WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 10 Получение и СВЧ фотопроводимость полупроводниковых пленок CdSe © Ю.В. Метелева, Г.Ф. Новиков¶ Институт проблем химической физики Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Россия (Получена 30 января 2006 г. Принята к печати 9 февраля 2006 г.) Исследована кинетика СВЧ фотопроводимости пленок CdSe, полученных методом пиролиза аэрозоля водных растворов тиомочевинных координационных соединений на кварцевых и ситалловых подложках в диапазоне температур Ts = 300-600C. Для характеризации пленок использован анализ рентгеновских дифрактограмм, спектров оптического поглощения и отражения. СВЧ фотопроводимость (возбуждение лазерными импульсами 10 нс, 337 нм) исследовалась при 295 K резонаторным методом и диапазонах 9 и 36 ГГц. Кинетика процессов гибели фотоэлектронов, определяющих временные характеристики фотоот клика, зависела от температуры опыта T и интенсивности падающего освета I. На пленках, полученных при Ts < 400C, наблюдалась кинетика гибели 1-го порядка. При T > 450C кинетика гибели не соответствовала ни 1-му, ни 2-му порядку при низких величинах I, но приближалась к кинетике 2-го порядка при высоких значениях I > 1014 фотон/см2 на один импульс.

PACS: 73.50.Mx, 73.50.Pz, 78.30.Fs, 78.47+p 1. Введение лазерное распыление (laser ablation) [8]. В работе [9] пленки получали конверсией CdO в парах Se. Однако Несмотря на то что в основе широкого применения при использовании этих методов все же трудно в широселенида кадмия в различных технических приложениях ких пределах варьировать свойства получаемых пленок.

лежит хорошо известное явление генерации носителей Поэтому в данной работе с целью изучения кинетитока светом [1], количественных данных по реакциям ки процессов с участием заряженных частиц пленки этих заряженных частиц в CdSe крайне мало. В настоя- получали методом пиролиза водных растворов тиомо щее время это обстоятельство заметно сдерживает даль- чевинного комплекса Cd (NH2)2CSe Cl2 на кварцевых нейший прогресс в этой области, поскольку недостаток и ситалловых подложках, нагретых до Ts = 300-600C.

таких данных затрудняет прогнозирование предельных Это позволило уже при синтезе направленно изменять характеристик разрабатываемых устройств. Ключевыми структуру дефектов в пленках (так как данный метод с этой точки зрения являются данные о константах ско- включает в себя стадию образования комплекса из солей ростей (сечениях) элементарных реакций, приводящих кадмия и селеномочевины, протекающую в растворе) и изучить влияние условий синтеза пленок CdSe на кик гибели избыточных зарядов, в значительной степени нетику процессов, проходящих с участием заряженных определяющих временные характеристики фотоотклика.

Однако для получения таких данных необходимо прово- частиц.

С целью характеризации пленок были измерены спекдить исследования кинетики гибели зарядов на системах, тры пропускания и отражения пленок, а также спектры свойства которых можно достаточно легко изменять во рентгеновской дифракции. Процессы с участием зарявремя или сразу после синтеза. Безусловно, такие измеженных частиц в пленках CdSe исследовались методом нения трудно делать на монокристаллах. По-видимому, СВЧ фотопроводимости.

лучше других для этих целей подходят тонкие пленки.

Рентгеновские дифрактограммы записывались с помоНо поскольку дефектность пленок заведомо выше, чем щью дифрактометра ДРОН АДП-1 (CuK-излучение, Niмонокристаллов, важной задачей становится изучение фильтр, = 1.54 нм). Спектры пропускания регистрировлияния дефектов на свойства пленок.

вались на спектрометре Perkin Elmer Lambda EZ210 в диапазоне 200-1100 нм.

2. Методы изготовления Спектры диффузного отражения измеряли с помощью и исследования пленок CdSe спектрометра РС1000 с фотометрической линейкой, оснащенного интегрирующей сферой. Отражение измеВ настоящее время известно много методов получеряли относительно подложки (ситалл), коэффициент отния пленок. Например, химическое осаждение из газоражения которой принимали равным 100%. Измерение вой фазы (методы горячей стенки – hot wall method), проводилось в диапазоне h = 1.5-3.5эВ.

осаждение из раствора (chemical bath deposition) [2–5], СВЧ фотоотклик регистрировали в 3-см частотном золь-гель метод (sol-gel method) [5], электроосаждение диапазоне (резонатор типа TE101) как изменение под (при постоянном [6] и переменном [7] токе), напыление, действием света мощности отраженной электромагнит¶ ной волны P(t), где t — время, отсчитываемое от E-mail: ngf@icp.ac.ru Fax: 8(09652)21842 максимума импульса возбуждающего света [10,11]. Вре1168 Ю.В. Метелева, Г.Ф. Новиков Таблица 1. Межплоскостные расстояния в пленках CdSe d d, Отнесение № Температура пиролиза Ts, C к кристаллическим Порошок п/п плоскостям CdSe [12] 300 350 400 500 550 1 3.693 3.700 3.708 3.700 3.700 3.700 3.720 (100) 2 3.480 3.486 3.486 3.486 3.486 3.486 3.510 (002) 3 3.278 3.273 3.290 (101) 4 2.539 2.546 2.546 2.539 2.554 (102) 5 2.144 2.144 2.144 2.144 2.144 2.146 2.151 (110) 6 1.977 1.975 1.975 1.975 1.973 1.975 1.980 (103) 7 1.829 1.829 1.829 1.834 (112) 8 1.451 1.454 1.456 (203) 9 1.411 1.407 (210) 10 1.310 1.312 (105) 11 1.241 1.247 1.241 (300) 12 1.205 1.205 (213) 13 1.168 1.169 1.169 1.170 1.170 (302) менное разрешение установки 50 нс. Образцы пленок Рассчитанные из положения пиков дифрактограммы на подложке размещали в ампуле в центре резонатора. значения межплоскостных расстояний представлены в Для освещения использовали азотный лазер ЛГИ-505 табл. 1. Рассчитанные межплоскостные расстояния мень( = 337 нм) с длительностью импульса 10 нс. Мак- ше известных для порошков [12], что может быть симальная интенсивность света, использовавшаяся в объяснено сжатием решетки из-за присутствия вакансий.

опытах, составляла 3 · 1014 фотон/см2 за один импульс. С ростом температуры получения пленок Ts межплосДля изменения интенсивности света использовали све- костные расстояния незначительно растут, что может тофильтры. быть объяснено формированием более совершенной структуры пленок при больших Ts.

3. Результаты исследований и их обсуждение 3.1. Рентгеновский анализ На рис. 1 представлены дифрактограммы исследованных образцов. Сопоставление межплоскостных расстояний, рассчитанных из измеренных положений дифракционных максимумов, позволило заключить, что основной кристаллической фазой изучаемых образцов является гексагональный CdSe (вюрцит), —совпадение по 8 пикам в измеренном диапазоне углов 2. Помимо пиков, обусловленных вюрцитом, на дифрактограмме присутствуют малоинтенсивные пики, которые обусловлены подложкой (на рис. 1 они отмечены крестиками).

Таблица 2. Размеры кристаллитов D[103] в пленках CdSe по направлению [103] Рис. 1. Рентгенограммы для пленок CdSe, полученных на ситалле при разных температурах пиролиза Ts, C: 1 — 300, Ts, C D[103] (гекс.), 2 — 350, 3 — 400, 4 — 500, 5 — 550, 6 — 600. Крестиками отмечены пики, обусловленные подложкой.

300 350 400 Размеры кристаллитов по направлению, перпендику500 550 834 лярному плоскости (103), были оценены по формуле 600 D[103] = / cos, где — длина волны рентгеновского Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Получение и СВЧ фотопроводимость полупроводниковых пленок CdSe излучения, — ширина на половине высоты дифракционного пика, и занесены в табл. 2. Дифракционный пик (103) был выбран для этой цели, поскольку он находится на плоском фоне и не перекрывается с другими пиками. Размеры кристаллитов достаточно малы и с ростом температуры подложки почти линейно увеличиваются.

Таким образом, рост межплоскостных расстояний и размеров кристаллитов в пленках CdSe с увеличением температуры Ts свидетельствует о том, что структура пленок с ростом Ts становится более совершенной.

3.2. Спектры пропускания Осаждение пленок сильно зависит от типа подложки.

На кварце, нагретом до Ts = 300-400C, пленки осаждаются плохо, получаются слишком тонкими, неоднородными — по-видимому, в силу слабой адгезии кварца. Поэтому спектры пропускания представлены далее только Рис. 2. Спектры пропускания пленок CdSe, синтезированных для пленок, синтезированных при высоких температурах при Ts, C: 1 — 500, 2 — 550, 3 — 600.

(Ts = 500-600C).

На рис. 2 показаны спектры пропускания пленок CdSe, напыленных на кварц. Можно видеть характерные участки быстрого увеличения поглощения. У образцов, синтезированных при 500-600C, этот участок находится в районе h = 1.5-2 эВ. Положение и форма этого участка схожи с поведением поглощения вблизи красной границы для селенида кадмия. Этот факт позволил определить ширину запрещенной зоны, используя зависимость оптического поглощения от энергии фотона h:

k(h - Eg)m/ =, (1) h где k — константа, m = 1 для прямых переходов и m = для непрямых (для CdSe переход прямой). Для определения ширины запрещенной зоны Eg экстраполировали прямолинейный участок зависимости (h)2/m = f (h) по оси абсцисс. Рассчитанные значения ширины запрещенной зоны (рис. 3) занесены в табл. 3 (2-я колонка) и близки к литературным данным [13]: для образцов, полученных при 500 и 600C, — 1.71 эВ, у образца Рис. 3. Зависимости (h)2 = f (h) из спектров пропускания для пленок CdSe, полученных при Ts, C: 1 — 500, 2 — 550, с Ts = 550C — 1.67 эВ.

3 — 600.

Таблица 3. Значения ширины запрещенной зоны Eg, рассчитанные из спектров пропускания и отражения для пленок CdSe, полученных при разных температурах пиролиза Ts 3.3. Спектры отражения Eg, эВ Eg, эВ Хорошая адгезия ситалла позволила получить одTs, C (пропускание) (отражение) нородные пленки CdSe в широком диапазоне темпе300 - 1.705 ратур Ts = 300-600C. На рис. 4 показаны спектры 350 - 1.отражения пленок в диапазоне от 1.5 до 2.5 эВ. Спектры 400 - 1.имеют сходный вид, четко видна красная граница в 500 1.710 1.районе h = 1.5-2эВ.

550 1.673 1.Результаты обрабатывались методом, аналогич600 1.711 1.ным [14,15]. Полагая, что отраженный свет складывается В монокристаллах Eg = 1.74 эВ [25] из отраженного от поверхности пленки и отраженного 2 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1170 Ю.В. Метелева, Г.Ф. Новиков Комбинируя (2), (3), получим Rmax - Rmin Y (h) =ln = 2d. (4) R - Rmin В соответствии с уравнением Таука, коэффициент поглощения для прямозонных полупроводниковов при разных энергиях фотона h дается выражением (1) при n = 1 [16,17].

Значения ширины запрещенной зоны, полученные экстраполяцией данных рис. 5 в соответствии с (1) и (4), оказались близкими к значениям, полученным из спектров пропускания, и литературным данным для селенида кадмия (см. табл. 3). Из данных табл. 3 видно, что с увеличением Ts значение ширины запрещенной зоны Eg незначительно, но плавно увеличивается. Наблюдаемое изменение ширины запрещенной зоны можно связать с уменьшением концентрации примеси в пленках с ростом Ts. О большей концентрации примесей в пленках, Рис. 4. Спектры отражения для пленок CdSe, полученных при полученных при низких Ts, говорит большее количество Ts, C: 1 — 300, 2 — 350, 3 — 400, 4 — 500, 5 — 550, 6 — 600.

переходов с поглощением энергии, меньшей Eg. Это следует из наличия больших и пологих „хвостов“ спектров как пропускания, так и отражения, построенных в координатах (h)2 = f (h).

Таким образом, спектры пропускания и отражения свидетельствуют о том, что в зависимости от условий получения пленки CdSe имеют разную концентрацию дефектов. Этот вывод согласуется с данными рентгенофазового анализа.

3.4. СВЧ проводимость 3.4.1. Зависимости амплитуды фотоотклика от интенсивности света. Для предварительного анализа зависимостей формы СВЧ фотоотклика от условий синтеза образцов и интенсивности падающего света экспериментальные зависимости спадов амплитуды фототклика от времени на резонансной частоте описывали суммой или отдельными функциями, входящими в выражение j n Рис. 5. Зависимости [hY (h)]2 = f (h) из спектров отраb t P = a + Ai exp, (5) жения для пленок CdSe, полученных при Ts, C: 1 — 300, b + t i i=2 — 350, 3 — 400, 4 — 500, 5 — 550, 6 — 600. Функция Y (h) вычислена в соответствии с (4).

где n — показатель степени, a — амплитуда гиперболы, b — константа, Ai — амплитуда i-й экспоненциальной компоненты с характеристическим временем i, от подложки, запишем для коэффициента отражения: 1 j 3. Результаты усредняли по 2 или 3 измерениям.

Известно, что при малом возмущении P/P0 In + Is Ir r амплитуда фотоотклика пропорциональна концентрации R = = + Rs exp(-2d), (2) I0 Iсвободных носителей [10,18]. На рис. 6 приведены зависимости амплитуд фотооткликов, неразложенных где I0, Ir, Is — интенсивности падающего, отраженного r на компоненты (5), от относительной интенсивности от пленки и отраженного от подложки света, d —толпадающего cвета I/I0. При низких температурах пиролищина пленки. При этом максимальный и минимальный за Ts = 300-400C наблюдается линейная зависимость коэффициенты отражения равны амплитуды фотоотклика от I (рис. 6, кривые 1–3).

Это соответствует наблюдению процессов гибели фотоIr Ir Rmax = + Rs; Rmin =. (3) электронов 1-го порядка. Типичный фотоотклик таких I0 IФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Получение и СВЧ фотопроводимость полупроводниковых пленок CdSe и симметричной (относительно резонансной частоты электрического поля f ) частотной зависимости фотоотклика быстрая компонента СВЧ фотоотклика (время полуспада 100-200 нс) может быть отнесена (как и в пленках CdS [18]) к реакции захвата свободных электронов в ловушки, а медленная (время полуспада — несколько микросекунд) — к процессу гибели захваченных электронов.

В пленках, синтезированных при Ts = 300C, спад фотоотклика очень быстрый (время полуспада порядка 50 нс, что совпадает с временным разрешением уста новки). Вероятно, такая большая скорость гибели элекРис. 6. Зависимости амплитуды фотоотклика СВЧ фотопроводимости P от интенсивности света I для пленок CdSe, полученных при Ts, C: 1 — 300, 2 — 350, 3 — 400, 4 — 500, 5 — 550, 6 — 600.

образцов содержит 1 или 2 компоненты, при этом спады СВЧ фотоотклика описываются экспоненциальными функциями (5).

С ростом температуры синтеза зависимость амплитуды фотоотклика от I становится нелинейной, и чем выше Ts, тем раньше начинается нелинейный участок на Рис. 7. Спад фотоотклика для пленки, полученной при 400C.

зависимости (рис. 6). Для образцов пленок CdSe, полу- На вставке — зависимость амплитуды отклика от интенсивноченных при 500C, нелинейность зависимости наблюда- сти возбуждения I.

ется при I/I0 0.72-1, при Ts = 550 — при интенсивности I/I0 > 0.3. При Ts = 600 уже при I/I0 > 0.2 наблюдается нелинейная зависимость, близкая к корневой.

Этот результат может свидетельствовать об увеличении роли процессов 2-го порядка с ростом интенсивности света и уменьшением концентрации примесей, служащих ловушками, с ростом Ts [19,20]. Такой реакцией, конкурирующей с процессами захвата, вероятнее всего, является реакция рекомбинации свободных электронов и дырок.

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.