WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 6 Определение концентрации глубоких уровней в полуизолирующих монокристаллах CdS методом фотоэлектрической нестационарной спектроскопии ¶ © А.П. Одринский Институт технической акустики Национальной академии наук Белоруссии, 210017 Витебск, Белоруссия (Получена 13 июля 2004 г. Принята к печати 9 сентября 2004 г.) Методом фотоэлектрической нестационарной спектроскопии (PICTS) исследовались глубокие уровни в полуизолирующих монокристаллах CdS, выращенных с варьированием стехиометрического состава.

Обнаружен ряд глубоких уровней с энергией термической активации 0.066-0.54 эВ. Обнаружено, что соотношение сигнала в наборе спектров не соответствует базовой модели PICTS. Разработана методика оценки концентрации глубоких уровней в данной ситуации.

1. Введение кристаллов CdS, выращенных по методу [16] с варьированием стехиометрического состава. Кристаллы расВ настоящее время для исследования глубоких уровтились [17] в условиях фиксации всех технологических ней (ГУ) в высокоомных полупроводниках эффективно параметров, за исключением отношения парциальных используется предложенный в [1,2] метод фотоэлектридавлений паров кадмия и серы pS/pCd на фронте крической нестационарной спектроскопии ГУ (ФЭНСГУ [3], сталлизации. В [18] опубликованы результаты исследоили PICTS). Метод основан на анализе температурной ваний с использованием возбуждения светом с энергизависимости кинетики релаксации фототока и выгодей фотонов h = 2.55 эВ. Исходя из требования более но отличается от метода термостимулированных токов равномерного возбуждения объема образца и умень(ТСТ) более выской чувствительностью [4] и точностью шения влияния поверхности проведены PICTS-измереопределения параметров ГУ [5], позволяя получать ту ния с возбуждением квазимонохроматическим светом с же информацию (Et — энергетическое положение ГУ h Eg (h = 2.3-2.5эВ), где Eg — ширина запрещени Snt — сечение захвата неравновесных носителей) при ной зоны. Использовалось излучение ксеноновой лампы однократном сканировании по температуре.

ДКСШ500, пропущенное через монохроматор МСД1.

Вместе с тем нет единого мнения о применимости Ширина входной и выходной щели 5 мм (соответствует метода для оценки концентрации, что не позволяет спектральному диапазону 300 ). Частично резульсчитать его полноценным методом исследования ГУ. Так, таты при возбуждении с h Eg опубликованы в [4].

в [6–9] метод используют для оценки концентрации ГУ, Был сделан вывод о недостаточности рассматриваемого а сравнение оценок [10], проведенных методами PICTS в PICTS-модели механизма заполнения ловушки за счет и оптического поглощения, совпали с расхождением в термозахвата неравновесных носителей из зоны („терпределах 25%. С другой стороны, часто концентрацию мического“ механизма) для объяснения регистрации ГУ определяют менее эффективными методами. Так, доминировавшего в спектрах ГУ и предложен „оптичеавторы [11] применяли PICTS для оценки относительский“ механизм заполнения (за счет прямых оптических ной концентрации ГУ, а калибровку оценки проводили, переходов между уровнем и зонами).

используя измерения тока, ограниченного пространПри возбуждении с h = 2.35 эВ обнаружен ряд ГУ ственным зарядом. В [11–15] отмечается, что многие (спектры образцов приведены на рис. 1), не регипараметры базовой модели на практике трудно оценить, стрировавшихся при возбуждении с h = 2.55 эВ, и и метод нельзя использовать для оценки концентрации замечены особенности в изменении высоты пиков в ГУ. Часто такое мнение связано с несоответствием сигналов от ГУ (высоты пика) в наборе PICTS-спектров1 PICTS-спектрах.

феноменологической модели [5]. В настоящей работе на 1. С уменьшением энергии квантов возбуждающего примере исследования серии полуизолирующих моно- излучения на всех образцах доминирующим в спеккристаллов CdS демонстрируется возможность оценки трах остается пик A1 в области 80-110 K. При этом концентрации в данном случае.

структура спектров усложняется — наблюдаются пики, обозначенные A2-A7, имеющие меньшую высоту в сравнении с A1. Однако если теперь их высоты срав2. Экспериментальные результаты нимы с пиком A1, то при возбуждении с h = 2.55 эВ высота пика A1 по крайней мере на 2 порядка больше.

Методом PICTS исследовалась серия полуизолируюИзмерениями с сандвич-контактами установлено, что щих (удельное сопротивление 108-1012 Ом · см) монопики A1-A7 соответствуют донорным ГУ.

¶ E-mail: odra@mail333.com 1 2. На рис. 2 приведено сравнение высоты пика AВ Приложении приведен вывод соотношения высоты пика в наборе спектров. в наборе спектров, снятых на образце N4 при разОпределение концентрации глубоких уровней в полуизолирующих монокристаллах CdS... Рис. 3. Высота пиков в наборе PICTS-спектров, снятых на образце N4 при возбуждении светом с h = 2.35 эВ.

личном возбуждении и схемах расположения контактов. Использовались сандвич-контакты (полупрозрачный электрод на освещаемой грани и второй — на тыльной грани образца) и планарные (полосковые электроды на освещаемой грани). Заметно, что при возбуждении с h = 2.35 эВ сигнал возрастает. Такое увеличение высоты пика A1 наблюдалось для всех образцов.

3. Из феноменологической модели PICTS следует Рис. 1. Спектры PICTS по кристаллам при возбуждении (см. Приложение A), что соотношение высоты пика в светом с h = 2.35 эВ (соответствует темпу термоэмиссии i-м и j-м спектрах 230 с-1). Кривые нормированы по высоте доминирующего пика. Кристаллы выращены при отношениях парциальных (Pi)max/(P )max = Wi/Wj, (1) j давлений паров кадмия и серы pS/ pCd: N1 —0.8, N2 —1.7, N3 —4.2, N4 —6.3, N5 —7.6.

где W — характерный числовой коэффициент спектра.

На рис. 2 (кривая 2) рассчитана из условия выполнения уравнения (1) для кривой 3. Заметно, что изменение высоты пика A1 в наборе спектров не подчиняется уравнению. На рис. 3 приведены изменения высоты пика в наборе спектров для других ГУ, регистрируемых на образце N4 при возбуждении с h = 2.35 эВ. Заметно, что практически для всех ГУ справедливо неравенство (Pi)max/(P )max < Wi/Wj, (2) j где i-й спектр соответствует меньшему темпу термоэмиссии.

3. Оценка темпа фотогенерации неравновесных носителей Рис. 2. Высота доминирующего пика A1 в наборе спектров, Для корректного сравнения данных с использованием снятых на образце N4. Кривые 1 и 3 получены при планарразличающегося светового возбуждения предлагается ной схеме расположения контактов и возбуждении светом с в качестве критерия, характеризующего степень возh = 2.35 и 2.55 эВ соответственно. Пары кривых 4–5 и 6–буждения образца, использовать темп фотогенерации получены с сандвич-контактами (для различной полярности неравновесных носителей — gl. Удобство использованапряжения на освещаемом электроде) и при возбуждении ния gl в сравнении со световым потоком обусловлено светом с h = 2.35 и 2.55 эВ соответственно. Кривая 2 — следующим: 1) изменение глубины проникновения света расчет высоты пиков по уравнению (1) с учетом значения высоты пика P1 кривой 3. при постоянстве (измеряемого в фотон · см-2с-1) Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 662 А.П. Одринский изменяет концентрацию свободных неравновесных носи- термической обработке, которая могла бы создать градителей, характеризующую степень возбуждения образца; ент концентрации ГУ вблизи поверхности. Такие неодно2) gl входит в выражение для регистрируемого сигнала родности могли возникнуть при росте одного кристалла, от ГУ (см. уравнение П.5), выступая в качестве калиб- но поскольку увеличение высоты пиков характерно для всей серии образцов, объяснение на основе возникших в ровочного параметра при оценке концентрации ГУ.

процессе роста кристаллов неоднородностей концентраВ работах [11,19], считая, что поглощается весь свет, попавший в образец, темп фотогенерации неравновес- ции неубедительно.

В феноменологической модели [5] нормировка сигнаных носителей определяли через падающий световой ла релаксации фототока позволяет при оценке энергетипоток:

ческого положения и сечения захвата ГУ не рассматриgl = Q (1 - R), (3) вать размеры области кристалла, в которой происходят где Q — квантовый выход фотопроводимости, — коэфпроцессы возбуждения и релаксации фототока. Однако фициент поглощения света, R — коэффициент отражегеометрический фактор может играть существенную ния. Такая оценка требует проведения фотометрических роль при определении концентрации ГУ. При обработке измерений падающего и отраженного световых потоков.

данных фактически сравниваются измеряемые величины:

Причем образцы часто имеют небольшие размеры, и фототок в стационарном состоянии и фототок при релакоценка представляет сложную задачу. Дополнительная сации в некий момент времени после выключения освепогрешность связана с наличием поверхностной рекомщения. Вторая величина пропорциональна концентрации бинации и отсутствием информации о величине Q.

неравновесно заполненных ГУ, а стационарный фототок В то же время темп фотогенерации можно оценить из определяется концентрацией свободных неравновесных измерений стационарного фототока. Здесь поверхностносителей. Переход к рассмотрению концентраций спраная рекомбинация, эффекты, связанные с отражением, ведлив, если области образца, в которых происходят а также квантовый выход фотопроводимости учитырассматриваемые процессы, совпадают. В зависимости ваются автоматически. Для стационарного светового от условий проведения измерений: расположения конвозбуждения тактов и используемого возбуждения (из области собgl = n0/0, (4) ственного поглощения либо примесного) — следует различить три области образца, которые могут не совпагде n0 — концентрация неравновесных носителей задать: область фотогенерации неравновесных носителей, ряда при стационарном световом возбуждении, 0 — область, в которой создана избыточная концентрация их время жизни; gl от температуры не зависит, в носителей заряда, и область, где происходят процессы то время как n0 и 0 могут иметь явно выраженную неравновесного заполнения ГУ. Область фотогенерации температурную зависимость. Тогда, проведя измерение определяется глубиной проникновения света в кристалл, времени жизни неравновесных носителей по частотной равной 1/. За время действия светового возбуждения, зависимости фототока и зная величину стационарного генерируемые неравновесные носители диффундируют фототока при той же температуре, можно получить на некоторую глубину, а также могут дрейфовать под оценку темпа фотогенерации. Такая методика позволяет действием поля. Тогда область с избыточной конценполучать более точную оценку по сравнению с оптичетрацией неравновесных носителей будет отличаться от скими измерениями.

области фотогенерации носителей.

Если ГУ заполняются за счет захвата неравновесных 4. Анализ изменения носителей из зоны, то геометрически область кристалла с избыточной концентрацией носителей совпадает с PICTS-сигналов от ГУ областью неравновесного заполнения ГУ. Если, согласно [4], работает „оптический“ механизм заполенения При уменьшении энергии квантов возбуждающего ГУ, то область фотогенерации совпадает с областью, в излучения увеличивается глубина проникновения света которой происходит заполнение ГУ при световом возв образец, и рост высоты пика от ГУ должен свидетельбуждении. Тогда при оценке концентрации ГУ следует ствовать об увеличении концентрации соответствующей ввести коэффициент, учитывающий соотношение размеловушки. Оценка темпа фотогенерации неравновесных носителей для образца N4 составила 2 · 1016 см-3 с-1 ров области избыточной концентрации неравновесных носителей и области заполнения ГУ.

при возбуждении с h = 2.55 эВ и 2 · 1014 см-3 с-1 при При использовании сандвич-контактов анализ сложh = 2.35 эВ. Поскольку во втором случае темп фотонее [20], поэтому далее рассматриваем планарную схему генерации на 2 порядка меньше, следует предположить расположения контактов. Когда генерируются свободные изменение концентрации более чем на 2 порядка для носители обоих знаков, амбиполярная диффузия опредедоминирующего ГУ при увеличении глубины проникляется длиной диффузии неосновных носителей:

новения света и по крайней мере на 3 порядка больше для ГУ, регистрируемых только при возбуждении Lp =(Dpp)1/2, (5) с h = 2.35 эВ. Но в данном случае образцы после приготовления (механическая обработка и травление где p — время жизни, а Dp — коэффициент диффув полирующем травителе) не подвергались какой-либо зии неосновных носителей. Из соотношения Эйнштейна Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Определение концентрации глубоких уровней в полуизолирующих монокристаллах CdS... следует Dp = µpkT/q. (6) Здесь µp — подвижность, k — постоянная Больцмана, T — температура. При µp = 29 см2 В-1 с-1 (по данным [21]) Dp = 0.25 см2 с-1. При типичном значении p = 10-6-10-10 с (по данным [22]) для T = 100 K длина диффузии неосновных носителей составляет 5 · 10-4-5 · 10-6 см, что сопоставимо с размерами области фотогенерации 1/ = 10-5 см при возбуждении с h = 2.55 эВ. Тогда изменение сигнала при смене возбуждения (рис. 2, кривые 1, 3) можно объяснить влиянием диффузии. Такое объяснение с натяжкой подходит для интерпретации изменения высоты пика A1, но не может объяснить отсутствие сигнала от остальных ГУ при возбуждении с h = 2.55 эВ.

Возможно иное объяснение. Если ощутимый вклад в заполнение ГУ дает „оптический“ механизм (не заРис. 4. Определение концентрации ГУ по изменению световисящий от концентрации свободных неравновесных вого заполнения уровня. Пересечение прямой 1/nt0 = f (eth) с nt носителей), то при возбуждении с h = 2.35 эВ больше осью ординат даст величину обратную концентрации.

ловушек заполняется по мере увеличения глубины проникновения в результате прямых оптических переходов, что должно приводить к росту сигнала от ГУ. Проведем света можно объяснить не изменением концентрации мысленный эксперимент. Пусть глубина проникновения соответствующего ГУ, а участием „оптического“ мехасвета увеличилась в K раз при неизменном световом понизма в заполнении ГУ неравновесными носителями.

токе, поглощаемом в образце. Тогда темп фотогенерации Отсюда также следует, что наиболее достоверную оценуменьшится в K раз. Концентрация неравновесно заполку концентрации ГУ по данным PICTS можно получить, ненных ГУ при стационарном световом возбуждении используя световое возбуждение с глубиной проникновения, соизмеримой с толщиной образца. Тот факт, nt0 = Nt/(1 + ), (7) что при возбуждении в области примесного поглощения „многие ГУ лучше обнаружимы“, отмечали авторы [23].

где Nt — концентрация ГУ, — отношение темпов А рекомендация использовать световое возбуждение опустошения (заполнения) уровня:

с глубиной проникновения, соизмеримой с толщиной образца, приведена в [19], но без убедительного обос = eth + eo / gnCnt + eo, (8) nt nt l pt нования.

Проанализируем несоответствие соотношения высоты где eth — темп термоэмиссии с ГУ, eo — темп опnt nt пика в наборе спектров феноменологической модели.

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.