2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ..................................................... 5
ГЛАВА 1. ПРИМЕСНЫЕ УРОВНИ, СОЗДАВАЕМЫЕ МЕДЬЮ И ХРОМОМ В СаР, 1пР и ОаАБ..................................... 12
1.1 Энергетический спектр и фотоэлектрические свойства примеси меди в фосфиде галлия..........................12
1.2 Примесные состояния меди в фосфиде индия и арсениде галлия................................................ 27
1.3 Примесные состояния хрома в фосфиде и арсениде
галлия............................................. 35
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА................................44
2.1 Методика приготовления и получения образцов....... 44
2.2 Измерение фотопроводимости исследуемых материалов
при комбинированном возбуждении....................... 47
2.3 Обработка экспериментальных данных................ 52
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ИНФРАКРАСНОГО ГАШЕНИЯ И СЕНСИБИЛИЗАЦИИ СОБСТВЕННОЙ ФОТОПРОВОДИМОСТИ В ФОСФИДЕ ГАЛЛИЯ, ЛЕГИРОВАННОМ МЕДЬЮ........................................................ 54
3.1 Спектр собственной фотопроводимости ЦаР<Си> с
дополнительным возбуждением в области низких энергий квантов............................................ 54
3
3.2 Спектры собственной фотопроводимости ОаР<Си> с дополнительным возбуждением в области низких энергий квантов при разделении носителей заряда электрическим полем................................................... 59
3.3 Спектр собственной фотопроводимости ваР<Си> с дополнительным возбуждением в области энергий квантов собственных переходов................................... 67
Основные выводы и заключения к главе 3..........................70
ГЛАВА 4. КИНЕТИКИ ИНФРАКРАСНОГО ГАШЕНИЯ И СЕСИБИЛИЗАЦИИ СОБСТВЕННОЙ ФОТОПРОВОДИМОСТИ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО МЕДЬЮ, ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ.....................................71
4.1 Кинетики инфракрасного гашения собственной фотопроводимости ОаР<Си> при различных энергиях квантов подсветки........................................71
4.2 Кинетика инфракрасного гашения собственной фотопроводимости СаР<Си> при повышенной температуре... 73
4.3 Обсуждение кинетик инфракрасного гашения собственной фотопроводимости ОаР<Си>................................ 75
4.4 Кинетики инфракрасной сенсибилизации собственной фотопроводимости ОаР<Си>.................................84
4.5 Обсуждение кинетики инфракрасной сенсибилизации собственной фотопроводимости СаР<Си> .................. 86
Основные выводы и заключения к главе 4......................... 91
4
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОПРОВОДИМОСТИ В InP<Cu> и GaP<Cr>.......................................................92
5.1 Спектры фотопроводимости образцов InP, с различной
степенью компенсации медью............................ 92
5.2 Исследование примесного максимума фотопроводимости InP<Cu> при hv = 1,31 эВ...................... 96
5.3 Спектр фотопроводимости высокоомного фосфида галлия, легированного хромом......................... 104
5.4 Эффекты сенсибилизации собственной фотопроводимости в GaP<Cr> с использованием двойного возбуждения и прозрачного контакта.................................. 108
Основные выводы и заключения к главе 5...................... 111
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...................... 113
ЛИТЕРАТУРА.................................................. 115
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Явление фотопроводимости (ФП) лежит в основе создания большого спектра приемников излучения, перекрывающих диапазон от дальней ИК- до УФ - областей. Технология изготовления оптоэлектронных приборов непрерывно совершенствуется, расширяется ряд используемых полупроводниковых материалов. При этом оказывается, что изготовление фоторезисторов с большими значениями коэффициента усиления на основе сульфида цинка и фосфида галлия сопряжено с использованием одной и той же примеси - сенсибилизатора собственной фотопроводимости (СФ11). Такой примесью оказывается медь. Большое число экспериментальных работ посвящено изучению поведения этой примеси, но до сих пор отсутствует единое мнение о физической природе причин сенсибилизации собственной фотопроводимости медью, практически не известна ее роль в процессах рекомбинации.
Имеющиеся представления о характере взаимодействия примесных атомов меди с полупроводниковой матрицей весьма приблизительны. Это определяется полным отсутствием данных измерений ЭПР или ЯМР, которые обычно дают ответ о характере локализации в решетке примесных атомов переходных металлов. Способность меди легко диффундировать в полупроводниковых материалах определила представление о междоузельном размещении атомов в решетке, однако, установленный акцепторный характер поведения примеси и величина ее предельной растворимости привели к выводу о двойственном «диссоциативном» поведении меди.
Комплекс исследований фотопроводимости, выполненный в последнее время, позволил сформулировать представления о бистабильности узельного состояния меди в фосфидах индия и галлия когда примесный атом, находящийся в одном и том же зарядовом состоянии, может изменять свою координацию. Предлагаемая модель способна объяснить ряд электрических и фотоэлектрических свойств легированных материалов, но она требует значитель-
6
ной детализации. Необходимы дополнительные исследования, которые должны устранить неоднозначность трактовки экспериментальных результатов. Это связано, в первую очередь со сложностью процессов сенсибилизации и гашения собственной фотопроводимости полупроводниковых соединений А3В5.
Поскольку проявление бистабильности примесных состояний связывается с устойчивостью Зё10-оболочки примеси меди, представляет интерес поиск проявления аналогичных свойств другими представителями ряда переходных металлов, в частности, примесью хрома с устойчивой конфигурацией Зё5. Известно, что хром придает образцам арсенида галлия высокую фоточувствительность и широко используется в технологии получения высокоомных слитков.
Работа соответствует научному направлению 29.19.31 «Полупроводники», разрабатываемому в ВГТУ и выполнялась на кафедре «Полупроводниковая электроника» в соответствии с планом Госбюджетных работ 96.34 «Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах», государственный регистрационный номер №01960003428.
Цель и задачи исследования состоят в изучении и детализации механизмов примесной фотопроводимости, ИК-гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости, уточнении энергетического спектра примесных состояний меди в фосфидах галлия и индия.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
• Провести экспериментальные исследования спектров гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости в образцах ОаР<Си> для различных условий се возбуждения.
• Установить роль электронной составляющей в величине собственного фототока, возникающего в перекомпенсированных медью образцах ОаР<Си>.
• Исследовать особенности релаксационных процессов сенсибилизации и гашения собственной фотопроводимости в образцах СаР<Си>.
• Исследовать спектры примесной фотопроводимости в образцах фосфида индия компенсированных медью.
• Исследовать спектры гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости в образцах СаР<Сг>.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы диффузионного легирования монокристаллов полупроводников в запаянных вакуумированных кварцевых ампулах и в квазизамк-нутом объеме, а также методы изучения фотоэлектрических свойств материала, таких как:
1. двухлучевой модуляционный метод измерения фотопроводимости;
2. измерение фотопроводимости с использованием прозрачного контакта на основе соединения БпОг+ГпгОз;
3. двухлучевой модуляционный метод измерения фотопроводимости при различной температуре;
4. двухлучевой модуляционный метод измерения кинетик релаксации фотопроводимости при различных температурах.
Научная новизна работы
1.На основе эксперимента;!ьных исследований спектров гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости в образцах ваР<Си> для различных условий ее возбуждения установлено, что за эффекты сенсибилизации и гашения отвечают различные процессы, а зависимость проявляющегося эффекта от длины волны возбуждающего света связана с пространственным распределением различных зарядовых состояний примеси. Экспери-
8
ментально доказано наличие примесного уровня меди с энергией Еу+ (0,14-0,2) эВ.
2. Прямыми экспериментами с использованием прозрачного контакта подтверждена доминирующая роль электронной составляющей в величине собственного фототока, возникающего в перекомпенсированных медью образцах ОаР<Си>.
3. В фосфиде галлия и фосфиде индия медь проявляет свойства бистабильного центра, аналогичного дефектам типа ЭХ-центров в АЮаАь . Для полупроводников ОаР и 1пР построены координатно-конфигурационные энергетические диаграммы примеси меди в кристаллической решетке.
4. Кинетики ИК-гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости (СФП) представляют собой суперпозиции конкурирующих процессов: на оптическую генерацию носителей заряда накладывается оптически индуцируемая реконструкция бистабильных центров меди.
5. В фосфиде индия энергетический спектр уровней меди подобен фосфиду галлия. Экспериментально доказано наличие у нейтратьного узель-ного центра меди уровня с энергией Еу+ 0,05 эВ.
Практическая значимость проведенных исследований
1. Показана возможность получения компенсированных и фоточувст-вительных образцов СаР<Си> и 1пР<Си> методом квазизамкнутого объема. Разработанный метод может рассматриваться как средство экспрессного анализа свойств полупроводниковых материалов, содержащий летучий компонент.
2. Предложена методика определения типа носителей заряда, определяющих эффекты гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости в полупроводниках с помощью прозрачного электропроводящего электрода из пленки ЗпСЬ-НщОз.
3. Определены механизмы возникновения эффектов гашения и сенсибилизации в фосфидах галлия и индия, что позволяет рассматривать их как
9
материалы, пригодные для создания новых изделий микроэлектроники и оптоэлектроники.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
На защиту выносятся:
1. Физические модели эффектов гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости в ОаР<Си> в зависимости от условий возбуждения образца. Перезарядка и реконструкция центров меди в области поверхностного пространственного заряда изменяет условия протекания рекомбинационных процессов. В одной и той же примесной области спектра дополнительная подсветка либо обеспечивает оптическую генерацию дырок с уровня акцептора и приводит к эффекту гашения СФП для сильно поглощаемого света, либо инициирует оптическую реконструкцию в области электронейтрал ьно-сти образцов, приводящую к увеличению времени жизни электронов.
2. Методика исследования фотопроводимости с разделением носителей заряда электрическим полем, которая подтверждает преобладающую роль электронной составляющей в собственной фотопроводимости образцов ОаР<Си>. Методика позволяет получить дополнительную информацию о роли глубоких центров в процессах фотопроводимости.
3. Экспериментальные данные о наличии второго уровня у нейтрального центра А0 в СаР<Си> с энергией Еу + (0,14-Ю,2) эВ.
4. Кинетика ИК- гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости в ОаР<Си> определяется наличием двух конкурирующих процессов: возбуждением носителей в зоны разрешенных энергий и оптически индуцируемой реконструкцией примесных центров меди.
5. Экспериментальные данные о наличии у нейтрального центра меди А° в 1пР амфотсрности электрических свойств и донорного уровня Еу + 0,05 эВ.
10
Достоверность полученных результатов определяется построением физических моделей с учетом основных явлений, определяющих свойства процессов или объектов, многократной экспериментальной проверкой результатов измерений, большая часть которых получена с использованием управляемого компьютером спектрально-вычислительного комплекса. При измерениях использовались апробированные методики, аттестованная и поверенная аппаратура. Экспериментальные результаты дополняются данными численного моделирования. Часть полученных результатов согласуется с результатами и выводами других авторов.
Апробации работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции “Проблемы электротехнических материалов и кабельных изделий (1СЕМЕС-97)”, Москва, 1997 г.; Международной конференции “Оптика полупроводников (08-98)”, Ульяновск, 1998 г.; Международной конференции “Релаксационные явления в твердых телах”, Воронеж, 1999 г.; Международном научно-техническом семинаре “Шумовые и деградационные прцессы в полупроводниковых приборах”, Москва, 2000 г.; Международной конференции “Оптика полупроводников (08-2000)”, Ульяновск, 2000 г.; Международной школе-семинаре “Нелинейные процессы в дизайне материалов”, Воронеж, 2002г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе: 3 статьи и 7 тезисов докладов.
Вклад автора в разработку проблемы. В совместных работах автору принадлежит изготовление образцов и получение результатов экспериментальных исследований, их обработка средствами вычислительной техники, подготовка научных публикаций. Предлагаемые в работе физические модели
- Київ+380960830922