ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ стр. 6
ГЛАВА I ЦЕНТРЫ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ В СОЕДИНЕНИЯХ А2В6 (обзор литературных данных)
§ 1.1 Классификация центров с глубокими уровнями в
полупроводниках ..................................15
§ 1.2 Методы исследования глубоких центров в
полупроводниковых материалах .....................21
§ 1.3 Фотоактнвационные процессы с участием электронных и дырочных ЦП. Индуцированная примесная фотопроводимость ............................................... 24
§ 1.4 Термоактивационные процессы с участием электронных ЦП
1.3.1 Теория термостимулированных процессов ........... 29
1.3.2 Анализ формы спектров ТСТ и ТСЛ и методы определения характеристических параметров ловушек.................. 32
1.3.2 Методы контроля достоверности данных оценки характеристических параметров ЦП ................................ 35
§ 1.5 Структурные дефекты и их ассоциаты в кристаллах
соединений А2В6 ................................. 37
1.5.1 Центры, обусловленные собственными дефектами в сульфиде, теллуриде и селениде цинка 39
1.5.2 Примесные центры связанные с Л# и Си ............ 43
1.5.3 Глубокие центры, контролирующие фоточувствительность 45
ВЫВОДЫ ................................................ 47
ГЛАВА II МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
§ 2.1 Экспериментальные установки ..................... 48
§ 2.2 Методика обработки данных эксперимента .... 52
§ 2.3 Характеристика исследованных образцов ............ 56
3
ГЛАВА III ПРИРОДА И ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ В НЕАКТИВИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ гпБе § 3.1 Термоактивационные процессы с участием электронных ЦП
в неактивированных кристаллах ХпБе .................. 57
3.1.1 Характеристические параметры электронных ЦП 61
3.1.2 Характер термоопустошения электронных ЦП 64
§ 3.2 Индуцированная примесная фотопроводимость в
неактивированных кристаллах гпве .................... 67
3.2.1 Спектральное распределение ИПФ ...................... 67
3.2.2 Метод «оптической очистки» 68
3.2.3 Кинетика ИПФ ........................................ 71
§ 3.3 Квазилинейчатые спектры примесной фотопроводимости в
неактивированных кристаллах ZllSe ................... 75
§ 3.4 Оптически активные центры рекомбинации .... 77
§3.5 Обсуждение экспериментальных результатов .... 79
3.5.1. Оптически неактивные электронные ЦП Ес -(0.11 - 0.56) эВ 79
3.5.2. Оптически активные электронные ЦП и ЦР 85
3.5.3 Квазилинейчатые спектры ПФ и их связь ДАП 89
ВЫВОДЫ ..................................................... 92
ГЛАВА IV ДВУХУРОВНЕВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ И ДЫРОЧНЫЕ
ЛОВУШКИ В КРИСТАЛЛАХ р-2пТе, п-гпБ § 4.1 Двухэлектронные и двухдырочные медленные ЦП
и ассоциаты с их участием в кристаллах п-гпв и р-2пТе
94
4.1.1 Термостимулированные токи и характеристические
параметры ловушек 94
4.1.2 Спектры ИПФ. Спектральный сдвиг полос ИПФ 99
4
§ 4.2 ВакансионнО'Примесные модели центров прилипания 101
§4.3 Обсуждение экспериментальных результатов ............. 103
4.3.1 Фотоэлектрические свойства 103
4.3.2 Энергетический спектр ЦП 106
4.3.3 Концентрационное распределение ВПП 106
4.3.4 Кинетические свойства 108
§ 4.4 Гипотеза о характере пространственного распределения
атомов ВПП в структуре макроскопической ............ 111
неоднородности § 4.5 Глубокие центры с возбужденным состоянием в
кристаллах р-ХпТе ................................. 112
ВЫВОДЫ ................................................... 115
Г Л А В А V ФОТОСТИМУЛИРОВАННЫЕ ЯВЛЕНИЯ НЕТЕПЛОВОЙ ДИФФУЗИИ И АССОЦИАЦИИ ДОНОРОВ § 5.1 Фотостимулированная ассоциация донор-донорных
молекул в кристаллах ZnSe <Ag> .....................117
5.1.1 Методика эксперимента 117
5.1.2 Обратимые фотостимулированные преобразования быстрых электронных ловушек в ZnSe<Ag> 118
§ 5.2 Фотостимулированная ассоциация (А%) п молекул
в кристаллах <Ag> ................................. 126
5.2.1 Экспериментальные результаты. 126
5.2.2 Модели электронных центров. Механизм ФХР 129
5.2.3 Факторы, стимулирующие диффузию доноров 131
5.2.4 О кинетических особенностях фотоассоциации доноров 133
§ 5.3 Термостимулированные токи в кристаллах ХпБе <Ag>
135
§ 5.4 Роль крупномасштабных нарушений кристаллической
5
решетки в фотостимулированных процессах. ВЫВОДЫ .........................................
139
141
Г Л А В А VI РОЛЬ МЕДЛЕННЫХ И БЫСТРЫХ ЦЕНТРОВ
ПРИЛИПАНИЯ В ПРОЦЕССАХ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ РЕКОМБИНАЦИИ § 6.1 Модель центров зелено-синей люминесценции в 2пБ
142
§6.2 Самоактивированная люминесценция соединений А2В6
и медленные центры прилипания......................151
6.2.1 Фотолюминесценция (Ат^0.54мкм) монокристаллов
сульфида цинка ................................... 151
6.2.2 Инфракрасная (Ят = 0.82мкм) фотолюминесценция монокристаллов 2п Те р-типа .............................. 160
6.2.3 Длинноволновая самоактивированная люминесценция монокристаллов 2п$е ...................................... 164
§ 6.3 Роль быстрых электронных ЦП в процессах излучательной рекомбинации. Природа оранжевой люминесценции в кристаллах CdS<Ag> ..................................... 172
ВЫВОДЫ ................................................... 178
ГЛАВА VII «АНОМАЛЬНЫЕ» НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ГЛУБОКИМИ ЦЕНТРАМИ В СОЕДИНЕНИЯХ А2В6 § 7.1 Об одной разновидности остаточной проводимости . . . 180 § 7.2 Влияние фотоперезарядки центров с глубокими уровнями
на подвижность электронов ............ 184
ВЫВОДЫ .................................... 189
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .............. 190
ЛИТЕРАТУРА ................................ 194
6
ВВЕДЕНИЕ
Теория генерационно-рекомбинационных процессов, описывающая работу оптоэлектронных устройств, использует самые простые модели релаксации неравновесных носителей заряда в объеме и на поверхности полупроводников. При рекомбинации с участием центров прилипания (ЦП) и рекомбинации (ЦР) носителей заряда применяется модель Шокли-Рида, сечения захвата оцениваются с помощью приближения Лэкса, полевые зависимости аппроксимируются на основании теории Френкеля-Пуля. Применительно к широкозонным полупроводникам группы А2В6 перечисленные модели недостаточно точны, поскольку данный класс полупроводников характеризуется рядом специфических особенностей. Например, наличие трудно контролируемого состава точечных дефектов кристаллической структуры и остаточных примесей, приводит к появлению в их запрещенной зоне богатого спектра электронных состояний; большое число макроскопических дефектов (дислокации, границы блоков двойникования и т.п.) в кристаллах приводит к возникновению сильных электрических и упругих полей, что сопровождается флуктуацией зонного потенциала. Перечисленные особенности приводят к тому, что генерационнорекомбинационные процессы контролируются не одним типом ЦП и ЦР, а всей совокупностью глубоких центров, наблюдаемых в изучаемом образце, а вблизи макроскопических дефектов они существенно отличаются от подобных процессов в «нормальных» областях кристалла. В то же время, однозначное описание процессов генерации и рекомбинации неравновесных носителей заряда в данном классе полупроводниковых материалов весьма важно с точки зрения их практического применения. Последнее обстоятельство заставляет вернуться к поиску простых, но эффективных методов определения характеристических параметров [энергии оптической (Е0) или термической (Е4) ионизации, сечения захвата электрона (8П)
7
и дырки (вр), сечения захвата фотона (в*.)], глубоких центров, участвующих в генерационно-рекомбинационных процессах с учетом специфики соединения. Необходимо так же идентифицировать структуру и физикохимическую природу центров и установить особенности их взаимодействия с крупномасштабными нарушениями кристаллической структуры объекта исследования.
Таким образом, проблема глубоких центров и связанная с ней необходимость определения физико-химической природы, структуры, характеристических параметров и построение моделей генерационнорекомбинационных процессов в полупроводниках со сложным энергетическим спектром локализованных состояний и нарушенной трансляционной симметрией кристаллической структуры представляют собой весьма актуальную задачу физики полупроводников и полупроводникового приборостроения.
Настоящая диссертационная работа и посвящена в основном решению этой проблемы в широкозонных соединениях группы А2В6, являющихся представителями большого класса халькогенидных полупроводников и относящихся к перспективным материалам фото- и оптоэлектроники.
Основная цель диссертационной работы - определение структуры, характеристических параметров, физико-химической природы центров
с глубокими уровнями, обуславливающих фото-, термоактивационные и
2 ^
люминесцентные свойства соединений А В .
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- методами фото- и термоактивационной спектроскопии определяются энергетический спектр электронных и дырочных состояний, сформированных глубокими центрами;
8
- на основании существующих теорий фото- и термоактивационной спектроскопии апробируются и разрабатываются алгоритмы и вычислительные процедуры позволяющие с достоверной точностью определять характеристические параметры ЦП;
- определяются структура, характеристические параметры и физикохимическая природа ЦП и ЦР в образцах различного химического состава;
- проводится классификация ЦП и изучаются особенности генерационно-рекомбинационных процессов с участием быстрых и медленных электронных и дырочных ЦП в образцах с различным типом макроскопических дефектов, находятся диагностические признаки наличия коллективных электрических полей этих дефектов и предлагаются методы оценки параметров последних;
- сравнением теоретически рассчитанных и экспериментальных фото- и термоактивационных спектров доказывается справедливость предлагаемых моделей генерационно-рекомбинационных процессов с участием глубоких центров, протекающих в монокристаллических полупроводниках с нарушенной трансляционной симметрией.
Экспериментальные исследования проводились с применением комплекса методов, основанных на изучении спектральных и кинетических характеристик примесной и индуцированной примесной фотопроводимости, термостимулированного тока, фото-, термо- и электролюминесценции, оптического и термического гашения фотопроводимости и люминесценции. При реализации данных методов вариацией уровня фотовозбуждения полупроводника в широких пределах осуществлялось управление квазиуровнями Ферми, что позволило раскрыть широкие методические возможности этих методов для изучения особенностей электронной структуры глубоких центров.
9
Научная новизна работы. Экспериментальные и теоретические исследования, выполненные в диссертационной работе, привели к установлению следующих данных:
Впервые обнаружены:
♦ в кристаллах ZnSe<Ag> квазилинейчатые спектры ФП и ИПФ, обусловленные распределенными по межатомному расстоянию донорны-ми парами типа (Agj)2 и ассоциатами с их участием;
♦ нетепловой механизм диффузии атомов участвующих в обратимых фотохимических реакциях (ФХР). Результатом их протекания в кристаллах ZnSe <Ag> является уменьшение концентрации изолированных
междоузельных доноров Ag°и образование ассоциатов Agjn\ (Ag°)n;
♦ рост неравновесной фоточувствительности полупроводников, обусловленный перезарядкой электронных ЦП;
♦ эффект пространственной модуляции кинетических параметров электронных и дырочных ЦП коллективным электрическим полем макроскопических неоднородностей кристалла.
Представлены экспериментальные доказательства существования в полупроводниковых соединениях ZnSe, ZnS:
♦ быстрых (а-) ЦП и медленных ((3-) ЦП. ЦП а-типа связаны с меж-доузельными атомами серебра (Agi), и их ассоциатами; ЦП р- типа обусловлены дефектными комплексами, в состав которых входят вакансии металла, халькогена и остаточные примеси, определены их характеристические параметры и особенности проявления в генерационнорекомбинационных процессах;
♦ оптически активных электронных ЦП с Ес - 0.22 эВ в кристаллах
ZnSe;
10
♦ двухуровневых дырочных и электронных ЦП с весьма близкими фотоэлектрическими свойствами. Энергетические состояния этих центров сгруппированы в две серии уровней Еу + (0.45 - 0.66) эВ и Еу+ (0.06 - 0.26) эВ в р-йпТе, Ес - (0.6 - 0.65) эВ и Ес - (0.14 - 0.18) эВ в п-2п8.
Предложены и уточнены модели:
обуславливающих длинноволновые полосы самоактивированной люминесценции в соединениях А2В6;
♦ центров сине-зеленой люминесценции сульфида цинка;
♦ центров оранжевой люминесценции сульфида кадмия.
Развиты методы фото- и термостимулированной спектроскопии глубоких ЦП сложной структуры, основанные на явлении управления квазиуровнями Ферми с помощью вариации уровня фотовозбуждения полупроводника собственным светом.
Научно-практическая значимость работы :
1. Разработаны, теоретически обоснованы и экспериментально проверены новые алгоритмы определения кинетических параметров электронных и дырочных ЦП, основанные на анализе элементарных полос термоактивационных спектров.
2. Предложен метод «оптической очистки» спектров ТСТ, позволяющий определять энергетическую структуру оптически активных ЦП, участвующих в термоактивационных процессах.
3. Предложены методы оценки достоверности определяемых характеристических параметров глубоких центров.
♦
центров излучательной рекомбинации
11
4. Определены характеристические параметры многочисленных центров прилипания и рекомбинации в кристаллах ZnS9 2п$е и ZnTef нашедших практическое применение в современной оптоэлектронике.
5. Разработана методика легирования кристаллов 2пБе примесью серебра, позволяющая производить их фотоочувствление в средней области ИК-спектра излучения.
6. Предложен метод определения потенциала электрического поля, созданного макроскопической неоднородностью кристаллической решетки полупроводника.
7. Метод экспресс анализа однородности полупроводниковых кристаллов основанный на исследовании спектров ТСТ или ТСЛ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. В широкозонных полупроводниках ZnS, 2пБе, 2пТе существуют быстрые (отношение скорости захвата электрона к скорости его рекомбинации с дыркой Я»1) и медленные (Я«1) центры прилипания носителей заряда. Быстрые центры прилипания обладают не только большими сечениями захвата электронов (Б^Ю'^-Ю’16 см2), но и фотонов (Б*). Вследствие последнего обстоятельства, они проявляют высокую фотоактивность, обуславливая длинноволновую неравновесную фоточувствительность полупроводников.
Медленные же центры прилипания имеют не только малые сечения захвата (Б^Ю'^-Ю'24 см2) носителей заряда, но и фотонов, поэтому их эффективное исследование осуществляется методами термоактивационной спектроскопии
2. Наблюдаемые в кристаллах ZnSe медленные (Р~) ЦП с уровнями в интервале энергий Ес-(0.11-0.56) эВ связаны с анионными вакансиями. Многообразие энергетических уровней электронных ЦП соответствую-
щих им спектров ТСТ, ТСЛ и самоактивированной длинноволновой люминесценции - следствие сложной структуры этих центров, обусловлен-
ных ассоциатами \lvi~ -/)+) -V
тЬ
А
с их участием.
3. Энергетические состояния дырочных и электронных ЦП в р-2пТе и п-2п8 сгруппированы в две серии уровней Еу + (0.45 - 0.66) эВ и Еу+ (0.06 - 0.26) эВ, Ес - (0.6 - 0.65) эВ и Ес - (0.14 - 0.18) эВ соответственно. Они связаны с распределенными по межатомному расстоянию вакансион-но-примесными парами, в состав которых входят двухуровневые катионная (>'«) и анионная (УА) вакансия. Эти центры относятся к классу медленных ЦП. Они в состоянии с одним носителем заряда проявляют нормальные, а в состоянии с двумя носителями заряда — аномальные кинетические свойства.
4. Аномально малые значения (Б^Ю^-Ю-24 см2 ) сечений захвата носителей заряда медленных центров прилипания в кристаллах 1пЪ, гпБе, ZnTe - результат взаимодействия этих центров с макроскопическими дефектами, создающими сильные электрические поля, что сопровождается флуктуацией зонного потенциала и модуляцией им этого кинетического параметра центров.
5. Быстрые (а-типа) (Ео«0.21 эВ, 8П«10‘14 см2) ЦП электронов в кристаллах 2п8е, обусловленные междоузельными атомами серебра. Многообразие энергетических уровней оптически активных электронных ЦП и
соответствующих спектров ИПФ - следствие участия этих ) центров,
в распределенных по межатомному расстоянию ассоциатах типа донор-донорных молекул.
6. Обратимые фотохимические реакции, наблюдаемые в кристаллах ZnSe<Ag>, являются результатом уменьшение концентрации изолированных междоузельных доноров и образование ассоциатов А%\я), {Ag*)й^
13
Совпадение энергий оптической и термической ионизации доноров с энергиями активации процессов уменьшения концентрации этих центров и роста концентрации Agfn)- и (Лgf)/t- центров в процессе протекания ФХР свидетельствуют о нетепловом характере диффузии доноров А$.
7. «Эстафетный» механизм участия глубоких донорных уровней ДАП в процессах излучательной рекомбинации, на основании которого объяснены энергетическое положение полос СЗЛ в кристаллах их спектральные сдвиги в зависимости от уровня возбуждения (5 - сдвиг), температуры (Т - сдвиг) и времени после возбуждения (1 - сдвиг).
Апробация работы: материалы диссертационной работы обсуждались на II Республиканской конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (г. Одесса- 1982 г.); V Всесоюзном совещании по физике и техническому применению полупроводников А2В6 (г. Вильнюс -1983 г.); III Всесоюзном и IV Всероссийском совещаниях по физике и технологии широкозонных полупроводников ( г. Махачкала - 1986, 1993 гг.); Международных конференциях “Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах” (Ульяновск- 1997 г.) и “Оптика полупроводников” (Ульяновск-1998-2000 г), “Оптика, оптоэлектроника и техноло-гии” (Ульяновск-2001-2003 г), VI Всероссийской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург- 2003 г), “Оптика, наноструктуры и технологии” (Сочи -2004, Владимир-2005 и Улья-новс-2006 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ из них в центральной и региональной печати 18. Часть опубликованных работ автором диссертации выполнена в соавторстве с Ризахановым М.А. и Зобовым Е.М. (который на протяжении многих лет были научными консультантами автора), Габибовым Ф.С., Эмировым Ю.Н., Абдулгамидовым
14
С.А. Автор выражает им благодарность за плодотворное научное сотрудничество. Во всех указанных совместных исследованиях вклад автора диссертационной работы существенен: активно участвовал в сборке экспериментальных установок для исследования фотоэлектрических свойств полупроводников; разработал и осуществил технологические процессы легирования кристаллов селенида цинка серебром; самостоятельно выполнил измерения на большом числе образцов соединений А В ; внес основной вклад в обработку и интерпретацию результатов исследования.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 218 страницах, имеет 8 таблиц и 74 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 249 наименований.
Диссертация состоит из семи глав, из которых пять являются оригинальными.
15
ГЛАВА I ЦЕНТРЫ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ В
СОЕДИНЕНИЯХ А2В6 (обзор литературных данных)
Многолетний опыт развития физики и техники полупроводников показывает, что наиболее значимыми свойствами, с точки зрения практического применения [1-19] обладают монокристаллы с нарушенной трансляционной симметрией. Поэтому основной проблемой физики полупроводников является идентификация и установление дефектно - примесного состава полупроводниковых материалов и разработка технологических способов его контролируемого управления. Собственные дефекты кристаллической решетки полупроводниковых материалов и различные примеси образуют в запрещенной зоне спектр электронных и дырочных состояний, который вносит существенный вклад в формирование фото-, маг-нито-, термоэлектрических, резонансных и оптических свойств широкозонных полупроводников. Особую роль в полупроводниках играют центры с глубокими уровнями. Эти центры способны в широком температурном диапазоне эффективно участвовать в процессах релаксации неравновесных носителей заряда и определять важнейшие характеристики полупроводниковых приборов: времена жизни неравновесных электронов и дырок; спектральный диапазон фоточувствительности, инерционность и уровень шумов приемников излучения; спектр излучения и квантовую эффективность люминофоров; пороги генерации лазеров и т.д.
§ 1.1 Классификация центров с глубокими уровнями в полупроводниках
К центрам с глубокими уровнями относятся дефекты кристаллической решетки полупроводника, примесные атомы, и их ассоциаты, энергия ионизации которых больше кТ.
16
Классификация глубоких центров в полупроводниках осуществляется по той роли, которую они могут играть в процессах релаксации неравновесных носителей заряда. Глубокие центры делятся на центры прилипания (ЦП) и центры рекомбинации (ЦР). Критерием принадлежности центра, захватившего, например, электрон, к той или иной группе центров играет фактор у, задаваемый отношением вероятности захвата на эти центры дырки (т.е. рекомбинации) к вероятности теплового выброса электрона [2-
3]
Гп = СР ■ Р/Сп ■ Nc, =sp-vp- p/sn ■Vn-Nc• exp (~EK / к-T) (1.1.1) Для центра, захватившего дырку, имеем
Г Р=сп- п/ср ■ Nvl =Sn-Vn- n/Sp -Vp-Nv- exp (-£„/к-Т) (i Л .2)
Здесь Sp, Sn - сечения захвата центром дырки и электрона; Vp, Vn - тепловая скорость носителей заряда; р, п - концентрация дырок и электронов; Nc, Nv - эффективная плотность состояний в соответствующих зонах; Etc, Etv -энергия тепловой ионизации центра относительно зоны проводимости или валентной зоны.
В соответствии с (1.1.1) и (1.1.2) центры, для которого вероятность теплового заброса больше, чем вероятность захвата носителей противоположного знака (у<1), именуются ЦП. Центры, для которых (у>1), называются ЦР. Из (1.1.1) и (1.1.2) видно, что причисление глубоких центров определенного сорта к ЦП или ЦР определяется не только характеристическими параметрами самих центров (Sp, Sn, Et), но и температурой, и концентрацией носителей, захват которых завершает рекомбинацию. Следовательно, изменение интенсивности освещения или вариация температуры может перевести центры класса ЦП в класс ЦР либо наоборот. В стационарных условиях ЦП находятся в равновесии с одной из энергетических
17
зон, из которых и происходит захват носителей заряда. Центры рекомбинации находятся в равновесии с обеими зонами.
Рыбкин [2] предложил разделение ЦП на а- и (3-типы по соотношению между временем жизни тп и временем установления равновесия между ЦП и соответствующей зоной 0:
а) когда тп » 0, (1-1-3)
то центры, соответствующие этим условиям, относятся к а-типу или быстрым центрам многократного прилипания:
б) когда же тп« 0, (1-1-4)
то центры относятся к медленным центрам однократного прилипания или к р- типу. Из условия (1.1.3) и (1.1.4) следует, что ЦП а- типа должны обладать большими сечениями захвата носителя заряда, а ЦП р- типа - малыми.
Центры рекомбинации, как и ЦП отличаются энергетическим положением, сечениями захвата носителей заряда и заполнением носителями заряда в равновесных условиях. В фоточувствительных полупроводниках основными ЦР являются г- и б- центры (в,» > 8ПГ). В полупроводниках п -типа это неравенство обычно сильное 8ПЗ/ 8ПГ~ 103 - 106 и сопровождается неравенством 8рг/ 8ПГ > 8^ , так как сечения захвата дырок центрами
различаются меньше, чем сечения захвата ими электронов. Определяемые этими неравенствами г- центры называются очувствляющими (или, по Роузу [3], центрами класса II), ибо они обуславливают наиболее медленный темп рекомбинации электронов, а следовательно, и наибольшее время их жизни.
Из изложенного выше следует, что для выявления роли глубоких центров в процессах захвата и рекомбинации неравновесных носителей заряда необходимо знать их характеристические параметры: энергетиче-
18
ское положение (Е1), сечения захвата электронов (8П), дырок (Эр) и фотонов
(ад.
Структурные точечные и примесные дефекты, находящиеся на ближайших расстояниях в кристаллической решетке полупроводника, могут представлять собой ассоциаты или квазимолекулы, которые естественно рассматривать как единый ЦП или ЦР.
Образование ассоциатов типа донорно-акцепторных пар (ОАП) в литературе [1,4,10,11,16,31,32] объясняется электростатическим, химическим, обменным или упругим взаимодействием. Движущей силой взаимодействия между точечными дефектами кристаллической решетки является стремление системы к минимуму свободной энергии.
Ассоциаты, так же как и точечные дефекты, могут создавать в запрещенной зоне занятые или пустые электронные энергетические уровни. Положение уровня ассоциата, образованного из противоположно заряженных дефектов, нетрудно оценить (по крайней мере, в первом приближении), если известны положения уровней невзаимодействующих точечных дефектов.
При образовании БАЛ между донором (0+) и акцептором (А’) энергетические уровни этих дефектов смещаются в противоположные стороны. Уровень Э+ повышается, т.к. близость отрицательно заряженного акцептора (А*) затрудняет присоединение электрона к этому центру. Аналогично затруднение захвата дырки на А’-центр вызывает понижение его уровня. В любом случае изменение в положении уровня приблизительно равно энергии кулоновского взаимодействия между В+ и А"- центрами
ДЕ<3 = е2/ (е • гт) , (1.1.5)
где е- заряд электрона, е- диэлектрическая проницаемость материала, гт-расстояние между дефектами в ассоциате.
19
Если глубина донорного уровня незначительна и меньше глубины акцепторного уровней, а радиус пустой орбиты электрона (г0 ) и пустой орбиты дырки (гА) удовлетворяют соотношению гт<< г0~ гА, то ассоциация приводит к полному удалению локальных донорных энергетических уровней из запрещенной зоны [31] и ассоциат будет обладать свойствами ЦР. Схематически это явление показано на рис. 1.1.1.а. В случае когда Ео>ЕА и гт<< гА ассоциация приводит к удалению локальных акцепторных энергетических уровней из запрещенной зоны и ассоциат будет обладать свойствами ЦП (рис. 1.1.1, б). При Е0~ЕД и гт= г0~ гА оба уровня локализованы в запрещенной зоне (рис. 1.1.1, в) и ассоциат может обладать как свойствами ЦП, так и свойствами ЦР. При этом возможны и внутрицен-тровые электронные переходы.
УУУУ//У////// /У/У////У//////
/ Б+—'■' Б+—''' (Б+- А )° Б+—'V— Е»2*— (0м--А)4
А—ч А-*-ч ч А-*-. А-^_.
ч \
^ччччччччччч ччччччччччччч
а б в г
Ес
Рис. 1.1.1 Схема энергетических уровней донорно - акцептор-ных пар, играющих роль центров прилипания и рекомбинации
Когда один из точечных дефектов ассоциата, например донор, имеет два уровня (рис. 1.1.1, г) первый уровень, как и раньше переходит в зону проводимости. Второй уровень подымается настолько, что приблизительно занимает первоначальное положение первого уровня. Это объясняется
2+
тем, что ассоциат дважды заряженного донора (О ) и однократно отрицательно заряженного акцептора (А') сам имеет эффективный единичный
- Київ+380960830922