WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Особенности физического дифференцирования по коэффициенту поглощения света в спектрах вентильной фотоэдс ¶ © Л.И. Бережинский, Е.Ф. Венгер, И.Е. Матяш, А.В. Саченко, Б.К. Сердега Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 22 февраля 2004 г. Принята к печати 13 января 2005 г.) В образцах кристаллического кремния, анизотропия проводимости в которых создана одноосной деформацией сжатия, исследован плеохроизм вентильной фотоэдс. Использована поляризационная модуляция излучения, при которой возбуждение образца происходит линейно поляризованным светом с периодически изменяющимися относительно оптической оси поляризациями. Полученные таким образом спектральные характеристики представляют зависящую от коэффициента поглощения света поляризационную разность величин фотоэдс. Обнаружена сильная зависимость формы полученных спектров от типа p-n-переходов, отличающихся параметрами базы и технологическими способами получения эмиттеров. При анализе спектров показано, что условие физического дифференцирования по коэффициенту поглощения выполняется только в p-n-переходах с пренебрежимо малым значением толщины пространственного заряда.

1. Введение менно с изменением величины -модуляции подвергаются кинетические, рекомбинационные и другие параметры Коэффициент поглощения света является одним из материала.

основных параметров в таких эффектах, как пропус- Поэтому принципиальная возможность -модуляции кание, фотопроводимость или в различных фотоволь- (по аналогии с -модуляцией) может быть получена таических эффектах, исследуемых в полупроводнико- только при изменении такого модулирующего параметра вых кристаллах. Зависимость величины от энергии внешней среды, который не изменял бы прежде всего квантов, обусловленная в основном значением ширины структурных свойств исследуемого материала. Таким параметром при некоторых условиях может быть, как запрещенной зоны полупроводника и особенностями ее нами показано ранее [2], состояние поляризации элекдисперсии в пространстве зоны Бриллюэна, определяет форму спектральных характеристик отмеченных эффек- тромагнитного излучения, возбуждающего образец. Суть упомянутых условий заключается в том, что проявление тов. Информативность таких характеристик важна как состояния поляризации излучения, распространяющегопри исследовании физических свйоства материалов, так и для практических применений. Необходимость повы- ся в исследуемом образце, имеет место только в случае, если используемый материал обладает анизотропией шения их информационной способности породила в свое диэлектрических свойств, а состояние поляризации извремя множество методик физического дифференциролучения модулируется тем или иным методом. В этом вания, составляющих отдельный раздел спектроскопии, случае вследствие анизотропии комплексного показатеполучившей название модуляционной [1]. В процессе ля преломления условия распространения и поглощеразвития этого направления были использованы в мония излучений с параллельным либо перпендикулярдуляции всевозможные параметры и физические велиным направлением вектора электрической компоненты чины — электрическое и магнитное поля, температура, относительно оптической оси кристалла оказываются давление и другие.

различными, что приводит к появлению эффекта лиОднако ни один из приемов физической модуляции не нейного дихроизма. И если разница в соответствующих способен был воспроизвести производную спектральной коэффициентах поглощения намного меньше одного из характеристики какого-либо оптического или фотоэлекних ( - ), (условие малой анизотропии), трического эффекта по коэффициенту поглощения. Для то в соответствии с анализом, проведенным в [3] на этого понадобилось бы измерять величину отклика на примере спектральной характеристики пропускания, в изменение значения коэффициента поглощения послеизмеряемом сигнале содержится производная функции довательно в отдельных точках диапазона, изменяпропускания T () по коэффициенту поглощения:

ющегося в широких пределах. Однако это не представляется возможным, ибо вследствие модуляционного T =(dT/d) ·. (1) воздействия на кристаллическую систему в целом или на какой-либо ее элемент каждый из применявшихся Однако в отличие от случая пропускания ситуация в методов модуляции приводит к изменению величины фотоэлектрических эффектах усложняется за счет вликоэффициента поглощения одновременно во всех точках яния дополнительных процессов. Как показано в [4] на его спектральной характеристики. Более того, одноврепримере поляризационно-модуляционных спектров фо¶ топроводимости, дифффузия неравновесных носителей E-mail: serdega@isp.kiev.ua заряда вследствие различных соотношений поверхностОсобенности физического дифференцирования по коэффициенту поглощения света в спектрах... ных и объемных потоков рекомбинации изменяет про- В измерениях использовались образцы трех типов с странственное распределение генерированных светом по разными условиями изготовления. Их характеристики закону Ламберта электронов и дырок. Тем не менее приведены в таблице. Во всех случаях использовались спектральные характеристики поляризационной разно- стандартные кремниевые пластины толщиной 0.4 мм и сти фотопроводимости проявляют, хотя и при некотором кристаллографической ориентацией поверхности (100), ограничении, свойство производной по коэффициенту в которых на одной из поверхностей тем или друпоглощения. гим методом создавался слой противоположного тиЧто же касается фотовольтаических эффектов, то па проводимости. Затем скалыванием по плоскостям спайности {110} создавались прямоугльные пластинки с их участием к упомянутым обстоятельствам может добавиться неоднородность структуры (например, нали- с размерами 10.50.04 см. Алюминиевые электроды (сплошной на тыльной поверхности и кольцевой на чие p-n-перехода), а также действие связанных с ней освещаемой) служили для подключения образца к извнутренних электрических и деформационных полей.

меряемой цепи. В одном случае она представляла собой В связи с этим возможность реализации -модуляции (по аналогии с -модуляцией) спектральных характе- включенный в обратном направлении источник напряжения и сопротивление нагрузки (режим измерения ристик фотовольтаических эффектов может оказаться фототока), во втором — высокоомный вход селективнопроблематичной. Исследование этой возможности на примере измерения и анализа вентильной фотоэдс, воз- го усилителя (режим фотоэдс). Сжимающее одноосное усилие прикладывалось к узким торцам пластинки, а никающей при освещении p-n-перехода анизотропного его направление совпадало с плоскостью освещаемой кристалла, является задачей настоящей работы.

поверхности образца и было параллельно кристаллографическому направлению [110]. Креплением образцов 2. Условия эксперимента в сжимающем устройстве обеспечивалось условие их устойчивого состояния при сжатии, а также однородКак следует из предыдущего, экспериментальная деность механического напряжения.

монстрация -модуляции в каких-либо фотовольтаичеИзмерения проводились с применением оптической ских спектрах возможна только в материалах с анисхемы, изложенной в работе [2]. Ее особенность состозотропией диэлектрических свойств. Что же касается яла в использовании модулятора поляризации на осносамих спектров, то наиболее удобной характеристикой ве фотоупругого эффекта. С его помощью излучение, для моделирования представляется спектр вентильной которому после выхода из монохроматора придавалось фотоэдс, возникающей при освещении p-n-перехода.

циркулярное состояние поляризации, периодически с Одновременное выполнение этих условий может быть частотой 50 кГц преобразовывалось в линейно поляридостигнуто в p-n-переходе, например, в кристалле Si с зованное. Причем электрическая компонента излучения управляемой с помощью внешнего одноосного сжатия принимала попеременно параллельное и перпендикулярвеличиной анизотропии.

ное положения относительно оптической оси образца.

Принадлежащие к кубической сингонии кристаллы Измеряемый сигнал представлял собой разницу двух кремния обладают изотропией диэлектрических свойств.

значений фотоэдс V и V, возбуждаемых в планарном Поэтому возникновение в них оптических или фоp-n-переходе при освещении его линейно поляризотоэлектрических эффектов, связанных с поляризацией ванным излучением в спектральном диапазоне около излучения, возможно лишь в результате какого-либо края полощения. Измерения проводились при комнатной направленного воздействия, понижающего симметрию температуре и в диапазоне линейной зависимости великристалла. Поэтому в нашем случае геометрия опыта чины фотоэдс от интенсивности света. Его источником такова, что взаимодействующее с кристаллом излучение служил монохроматор МДР-12 с галогеновой лампой распространяется вдоль нормали к его поверхности, и на входе. Обычной методикой измерялись спектральные возникающий при этом дихроизм - или плеохарактеристики вентильной фотоэдс и пропускания, изхроизм P =(V - V )/(V + V ) вентильной фотоэдс V пользовавшиеся в дальнейшем при анализе поляризациобусловлен в отличие от наведенного наклонным падеонных характеристик. Данные измерений нормировались нием света фотоплеохроизма [5] изменением структурна постоянную интенсивность излучения, прошедшего ной симметрии кристалла.

переднюю грань образца.

Величина 3. Результаты измерений и их Способ Толщина Тип Тип удельного обсуждение изготовления эмиттера, образца базы сопротивления эмиттера мкм базы, Ом · см При проведении анализа экспериментальных результатов воспользуемся теоретическим выражением для A p 1 Эпитаксия B p 10 Диффузия 2 величины малосигнальной фотоэдс V, для случая C n 5 · 103 Имплантация 0.V < kT/q [6]. Это выражение является наиболее общим Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1166 Л.И. Бережинский, Е.Ф. Венгер, И.Е. Матяш, А.В. Саченко, Б.К. Сердега случаем из такого типа функциональных зависимостей описания связи величины фотоэдс и совокупности физических и конструкционных факторов:

I[1 - exp(-d)]L V = [(S0 + K)(Sd + K) (2L2 - 1)[1 - exp(-2d)] exp(d/L) - (S0 - K)(Sd - K) exp(-d/L)]- L[exp(-x) +R exp(-2d + x)] [(Sd + K) exp(d/L) - (Sd - K) exp(-d/L)] + 2exp(-2d)[Sd(1 + R) - KL(1 + R)] - [exp(-x) +R exp(-2d + x)] Рис. 2. Экспериментальная зависимость величины вентильной [(Sd + K) exp(d/L) +(Sd - K) exp(-d/L)], (2) фотоэдс образца типа A (штриховая) и одна из кривых рис. где L = D, K = D/L, D — коэффициент диффузии при = 1.5 · 10-6 и x = 1 · 10-4 (сплошная).

электронов в базе; — время жизни электронов;

S0, Sd — скорости поверхностной рекомбинации на фронтальной и тыльной поверхостях образца соответиспользовать формулу для анализа спектральной зависиственно; d — толщина базы; x — толщина эмиттера;

мости величины анизотропии = -. Обращаем R — коэффициент отражения света от тыльной поверхвнимание на то, что аргументом характеристик является ности; I — интенсивность освещения.

в данном случае привычная из практических сообраСемейство зависимостей фотоэдс от энергии квантов жений величина энергии квантов, хотя в дальнейшем, возбуждающего освещения, рассчитанных с применекак отмечалось ранее, спектральные зависимости будут нием уравнения (2), представлено на рис. 1. Здесь представлены как функции величины коэффициента поиспользована аналитическая аппроксимация зависимоглощения.

сти коэффициента поглощения от энергии квантов для Как следует из [8], при одноосной деформации в кристаллов кремния в виде =(76.417 - 68.697E)2, прямозонных кристаллах состояния в валентной зоне заимствованная из [7]. О хорошем совпадении теории и перемешиваются, в частности зоны V+ и V- меняются экспериментальных результатов свитедельствует рис. 2, местами в направлениях, перпендикулярных направлегде сопоставлены расчетная (одна из зависимостей нию деформации. Следствием этого является то, что рис. 1) и измеренная спектральные характеристики фоправила отбора для межзонных переходов становятся тоэдс образца типа A. Более чем удовлетворительное зависящими от состояния поляризации. При возбуждесовпадение кривых дает нам основание в последующем нии переходов линейно поляризованным излучением эти правила изменяются следующим образом: переходы из V+-зоны являются разрешенными при возбуждении обоими состояниями поляризации, в то время как переходы из зоны V- являются разрешенными только для поляризаций, перпендикулярных направлению сжатия.

В результате спектральная зависимость коэффициента поглощения, независящая от поляризации в изотропном кристалле, расщепляется на две компоненты так, что одна из них, а именно (), смещается по шкале энергии.

Соответственно этому и возникают две компоненты вентильной фотоэдс: V и V. Учитывая это, представляется возможным предсказать результат измерения их поляризационной разности. Не трудно видеть, что форма спектральной зависимости этой разности определяется тем, имеется ли максимум на соответствующей характеристике фотоэдс недеформированного образца. В случае его наличия компонента V пересекается не сместивРис. 1. Расчетные зависимости величины вентильной фотоэдс шейся зависимостью V, в результате чего разностная от энергии квантов и толщины эмиттерного слоя x, полученкривая получается знакопеременной, как это имеет меные при следующих значениях величин: D = 8см2/с, R = 0.7, = 1 · 10-6, S0 = 103 см/с, Sd = 103 см/с, d = 0.035 см. сто в случае фотопроводимости [4]. Во втором случае Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Особенности физического дифференцирования по коэффициенту поглощения света в спектрах... характеристика должна быть однозначной и напоминающей характеристику поляризационной разности коэффициента пропускания, детально исследованную в [3].

В использованном в данной работе кристалле оптические переходы во всем измеряемом нами диапазоне энергии квантов непрямые. Тем не менее приведенные выше соображения о формировании характеристики спектральной разности находят качественное подтверждение в эксперименте. Однако, как показывает опыт, реальная ситуация отличается большей сложностю и многообразием. Об этом свидетельствует рис. 3, где представлены спектральные зависимости величин вентильной фотоэдс (a) и характеристики поляризационных разностей образцов p-n-переходов всех типов (b). Значения коэффициента поглощения, приведенные на оси абсцисс, приняты одинаковыми для всех трех образцов и взяты из работы [9]. Отметим, что каждая из трех зависимостей рис. 3, a в отдельности согласуется, как это показано на рис. 2, с соответствующей теоретической кривой рис. 1, если в качестве их аргументов представить энергию квантов. Их амплитудные значения спектров, определяемые различными свойствами материалов и технологическими параметрами образцов, отличаются между собой, как и на рис. 1, более чем на порядок.

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.