WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 3 Люкс-амперные характеристики кристаллов CdHgTe c фотоактивными включениями © А.И. Власенко, З.К. Власенко Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252028 Киев, Украина (Получена 27 мая 1998 г. Принята к печати 28 июля 1998 г.) Исследованы люкс-амперные характеристики кристаллов CdHgTe с фотоактивными включениями. Показано, что специфика люкс-амперных характеристик в таких кристаллах, в том числе наблюдаемые в эксперименте участки суперлинейности, может определяться переключением доминирующих каналов рекомбинации, снятием рекомбинационных барьеров, а также уменьшением эффективных геометрических размеров включений, связанных с уменьшением длины диффузионного смещения при уменьшении времени жизни неравновесных носителей. Приводятся экспериментальные данные и расчеты на основе модели рекомбинационных потоков по различным каналам.

Вид люкс-амперных характеристик (ЛАХ) фотопро- фузионных и дрейфовых членов для случая доминируводников определяется в основном доминирующими ме- ющей в кристаллах КРТ (x = 0.2) межзонной ударной ханизмами рекомбинации и параметрами импульса воз- рекомбинации:

буждения (интенсивностью I и длительностью timp) [1–3].

n 2Ai n0 n Заметим, однако, что ”идеальные” для конкретных слуJ = ; =, = n + = +, (1а) 2 + 1 ni ni чаев доминирующих механизмов рекомбинации ЛАХ не всегда наблюдаются экспериментально. Это, в частности, где J — скорость генерации, J I, Ai — в собственотносится к кристаллам и слоям CdxHg1-xTe (КРТ) ном материале, ni — собственная концентрация носите(x = 0.2), где при высоких уровнях возбуждения часто лей, — уровень инжекции, n — уровень легирования.

наблюдаются отклонения от характерной для межзонной Для n0 > (1 3) · 1014 см-3, n 1 ударной рекомбинации зависимости с показателем стеni 2 пени 0.3 [4, 5]: участки с другими показателями степени, J = n + 2n + 2. (1б) 2Ai области насыщения, суперлинейные участки и т. п. [5, 6].

Это может быть связано с влиянием флуктуаций состаПри timp > 0 (0 — время жизни при концентрации ва, включений второй фазы, границ блоков и т. п. [7].

ННЗ n n0) для любых уровней возбуждения реНастоящая работа посвящена экспериментальным исслеализуется стационарный режим. При < 1 второй и дованиям и анализу ЛАХ однородных и неоднородных третий члены в (1б) малы и начальный участок ЛАХ кристаллов КРТ.

описывается линейной зависимостью lg n lg 0 + lg I, Экспериментальные результаты и их обсуждение Исследовались кристаллы КРТ (x 0.2) с концентрацией равновесных носителей n0 1014 1016 см-при их возбуждении импульсами Nd-лазера (длина волны 1.06 мкм, timp 2 · 10-8 с) при температуре T = 77 K. Время жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) определялось по кинетике релаксации фотопроводимости (ФП). Состав кристаллов контролировался с использованием электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализатора (Camebax), а также по длинноволновому краю спектров ФП. Типичное распределение состава в неоднородных кристаллах КРТ приведено, например, в [7].

На рис. 1 приведены экспериментальные ЛАХ для однородных кристаллов КРТ с различными n0. Для них характерны несколько участков — линейный (с наклоном 1), сублинейные (переходный и близкий к линейРис. 1. ЛАХ однородных кристаллов КРТ (x 0.2). n0, ному с наклоном 0.3), участок насыщения. Уравнение 1015 см-3: 1 — 0.33, 2 — 0.62, 3 —1.2, 4 —2.7. Uc — сигнал непрерывности в стационарном режиме без учета диф- фотопроводимости.

2 274 А.И. Власенко, З.К. Власенко смещенной относительно начала координат на величину котором рекомбинируют ННЗ, при уменьшении с ростом lg 0. С изменением параметров материала (x, n0) или n приповерхностной диффузионной длины Ls [5].

температуры T изменяются соответственно значения 0, В некоторых кристаллах и слоях КРТ наблюдаются и на начальном участке ЛАХ будет наблюдаться семей- участки с другими наклонами ЛАХ, в том числе участки ство параллельно смешанных друг относительно друга суперлинейности (рис. 2), что может быть обусловлено прямых с единичным наклоном (рис. 1) (рекомбинация либо другими доминирующими механизмами рекомбинаимеет линейный характер). При средних уровнях возбу- ции, либо влиянием фотоактивных включений на формиждения (n > >1) возрастает влияние второго члена рование ЛАХ.

в (1б). При > (1/2)n с ростом n уменьшается При доминировании шокли-ридовского механизма ре( n-1), ЛАХ переходит в сублинейный, близкий комбинации (в компенсированных или более широкозонк квадратичному, участок (при n парциальный ных (x > 0.23) кристаллах [8–10]) ЛАХ может быть вклад третьего члена в (1б) не превышает 25 %). С описана моделью с асимметричными по коэффициентам ростом уровня возбуждения становится превалирующим захвата дырок Cp(r,s) и электронов Cn(r,s) центрами рекомвклад третьего члена в (1б), наклон ЛАХ уменьша- бинации двух типов r и s [2]: на начальном участке, пока ется и при высоких уровнях возбуждения ( > 2n) n существенно не изменяет концентрацию электронов n-2, J n-3. Очевидно, протяженность Nr0 и дырок Pr0 на r-центрах, рекомбинация имеет монопо шкале I участков ЛАХ с различными наклонами молекулярный характер и ЛАХ линейна, n (CnrPr0)-1;

определяется соотношениями, n: наклон 1 при при средних уровнях возбуждения, когда Pr становится < (1/2)n, переходный (наклон, близкий к 0.5) сравнимой с n при Nr const, рекомбинация бипри (1/2)n < < 2n, 0.3 при > 2n. С молекулярна, ЛАХ переходит на участок с наклоном ростом n (и соответственно уменьшением 0) область 0.5, при этом n (Cnrn)-1; при высоких уровнях перехода в сублинейный участок смещается по шкале возбуждения, когда Nr уменьшается и становится сущеинтенсивностей в сторону больших значений. ственным дырочное заполнение s-центров, уменьшается При timp 0 реализуется режим линейной ге- вклад рекомбинационного потока через r-центры gr и нерации — на начальном участке ЛАХ формируется увеличивается выход через s-центры gs — ЛАХ выходит линейная зависимость n(I) (lg n lg timp + lg I), ее на насыщение (реализуется процесс так называемой смещение относительно начала координат определяется оптической перезарядки), n падает, ФП с ростом I насытолько timp. Отметим, что линейность ЛАХ может щается; при дальнейшем увеличении I, когда gs >gra-n сохраняться и в случае n > n0, пока (n) остается (an =Cnr/Cns 1), рекомбинационный поток контробольшим timp, с дальнейшим ростом n становится лируется s-центрами и имеет бимолекулярный характер меньшим timp — реализуются стационарный режим и (при больших концентрациях s-центров их дырочное выход ЛАХ на сублинейный участок. заполнение растет до тех пор, пока не реализуется При сверхвысоких уровнях возбуждения ЛАХ насы- условие n = p и ФП не станет биполярной).

щается, что может быть обусловлено влиянием боло- Анализ ЛАХ кристаллов КРТ с фотоактивными включениями следует проводить с учетом доминирующих метрического эффекта, уменьшением толщины слоя, в процессов рекомбинации в матрице (v) и включениях (i) и возможности их переключения при определенных уровнях возбуждения с одного на другой (например, с учетом роста вероятности межзонного ударного eeh-процесса при увеличении концентрации ударно взаимодействующих носителей n с шокли-ридовского при малых концетрациях r-, s-центров на межзонный ударный). При этом для каждого механизма может реализовываться участок с характерной зависимостью n(I). Следует также учитывать зависимости от n соотношений времен жизни в матрице и включениях i/v, рекомбинационных барьеров Erec [11], длин диффузионного смещения LD и других параметров, которые с ростом n могут изменять парциальные вклады рекомбинационных потоков в матрице и включениях в эффективное время жизни ННЗ eff.

Предположим, что в матрице и включениях рекомбинация определяется одним доминирующим механизмом — межзонным ударным, но с разными скоростями этого процесса, обусловленными, например, в случае Рис. 2. ЛАХ кристаллов КРТ (x 0.2) с фотоактивными рекомбинационно активных включений, сужением запревключениями. Разные кривые соответствуют разным образцам.

щенной зоны Eg или (и) повышенной концентрацией n0.

Uc — сигнал фотопроводимости.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Люкс-амперные характеристики кристаллов CdHgTe c фотоактивными включениями областей (что можно сделать введением вместо LD диффузионно-дрейфовых длин L+, L- [1]), а также различный уровень легирования в матрице и включениях.

В случае включений с n0i > n0v времена жизни в матрице и включениях равны соответственно v n-v и i n-2. В диффузионных областях на границах i матрица–включение рекомбинация идет с участием рекомбинационных барьеров Erec [11], которые, хотя и увеличивают D по сравнению с i, но, как показывает расчет, оставляют эти области рекомбинационно активными по отношению к матрице. В этом случае 1 eff = ViNi + VDNi i i exp(Erec/kT ) -+ [1 - (Vi + VD)Ni], (3) v где |Erec| = kT ln(ni/nv) =kT ln{(n0i +n)/(n0v +n)}, с ростом n Erec 0.

Рис. 3. Расчет ЛАХ для кристаллов КРТ (x 0.2) с n0 = 3·1014 см-3 при концентрации включений Ni, см-3: 1 —0, На рис. 3, b приведен расчет по выражению (3) се2 —103, 3 —104, 4 —105, 5 —3 · 105, 6 —106. Пояснения мейства ЛАХ для кристаллов КРТ с концентрацией в тексте.

таких включений Ni = 0 106 см-3 для следующих значений параметров: n0v = 3 · 1014 см-3, rc = 10-3 см, n0i = 3 · 1016 см-3. Суперлинейный участок ЛАХ В случае включений с Egi < Egv eff определяется сум- в этом случае отсутствует, поскольку с ростом n мой рекомбинационных потоков в матрице и включениях уменьшение LD компенсируется уменьшением, а затем и полным снятием рекомбинационных барьеров.

-1 1 Концентрация носителей в кристалле выравнивается, eff = ViNi + VDNi + 1 - (Vi + VD)Ni, (2) i D v кроме того уменьшается и Ni, в первую очередь, за счет включений с небольшими отклонениями n0i от где Vi, VD — объемы включений и прилегаюn0v. При n n0i n0v, Erec = 0 реализуется щих к ним диффузионных областей соответственно.

ситуация v = i, кристалл становится рекомбинационно Для случая сферических включений Vi = (4/3)rc, однородным с показателем степени ЛАХ 0.3. Эти VD 4(rc + L/2)2L, rc — средний радиус включений;

включения влияют на ЛАХ только в области примесной Ni — концентрация включений; L LD = (D )1/2 проводимости; при увеличении T и переходе в область при rc > LD, L = (rcLD)1/2 при rc < LD [12], D — собственной проводимости концентрация свободных нокоэффициент диффузии ( 4см2/с), D i.

сителей выравнивается по образцу, включения исчеНа рис. 3, a приведены расчеты по выражению (2) зают и ЛАХ приобретают подобный представленным семейства ЛАХ для кристаллов КРТ с включенияна рис. 1 вид.

ми с Egi < Egv при различной их концентрации Картина усложнится при наличии обоих типов вклюNi = 0 106 см-3 для параметров n0 = 3 · 1014 см-3, чений, а также при различных механизмах рекомrc = 10-3 см, i = 10-8 с. Пока n невелико, v, бинации в матрице и включениях, например, рекома следовательно, и LD не зависят от n, ЛАХ либинация Шокли–Рида с несколькими типами рекомнейна с наклоном 1. С ростом n уменьшаются v, бинационных уровней и межзонная — ударная или LD, а следовательно, и эффективный объем включений (и) излучательная, что характерно для большинства Vi + VD (второй член в (2) стремится к нулю), кристалл широкозонных полупроводников [2]. В этом слу”фотоочувствляется”, ЛАХ переходит в суперлинейный чае их парциальный вклад в общую рекомбинациучасток. С дальнейшим ростом n соотношение объемов онную ситуацию в кристалле с ростом n (и соматрицы и включений стабилизируется и ЛАХ переходит ответственно уменьшением LD и Erec) в определенв участок с наклоном 1/3. Отметим, что с ростом n ных интервалах I может изменяться, и вид ЛАХ v i, однако для случая включений с xi < xv и при будет определяться характерными для этих механизбольших n сохраняется неравенство i < v [7, 8] и мов показателями степени, что часто и наблюдается включения остаются рекомбинационно активными. Для более точного анализа в (2) следует учитывать роль в неоднородных и поликристаллических полупроводниквазиэлектрических ”стягивающих” полей варизонных ках [5, 7, 13, 14].

2 Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 276 А.И. Власенко, З.К. Власенко Список литературы [1] С.М. Рывкин. Фотоэлектрические явления в полупроводниках (М., Наука, 1963).

[2] В.Е. Лашкарев, А.В. Любченко, М.С. Шейнкман. Неравновесные процессы в фотопроводниках (Киев, Наук.

думка, 1981).

[3] В.А. Зуев, В.Г. Литовченко, Г.А. Сукач. ФТП, 9, (1975).

[4] F. Bartoli, R. Allen, L. Esterowitz et al. J. Appl. Phys., 45, 2150 (1974).

[5] А.И. Власенко, К.Р. Курбанов, А.В. Любченко, Е.А. Сальков. УФЖ, 27, 1392 (1982).

[6] А.И. Власенко, В.А. Гнатюк, П.Е. Мозоль и др.. Изв. РАН.

Неорг. матер., 31, 1335 (1995).

[7] А.И. Власенко, Ю.Н. Гаврилюк, В.З. Латута, А.В. Любченко, Е.А. Сальков. Письма ЖТФ, 5, 1013 (1979).

[8] А.И. Власенко. УФЖ, 42, 856 (1997).

[9] D.L. Polla, C.E. Jones. J. Appl. Phys., 52, 5119 (1981).

[10] А.И. Власенко, З.К. Власенко, А.В. Любченко. ФТП, 31, 1323 (1997).

[11] М.С. Шейнкман, А.Я. Шик. ФТП, 10, 209 (1976).

[12] Н.Н. Григорьев, Л.А. Карачевцева, К.Р. Курбанов, А.В. Любченко. ФТП, 25, 464 (1991).

[13] А. Байдуллаева, Б.К. Даулетмуратов, А.И. Власенко, В.А. Гнатюк, П.Е. Мозоль. ФТП, 27, 56 (1993).

[14] V.N. Babentsov, A.I. Vlasenko, P.E. Mozol, E.P. Kopishinskaya. Proc. SPIE, 2648, 369 (1995).

Редактор Л.В. Шаронова Illumination-current characteristics of CdHgTe crystals with photoactive inclusions A.I. Vlasenko, Z.K. Vlasenko Institute of Physics of Semiconductors, National Academy of Sciences of Ukraine, 252028 Kiev, Ukraine

Abstract

Illumination-current characteristics of CdHgTe crystals with photoactive inclusions have been investigated. It is shown, that illumination-current characteristics specifics in such crystals, including observed in the experiment superlinear parts, can be determined by the switching of dominating recombination channels, the removing of recombination barriers, and also by decreasing the diffusion shift length due to decrease of lifetime of nonequilibrium carriers. The experimental data and caslculations on the base of the model of recombination flows through different channels are presented.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.