WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 4 Излучение горячих носителей при образовании высокополевых автосолитонов в электронно-дырочной плазме в n-Ge ¶ © М.Н. Винославский, А.В. Кравченко Институт физики Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 18 июля 2000 г. Принята к печати 2 августа 2000 г.) Исследована динамика перестройки пространственного распределения фотогенерированной электроннодырочной плазмы в образцах n-Ge в процессе разогрева носителей электрическим полем при T = 77 K.

С помощью многозондовой системы и измерения инфракрасного излучения из образца в диапазоне длин волн = 1.65-10 мкм идентифицированы процессы контактной эксклюзии, обращения направления биполярного дрейфа плазмы, образования высокополевых термодиффузионных автосолитонов, а также разогрева решетки в области автосолитона.

Неустойчивости тока, сопровождающиеся расслоени- Цель настоящей работы — исследование детальной ем плотности носителей заряда и образованием про- динамики перестройки пространственного распределестранственно неоднородных диссипативных структур, в ния ЭДП в процессе ее разогрева электрическим полем полупроводниках с монополярной проводимостью воз- и сопоставление с динамикой изменения инфракрасного никают, как правило, в материалах, обладающих исход- излучения горячих носителей, а также оценка величины ным N- либо S-типом отрицательной дифференциальной джоулева разогрева решетки кристалла в области АС.

проводимости при сильном разогреве носителей элек- Исследуемые образцы из высокоомного n-Ge трическим полем (E 1500 В/см) (см. например [1]). (с удельным сопротивлением 40 Ом · см и уровнем При этом эффективная температура носителей в кри- легирования Nd 1 · 1013 см-3) имели размеры сталле значительно превышает температуру решетки. 0.1 0.5 0.8см3, два n+-n-контакта на торцах, В полупроводниках с биполярной проводимостью рас- были ориентированы вдоль 111 -оси и помещались слоение квазинейтральной электронно-дырочной плаз- вместе с 18-зондовой головкой в криостат с жидким мы (ЭДП) при токовых неустойчивостях может происхо- азотом. Криостат имел два сквозных инфракрасных окна дить и при положительной дифференциальной проводи- (внутренние — холодные из ZnSe и наружные — теплые из BaF2) и одно кварцевое окно с осью под углом 45 к мости [2,3], при значительно меньших уровнях разогрева оси выходного инфракрасного (ИК) окна.

носителей и значительно меньших электрических полях.

Тогда в биполярной системе даже при слабом среднем Образец располагался широкой гранью параллельно разогреве носителей тока, благодаря, например, кратко- ИК окнам вдоль их горизонтальной оси. ИК излучение временному локальному более высокому возбуждению, от образца (IR) фокусировалось с помощью двух линз может возникнуть сильно неравновесная стационарная из BaF2 на фотоприемник (ФП) из Ge : Au, помещенный автоструктура большой амплитуды, например с высокой в другой азотный криостат с ИК окном. Кривая спектемпературой или с высокой концентрацией носителей. тральной чувствительности ФП в диапазоне длин волн К таким автоструктурам относятся, в частности, тер- = 1.6-10 мкм показана на рис. 1 (см. вставку). Кроме того, излучение IR образца обрезалось со стороны коротмодиффузионные автосолитоны (АС), которые могут ких длин волн ( = 1.65 мкм) с помощью пластинки Ge проявляться в виде либо шнуров тока, либо доменов сильного поля [3–7]. С возникновением таких автосо- для устранения сигнала отраженного от образца света лампы-вспышки.

литонов связывается наблюдение светящихся пятен в пленках GaAs [3,4,7] и нитей в p-n-переходах -SiC [6], Настройка ФП на нужный участок образца осущеS-образная вольт-амперная характеристика (ВАХ) в кри- ствлялась с помощью излучения CO2-лазера, просвечисталлах InSb [8]. вающего образец через второе ИК окно и попадающего также на ФП. Электронно-дырочная плазма с концентРанее нами были обнаружены такие высокополевые автосолитоны в электронно-дырочной плазме n-Ge, фо- рацией электронов и дырок до n = p 1 · 1016 см-генирировалась через кварцевое окно однородно вдоль тогенерированной светом и разогретой электрическим широкой грани образца, обращенной в выходному ИК окполем [9–12]. С помощью многозондовой контактной системы были исследованы динамика образования и по- ну, одиночным импульсом света колоколообразной формы длительностью I 230 мкс. Прямоугольный имследующая эволюция различных типов АС в зависимости пульс напряжения амплитудой до 300 В и длительностью от кристаллографической ориентации образцов: статичеU = 10-250 мкс подводился к n+-n-контактам образца ских, бегущих, пульсирующих, одиночных и следующих либо одновременно с началом импульса света, либо друг за другом.

с задержкой во времени — в момент насыщения в ¶ E-mail: mvinos@iop.kiev.ua максимуме интенсивности света. С помощью запоминаюИзлучение горячих носителей при образовании высокополевых автосолитонов... (рис. 2). При этом напряженность электрического поля E0-1(t) у положительного контакта (на участке l0-1) быстро возрастает от Eav 100 В/см до максимальной величины E0-1 550 В/см, а на следующих участках образца (l1-2, l2-3 ит. д.) напряженность E1-2(t), E2-3(t) и т. д. после начального небольшого возрастания падает до некоторого минимального, однородного для большей части образца, значения Emin 30 В/см, благодаря развитию эксклюзии, т. е. сносу электронно-дырочной плазмы полем от положительного контакта к отрицательному в направлении дрейфа неосновных носителей — дырок.

Сигнал интегрального ИК излучения (IR) из области эксклюзии образца появляется при некоторых величинах освещенности и поля в области эксклюзии и далее монотонно растет до максимальной величины, а затем Рис. 1. Схема установки для измерения распределений напряженности электрического поля вдоль кристалла и ИК излучения из образца. n+-n-n+ — исследуемый образец n-Ge; 1-18 — номера контактных зондов. PD — фотоприемник Ge : Au; L1, L2 — линзы BaF2; M1, M2 — плоские зеркала; M3 — сферическое зеркало; S — пластинка BaF2.

FG — лампа-вспышка для накачки электронно-дырочной плазмы. На вставке — кривая спектральной чувствительности S фотоприемника Ge : Au.

щих осциллографов регистрировались сигналы имульсов света I(t), тока J(t), напряжения U(t), излучения из образца IR(t) с ФП, а также напряжения с зондов, подаваемые на дифференциальные входы осциллографов, позволяющие регистрировать локальные напряженности электрического поля в различных участках образца и получать распределения электрического поля вдоль образца в необходимые моменты времени.

В отсутствие освещения под действием приложенного прямоугольного импульса напряжения в образце реализуется приблизительно однородное распределение электрического поля (Eh = U/l = 5-400 В/см, l —длина образца) за исключением слабых неоднородностей у контактов либо в средней части на собственных неоднородностях сопротивления образца (влияние примесей, дефектов, качества поверхности и т. д.).

В освещенном образце с увеличением приложенного напряжения реализуются три пространственновременных явления в ЭДП. Далее описываются типичные данные на примере одного из образцов.

1. Контактная эксклюзия С ростом интенсивности освещенности образца в течение импульса света при невысоких приложенных Рис. 2. Развитие процесса контактной эксклюзии: формы напряжениях (U 80 В — ниже порога образования импульсов света I, тока J, сигнала полного ИК излучения IR, АС, см. [9,10]) ток сначала монотонно растет до макнапряжения U = 80 В и локальных напряженностей электрисимального значения, которое достигается раньше, чем ческого поля у положительного контакта — E0-1, E1-2, E2-3.

вершина импульса света, а затем монотонно спадает Образец 1. l0-1 = 0.07 мм, l1-2 = 0.07 мм, l2-3 = 0.06 мм.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 392 М.Н. Винославский, А.В. Кравченко Рис. 3. Динамика образования одиночного статического АС и его смещение к положительному контакту при нарастающей освещенности. Форма импульсов: a — света I, тока J, напряжения U = 150 В; b — полного ИК излучения IR ( = 1.65-10 мкм) и ИК излучения, пропущенного сквозь стеклянный фильтр IRglass из приконтактной области образца; c — локальных напряженностей электрического поля в приконтактной области — E0-1, E1-2. Образец 1. l0-1 = 0.07 мм, l1-2 = 0.07 мм; d — распределение напряженности электрического поля вдоль образца в последовательные моменты времени, соответствующие контактной эксклюзии, обращению направления биполярного дрейфа плазмы, образованию высокополевого солитона. Образец 1.

спадает до нуля с уменьшением I (рис. 2). Установка на 2. Обращение направления пути излучения образца стеклянной пластинки устраняла биполярного дрейфа сигнал IR. Это свидетельствует о том, что основное излучение сосредоточено в ИК области за границей При более высоком приложенном напряжении прозрачности стекла. Простые оценки показывают, что (U > 100 В) с ростом освещенности ток также температура излучающей электронно-дырочной плазмы сначала монотонно растет. При этом поле уже на при этом не превышает 300 K.

двух приконтактных участках E0-1(t) и E1-2(t) также С другой стороны, расчеты температур электронов растет до максимальной величины, благодаря удлинению и дырок в греющем электрическом поле, проведенные области эксклюзии, и появляется сигнал излучения IR на базе сравнения баланса энергий с учетом различиз-за разогрева носителей полем в области эксклюзии ных механизмов рассеяния [11,12], дают для полей (рис. 3, момент времени t2). Затем при некотором Eex 500-700 В/см близкие температуры электронов, пороговом значении освещенности появляется участок Te 200-250 K, и дырок, Th 150-180 K. Джоулев крутого роста тока, сопровождающийся падением разогрев кристалла в области эксклюзии, полученный из приконтактного поля и быстрым возрастанием сигнала уравнения теплового баланса, не превышает T 50 K и не отражается существенно на динамике сигналов IR, излучения IR из образца (рис. 3, t2-t3) благодаря тока и локальных полей Ei- j. эффекту обращения направления биполярного дрейфа, Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Излучение горячих носителей при образовании высокополевых автосолитонов... описанного в [13,14]. Указанное явление происходит С уменьшением освещенности в течение импульса благодаря тому, что при большей концентрации ЭДП света при некотором значении I происходит распад АС, с ростом освещенности в греющем электрическом поле после чего сигналы IR и IRglass резко спадают. После подвижность электронов становится выше подвижности этого сигнал IR выходит на полочку, и затем спадает от дырок. В этом случае поток плазмы, определяемый нуля. Сигнал IRglass, во-первых, начинается позже сигнала биполярным дрейфом, связанным с градиентом отноIR (рис. 3, момент t2 40 мкс, во-вторых, заканчивается шения подвижностей электронов и дырок, превышает раньше. Запаздывание сигнала IR относительно сигнала встречный поток плазмы, обусловленный дрейфом, IRglass свидетельствует о том, что после разрушения АС связанным с градиентом концентрации носителей.

решетка кристалла в этом месте оказывается существенПри этом из обогащенной носителями низкополевой но разогретой.

(”холодной”) области образца электроны и дырки устремляются в приконтактную область повышенного поля и хотя понижают там напряженность поля, но, с другой стороны, резко увеличивают число свободных носителей, что дает более резкое возрастание тока и сигнала излучения носителей IR из области эксклюзии.

3. Образование высокополевого автосолитона С дальнейшим ростом освещенности (при напряжении, превышающем пороговую величину U 120 В) рост тока сменяется небольшим резким спадом и осцилляциями, которые сопровождаются резким возрастанием поля в области эксклюзии E1-2(t) (рис. 3, t3-t4), что связано с возникновением высокополевого автосолитона [9–10]. Если АС возникает в приконтактной области, на которую настроен ФП, то на сигнале IR наблюдаются сначала первый участок монотонного роста, связанный с эксклюзией, затем второй участок крутого роста, связанный с обращением дрейфа, и затем еще третий участок резкого роста IR, связанный с сильным разогревом носителей в области АС, где поле достигает величины EAS = 1000-5000 В/см. Стеклянный фильтр уменьшал сигнал ИК излучения на 30–50%, что, по оценкам, свидетельствует о температуре плазмы не менее 1000 K. Расчеты, проведенные на базе уравнений баланса энергий с различной температурой электронов и дырок [11,12] для полей EAS = 2000-5000 В/см, дают электронные температуры такой же величины, а температуры дырок примерно в 2 раза меньшие.

Следует отметить, что на сигнале ИК излучения, полученном через стеклянную пластинку (IRglass), пропускающую излучение наиболее горячих носителей, появляется пик, связанный с возникновением АС (рис. 3, t3-t4). Следующий за ним первый резкий спад сигнала IRglass можно объяснить, во-первых, переходом горячих электронов в сильном поле АС, направленном вдоль оси 111, из горячих долин с малой эффективной массой в одну холодРис. 4. Динамика образования и движение к положительному ную долину с большой эффективной массой. Во-вторых, контакту двух автосолитонов в режиме нарастающей освещенспад сигнала IRglass вызывается охлаждением носителей ности I и большого приложенного напряжения U = 220 В;

из-за сильного разогрева решетки в области АС, которое сигналы полного излучения IR, тока J и локальных полей — проявляется в продолжающемся росте полного сигнала E0-1, E1-2 и E2-3. Образец 2. l0-1 = 0.02 мм, l1-2 = 0.02 мм, IR в течение времени существования АС. l2-3 = 0.04 мм.

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 394 М.Н. Винославский, А.В. Кравченко На некоторых образцах при достаточно большом приложенном напряжении (U = 220 В) с ростом освещенности (концентрации ЭДП) наблюдалось последовательное возникновение двух-трех АС на некотором удалении от положительного контакта, которые затем смещались к положительному контакту (в направлении дрейфа основных носителей — электронов, благодаря обращенному направлению биполярного дрейфа плазмы), где останавливались, сливаясь в один статический АС. Такой процесс также сопровождался небольшим спадом и осцилляциями тока, появлением пиков сигнала ИК излучения с фотоприемника, настроенного на область образца l2-3, и пиков локальных полей E0-1, E1-2, E2-(рис. 4) в области образования и движения АС вблизи контакта. Предшествующие появлению АС процессы эксклюзии и обращения направления биполярного дрейфа плазмы, происходящие у самого контакта (l0-1 и l1-2), не регистрировались ФП в этом случае, так как выпадали из поля его ”зрения”.

Pages:     || 2 |



© 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.