WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 6 Анализ поляризационно-модуляционных спектров индуцированного одноосным сжатием фотоплеохроизма в кристалле Ge ¶ © И.Е. Матяш, Б.К. Сердега Институт физики полупроводников им. В. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 13 октября 2003 г. Принята к печати 27 ноября 2003 г.) В образцах кристаллического германия, анизотропия проводимости в которых создана одноосной деформацией сжатия, исследована фотопроводимость с применением поляризационной модуляции излучения. Полученные этим методом спектральные характеристики представляют зависящие от энергии разности величин фотопроводимостей, возбужденных линейно поляризационным светом с периодически изменяющимися в пространстве поляризациями по отношению к оптической оси кристалла. В результате феноменологического анализа спекральных характеристик фотоплеохроизма установлено, что она состoит из 3 сомножителей. Показано, что с помощью дополнительного измерения производной фотопроводимости или проведения математической обработки характеристики становится возможным ее разложение на сомножители. Проведение процедуры по одной из этих методик позволило определить величину анизотропии коэффициента поглощения и ее спектральную характеристику.

1. Как следует из результатов предыдущих исследова- установления которых не представляется достоверной ний, использование метода поляризационной модуляции их окончательная интерпретация. Учитывая, что в спек(ПМ) излучения при измерении таких поляризационных тральной характеристике дихроизма есть компонента, эффектов, как фотоупругость [1] и линейный дихро- связанная с коэффициентом поглощения [2], можно и изм [2], позволяет не только повысить обнаружительную в характеристиках эффекта фотоплеохроизма, который, способность метода по отношению к величине анизо- как и дихроизм, обусловлен анизотропией диэлектричетропии диэлектрических свойств, но и расширить его ских свойств, ожидать проявления особенностей зонного информационную способность. Так, на примере иссле- энергетического спектра.

дования в кристаллах кремния методом ПМ линейного Изложенное предположение базируется на совокупдихроизма, вызванного одноосным сжатием, показано, ности многочисленных результатов по исследованию что дифференциальные спектры пропускания обладают плеохроизма в естественно анизотропных кристаллах тонкой структурой, которая отражает участие не только как в оптическом явлении поглощения [3], так и в оптических, но и акустических фононов в межзонных различных фотоэлектрических эффектах (фотопроводипереходах с поглощением света. При анализе этих хамость [4], барьерная фотоэдс [5]). Приведенные в этих рактеристик обнаружено, что они состоят из нескольких и многих других публикациях спектральные характесомножителей. Показано, что разложение характеристик ристики имеют сложную структуру, которая отражает на сомножители возможно только с помощью дополниособенности дисперсии энергетических зон.

тельного измерения или путем проведения математичеПриведем еще один аргумент в пользу целесообразноской обработки. Одним из этих сомножителей является сти исследования плеохроизма в фотопроводимости. Как величина дихроизма, т. е. анизотропия поглощения, коизвестно, измерение характеристик дихроизма произвоторая, как реакция вещества на внешнее воздействие, дится посредством регистрации величины пропускания может представляться объектом исследования.

излучения, прошедшего сквозь образец конечной толщиРасширение области применения ПМ спектроскопии ны. Условие полупрозрачности, в окрестности которого на такие фотоэлектрические явления, как фотопровопроявляется эффект дихроизма, ограничивает диапазон димость, вентильная фотоэдс или другие фотовольтаисследуемого спектра. Поэтому при необходимости проические эффекты, представляется целесообразным не движения в область более высоких энергий приходится, только ради накопления статистических сведений о с учетом возрастания коэффициента поглощения, исприроде анизотропии. Процедура перенесения метода пользовать все более тонкий образец. Но, как упоминаПМ с исследования оптических эффектов, где она проется в работе [6], в случае фотопроводимости величина демонстрировала свою плодотворность, на получение диффузионной длины неравновесных носителей заряда экспериментальных результатов в области фотоэлекэквивалентна роли толщины образца при исследовании трических явлений не является тривиальной в силу дихроизма. Поэтому при использовании материала с различающейся природы этих явлений. В свою очередь малым значением диффузионной длины станет возможэто обстоятельство неизбежно проявится также в том, ным обойти то обстоятельство, которое заключено в что анализ результатов измерения фотоплеохроизма проблематичности одноосного сжатия тонких образцов.

методикой ПМ будет иметь свои особенности, без 2. Наиболее подходящим по ряду обстоятельств мате¶ E-mail: serdega@isp.kiev.ua риалом для наблюдения явления фотоплеохроизма предАнализ поляризационно-модуляционных спектров индуцированного одноосным сжатием... ставляется кристалл германия, в котором анизотропия пластинки циркулярно поляризованный свет, падающий электропроводности создается одноосной деформацией. на нее, становится линейно поляризованным на выПрежде всего большие времена жизни генерированных ходе. Причем направление электрической компоненты светом носителей заряда, свойственные не сильно леги- волны периодически с частотой 50 кГц изменяется от рованным кристаллам, расширяют возможности выбора параллельного до перпендикулярного по отношению этого материала с точки зрения получения хорошо к оптической оси образца (направлению деформации).

измеримого сигнала при использовании обычных источ- Регистрировалась величина сигнала F, пропорциональников света. Не последним обстоятельством является ная разности значений фотопроводимостей F - F при простота лабораторной технологии создания омических освещении светом с ортогональными поляризациями, в и механически прочных контактов к кристаллам Ge.

зависимости от энергии квантов, величин деформации Кроме того, возможность получения значений скорости и скорости поверхностной рекомбинации. По обычной поверхностной рекомбинации в диапазоне практически методике измерялись спектры фотопроводимости, исот 0 и до максимальных величин 104 см /с при отсутпользовавшиеся в дальнейшем при анализе результатов.

ствии барьеров на поверхности является решающим Измерения проводились при комнатной температуре и аргументом в пользу этого материала.

интенсивности света из диапазона линейной зависиДля измерений мы использовали образцы, вырезанные мости фотопроводимости от уровня возбуждения, что из слитка слабо легированного n-Ge ( = 5Ом· см при позволяло пересчетом нормировать результаты измере300 K), с размерами освещаемой поверхности 4 10 мм ний на постоянную интенсивность в использованном и толщиной d = 1 мм. Поскольку исследуемый эффект, спектральном диапазоне.

как и эффект линейного дихроизма, носит тензорный 3. Отметим, что зависимость фотопроводимости от характер, представлялось бы необходимым учитывать коэффициента поглощения света в исследуемых обкристаллографическую ориентацию образца. Однако в разцах в случае изотропной проводимости удовлетвориданном случае ориентационная зависимость эффекта фотельно описывается уравнением [9] топлеохроизма не является принципиальной, тем более eµn что, как показано на примере линейного дихроизма, F() = Iона не является определяющей. Поэтому использова- d 1 - (L)лись образцы единственной ориентации, при которой 1 - exp(-d) L(1 + Ls ) освещаемая поверхность совпадала с плоскостью (100), - 1 - exp(-d/L), (1) L L + Ls а направления сжимающего усилия — с направлением [100].

где I0 — интенсивность света, падающего на образец, Приготовление образцов происходило по стандартной µn — подвижность электронов, — время рекомбинапроцедуре, включающей механическую и химическую ции носителей, L — диффузионная длина, L2 = D, D — полировки. Отметим только, что для поляризационных биполярный коэффициент диффузии, который в нашем исследований необходимо строгое соблюдение одного случае при n p равен коэффициенту диффузии дырок;

из условий обработки освещаемой поверхности образца.

Ls = D/s — длина рекомбинации и s —скорость поОно связано с тем, что при преиодическом изменении верхностной рекомбинации. Семейство характеристик, состояния поляризации излучения возможна модулярассчитанных согласно уравнению (1), приведено на ция условиями Френеля интенсивности той его части, рис. 1 в зависимости от параметров и s, определяющих которая проходит переднюю грань образца. Поэтому эволюцию зависимостей. Значение L для данного коносвещаемая поверхность должна быть геометрически кретного случая получено из измерений фотомагнитного плоской, а ее ориентация по отношению к направлению эффекта.

освещения перпендикулярной. В этом случае с учетом Нетрудно видеть, что экспериментальные характекачественной юстировки элементов оптической системы ристики фотопроводимости, приведенные на рис. 2, a, отпадает необходимость в использовании компенсационнаходятся в удовлетворительном согласии с таковыми, ной пластинки, применяемой обычно в таких случаях [7].

полученными расчетом из уравнения (1) и приведенныОдноосная деформация образцов осуществлялась в ми на рис. 1. Согласие могло бы быть более полным, устройстве, которое обеспечивало однородное по их сечению значение механического напряжения. Полупро- если бы экспериментальные кривые представить в виде водниковый датчик преобразовывал величину сжимаю- функции коэффициента поглощения, что возможно при использовании типичной для кристалла германия завищего усилия в электрический сигнал для последующего симости коэффициента поглощения от энергии квантов.

использования при регистрации результатов измерений.

Однако достаточно того, что экспериментальные знаИзмерение фотоплеохроизма проводилось методикой чения фотопроводимости на рис. 2, a укладываются в ПМ, детали которой изложены в работе [2]. Здесь отметим только, что в ее основе использован фото- диапазон изменения параметров рис. 1. Как будет видно упругий модулятор излучения [8]. Он представляет со- в дальнейшем, единообразие в способах изображения бой динамическую четвертьволновую фазовую пластин- результатов измерения является необходимым для их ку. В случае знакопеременной одноосной деформации анализа.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 686 И.Е. Матяш, Б.К. Сердега При одноосной деформации образца кубической системы, к которой принадлежит кристалл германия, вследствие расщепления уровней энергии, определяющих зону проводимости и (или) валентную зону, комплексный показатель преломления становится анизотропным. Следовательно, и коэффициент поглощения принимает 2 значения и, соответствующие двум ориентациям электрической компоненты волны относительно осей оптической индикатрисы, описывающей диэлектрические свойства образца. При подставновке этих значений по отдельности в уравнение (1) получаем 2 зависимости, разница между которыми является той величиной, которая измеряется методом ПМ и, по сути, является спектральной характеристикой фотоплеохроизма.

Отметим, что в соответствии с общепринятой терминологией под плеохроизмом понимают величину, опреРис. 1. Семейство зависимостей фотопроводимости F образца деляемую соотношением Ge, рассчитанных по формуле (1), от величин скорости поверхностной рекомбинации s и коэффициента поглощения. ВрасF - F чете использованы значения: L = 1 мм, d = 2 мм, D = 50 cм2 /с.

k =, (2) F + F где F и F — значения фотопроводимостей, измеренные при перпендикулярной и параллельной ориентации электрического поля волны по отношению к оптической оси. Удобность выражения (2) состоит исключительно в его иллюстративной способности характеризовать относительную величину анизотропии, так как физическая причина анизотропии, а также ее абсолютное значение заключено в числителе этого выражения. Именно из анализа выражения в числителе, которое является поляризационной разностью фотопроводимостей, следует, как будет показано в дальнейшем, представляющая интерес информация о природе анизотропии и ее свойствах.

Поэтому ни в коей мере не претендуя на исправление терминологии, а исключительно ради краткости будем понимать в данной работе под фотоплеохроизмом выражение в числителе (2). Тем более что, как следует из приведенных кривых на рис. 3, нового смысла в выражении (2) по крайней мере в нашем случае не содержится.

На рис. 2, b приведены экспериментальные зависимости F = F - F в диапазоне краевого поглощения германия для 3 случаев, отличающихся величиной скорости поверхностной рекомбинаци s. Видно, как сильно влияет величина скорости поверхностной рекомбинации на ту часть характеристик плеохроизма, которая связана со спадом фотопроводимости на рис. 2, a в области повышенного коэффициента поглощения.

Сопоставление зависимостей, приведенных на рис. 2, a, b, позволяет сделать вывод, что полученный с помощью метода ПМ результат практически не отлиРис. 2. Экспериментальные спектральные характеристики чается от производной фотопроводимости, измеряемой фотопроводимости F (a) и фотоплеохроизма F (b) образметодом дифференциальной спектроскопии, называемым ца Ge, деформированного механическим напряжением 3 кбар -модуляцией [10]. Чтобы убедиться в этом, было при значениях скорости поверхностной рекомбинации s, см/с:

проделано графическое дифференцирование одной из 1 —102, 2 —103, 3 —104.

кривых рис. 2, a. Полученный результат приведен на Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Анализ поляризационно-модуляционных спектров индуцированного одноосным сжатием... При равенстве нулю одного из сомножителей в (4) получим F = 0. Это объясняет, почему точка пересечения с линией F = 0 на рис. 2, b смещается вместе с максимумами кривых на рис. 2, a, при которых F/(h) =0.

Уравнение (4) позволяет объяснить причину почти полного отсутствия различий между характеристиками фотоплеохроизма и производной фотопроводимости (рис. 4). Это становится понятным, если допустить, что произведение [(h)/] не зависит от энергии квантов, т. е. является постоянной величиной в данном спектральном диапазоне. В таком случае становится возможным определить функцию (h) из условия [(h)/] 1, т. е. величина анизотропии пропорциональна производной коэффициента поглощения по энергии /(h).

Рис. 3. Спектральные зависимости фотоплеохроизма (1) Для получения конкретной функции воспользуемся граи поляризационной разности фотопроводимостей (2) при s = 103 см /с и механическом напряжении 3 кбар. фиком зависимости коэффициента поглощения для геррис. 4 в сравнении с характеристикой фотоплеохроизма того же образца.

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.