WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 5 УДК 621.315.592 Наведенный фотоплеохроизм в полупроводниках Обз ор ©Ф.П. Кесаманлы, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195257 Санкт-Петербург, Россия (Получен 24 августа 1998 г. Принят к печати 22 сентября 1998 г.) Рассмотрены и обобщены результаты экспериментальных исследований наведенного фотоплеохроизма элементарных (Si, Ge), бинарных (AIIIBV, AIIBVI) и более сложных алмазоподобных полупроводников (твердые растворы AIIIBV–AIIIBV, тройные соединения AIBIIICVI и AIIBIVCV) и фоточувствительных структур 2 2 на их основе. Анализируются установленные закономерности наведенного фотоплеохроизма в различных типах фотопреобразователей и их взаимосвязь с параметрами полупроводников. Обсуждаются возможности практических применений наведенной поляризационной фоточувствительности изотропных полупроводников в поляриметрических структурах и диагностике их качества.

1. Введение например, путем дополнения фотодетекторов из ИП внешним поляризующим элементом, создания одноосной Полная характеристика оптического излучения наряду деформации [11] или условий для проявления эффекта с интенсивностью и энергией фотонов включает еще и увлечения носителей заряда фотонами [12] и фотогальсостояние поляризации световой волны [1–5]. В этом ванических эффектов [13–16]. Наиболее распростраплане нынешнее развитие полупроводниковой оптоэлек- ненный подход состоит в том, что поляризационнотроники, основанное на передаче и приеме информаци- нечувствительный фотодетектор оснащается внешним онных массивов от источника к детектору посредством поляризующим элементом и на основании измеряемой модуляции светового потока по интенсивности и длине фотодетектором интенсивности осуществляется опредеволны, представляется однобоким. Совершенно очевид- ление поляризационных параметров падающего излучено, что создание оптоэлектронных систем, в которых ния. В таких системах всегда возникает проблема спекроль информационного параметра будет играть еще и трального согласования поляризующего элемента и фосостояние поляризации, позволит существенно повысить тодетектора, а кроме этого, поляризующий элемент, как их емкость. Необходимость в развитии поляризационной правило, вносит в оптический тракт дополнительные пооптоэлектроники стимулируется также быстрым разра- тери излучения и тем самым понижает обнаружительную станием областей применения линейно поляризованного способность системы в отношении поляризации. Следует излучения (ЛПИ) в науке и технике [6–8]. В этой связи также подчеркнуть, что поляриметрические системы с фундаментальные исследования анизотропии фотоэлек- наружным относительно фотодетектора поляризующим трических явлений выделяются в одно из центральных элементом не получают распространения еще и из-за направлений физики и техники полупроводников.

осложнений конструкционного плана [17]. При этом Качественный прорыв в этой области связан с исполь- поляризационно-чувствительные фотодекторы из ИП на зованием явления естественного фотоплеохроизма (ЕФ) основе рассмотренных выше подходов так и не были в фотопреобразовательных структурах на основе ориен- продемонстрированы в явной форме.

тированных анизотропных полупроводников нескольких Реальный сдвиг в данной проблеме обозначился толькристаллических классов [9, 10]. Таким образом, были ко с открытием в 80-х годах в Физико-техническом инсозданы первые фотопреобразователи, квантовая эффек- ституте им. А.Ф. Иоффе нового типа фотоплеохроизма, тивность которых определяется положением плоскости наведенного наклонным падением ЛПИ на приемную поляризации ЛПИ относительно главных кристаллогра- плоскость фотодетектора [18]. Этот тип фотоплеофических осей полупроводника [9]. Все еще недоста- хроизма определяется всецело оптическими процессами точная для широкомасштабных применений ЕФ техноло- на границе полупроводника со средой, из которой на гическая освоенность анизотропных полупроводниковых него поступает ЛПИ, и в отличие от ЕФ [10] не соматериалов стимулирует попытки оценить возможности держит каких-либо ограничений в отношении структуклассических кубических полупроводников с хорошо ры и фазового состояния полупроводника. Таким обраразвитой технологической базой для использования в зом, были реализованы поляриметрические фотодетекразработках поляриметрических фотодетекторов. торы с рекордной азимутальной фоточувствительностью В течение длительного периода во всем мире пред- 0.2А/Вт · град. и широкополосным или узкоселекпринимаются попытки применения изотропных полупро- тивным режимами фоторегистрации естественного и водников (ИП) для анализа поляризованного излучения, линейно поляризованного излучения, а также плавной 1 514 Ф.П. Кесаманлы, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь перестройкой величины коэфициента наведенного фотоплеохроизма (НФ). В полученных структурах были впервые продемонстрированы возможности достижения также гигантского наведенного фотоплеохроизма (ГНФ) и экспрессной диагностики качества готовых структур с помощью поляризационной спектроскопии фоточувствительности.

На данный период уже появилось множество оригинальных публикаций и сообщений на различного уровня научных конференциях с изложением результатов исследований НФ в различных фоточувствительных структурах на основе широкой группы полупроводниковых материалов основных классов. В предлагаемой обзорной статье рассмотрены физические закономерности нового фотоэлектрического явления и развиты подходы для получения и управления параметрами основанных на этом эффекте поляриметрических полупроводниковых фотодетекторов. Обсуждаются также особенности обнаруженных явлений, которые могут найти широкое применение при создании систем поляризационной фотоэлектроники и в диагностике готовых поляриметрических структур. Рис. 1. Схема оптических процессов на границе воздух/ИП и расчетные зависимости PI(0) для полупроводников с различными показателями преломления (указаны у кривых).

2. Фотоплеохроизм изотропных полупроводников при наклонном падении ЛПИ преломление лучей с разными азимутами поляризации, зависящее от диэлектрических проницаемостей граничаСуществует обширный круг полупроводниковых фощих сред. Интенсивность проходящего в полупроводник тоэлектрических приборов на изотропных материаизлучения является функцией азимутального угла мелах [19–30]. Фотодетекторы на элементарных, бинаржду E и плоскостью падения (ПП) излучения. Поэтому ных и более сложных кристаллических, а также стеконцентрация фотогенерированных носителей заряда в клообразных полупроводниках давно используются для изотопном полупроводнике при 0 > 0 зависит от.

регистрации интенсивности оптических излучений. Это Рассмотрим простейший случай плоской границы разсвязано с тем, что оптические переходы в энергетидела двух сред, на которую падает пучок ЛПИ под углом ческом спектре изотропных кристаллических и стекло0 (рис. 1). Электрический E0 и магнитный H0 векторы образных полупроводников равновероятны при любой падающей волны в ковариантном представлении [31, 32] поляризации излучения. Поскольку при исследованиях записываются следующим образом:

спектров их фоточувствительности анизотропия не наблюдалась, в научной литературе возможности прямого E0 = ES + EP = A0a + B0[n0a ], 0 детектирования ЛПИ с помощью фотоприемников из ИП до появления работы [18], где была предсказана и проH0 = HS + HP = A0[m0a ] - B0n0a, (1) 0 демонстрирована неожиданная в то время возможность применения изотропных полупроводников в совершенно где A0, B0 — скалярные амплитуды падающей волны соновой для них функции — в качестве фотоанализатора, ответствующих поляризаций, a, b, q —базисные орты, вообще не обсуждались.

n0 — вектор волновой нормали падающей волны, n0, n2 — показатели преломления воздуха и полупроводника соответственно, m0, m2 — векторы рефракции падающей 2.1. Анизотропия фоточувствительности и преломленной волн (рис. 1). Тогда интенсивности изотропных полупроводников потоков излучения при наклонном падении ЛПИ через В условиях освещения поверхности изотропного полувектор мощности излучения P и орт нормали к границе проводника ЛПИ вдоль нормали к фронтальной плоскораздела q можно представить в виде сти (угол падения ЛПИ 0 = 0) фоточувствительность (ФЧ) оказывается независимой от положения вектора = Piq =(C/4) ReEi miq электрического поля световой волны E относительно главных кристаллографических осей в полупроводнике.

=(C/4) ReEi i, (2) При 0 > 0 на границе воздух/ИП, согласно соотношениям Френеля, происходит неэквивалентное отражение и где i = ni cos i, i = 0, 1, 2.

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Наведенный фотоплеохроизм в полупроводниках Интенсивности падающей волны в этом случае запишутся следующим образом:

S =(C/4)A20, P =(C/4)B20, (3) 0 0 0 а для преломленной волны S =(C/4)A22, P =(C/4)B22. (4) 2 2 2 Используя формулы Френеля в ковариантном представлении [32], для преломленных волн получим A2 = {(20)/(0 + 2)}A0, B2 = {(2n0n20)/(n20 + n22)}B0. (5) 2 Подстановка формул Френеля (5) в (4) показывает, что в случае равной интенсивности падающего ЛПИ с разРис. 2. Расчетные зависимости PI(n) при различных углах ными азимутами поляризации (A0 = B0) интенсивности падения (указаны у кривых).

преломленных в полупроводник волн для ортогональных поляризаций S и P становятся неэквивалентными при 2 всех 0 = 0. Поскольку концентрация фотогенери помощью (10) привели к установлению ряда фундарованных пар в ИП определяется интенсивностью поментальных закономерностей поляризационной фоточувглощаемого излучения, ФЧ для каждой из поляризаций ствительности [33, 34].

можно записать в виде При освещении ИП вдоль нормали к фронтальной iP = C · P, iS = C · S, (6) плоскости (0 = 0) должно выполняться тождество 2 PI 0, а с увеличением угла 0 > 0 при всех где константа C включает все независимые от поляриn > 1 наступает плавное увеличение НФ (рис. 1) по зации ЛПИ вклады в ФЧ, как например коэффициент параболическому закону оптического поглощения, квантовый выход, коэффициент разделения электронно-дырочных пар и т. п. PI = · 0, (11) Тогда коэффициент наведенного фотоплеохроизма где коэффициент изменяется в узком интервале от 0.010 до 0.012 при значительных изменениях n от 2.PI =(iP -iS)/(iP +iS) · 100% (7) до 5, что охватывает наиболее важные материалы пос учетом (4) и (6) преобразуется к виду лупроводниковой электроники [35, 36]. Максимальные значения коэффициента НФ PI =(B2 -A2)/(B2 +A2). (8) 2 2 2 PIm = (2 - 1)/(2 + 1) (12) В простейшем случае равенства амплитуд падающих на границу воздух/ИП разнополяризованных волн реализуются с приближением к скользящей геометрии (A0 = B0) и с учетом 0 = n2 = 1 выражение для коэф(0 90) освещения поверхности и для известных ИП фициента наведенного фотоплеохроизма преобразуется заполняют диапазон 55–85 %. Поскольку при 0 = в ковариантному виду луч ЛПИ скользит вдоль поверхности, фототоки iP и iS спадают до нуля, а предельная величина PIm оказывается 2 PI = (2 - 1)(2 - 20) недостижимой.

Наведенный фотоплеохроизм может возникнуть толь2 - (2 + 1)(2 - 20), (9) ко если n2 > n0, а его рост с увеличением показателя преломления ИП подчиняется сублинейному закону тогда как в явном виде оно выражает зависимость НФ от (рис. 2).

угла падения и показателя преломления полупроводника Наконец в отличие от ЕФ [9, 10] расчет спектральной зависимости НФ с учетом оптических параметров PI = (2 - 1) sin2 0}/{(2 + 1)[22 - (2 + 1) sin2 0] ИП предсказывает медленный рост PI с увеличением энергии фотонов в пределах всей области ФЧ (рис. 3).

Эта закономерность определяется относительно низким + 42 cos 0(2 sin2 0)1/2. (10) дихроизмом показателя преломления полупроводников Исследования функциональных зависимостей коэффици- в области их ФЧ [37], преобладанием показателя преента НФ полупроводниковых фотопреобразователей с ломления над показателем экстинкции (n k [37]) 1 Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 516 Ф.П. Кесаманлы, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь поставление экспериментальных данных с расчетными зависимостями поляризационных параметров [34].

Особое значение приобретает анализ зависимостей ФЧ при совмещении плоскости поляризации с плоскостью падения ЛПИ (E ) - iP(0) и iS(0) в поляризации E. Сопоставление экспериментальных кривых iP(0) и iS(0) с ожидаемыми из анализа прохождения световой волной границы воздух/ИП с помощью формул Френеля открывает возможности для экспрессной диагностики качества фронтальной плоскости полупроводника и контроля эффекта просветления. При выполнении поляризационных исследований ФЧ также необходимо тщательно определить соотношение между iP и iS при 0 = 0. Если при этом iP iS, тогда есть основания для вывода относительно отсутствия ЕФ, тогда как из факта iP = iS в случае 0 = 0 следует вывод о совместном проявлении эффектов естественного и наведенного фотоплеохроизма. Разделение вкладов этих различных по своей природе эффектов требует проведения специальных тестовых измерений.

Рис. 3. Расчетные зависимости PI( ) для фотодетекторов на основе GaAs (1), InP (2), Si (3, точками указаны экспе- Методика исследований НФ состоит в следующем.

риментальные данные) и ZnS (4) при T = 300 K (0, град:

Пусть луч ЛПИ падает вдоль OX на фронтальную плос1, 2, 4 — 80, 3 —75).

кость фотоприемника из ИП (рис. 4). Если OX N, где N —вектор нормали к фронтальной плоскости полупроводника, то фоточувствительность не будет зависеть от поляризации, поскольку поглощение излучения с и неравенством n2 1. Основной вклад в рост PI произвольной поляризацией равновероятно в отсутствие обеспечивается увеличением разности диэлектрических наведенной анизотропии (например, одноосной деформапроницаемостей контактирующих сред.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |



© 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.