для этой же цели могут быть использованы также более сложные по конструкции приборы, в которых выделение необходимого спектрального интервала осуществляется с помощью кварцевых призм, дифракционных решеток, параболических и поворотных зеркал.

Оптические измерения имеют и свои ограничения. Так, например, исследование свойств тонких слоев сильнолегированных полупроводников с помощью спектров отражения инфракрасного излучения не может привести к количественным результатам, когда глубина проникновения излучения в материал полупроводника превышает толщину слоев. Это положение подтверждается при исследовании тонких р-n-переходов, полученных бомбардировкой кремния ионами фосфора, являющегося для кремния донорной примесью, приводящей к электронному типу проводимости (исходный кремний был легирован атомами бора, акцепторной примесью, и пластины имели дырочный тип проводимости). Методики, используемые в таких экспериментах, должны включать и электрические измерения для определения профиля концентрации свободных носителей заряда, глубины залегания р-n-перехода и их изменения в процессе отжига и т. д.

Приведем пример подобного комплексного подхода к исследованию тонких легированных слоев в солнечных элементах. В экспериментах одной из групп советских исследователей использовался кремний p-типа с удельным сопротивлением р=1 Ом×см. Тщательно полированная поверхность, ориентированная по (111), подвергалась бомбардировке сепарированным пучком ионов фосфора с энергией 30 кэВ дозой D=6×10³ мкКл/см² для создания на поверхности пластин тонкого слоя n-типа, необходимого при дальнейшем изготовлении солнечного элемента.

Профиль концентрации свободных носителей тока исследовался при последовательном удалении слоев кремния толщиной 160–500 А анодным окислением в 0,04 А-растворе азотнокислого калия в этиленгликоле.

Проводимость удаляемых слоев измерялась четырехзондовым методом. Пересчет к средней концентрации свободных носителей в удаленном слое велся с использованием описанных в литературе методик. Общая глубина легированного слоя оценивалась по методу косого цилиндрического шлифа.

Рис. 2.4. Зависимости концентрации свободных носителей заряда в поверхностном легированном слое кремния, полученном бомбардировкой кремния р-типа ионами фосфора, от расстояния до поверхности

1 — до отжига, доза ионов фосфора 6 × 10³ мкКл/см²; 2 — тот же образец после отжига в течение 2 ч при 850^o С; 8 — теоретическая кривая, соответствующая диффузии примеси из бесконечного источника, расположенного на расстоянии 0,3 мкм от поверхности; стрелки указывают глубину залегания р-n-перехода

Коэффициенты пропускания и отражения в области 1—25 мкм определялись с помощью инфракрасного спектрофотометра с использованием приставки для измерения коэффициента зеркального отражения.

На рис. 2.4 (кривая 1) представлено полученное сразу после бомбардировки распределение концентрации свободных носителей по глубине легированного слоя. У поверхности образуется относительно широкая область с отрицательным градиентом концентрации, максимум достигается на глубине около 0,12 мкм, после чего концентрация уменьшается до значения, соответствующего исходному кремнию. Ход кривой объясняется специфичностью профиля концентрации внедренных атомов и радиационных дефектов: максимум концентрации сдвинут к поверхности.