РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ВИМІРЮВАННЯ СПЕКТРІВ ЕЛЕКТРОВІДБИВАННЯ.
2.1. Вступ
Основним методом дослідження в роботі є електровідбивання, тому слід зупинитись на методиці вимірювань оптичних спектрів електровідбивання, на методах створення модулюючого електричного поля, вимірювальній установці та обробці результатів вимірювань.
2.2. Методи створення модулюючого електричного поля
Для вимірювання оптичних характеристик досліджуваних структур використаний метод електровідбивання, вперше застосований для вивчення зонної структури монокристалів германію в роботах Серафіна [3, 17]. Модулююче електричне поле до зразка прикладалось двома методами:
1. Метод електроліту. Цей метод вимірювання поверхнево - бар'єрного електровідбивання запропонував Кардона з співробітниками [18]. В даній геометрії електричне поле, яке прикладалось через електроліт і світло паралельні і направлені перпендикулярно відбиваючій поверхні досліджуваного кристала. Іонна провідність електроліту, разом з його високою прозорістю, забезпечує добрий електричний і оптичний контакт з зовнішньою поверхнею зразка. Метод дає можливість реалізації високих значень напруженості електричного поля в достатньо сильнолегованому напівпровіднику при порівняно малих амплітудах модулюючої напруги, що пов'язано з існуванням дуже тонкого (0,3 нм) подвійного шару на границі напівпровідник - електроліт, який служить діелектричною прокладкою створеного таким чином конденсатора. Електроліти володіють дуже високим пропусканням у видимому і ближньому ультра-фіолетовому - діапазоні спектра. Внаслідок близькості показників заломлення окислу і електроліту послаблюються або зовсім зникають інтерференційні явища в плівці діелектрика, які ускладнюють розшифровку виміряних спектрів. До недоліків електролітичного контакту відносять обмежену прозорість в області інфра-червоного діапазону - спектра, а також малий діапазон робочих температур.
При вимірюванні зразок розміщувався в електролітичну комірку, яка містить Pt - протиелектрод великої площі і насичений каломельний електрод порівняння. Під впливом модулюючого поля в приповерхневій області напівпровідника змінюються оптичні характеристики, в результаті чого змінюється відбиваюча здатність. Електрооптичний ефект виникає по механізму впливу поля на густину станів. Реєструють ефекти типу ефекта Келдиша-Франца, заповнення зон, або за рахунок модуляції плазмової частоти. Модулююча напруга перерозподіляється між шаром Гельмгольца і областю просторового заряду напівпровідника. Оскільки ємність подвійного шару в розчині велика падінням напруги на ньому при вимірюваннях на напівпровідниках із звичайним рівнем легування можна знехтувати. Метод електроліту не придатний для дуже високоомних кристалів (), так як амплітуда модулюючого поля в цьому випадку невелика.
2. Метод бар'єра Шотки. Метод поздовжнього електровідбивання запропонований Серафіном [3, 17] має таку ж геометрію, як і в методі 1, але електричне поле до зразка прикладалось через напівпрозорий електрод. Модуляція нормального до поверхні зовнішнього електричного поля здійснюється в режимі ефекта поля. Основними елементами при цих вимірюваннях є зразок, діелектричний шар і прозорий електрод. Структурою аналогічною конденсатору в ефекті поля і яка придатна для вимірювання поздовжнього електровідбивання є система напівпровідник-діелектрик-метал. Згідно [19] розподіл керуючої напруги між елементами структури при тонких діелектриках відповідає режиму заданого поля в області сильного збагачення чи інверсії ( в останньому випадку частота модуляції повинна бути нижче частоти утворення інверсійного шару). В області сильного виснаження, а також при модуляції інверсійного шару на високих частотах
, де , , - відповідно диференціальна ємність діелектричного шару, області просторового заряду, поверхневих станів. Тоді розподіл модулюючої напруги між областю просторового заряда в напівпровіднику і діелектричним зазором
. (2.1)
Це показує на те, що при гармонічній модулюючій напрузі і на затворі поверхневий потенціал є гармонічною функцією часу, а напруженість приповерхневого поля може містити нелінійні спотворення при . При зменшенні товщини окисла до нуля чи величини порядку молекулярних розмірів структура метал-діалектрик-напівпровідник тотожна бар'єру Шотки в контакті метал-напівпровідник. Внаслідок індукованих металом змін в спектрі поверхневих електронних станів в бар'єрі Шотки область зміни поверхневого потенціалу обмежена в основному областю сильного виснаження, а акумулятивний і інверсійний шари, як правило, не реалізуються.
При вимірюванні даним методом на поверхню зразка наносився напівпрозорий металічний шар хрому товщиною > 60 нм. Електрооптичний ефект виникає в області бар'єра Шотки при прикладанні модулюючої напруги між напівпрозорим електродом і тильною поверхнею зразка. Метод придатний до кристалів з . Слід відмітити, що крім описаної вище конфігурації поздовжнього ефекта поля, вимірювання можна проводити також з поперечними полями, при умові, що опір зразка дуже великий . Перевага такого роду вимірювань - однорідність поля, а також поява сильної оптичної анізотропії, пов'язаної з використанням поперечного поля. Навіть при дослідженні оптично ізотропних зразків вимірювання з світлом, поляризованим паралельно модулюючому полю , повинні давати інші результати, ніж при . Відомо, що при легуванні напівпровідників домішками, рівні яких лежать поблизу середини забороненої зони, можна, якщо вони компенсуються дрібними залишковими домішками, отримати зразки з високим опором при низьких температурах. Так, наприклад, отримані спектри поперечного електровідбивання германію. Високоомні зразки ( при 77К) виготовлювались із матеріалу n-типу високої чистоти (~1019 м-3) шляхом - опромінення кобальтом 60; відомо, що доза 1024 м-3 створює 1021 м-3 глибоко розміщених акцепторних рівнів [5].
2.3. Експериментальна установка
Експериментальна установка для вимірювань електровідбивання монтується на базі монохро
- Київ+380960830922