WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 4 СВЧ фотопроводимость и фотодиэлектрический эффект в тонких пленках PbS, полученных из тиомочевинных координационных соединений ¶ © Н.Л. Сермакашева, Г.Ф. Новиков, Ю.М. Шульга, В.Н. Семенов Институт проблем химической физики Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия Воронежский государственный университет, 394693 Воронеж, Россия (Получена 14 августа 2003 г. Принята к печати 9 сентября 2003 г.) Резонаторным методом в 3-сантиметровом частотном диапазоне изучены зависимости параметров фотоотклика СВЧ поглощения, вызываемого действием короткого импульса излучения азотного лазера (337 нм, 10 нс), в пленках PbS микрометровой толщины от частоты СВЧ генератора, интенсивности света и условий получения пленок. Пленки получали методом пиролиза аэрозоля из тиомочевинных координационных соединений при температуре подложки 250-500C. С использованием анализа частотных зависимостей фотоотклика раздельно изучены СВЧ фотопроводимость и фотодиэлектрический эффект, вызывающие изменение добротности резонатора и изменение его резонансной частоты соответственно.

1. Введение элементарные реакции с участием заряженных частиц в поликристаллических или микродисперсных системах.

Сульфид свинца является светочувствительным ма- Его преимущество обусловлено небольшим дрейфовым териалом с малой шириной запрещенной зоны смещением зарядов в применяемых СВЧ полях [5], что (Eg = 0.41 эВ), большим значением статической ди- позволяет существенно снизить влияние межкристаллиэлектрической проницаемости и высокой подвижностью ческих барьеров и контактных явлений на результаты электронов и дырок. Его широко используют в фо- исследования.

торезисторах, датчиках инфракрасного излучения. На основе PbS разработаны уникальные многоканальные фотоприемные устройства для систем космического 2. Экспериментальная часть наблюдения [1]. Большинство новых фотоприемников изготавливаются из поликристаллических слоев и ге2.1. Получение пленок PbS тероструктур, поэтому большой интерес представляет исследование электрон-ионных процессов, протекающих Пленки PbS получали методом распыления водного в тонких пленках. раствора тиомочевинного координационного соединения Широкое применение поликристаллических полупро- [Pb((NH2)2CS)2Cl2] с осаждением на нагретую подложводников в микроэлектронике в течение долгого вре- ку [6]. Температуру подложки (T ) варьировали от до 500C. Для приготовления комплексов использовали мени было сильно ограничено существованием в них PbCl2 · 2.5H2O марки ОСЧ и (NH2)2CS. Напыляли на множества дефектов, главным образом границ зерен и дислокаций. Дефекты такого типа значительно уменьша- гладкую поверхность ситалла в несколько этапов, так ют подвижность основных и время жизни неосновных как пленка растет очень быстро и легко стравливается носителей заряда. Путем изменения размеров зерен, исходным же раствором. Чем выше T, тем быстрее их ориентации и контролируемым легированием мож- растет пленка и быстрее стравливается, тем сложнее поно добиться существенного изменения свойств этих лучить сплошную пленку. В полученной пленке имеется материалов. Как замечено в [2], поликристалличность примесь хлора (Cl), причем с ростом T количество S стала не проблемой, а надеждой на будущее. Однако примеси хлора уменьшается. Примененный метод позвобез понимания того, какие элементарные процессы с ляет плавно менять состав примесей, управлять дефектучастием электронов, ионов, дырок и на каких центрах ной структурой. Согласно литературным данным [6], протекают, трудно надеяться на получение материалов с пленки PbS, получаемые в таких условиях, имеют n-тип заданными свойствами. проводимости.

В данной работе для исследований тонких пленок PbS применен бесконтактный метод СВЧ фотопроводимости.

2.2. Рентгенофазовый анализ Зародившийся как стационарный метод [3], в настоящее время развитый до двухимпульсного [4], он занимает Рентгеновские дифрактограммы записывали с помоособое место среди методов, позволяющих исследовать щью дифрактометра ДРОН АДП-1 (CuK-излучение, ¶ E-mail:novikov@icp.ac.ru Ni-фильтр).

396 Н.Л. Сермакашева, Г.Ф. Новиков, Ю.М. Шульга, В.Н. Семенов 2.3. Методика СВЧ фотопроводимости для освещенного — A Методика основана на регистрации изменения мощноy2( f ) =1 -, (4) сти отраженной электромагнитной волны (3-сантимет1 + 4 ( f - f - f )/ f 0 1/ровый диапазон) от резонатора с образцом, вызываемого где y1 и y2 — нормированные на падающую СВЧ воздействием на образец импульса света. Методика демощность безразмерные значения, A и A — безразмертально описана в [7]. Использовался прямоугольный отные амплитуды резонансных кривых для резонатора с ражательный резонатор типа TE101 (объем V 5.1см3).

неосвещенным и освещенным образцом соответственно, Добротность нагруженного резонатора QL 103. Обра f и f — полуширины резонансных кривых. СВЧ 1/2 1/зец в кварцевой ампуле помещался в пучность элекфотоотклик пропорционален разности (4) и (3):

трического поля. Для освещения использовали лазер P( f ) y2 - y1. (5) ЛГИ-505 (длина волны = 337 нм, длительность импульса 8-10 нс). Площадь образца, подвергшегося лаАмплитуды, сдвиг резонансной частоты и полуширину зерному облучению, составляла 0.06 см2. Временное резонансной кривой при освещении f определяли, 1/разрешение установки — 50 нс.

варьируя эти величины как параметры в сумме квадЕсли изменения QL за счет фотопроводимости (Q ) ратов отклонений теоретической кривой (5) от экспеотносительно невелики и резонансная частота f не риментальных значений. Подгонку осуществляли двумя меняется, то относительное изменение отраженной мощспособами. В первом способе, описанном ранее в [7], ности, обусловленное действием света, есть непосредственно варьировали сразу все параметры в функции (5). Во втором способе сначала варьировали PQ параметры и осуществляли подгонку резонансной кри R, (1) P0 Q вой (3) для неосвещенного образца, а затем варьировали остальные параметры (5). Результаты были близкими.

где P0 — падающая мощность, R — коэффициент Вклад СВЧ фотопроводимости в фотоотклик при пропорциональности (для образцов малого объема отноf f определяли как PQ A - A, фотодиэлектрисительно V определяется лишь свойствами резонатора), ческий эффект P — как разность P - PQ.

f и Q-1 = enµd 3. Результаты экспериментов (e — заряд электрона, n и µd — концентрация и и обсуждение дрейфовая подвижность генерируемых носителей тока).

Однако в общем случае из-за изменений комплексной 3.1. Результаты рентгенофазового анализа диэлектрической проницаемости образца = - i На рис. 1 представлены дифрактограммы подложки под действием света фотоотклик может складываться (ситалла) и одного из исследованных образцов. Анализ из двух составляющих, P = P + PQ, обусловленf межплоскостных расстояний, рассчитанных из положеных изменением добротности резонатора ( PQ) и изний дифракционных максимумов, показал, что основной менением резонансной частоты ( P ). Величина PQ f кристаллической фазой изучаемых образцов является определяется в основном изменением мнимой части дигранецентрированная кубическая (ГЦК) фаза PbS (совэлектрической проницаемости, в сдвиг резонансной падение по 10 пикам в измеренном диапазоне углов 2).

частоты f вклад могут давать обе компоненты, Размеры кристаллов PbS в направлении, перпени [8,9]:

дикулярном плоскости [220], оцененные по формуле f ( )- +. (2) f + 2.4. Методика разделения вкладов изменений добротности и резонансной частоты в СВЧ фотоотклик Для разделения PQ и P и определения f анаf лизировали частотную зависимость фотоотклика P( f ) вблизи резонансной частоты, при f f. Резонансные кривые для настроенного СВЧ тракта не слишком далеко от резонансной частоты описываются функцией Лоренца. Резонансная кривая для неосвещенного образца (в темноте) — A Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы подложки (1) и пленy1( f ) =1 -, (3) ки PbS, полученной при T = 300C (2).

1 + 4 ( f - f )/ f 1/Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. СВЧ фотопроводимость и фотодиэлектрический эффект в тонких пленках PbS, полученных... Постоянная ГЦК решетки a, средний размер D220 частиц PbS T = 350C. Из рисунка видно, что кинетика спада и толщина пленки d фотоотклика хорошо описывается одной экспоненциальной функцией с характеристическим временем спаТемпература a, D220, d, мкм да 200 нс. Для пленок, полученных при более высоких синтеза T, C температурах подложки, характерны две экспоненциаль250 5.932 413 6.3-6.ные компоненты фотоотклика: „быстрая“, с характери300 5.928 430 12.0-12.350 5.924 445 7.8-8.400 5.920 394 2.9-3.450 5.916 395 3.3-4.500 5.928 384 2.6-3.D220 = / cos ( — длина волны рентгеновского излучения, — ширина на половине высоты дифракционного пика (220)), вначале растут, а затем падают с ростом T (таблица), достигая максимума при T = 350C. Для оценки размеров был выбран дифракционный пик (220), поскольку он находится на равномерном фоне и не перекрывается с другими пиками. Постоянная ГЦК решетки монотонно падала до T = 450C (таблица), а затем при T = 500C выросла до значения, наблюдавшегося при Рис. 2. Фотоотклик пленки PbS с примесью хлора, полученT = 300C. Для всех T постоянная ГЦК решетки была ной при T = 350C.

заметно меньше таковой для чистого PbS, составляющей a = 5.9362 [10].

Уменьшение параметра элементарной ячейки может быть обусловлено частичной заменой атомов серы на атомы хлора, кислорода или другого элемента с меньшим атомным радиусом. Однако вероятнее всего, что наблюдаемое уменьшение межплоскостных расстояний обусловлено вакансиями в подрешетке серы.

Из измерений ослабления интенсивности дифракционных пиков подложки оценены толщины пленок d (таблица). Для оценки были использованы известные массовые коэффициенты ослабления излучения для элементов (см. [11]). При оценке полагали также, что коэффициент ослабления излучения материалом пленки такой же, как и чистым PbS. Из таблицы видно, что с увеличением T толщина пленки уменьшается для всех образцов, кроме выпадающей из этого ряда пленки, полученной при 250C.

3.2. Две компоненты фотоотклика Параметры фотоотклика в целом для всех образцов сильно зависели от температуры получения пленок.

Экспериментальные зависимости спадов фотоотклика на резонансной частоте после окончания импульса лазерного излучения описывались в разных случаях экспоненциальной, гиперболической функциями или суммой двух функций (двух экспоненциальных или гиперболической и экспоненциальной). Гиперболические компоненты заметно проявлялись лишь при высоких интенсивностях света, соответствующих потоку фотонов в импульсе Рис. 3. Формы частотных зависимостей фотоотклика для I > 1014 фот/см2.

пленок, полученных при температурах 250 (a), 450 (b) Для примера на рис. 2 показан фотоотклик на ре- и 500C (c). I = 3.1 · 1013 см-2 (за импульс). Пунктиром зонансной частоте для пленки PbS, полученной при показана резонансная частота.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 398 Н.Л. Сермакашева, Г.Ф. Новиков, Ю.М. Шульга, В.Н. Семенов полученных при T = 500C, видно, что среднее значение 1 монотонно растет до предельных температур, но частотная зависимость становится несимметричной (рис. 3). Несимметрия частотной зависимости может служить причиной кажущегося падения амплитуды фотоотклика на резонансной частоте.

Как отмечалось выше, анализ закономерностей изменения формы частотных зависимостей фотоотклика с течением времени позволяет разделить вклады PQ и P для всех значений времени после окончания f импульса света и таким образом получить зависимости СВЧ фотопроводимости и фотодиэлектрического эффекта от времени. Кроме того, так как величина и знак f в формуле (2) зависят от обеих частей комплексной диэлектрической проницаемости (действительной и Рис. 4. Зависимость амплитуды (1) и характеристического мнимой), на основании частотных зависимостей фотоотвремени спада быстрой компоненты (2) от T для PbS, легиклика могут быть сделаны предположения о состоянии рованного Cl. I = 1.3 · 1013 фот/см2 (за импульс).

носителей заряда, ответственных за фотоотклик.

стическими временами 1 100-800 нс, и „медленная“, с характеристическими временами 2 3-16 мкс:

P(t) A1 exp{-t/1} + A2 exp{-t/2}. (6) Здесь A1, A2 — амплитуды компонент, t — время, отсчитываемое от конца импульса лазера.

Форма частотной зависимости фотоотклика также была разной для образцов, полученных при разных T. На рис. 3 показаны частотные зависимости фотоотклика в момент времени t = 50 нс для нескольких образцов. Для пленок, полученных при T < 350C, (рис. 3, a) форма частотной зависимости относительно резонансной частоты имеет антисимметричный характер. Фотоотклик на резонансной частоте очень мал. При повышении T до 450C форма частотной зависимости становится все более симметричной (рис. 3, b). При температуре получения пленок T = 500C (рис. 3, c) частотная завиРис. 5. Кинетика спада PQ (1) и | f | (2) для пленки симость фотоотклика снова становится несимметричной.

PbS, полученной при T = 450C. I = 3.1 · 1013 фот/см2 (за На рис. 4 приведена зависимость от температуры импульс).

характеристических параметров фотоотклика, определяемых на резонансной частоте при аппроксимации спадов формулой (6). Данные для образца, полученного при T = 250C, приведены для частоты, соответствующей максимуму фотоотклика (на резонансной частоте амплитуда равна нулю). Наблюдаются два характерных температурных диапазона: 250-300C и 350-500C.

При низких температурах получения пленок (T < 350) 1 практически не меняется. При T > 300 начинается резкий рост A1, монотонно растет и 1. Далее A1 увеличивается примерно на порядок (при T = 350-450C).

Уменьшение амплитуды быстрой компоненты A1 для пленки PbS, полученной при T = 500C (рис. 4), трудно связать с уменьшением толщины пленки, так как толщина меньше всего лишь на 10% относительно пленки, полученной при T = 400-450C (см. таблицу). Более вероятно, что в пленках, полученных при T > 450C, изРис. 6. Кинетика спада PQ (1) и | f | (2) для пленки меняется природа фотоотклика. Действительно, несмот- PbS, полученной при T = 500C. I = 3.1 · 1013 фот/см2 (за ря на невысокую воспроизводимость данных для пленок, импульс).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. СВЧ фотопроводимость и фотодиэлектрический эффект в тонких пленках PbS, полученных... PQ и P в начальный момент времени после имf пульса лазерного излучения для пленок, полученных при разных температурах. Для учета возникающего при измерении разных образцов разброса добротности резонатора с неосвещенным образцом кривые нормированы на полную амплитуду фотоотклика P. Видно, что при температурах ниже 350C основной вклад в поглощение резонатора дает фотодиэлектрический эффект P, f выше 350C — фотопроводимость PQ.

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.