WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 4 Аномальная нелинейность ИК-фотопроводимости алмазной поликристаллической пленки © В.В. Токий, В.И. Тимченко, В.А. Сорока Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, 86123 Макеевка, Донецкая обл., Украина E-mail: vlitim@mail.ru (Поступила в Редакцию в окончательном виде 6 сентября 2002 г.) Обнаружена нелинейность люкс-амперных характеристик нелегированных поликристаллических алмазных пленок (НПАП). Анализ полученных спектральных зависимостей этой нелинейности и фотопроводимости в рамках известных моделей с одним примесным уровнем или одним типом ловушек показал, что в НПАП в диапазоне примесной фотопроводимости наблюдается аномальная нелинейность люкс-амперных характеристик, когда наклон их от 1/2 все более приближается к единице по мере уменьшения длины волны, с ростом уровня возбуждения и при возрастании времени жизни носителей.

Результаты объясняются исходя из модели существования в алмазных пленках двух различных каналов проводимости. Установлены два диапазона фотогенерации носителей. При энергии фотонов ниже 1.4 eV наблюдается генерация носителей с квадратичной рекомбинацией в одном канале, а выше — одновременно в двух каналах (дополнительно возбуждаются носители с линейной рекомбинацией во втором канале). Показано, что равновесная концентрация носителей во втором канале с линейной рекомбинацией значительно превышает равновесную концентрацию носителей в первом канале с квадратичной рекомбинацией, что затрудняет обнаружение первого канала без фотовозбуждения.

Фотопроводимость углеродных материалов исследова- поликристаллической пленки аквадага. Другие, испытанлась обычно в области собственного поглощения для ные нами способы создания электродов на поверхности установления основных параметров зонной структуры алмазных образцов, например, прижимные вольфрамофуллеренов [1,2] и алмаза [3]. В работе [4] изучалась вые зонды, оказались менее успешными. Контакты форпримесная фотопроводимость фуллеренов, обусловлен- мировались в виде полос по краям пленки шириной 3, ная собственными дефектами кристалла и примесями.

длиной 3 и толщиной 0.5 mm. Расстояние между элекПримесная фотопроводимость алмазных пленок ис- тродами составляло 1.5 mm. Таким образом, площадь следовалась Коллинзом [5]. Им отмечается, что в ближ- освещаемой поверхности была равна 4.5 mm2.

нем инфракрасном (ИК) диапазоне спектр фотопроводиВ качестве источника монохроматического излучения мости CVD-алмаза сложный, что делает невозможным использовался монохроматор СФ-4 с кварцевой призидентификацию дефектов без дополнительных исследомой. Засветка осуществлялась со стороны свободной пований.

верхности пленки. Свет, модулированный диском с секНастоящая работа посвящена изучению люкс-амперторными вырезами, фокусировался кварцевой линзой в ных характеристик (ЛАХ) и спектрального распредевиде полосы, равномерно освещающей межэлектродную ления фотопроводимости алмазных поликристалличеповерхность алмазной пленки, возбуждая неравновесских пленок в ИК-диапазоне (в области примесной ные носители заряда. Вольт-амперные характеристики фотопроводимости) с целью выделения разных каналов НПАП при модулированном освещении исследовались проводимости.

нами ранее в [7], где было установлено, что вплоть до полей 6 · 103 V/cm контакты являются омическими.

В настоящей работе на образец и нагрузочное сопро1. Экспериментальная методика тивление подавалось такое постоянное напряжение, что поле в образце составляло 5 · 103 V/cm. Переменный Нелегированная поликристаллическая алмазная пленсигнал, возникавший на нагрузочном резисторе при ка (НПАП) выращена на кремниевой подложке с ориосвещении образца, воспринимался усилителем У2-8, ентацией поверхности (111) методом CVD [6]. Объемвключенным в режиме широкополосного усиления, а ное содержание компонент в газовой смеси составляло затем передавался на синхронный детектор. Напряже0.5% CH4 и 99.5% H2. Общее давление газовой смеси ния, питавшие источник излучения и привод модулятора, равнялось 112 Torr, а температура подложки 1170 K.

стабилизировались.

Толщина исследованной пленки составляла 13.5 µm. Для исследования фотоотклика в алмазной пленке исполь- Интенсивность излучения при постоянной длине волзовались образцы, отделенные от ростовой подложки и ны регулировалась изменением температуры нити назакрепленные на диэлектрическом держателе. кала источника и измерялась стандартным люксметУдовлетворительные омические контакты были полу- ром Ю-116. Температура нити определялась оптическим чены при помощи нанесения на поверхность алмазной пирометром в интервале от 2000 до 3000 K.

Аномальная нелинейность ИК-фотопроводимости алмазной поликристаллической пленки 2. Результаты измерений и обсуждение Квантовая эффективность фотодетектора на основе алмазной пленки исследовалась нами как функция длины волны падающего излучения при разных напряжениях между контактами [6]. В настоящей работе при напряжении на контактах 750 V и = 700 nm она составляла 0.08–0.12% (рис. 1). Здесь представлены спектры фотопроводимости алмазной пленки, традиционно нормированные на один падающий фотон для различных источников света.

На рис. 2 показано влияние длины волны модулированного монохроматического света на форму люксамперных характеристик НПАП. Падающая на образец мощность излучения при 700 nm менялась от 0.7 · 10-до 2.8 · 10-6 W/cm2. Как видно, для постоянной длиРис. 1. Спектральная зависимость квантовой эффективности ны волны облучения с ростом интенсивности потока НПАП для различных источников света. Для кривых 1 и 2 отфотонов фототок I возрастает. Для постоянного ношение потоков фотонов при длине волны 875 nm равно 2 : 1.

p потока облучения фотопроводимость, а следовательно, и число неравновесных носителей q() возрастает с уменьшением длины волны. Таким образом, во всем исследованном диапазоне выполняется неравенство q(1) > q(2), (1) тогда 1 <2.

На рис. 3 видно, что наклон ЛАХ Tg() = = d(ln I )/d(ln ) зависит от длины волны монохромаp тического облучения. Длина волны 875 nm (h = 1.4eV) разделяет диапазон возбуждения неравновесных носителей на два диапазона: коротковолновый и длинноволновый. Рис. 2 и 3 показывают заметные отступления ЛАХ фототока от линейной зависимости. Также видно, что наклон ЛАХ с уменьшением числа неравновесных носителей (уменьшением фототока, рис. 2) уменьшается.

При рассматривании фотопроводимости в указанном Рис. 2. Влияние энергии фотонов на люкс-амперные характедиапазоне как примесную (ширина запрещенной зоны ристики НПАП.

алмаза около 5.5 eV) следует отметить, что с ростом интенсивности потока фотонов наклон Tg() может уменьшаться. Такая зависимость наступает в случае „истощения“ центров, ответственных за появление фотоносителей, и в наших исследованиях она не наблюдалась.

Представленные результаты указывают на противоположную тенденцию — увеличение фототока с ростом потока фотонов.

Изменение наклона от меньшего значения к большему с ростом интенсивности света для веществ с одним типом ловушек обосновано теоретически и подтверждено экспериментально на Ge [8]. Это происходит при условии увеличения времени релаксации с ростом интенсивности потока фотонов. Из полученных зависимостей времени установления фототока при различных длинах волн модулированного монохроматического света (рис. 4) видно, что время релаксации с ростом потока Рис. 3. Спектральная зависимость наклона ЛАХ.

фотонов ((900 nm) > (650 nm)) уменьшается. Таким Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 602 В.В. Токий, В.И. Тимченко, В.А. Сорока линейной рекомбинации (d ln I2/d ln = 1). Поэтому Tg принимает значения в диапазоне 1/2-1. Используя эти соотношения и данные рис. 3, в коротковолновом диапазоне возбуждения можно получить I2 Tg(S) - 0.=, (4) I1 1 - Tg(S) что в нашем случае при Tg(S) =0.7 составит I2/I1 = 2/3.

Следовательно, условие (3) необходимо заменить новым qS(S) nS + pS, (5) 0 Рис. 4. Установление фототока, нормированного на максигде nS + pS — равновесная концентрация носителей во 0 мальное значение, со временем для фотонов с энергиями второй области.

1.90 (650 nm) и 1.37 eV (900 nm), которым соответствуют Если предположить соизмеримость подвижностей норазные значения потоков.

сителей в первой и второй области в коротковолновом диапазоне, то из уравнения (4) следует соизмеримость концентраций неравновесных носителей в первой q(S) образом, в НПАП для области примесной фотопроводии во второй области qS(S). Как следствие выполнения мости алмаза выявлена аномальная нелинейность ЛАХ, условий (2) и (5) получим соотношение когда их наклон от 1/2 все более приближается к единице по мере уменьшения длины волны при возрастании n0 + p0 nS + pS. (6) 0 времени жизни носителей.

В длинноволновом диапазоне, L, наклон близок к 1/2, Обнаруженная аномальная нелинейная фотопроводичто соответствует квадратичной рекомбинации неравномость алмазных поликристаллических пленок в ближней весных носителей, когда число неравновесных носитеинфракрасной области может быть интерпретирована лей значительно превосходит общее число равновесных исходя из модели существования двух каналов неравноносителей, т. е. выполняется условие весной проводимости. Например, это могут быть дырки q(L) n0 + p0. (2) валентной зоны островков релаксированной поверхности (111) и дырки валентной зоны островков реконструВ коротковолновом диапазоне, S, наклон Tg() приированной поверхности (111) 2 1 алмаза, для которых, ближается к единице, что соответствует линейной как известно [6,9,10], расстояния от потолков валентных рекомбинации неравновесных носителей, когда число зон до уровня Ферми определены равными 0.6 и 1.4 eV неравновесных носителей меньше общего числа равносоответственно. Это могут быть также неравновесные весных, т. е. выполняется условие носители, обусловленные объемными электрически активными центрами и каким-нибудь одним из уже на q(S) n0 + p0. (3) званных поверхностных центров. Выявленный первый Из последних двух соотношений (2) и (3) следует, канал проводимости ввиду неравенства (6) в условиях что q(L) > q(S); таким образом, фотопроводимость равновесной проводимости не проявляет себя. Только в длинноволновой области должна быть больше, чем в фотогенерация позволила его обнаружить. Окончателькоротковолновой. Это противоречит экспериментально ное определение природы активных центров требует установленному соотношению (1).

исследования спектров фотоотклика в более широком Наблюдаемая аномальная нелинейность фотопроводиапазоне длин волн и разделения сложных спектров на димости может быть объяснена с помощью пространдостаточно простые компоненты (используя, например, ственно неоднородной модели с двумя типами областей.

соотношение (4)), но это выходит за рамки настоящего Для первой области характерна квадратичная рекомбисообщения.

нация носителей. Начиная с энергии фотонов 1.4 eV, во второй области дополнительно возбуждаются неравновесные носители, qS(S), т. е. при коротковолновом Список литературы возбуждении присутствуют два параллельных канала неравновесной проводимости. Фототок в этом диапазоне [1] C.H. Lee, G. Yu, D. Moses, V.J. Srdanov, X. Wei, Z.V. Vardeвозбуждения можно представить в виде суммы токов ny. Phys. Rev. B 48, 11, 8506 (1993).

I = I1 + I2. Первое слагаемое удовлетворяет соотноше- [2] S. Matsuura, T. Ishiguro, K. Kikuchi, Y. Achiba. Phys. Rev. B p ниям квадратичной (d ln I1/d ln = 1/2), а второе — 51, 15, 10 216 (1995).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Аномальная нелинейность ИК-фотопроводимости алмазной поликристаллической пленки [3] А.Г. Захаров, Н.А. Поклонский, В.С. Вариченко, А.Г. Гонтарь. ФТТ 42, 4, 647 (2000).

[4] Е.В. Коровкин, Р.К. Николаев. ФТТ 41, 6, 1113 (1999).

[5] A.T. Collins. Conf. Proc. Eurodiamond-96 SIF Bologna (1996). Vol. 52. P. 43.

[6] V.V. Tokiy, V.I. Timchenko, V.A. Soroka, N. Tokiy, B.V. Spitsyn, L.L. Bouilov. Third International Conference / Ed. by A. Feldman et al. NIST Special publication USA (1995).

P. 145.

[7] В.В. Токий, В.И. Тимченко, В.А. Сорока. Тр. Украинского вакуумного общества. Харьков (1997). Т. 3. С. 120.

[8] С.М. Рывкин, Н.Б. Строкан. ДАН СССР 124, 5, (1959).

[9] B.B. Pate. Surf. Sci. 165, 83 (1986).

[10] Ф. Бехштедт, Р. Эндерлайн. Поверхности и границы раздела полупроводников. Пер. с англ. Мир, М. (1990).

475 с.

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып.




© 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.