Фотоэлектромагнитные и магнитооптические методы определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда в узкозонных полупроводниках

2
Оглавление
Стр.
Список условных сокращений и обозначений................. 5
ВВЕДЕНИЕ .............................................. 7
1. МЕТОДЫ 011РЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И
РЕКОМБИНАЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ 25
1.1. Введение.................................................. 25
1.2. Методы определения времени жизни носителей заряда......... 25
1.3. Методы определения подвижности электронов в КРТ р-типа . . 32
1.4. Методы определения параметров рекомбинационных центров . . 38
1.5. Фотомагнитный эффект и фотопроводимость в магнитном поле . 43
1.6. Фотопроводимость и фотомагнитный эффект в варизонных полупроводниках .................................................... 52
1.7. Свойства полупроводников в квантующих магнитных полях ... 56
1.8. Выводы и постановка задач................................. 63
2. АППАРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ СИГНАЛОВ
МАГНИТООПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ И
ФОТОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭФФЕКТОВ В УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ 69
2.1. Введение.................................................. 69
2.2. Экспериментальный комплекс для регистрации магнитооптических резонансов и измерений сигналов фотоэлектромагнитных эффектов
в геометрии Фойгта......................................... 69
2.3. Лазеры на окиси углерода.................................. 77
2.4. Автоматизированный комплекс для измерений сигналов фотоэлек-
тромагнитных эффектов в геометрии Фарадея или Фойгта .... 80
2.5. Подготовка исследуемых образцов........................... 85
2.6. Выводы.................................................... 91
3. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ В УЗКОЗОННЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКАХ............................................ 93
3.1. Введение.................................................. 93
3.2. Модуляционные методики измерений в узкозонных полупроводниках ............................................................ 94
3.2.1. Зондовая модуляционная методика измерений ФМЭ и ФП в магнитном поле при модуляции света и синхронном детектировании . 94
3.2.2. Методика модуляции магнитного поля и синхронного детектиро-
вания на второй гармонике резонансов магнитооптических эффектов в узкозонных полупроводниках........................... 99
3.3. Методики определения концентрации и подвижности основных но-
3
сителей заряда...........................................
3.3.1. Методика определения параметров по холловским измерениям . 104
3.3.2. Определение концентрации вырожденного электронного газа из осцилляций Шубникова-де Гааза................................ 105
3.3.3. Определения концентраций и подвижностей разного сорта носителей заряда в ГЭС МЛЭ р-КРТ................................... 109
3.4. СВЧ-методика определения эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда ................................... 114
3.5. Выводы....................................................... 118
4. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ НПЗ, ОТНОШЕНИЯ
ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ОБЪЕМЕ И КОНЦЕНТРАЦИИ РЦ ДЛЯ ГЭС МЛЭ Р-КРТ ИЗ ФП В ГЕОМЕТРИИ ФАРАДЕЯ....................................................... 120
4.1. Введение..................................................... 120
4.2. Изменение проводимости образца в магнитном поле при освеще-
нии в случае доминирующей рекомбинации носителей заряда Шокли-Рида-Холла.............................................. 120
4.3. Теоретический и экспериментальный анализ сигналов ФП в р-КРТ
при низких температурах..................................... 126
4.4. Метод определения подвижности ННЗ в ГЭС р-КРТ................ 128
4.5. Влияние концентрации рекомбинационных центров на ФП в геометрии Фарадея...................................................... 137
4.6. Определения отношения времени жизни носителей заряда и концентрации РЦ в МЛЭ р-КРТ............................................ 142
4.7. Выводы....................................................... 145
5. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И СКОРОСТИ
ПОВЕРХНОСТНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ ННЗ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ПЛЁНКИ КРТ Р-ТИПА ИЗ ФМЭ И ФГ1 В ГЕОМЕТРИИ ФОЙГТА. 147
5.1. Введение..................................................... 147
5.2. Теоретическая модель поведения фотогенерированных носителей
заряда в пленках ЖФЭ КРТ, помещенных в стационарные скрещенные электрическое и магнитное поля ........................ 147
5.3. Теоретический и экспериментальный анализ ФМЭ и ФП в магнитном поле для геометрии Фойгта на ГЭС ЖФЭ КРТ .... 157
5.3.1. ФМЭ и ФП в магнитном поле для пленок п-типа................. 157
5.3.2. ФМЭ в пленках р-типа........................................ 162
5.3.3. ФП в магнитном поле для пленок р-типа....................... 167
5.4. Фотопроводимость в магнитном поле в геометрии Фойгта и фото-
магнитный эффект в ГЭС МЛЭ р-КРТ с приграничными варизон- 172
4
ными слоями......................................
5.4.1. Поведение неравновесного электронно-дырочного газа в скрещенных стационарных электрическом и магнитном полях . . 172
5.4.2. Теоретический и экспериментальный анализ магнитополевых зависимостей ФГ1 и ФМЭ.......................................... 177
5.5. Определение времени жизни неосновных носителей заряда в объеме и их скоростей поверхностной рекомбинации в ГЭС КРТ р-типа 185
5.6. Выводы...................................................... 189
6. РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ДЛЯ МЛЭ КРТ Р-ТИПА НА РАЗРАБОТАННОМ КОМПЛЕКСЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И РЕКОМБИНАЦИОННО-
ДИФФУЗИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ............................ 192
6.1. Введение.................................................... 192
6.2. Зависимость подвижности электронов от температуры ... 193
6.3. Оценка параметров рекомбинационных центров.................. 195
6.3.1. Оценка параметров РЦ из температурной зависимости времени
жизни электронов............................................ 195
6.3.2. Оценка параметров РЦ по зависимости отношения времени жизни носителей заряда от концентрации равновесных дырок . . . 200
6.4. Фотопроводимость в геометрии Фарадея в условиях смешанной проводимости...................................................... 204
6.5. Измерения нормальной и латеральной компонент темнового тока п-р-фотодиодов на основе ГЭС МЛЭ р-КРТ.............................. 210
6.6. Фотомагнитный эффект и фотопроводимость в магнитном поле для геометрии Фарадея на ГЭС р-КРТ со встроенными нанослоями в варизонных приграничных областях.................................. 216
6.7. Выводы...................................................... 224
7. МЕТОД БЕСКОНТАКТНОГО 011РЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ РЦ В ВЫРОЖДЕННЫХ УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ............................................ 227
7.1. Введение.................................................... 227
7.2. Влияние магнитного поля на энергию электронных состояний в полупроводниках .................................................... 227
7.3. Осцилляции магнитосопроотивления и магнитопропускания при монохроматической подсветке с энергией фотонов меньше ширины запрещённой зоны.................................................. 232
7.4. Выводы...................................................... 241
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................. 242
Список использованных источников..............................249
5
Список условных сокращений и обозначений
ФПУ - фотоприёмное устройство
КРТ - твердые растворы теллуридов кадмия и ртути
х - мольный состав кадмия
(d <L) - толщина структуры (плёнки) d сравнима с длиной диффузии
L неосновных носителей заряда ННЗ - неосновные носители заряда
ЖФЭ - жидкофазная эпитаксия
МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия
ГЭС - гетероэпитаксиальная структура
Ро^Рр ~ равновесная концентрация и подвижность основных носителей заряда (дырок) тп и тр - время жизни в объёме электронов и дырок
рп - подвижность неосновных носителей заряда (электронов)
Sj - скорость поверхностной рекомбинации на свободной границе
плёнки
S2 - скорость поверхностной рекомбинации на связанной с под-
ложкой границе плёнки РЦ - рекомбинационные центры
N, и Е, - концентрация и энергия залегания рекомбинационных цен-
тров
сп и ср — коэффициенты захвата электронов и дырок на рекомбинаци-
онные центры к - волновой вектор излучения
( Ё ± В) - стационарные скрещенные электрическое Е и магнитное В
поля
ФП - фотопроводимость
ФМЭ - фотомагнитный эффект
МОЭ - магнитооптические эффекты
(д2р/дВ2) — вторая производная сопротивления образца по индукции маг-
нитного поля
(д2т/дВ7) - вторая производная пропускания света через образец по ин-
дукции магнитного поля nt - концентрация электронов на рекомбинационном центре
Afi - изменение концентрации электронов в зоне проводимости
при освещении
Ар - изменение концентрации дырок в валентной зоне при осве-
щении
Ап, - изменение концентрации электронов на рекомбинационном
центре при освещении
°(В) - зависимость проводимости от магнитного поля
Охх(В) - продольная компонента тензора проводимости
6
аХу(В) К
ли/в) д и; (в)
д и'°™
и,фф
и,сМ
и,гаМ’Е)
и#(В.Е)
иФМэ
- поперечная компонента тензора проводимости
- коэффициент пропорциональности между концентрациями электронов на рекомбинационных центрах и в зоне проводимости
- фотопроводимость в геометрии Фарадея
- электронная (изменяющаяся) компонента ФП в геометрии Фарадея
- дырочная (постоянная) компонента ФП в геометрии Фарадея
- фотопроводимость в геометрии Фойгта
- «собственная» фотопроводимость в геометрии Фойгта
- градиентная компонента фотопроводимости в геометрии Фойгта
-диффузионная компонента фотопроводимости в геометрии Фойгта
- ЭДС фотомагнитного эффекта
- напряженность встроенного поля, обусловленного варизон-носгыо структуры
- ширина запрещённой зоны
- номер уровня Ландау
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Важной практической задачей современной оптоэлектроники является усовершенствование известных и создание новых фотоприёмных устройств (ФПУ) инфракрасного диапазона. Большая часть ФПУ для этого диапазона изготавливается на основе узкозонных полупроводниковых соединений (InSb, InAs, PbSnTe, CdHgTe и др.).
В настоящее время для изготовления ФПУ с фотоэлементами в виде п-р-пе-реходов используются преимущественно плёнки p-типа тройных растворов кадмий - ртуть - теллур (KPT) CdxHgi.xTe (х - мольный состав Cd) [1], толщина d которых сравнима с длиной диффузии L(d<L) неосновных носителей заряда (ННЗ). Плёнки КРТ выращиваются методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) или молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Для улучшения характеристик ФПУ в настоящее время выращиваются плёнки КРТ со сложным профилем мольного состава кадмия х - гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС). В ИФП СО РАН им. A.B. Ржанова разработана оригинальная технология выращивания методом МЛЭ плёнок КРТ [2] с приграничными варизонными слоями, которые уменьшают скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда [3].
При выборе плёнок для изготовления ФПУ с требуемыми характеристиками необходимо знать точные значения параметров материала: равновесную концентрацию р0 и подвижность \хр основных носителей заряда (дырок), рекомбинационно-диффузионные параметры материала, такие как времена жизни электронов тп и дырок х р в объёме, подвижность \хп неосновных носителей
8
заряда (электронов), скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда на свободной и связанной с подложкой границах плёнки S) и S2, соответственно. В свою очередь, значения времен жизни электронов т„ и дырок X р в объёме определяются параметрами рекомбинационных центров (РЦ): концентрацией Nt и энергией залегания РЦ Et, коэффициентами захвата электронов сп и дырок ср на РЦ.
Применение традиционных методов определения этих параметров в ГЭС КРТ p-типа затруднено сложностью выделения вкладов в процессы рекомбинации и диффузии ННЗ различных слоев структуры, а также относительной малостью значений их времени жизни и диффузионной длины. Применение метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней для измерений параметров РЦ в КРТ с мольным составом Cd х « 0,22 затруднено следующими причинами: во-первых, малая ширина запрещённой зоны требует использования гелиевых температур, во-вторых, трудно изготовить р-п-переход на таком материале, который не имел бы туннельного пробоя при низких температурах. Поэтому актуальным является развитие новых, особенно бесконтактных, методов обнаружения РЦ и изучения их влияния на свойства полупроводников.
В связи с этим возникает проблема разработки методов определения указанных параметров в ГЭС (d < L) CdxHgj.xTe p-типа с мольным составом Cd х « 0,2 и создания экспериментальной измерительной установки, которая позволила бы последовательно применять эти методы для одновременного определения всего комплекса параметров. Кроме того, требуется определять указанные па-
9
раметры для центрального однородного по составу х слоя ГЭС КРТ p-типа, не разрушая приповерхностные варизонные слои. Поэтому особую актуальность представляет разработка нового комплекса методов неразрушающих контактных исследований не только ГЭС КРТ p-типа, но и ГЭС узкозонных полупроводников p-типа, которые используются при создании принципиально новых полупроводниковых оптоэлектронных приборов на основе микро- и наноэлектроники. В качестве модельного объекта исследований был выбран InSb п-типа как наиболее изученный узкозонный полупроводник.
Для разработки комплекса методов определения указанных параметров в плёнках (<d < L) p-типа (х « 0,2) CdxHgi_xTe, помещённых в стационарные скрещенные электрическое и магнитное поля (Е ± В, где Е - напряжённость электрического поля и В - индукция магнитного поля), необходимо было теоретически и экспериментально исследовать поведение фотогенерированных носителей заряда методом стационарной фотопроводимости (ФП) в магнитном поле
для геометрии Фарадея (к В,В 1 Е, где к - волновой вектор излучения), а также совместными методами фотомагнитного эффекта (ФМЭ) и стационарной ФП в магнитном поле для геометрии Фойгта {к ± В, к JL Е, В А. Е). К началу выполнения настоящей диссертационной работы в литературе не были описаны подобные методы для структур ЖФЭ КРТ p-типа, в которых мольный состав х изменяется линейно по толщине, а также для структур МЛЭ КРТ p-типа с вари-зонными приграничными областями.
10
С появлением работ [4], в которых был разработан метод определения энергетических параметров РЦ в узкозонных полупроводниках при оптических переходах между РЦ и квантовыми электронными состояниями в сильном магнитном поле (МОЭ - магнитооптические эффекты), необходимо было развитие этого метода для бесконтактного определения энергии ионизации РЦ в вырожденном 1п8Ь п-типа.
Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью разработки новых методов определения электрофизических и рекомбинационнодиффузионных параметров носителей заряда в плёнках (с1 < Ь) и гетероэпитак-сиальных структурах узкозонных полупроводников р-типа со сложным профилем ширины запрещенной зоны.
Целью работы является решение проблемы создания комплекса методов и аппаратуры для определения электрофизических и рекомбинационнодиффузионных параметров носителей заряда в эпитаксиальных плёнках и плёночных структурах (</ <Ь) узкозонных полупроводников р-типа, а также развитие локального бесконтактного магнитооптического метода регистрации и измерения энергии ионизации РЦ в узкозонных вырожденных полупроводниках п-типа.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - провести анализ с целью выявления недостатков современных аппаратурных средств и методов, применяемых для определения электрофизических
11
и рекомбинационно-диффузионных параметров узкозонных полупроводников р-типа и плёночных структур (с/ < Ь) на их основе;
- разработать и создать экспериментальные установки для измерений хол-ловского напряжения, магнитосопротивления, ФМЭ, ФП в магнитном поле (геометрии Фарадея и Фойгта) в узкозонных полупроводниках и пленочных структурах на их основе;
- построить с целью разработки новых методов определения параметров основных и неосновных носителей заряда модели, описывающие экспериментальные зависимости от индукции магнитного поля ФМЭ, ФП для двух геометрий (Т = 77-125 К) в плёнках и плёночных структурах («с/ < Ь) кадмий - ртуть -теллур (х » 0,2) р-типа;
- определить раздельные вклады фотогенерированных электронов и дырок в ФП для геометрии Фарадея;
- разработать, исходя из результатов исследований ФП в геометрии Фарадея (Т = 77-125 К), методы определения подвижности неосновных носителей заряда (электронов), отношения времени жизни носителей заряда и концентрации рекомбинационных центров в гетероэпитаксиальных структурах кадмий -ртуть - теллур р-типа. Проанализировать погрешности определения этих параметров;
- разработать методы определения рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда в гетероэпитаксиальных структурах кадмий - ртуть
12
- теллур р-типа таких, как время жизни электронов в объеме, скорости рекомбинации носителей заряда на поверхностях плёнки;
- создать комплекс аппаратурных средств, реализованных на одной установке, и методов определения электрофизических и рекомбинационнодиффузионных параметров основных и неосновных носителей заряда;
- апробировать предложенный комплекс определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда на гетероэпи-таксиальных структурах (<с1 < V) МЛЭ кадмий - ртуть - теллур р-типа:
• исследовать:
— температурные зависимости подвижности электронов;
— магнитополевые зависимости ФП в геометрии Фарадея при смешанной проводимости;
— ФМЭ и ФП в магнитном поле для геометрии Фарадея в структурах со встроенными нанослоями в варизонных приграничных областях;
• разработать метод измерения нормальной и латеральной компонент силы «темнового» тока п-р-фотодиодов;
• оценить параметры РЦ по температурной зависимости времени жизни электронов и по зависимости значения отношения времени жизни носителей заряда от концентрации равновесных дырок;
- развить локальный бесконтактный магнитооптический метод регистрации и измерения энергии ионизации РЦ для вырожденного 1п8Ь п-типа.
13
Объектом исследований являются методы определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров основных и неосновных носителей заряда в узкозонных полупроводниках и ГЭС (d < L) p-типа на их основе.
Предметом исследований являются InSb n-типа; плёнки п- и p-типа КРТ (х « 0,2), выращенные методом ЖФЭ на подложках из CdTe (CdxHg^Te/CdTe); плёнки КРТ (х « 0,2 и х « 0,3) p-типа, выращенные методом МЛЭ на подложках из GaAs ориентации (013) без варизонных и с варизонными приграничными областями, а также со встроенными нанослоями в варизонных областях.
Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретическим методом исследовано поведение фотогенерированных носителей заряда в пленках и пленочных структурах (d < L) узкозонных полупроводников p-типа, помещенных в стационарные скрещенные электрическое и магнитное поля (Е 1 В).
Экспериментальными методами измерения холловского напряжения и маг-нитосопротивления определялись концентрации и подвижности основных носителей заряда в ГЭС ЖФЭ КРТ и InSb n-типа. Для эпитаксиальных плёнок ГЭС МЛЭ КРТ p-типа с приграничными варизонными областями концентрации и подвижности основных носителей заряда определялись по результатам измерений магнитополевых зависимостей холловского напряжения и магнитосопро-тивления методом «спектра подвижности» и так называемой многозонной подгонкой. Экспериментальные методы также включали ФМЭ и стационарную ФП (геометрии Фойгта и Фарадея) в магнитном поле с индукцией от 0 до 2 Тл для
14
температурного диапазона от 77 до 300 К. При гелиевой температуре в геометрии Фойгта исследовались магнитосопротивлсние, магнитопоглощение и их поляризационные зависимости в InSb n-типа при монохроматической подсветке с длиной волны от 5 до 6 мкм, что соответствовало энергии фотона меньшей ширины запрещенной зоны. Исследования для геометрии Фарадея также проводились на невырожденном InSb n-типа при Т= 4,2 К в сильном магнитном поле (до 10 Тл) сверхпроводящего соленоида. Рекомбинационно-диффузионные параметры плёнок находились методом наименьших квадратов с использованием численного метода нелинейной оптимизации Хука - Дживса из соответствия теоретических выражений экспериментальным данным.
Научная новизна. На основе совместного анализа ФМЭ и ФП (геометрии Фарадея и Фойгта) дано научное обоснование разработки методов определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров основных и неосновных носителей заряда в плёнках (d < L) узкозонных полупроводников p-типа. Создан автоматизированный фотоэлектромагнитный комплекс аппаратурных средств и новых методов, позволяющих получать наиболее полную информацию об указанных параметрах носителей заряда в плёнках КРТ р-типа. При этом впервые:
- определены на основе анализа магнитополевой зависимости ФП в геометрии Фарадея раздельные вклады фотогенерированных электронов и дырок в сигнал ФП;
- предложен на основе анализа магнитополевых зависимостей электронной компоненты ФП в геометрии Фарадея метод определения подвижности неосновных носителей заряда (электронов);
- разработаны методы определения отношения времени жизни носителей заряда и концентрации рекомбинационных центров по магнитополевой зависимости ФП в геометрии Фарадея;
- оценены в ГЭС МЛЭ КРТ p-типа параметры рекомбинационных центров: энергия залегания, коэффициенты захвата электронов и дырок на рекомбинационные центры;
- разработан на основе анализа магнитополевых зависимостей ФМЭ и ФП в геометрии Фойгта метод определения времени жизни электронов в объеме, скорости рекомбинации носителей заряда на поверхностях плёнки;
- развит для вырожденного InSb n-типа локальный бесконтактный магнитооптический метод регистрации РЦ и измерения их энергии ионизации.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- разработан фотоэлектромагнитный комплекс аппаратурных и методических средств, позволяющий определять параметры основных и неосновных носителей заряда в эпитаксиальных плёнках и плёночных структурах (d < L) КРТ p-типа: концентрацию и подвижность основных носителей заряда (дырок), времена жизни электронов и дырок в объёме, подвижность неосновных носителей заряда (электронов), скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда на поверхностях плёнки, что позволило получать на одной установке наиболее
16
полную и достоверную информацию, характеризующую процессы диффузии и рекомбинации неосновных носителей заряда;
- для вырожденного InSb n-типа развит локальный бесконтактный магнитооптический метод регистрации и измерения энергии ионизации РЦ. Предложенным методом определены ранее не наблюдаемые РЦ с энергией залегания 200 мэВ;
- разработанным методом при температуре 77 К определена подвижность неосновных носителей заряда (электронов) в ЖФЭ и МЛЭ КРТ p-типа. Для исследованных ЖФЭ образцов значение подвижности лежит в интервале от 4 до
•у л
6 м /(В с), а для МЛЭ образцов - от 5 до 8 м /(В с);
- для гетероэпитаксиальных структур с варизонными приграничными областями МЛЭ КРТ р-типа:
• вычислены значения отношения времени жизни дырок и электронов, которые лежат в интервале 5-30;
• оценены параметры РЦ: энергия залегания РЦ (Et ~ 53 мэВ), коэффициенты захвата электронов и дырок на РЦ сп ~ 2,3 х 10'12 м~3/с и ср~ 8,6 х 10'16 м"3/с, соответственно. Концентрация РЦ изменялась в диапазоне от 2,5 х 1019 до 5,0 х Ю20 м \ Энергия Et лежит близко к середине запрещённой зоны, что согласуется с опубликованными данными;
• из магнитополевых зависимостей ФП в геометрии Фойгта и ФМЭ (Т = 77 К) вычислены разработанным методом рекомбинационнодиффузионные параметры структур: время жизни электронов в объеме,
17
скорости поверхностной рекомбинации. Значения скорости поверхностной рекомбинации лежат в диапазоне от 30 до 150 м/с, что по порядку величины совпадает с рекордно низкими значениями для образцов КРТ р-типа, пассивированных ZnS или CdTe.
Основные положения, выносимые на защиту:
- методы определения (Т = 77-125 К) параметров полупроводникового твердого раствора кадмий - ртуть - теллур (CdxHgi.xTe, где х « 0,2 - мольный состав Cd) p-типа, основанные на измеренных магнитонолевых зависимостях стационарной ФП в геометрии Фарадея. Предлагаются методы определения подвижности неосновных носителей заряда (электронов), отношения времени жизни носителей заряда в объеме пленки и концентрации рекомбинационных центров;
- методы определения параметров при азотных температурах в плёнках и гетероэпитаксиальных структурах (<d < L, где d - толщина плёнки, L - длина диффузии неосновных носителей заряда) кадмий - ртуть - теллур (х « 0,2) p-типа, основанные на совместном анализе магнитоиолевых зависимостей ФМЭ и стационарной ФП для геометрии Фойгта. Предлагаются методы определения времени жизни электронов в плёнке, скоростей поверхностной рекомбинации носителей заряда на свободной поверхности плёнки и на границе раздела плёнка - подложка;
- автоматизированный комплекс аппаратурных средств и методов определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров ос-
18
новных и неосновных носителей заряда в эпитаксиальных плёнках и плёночных структурах (с1 < Ь) кадмий - ртуть — теллур р-типа;
- результаты, полученные с использованием фотоэлектромагнитного комплекса, для гетероэпитаксиальных плёнок (с варизонными приграничными областями) кадмий - ртуть - теллур р-типа (х « 0,2), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии:
• зависимость подвижности неосновных носителей заряда (электронов) от температуры (Т = 77-300 К) описывается выражением рп = А- (Т/77)"*, где А = (5-8 м2/В-с), к= 1,3-1,5. Такая зависимость обусловлена рассеянием ННЗ на колебаниях решётки;
• при смешанной проводимости (Т = 135-175 К) на экспериментальных магнитнополевых зависимостях ФП в геометрии Фарадея наблюдается максимум (при В * 0), обусловленный сильным магнитосопротивлением равновесных носителей заряда;
• для пленок оценены значения энергии залегания рекомбинационных центров, коэффициенты захвата электронов и дырок на объёмные рекомбинационные центры:
- по температурной зависимости времени жизни электронов;
- по зависимости отношения времени жизни носителей заряда от концентрации равновесных дырок;
• новый метод определения при температуре жидкого азота нормальной и латеральной компонент силы «темнового» тока п-р-фотодиодов (об-
19
ратное смещение) в многоэлементных фотовольтаических фотоприемниках по измерению зависимости величины тока от индукции магнитного поля, что также может быть использовано для исключения взаимного влияния фотодиодов;
- локальный бесконтактный магнитооптический метод регистрации рекомбинационных центров и измерения их энергии ионизации в вырожденном InSb п-типа.
Достоверность результатов исследований подтверждена: использованием при проведении измерений современных приборов и методик; соответствием полученных экспериментальных данных развиваемым в работе физико-математическим моделям; апробацией разработанных методик на большом числе образцов; совпадением значений параметров, определенных с использованием разработанного комплекса методов, со значениями, вычисленными другими авторами с использованием известных методик измерений; апробацией представленных результатов на отечественных и зарубежных конференциях.
Реализация результатов исследований. Разработанные методы и аппаратурные средства использовались при выполнении ПИР ИФП им. A.B. Ржанова СО РАН «Продукт», «КаскадЗ», госбюджетных НИР при СГГА № 1.8.94Д «Разработка фотомагнитной методики и создание установки для диагностики рекомбинационных параметров в пленочных структурах узкозонных полупроводников» и № 1.3.09 «Изучение рекомбинационных и диффузионных свойств
20
неравновесного электронно-дырочного газа в полупроводниковых узкозонных плёнках с варизонными приграничными слоями».
Апробация работы. Результаты, полученные в данной работе, докладывались на II Всесоюзной школе-семинаре молодых учёных «Физика и материаловедение полупроводников с глубокими уровнями» (г. Черновцы, 1988 г.); на II Всесоюзном семинаре по проблеме «Физика и химия полупроводников» (г. Павлодар, 1989 г.); на III Международной конференции ЕХМАТЕС-96 (г. Фрайбург, Германия, 1996 г.); на Международной конференции «Квантовый эффект Холла и гетероструктуры» (г. Вюрцбург, Германия, 2001 г.); на 1-й Украинской конференции по физике полупроводников (г. Одесса, Украина, 2002 г.); на Российских совещаниях Фотоника-2003, Фотоника-2008 и Фотони-ка-2011 (г. Новосибирск, 2003, 2008 и 2011 г.); на XIX и XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г. Москва, 2006 и 2010 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (г. Новосибирск, НГТУ, 2007 г. и 2009 г.); на Международной Сибирской школе-семинаре по электронным приборам и материалам ЕОМ-2004, ЕОМ-2005, ЕОМ-2006, ЕЭМ-2007 и ЕОМ-2011 (Эрлагол, Россия, 2004-2007 и 2011 гг.); на Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2011» (г. Новосибирск, СГГА, 2005-2009 и 2011 гг.), на 14-й Международной конференции, посвящённой соединениям А2В6 (г. Санкт-Петербург, Россия, 23-28 августа 2009 г.).
21
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 54 научные работы, в том числе 17 публикаций в журналах, которые входят в перечень периодических научных изданий, рекомендуемых ВАК для публикации научных работ, отражающих основное научное содержание докторских диссертаций.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 250 наименований. Работа изложена на 286 страницах, содержит 71 рисунок и 13 таблиц.
Краткое содержание работы Во введении дана общая характеристика работы: актуальность темы диссертации; цель работы и основные задачи, решаемые для достижения цели; объект, предмет и методы исследований; научная новизна, практическая значимость и достоверность результатов работы, а также их реализация; основные положения, выносимые на защиту; сведения об апробации работы и личный вклад автора в полученные результаты; структура и объём диссертации и краткое сё изложение по главам.
Первая глава посвящена обзору работ, описывающих методы определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда, ФМЭ и ФП в магнитном поле для гомозонных и варизонных полупроводниковых материалов, таких как 1п8Ь и КРТ, а также магнитооптические свойства и методы измерения энергии ионизации РЦ в ТпБЬ.
22
Во второй главе рассмотрены разработанные и созданные аппаратурные комплексы для измерений сигналов холловского напряжения, магпитосопро-тивления и фотоэлектромагнитных эффектов, а также для регистрации магнитооптических резонансов в узкозонных полупроводниках. Описаны способы подготовки образцов для измерений, конструкции держателей для образцов.
В третьей главе рассмотрены зондовая методика измерений сигналов ФМЭ и ФП в магнитном поле при модуляции света и синхронном детектировании, а также методика модуляции магнитного поля и синхронного детектирования на второй гармонике резонансов МОЭ в узкозонных полупроводниках. Описаны классические методики определения концентрации и подвижности основных носителей заряда из экспериментальных магнитополевых зависимостей холловского напряжения и магнитосопротивления, методика бесконтактного определения концентрации вырожденного электронного газа в узкозоиных полупроводниках из осцилляций оптического эффекта Шубникова-де Гааза. Концентрации и подвижности различного сорта носителей заряда ГЭС МЛЭ р-КРТ для разных температур определены методом «спектра подвижности» из измеренных магнитополевых зависемостей холловского напряжения и магнитосопротивления и уточнены подгонкой теоретических выражений, описывающих магнитополевые зависимости компонент тензора проводимости, под экспериментальные данные с использованием подгоночных параметров. Рассмотрен СВЧ-метод измерения эффективного времени жизни неравновеных носителей заряда.
23
В четвертой главе с целью разработки новых методов определения подвижности ННЗ, отношения времени жизни носителей заряда и концентрации РЦ в МЛЭ р-КРТ описаны результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований поведения фотогенерированных носителей заряда плёнок р-КРТ, помещенных в стационарные Ё1В поля в геометрии Фарадея, методом стационарной ФП. Рассмотрено влияние концентрации РЦ на ФП. Описаны разработанные новые методы определения гр/гл и приведены значения вычисленных параметров для ГЭС МЛЭ р-КРТ. Обсуждены погрешности определения параметров.
В пятой главе с целью разработки новых методов определения хП) 5/ и 5? описаны результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований поведения фотогенерированных носителей заряда плёнок р-КРТ, помещенных в стационарные Ё_!_В поля в геометрии Фойгта, методом стационарной ФП. По результатам совместного анализа магнитополевых зависимостей ФМЭ и ФП предложен метод определения г*, Я, и £2. 11риведены значения параметров исследуемых образцов.
В шестой главе рассмотрены результаты, полученные с помощью разработанного комплекса методических и аппаратурных средств для определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда в узкозонных полупроводниках. Проанализирована температурная зависимость подвижности электронов. Оценены параметы РЦ из температурной зависимости времени жизни электронов, а также по зависимости отношения врс-
24
мени жизни носителей заряда от концентрации равновесных дырок. Исследованы магиитополевые зависимости ФП в геометрии Фарадея при смешанной проводимости. Предложен метод измерения нормальной и латеральной компонент «темнового» тока n-p-фотодиодов на основе ГЭС МЛЭ р-КРТ. Рассмотрены ФМЭ и ФП в магнитном поле для геометрии Фарадея в ГЭС МЛЭ р-КРТ со встроенными нанослоями в варизонных приграничных областях.
В седьмой главе рассмотрено влияние магнитного поля на электронные состояния в образцах n~InSb на основе анализа вторых производных сопротивления образца (д2 р/сВ1) и пропускания света (д1!'/дВ1) при магнитооптическом поглощении квантов света с энергией меньше ширины запрещённой зоны
концентрации свободного вырожденного электронного газа и энергии ионизации РЦ. Развит локальный бесконтактный метод регистрации и прецизионного измерения энергии ионизации РЦ в узкозонных вырожденных полупроводниках.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
резонансным структурам
вычисляются
25
1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И РЕКОМБИНАЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В УЗКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ 1.1. Введение
В главе даётся литературный обзор состояния вопросов, рассматриваемых в диссертационной работе. Приводятся методы определения времени жизни и подвижности носителей заряда в кристаллах и эпитаксиальных плёнках КРТ, указываются их преимущества и недостатки. Затем анализируются работы, посвященные исследованию ФМЭ и ФП в магнитном поле на образцах КРТ, выращенных разными методами. Заканчивается литературный обзор рассмотрением работ по изучению ФМЭ и ФП в варизонных полупроводниках. В выводах к главе приводятся цель исследования и перечень задач для достижения этой цели.
1.2. Методы определения времени жизни носителей заряда
Методы измерения времени жизни носителей заряда в полупроводниках можно разделить на кинетические и стационарные [5]. Измерения этими методами могут проводиться как с помощью нанесенных на полупроводник электрических контактов, так и без них (контактный и бесконтактный способы).
Кинетическими методами изучается процесс перехода либо из неравновесного состояния в равновесное состояние полупроводника после прекращения
26
генерации избыточных носителей заряда (релаксация), либо, наоборот - из равновесного в неравновесное после включения генерации.
Другим широко используемым методом определения времени жизни является метод стационарной фотопроводимости [5]. В этом случае оптическая генерация осуществляется импульсами света, длительность которых значительно превышает характерные времена рекомбинационных процессов в исследуемом полупроводнике. Через некоторое время после начала оптической генерации в образце устанавливаются стационарные концентрации неравновесных электронов и дырок: Апст - аР0{)Тп и Арст = арС^тгде а - коэффициент поглощения излучения, р- квантовый выход, С/0- интенсивность света, г„, тр - время жизни электронов и дырок, соответственно. В отличие от метода релаксации фотопроводимости, в котором время жизни является характеристикой экспоненциального уменьшения концентрации неравновесных носителей заряда, здесь под временем жизни понимается время, в течение которого носители заряда находятся в свободном состоянии. Для случая межзонной рекомбинации и малого уровня возбуждения, когда темп рекомбинации прямо пропорционален концентрации неравновесных носителей заряда, «стационарное» и «релаксационное» время жизни совпадают.
Для определения времени жизни носителей заряда чаще всего измеряется релаксация фотопроводимости [6]. Принцип этого метода для простейшего случая межзонной рекомбинации носителей заряда и малого уровня возбуждения показан на рис. 1.1. Образец освещается коротким импульсом света с энер-