WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Воздействие оптического излучения на внутреннее трение в пьезополупроводниках с глубокими центрами © В.И. Митрохин¶, С.И. Рембеза, В.В. Свиридов, Н.П. Ярославцев Воронежский государственный технический университет, 394026 Воронеж, Россия Воронежский государственный педагогический университет, 394043 Воронеж, Россия (Получена 30 марта 2001 г. Принята к печати 3 апреля 2001 г.) Исследовано воздействие оптического излучения на внутреннее трение, связанное с электронно-механической релаксацией на глубоких уровнях в пьезополупроводниках. Установлено, что поведение внутреннего трения сильно зависит от интенсивности, длины волны излучения и температуры образца. На спектральной зависимости внутреннего трения имеется аномальный пик в области фундаментального поглощения, который ассоциируется с вытеснением области оптического поглощения к облучаемой поверхности. Обнаружен эффект медленной релаксации внутреннего трения после выключения света. Предложена модель, связывающая медленную релаксацию с термическим опустошением центров прилипания.

1. Введение фотопроводимости и др. Поэтому оптическое излучение способно оказать значительное влияние на процессы В работах [1,2] впервые было описано явление релаксации пространственного заряда пьезоэлектричеэлектронно-механической релаксации, связанной с глу- ской поляризации в объеме образца и, следовательно, бокими уровнями (ЭМРГУ), заключающееся в возникно- на величину и параметры максимумов акустического вении релаксационных максимумов затухания изгибных затухания.

колебаний образцов высокоомных пьезополупроводни- Настоящая работа посвящена изучению влияния оптиков (GaAs, GaP, InP и CdS). При этом параметры ческого излучения на процессы зарядовой релаксации, максимумов на температурной зависимости внутреннего связанные с ЭМРГУ, в условиях, когда равновесный трения (ВТ) зависят от параметров глубоких центров процесс термической активации носителей заряда с ГЦ (ГЦ), определяющих электрические свойства образца.

сопровождается оптической генерацией неравновесных Механическая энергия колебаний расходуется на джоу- носителей и наличием знакопеременного пьезоэлектрилево тепловыделение при протекании токов релаксации ческого поля в объеме полупроводника. Эти исследозаряда в пьезоэлектрическом поле, индуцированном де- вания позволили получить новую информацию о фоформацией образца.

тоэлектрических свойствах пьезополупроводников акуМодель релаксации заряда при ЭМРГУ [1,2] учитывает стическим методом, без использования электрических вклад от взаимопереплетающихся процессов: термиче- контактов к исследуемым образцам.

ской ионизации и обратного захвата носителей заряда на ГЦ, максвелловской релаксации свободных носителей 2. Экспериментальные методы и их дрейфа сквозь образец в пьезоэлектрическом поле.

и образцы Время релаксации при этом выражается сложной комбинацией характерных времен перечисленных процессов.

В нашей работе измерение ВТ проводилось по затуДальнейшие эксперименты выявили высокую чувствиханию свободных изгибных колебаний прямоугольной тельность измеряемого акустического затухания (ВТ) к пластины [3,4] на частотах от 5 до 20 кГц в интервале оптическому облучению, вызывающему внутренний фотемператур T от -120 до +180C путем подсчета тоэффект в исследуемом полупроводнике. В зависимости числа колебаний между двумя фиксироваными порогаот длины волны и интенсивности излучения генерируеми амплитуды. Исследуемые образцы устанавливались мые светом неравновесные носители заряда, экранируя горизонтально на две кварцевые опоры в точках узлов пьезоэлектрическое поле, могут существенным образом изгибных колебаний [4]. Устройство крепления образца изменить соотношение между количественными парамес электродами электростатического возбуждения и регитрами упомянутых составляющих времени релаксации страции размещалось в вакуумной камере из нержавеюносителей заряда, участвующих в ЭМРГУ. Фотоэлекщей стали, содержащей резервуар для заливки жидкого трические явления в полупроводниках включают такие азота и печь для нагрева.

особенности, как неравномерное по глубине образца Исследуемые образцы изготавливались из монокриоптическое поглощение, создающее неоднородную консталлических пластин полуизолирующих GaAs, GaP и центрацию неравновесных носителей, изменение степеInP, легированных металлами переходной группы в расни заполнения ГЦ при облучении, сложная кинетика плаве при выращивании по методу Чохральского. Образ¶ E-mail: imakarova@vmail.ru цы имели размеры 20 6.0 0.4мм3, ориентацию в Воздействие оптического излучения на внутреннее трение в пьезополупроводниках... плоскости (100) и длинную ось вдоль пьезоактивного направления 110. При такой кристаллографической ориентации образца индуцированное деформацией изгиба пьезоэлектрическое поле пронизывает максимальный его объем и вызывает наибольшую интенсивность зарядовой релаксации, а значит, и высоту максимумов ВТ.

Оптическое облучение образца осуществлялось через окно из кварцевого стекла в корпусе вакуумной камеры.

Источником оптического излучения служил спектрометр ИКС-21, свет из выходной щели которого через фоку- Рис. 2. Зависимость внутреннего трения в GaAs Cr от ин тенсивности облучения E при температурах T, C: 1 — (+70), сирующую линзу направлялся на исследуемый образец, 2 — (+20), 3 — (-50).

помещенный в вакуумной камере. Объединение установки ВТ со спектроскопическими устройствами позволило измерять спектральные зависимости относительного изменения ВТ при оптическом облучении образца при (кривая 2). Увеличение интенсивности облучения до фиксированных температурах, а также исследовать кинеE = 0.5Emax приводит к уменьшению пика по высоте тику восстановления ВТ после импульсного оптического (кривая 3), а при E = Emax ( 100 Вт/м2) происходит воздействия.

полное подавление исходного пика до уровня фона ВТ Наряду с описанными выше экспериментами, на тех (кривая 4). Аналогичное поведение исходного пика же образцах полупроводников проводились сравнительВТ наблюдалось при облучении образца примесным ные измерения спектральных кривых и кинетики фоизлучением с энергией фотонов в интервале от 0.7 до топроводимости на постоянном токе с использованием 1.3 эВ. Уширение пика ВТ, связанного с ЭМРГУ, в спектрально-вычислительного комплекса СДЛ-2.

сторону отрицательных температур и подавление его при дальнейшем росте интенсивности освещения, вызывающего внутренний фотоэффект, происходит во всех 3. Результаты исследованных нами образцах полуизолирующих GaAs, GaP и InP, легированных переходными металлами Fe, Cr, 3.1. Температурная зависимость внутреннего Co, Cu, Mn и Ni.

трения при оптическом облучении Измерение зависимости ВТ от интенсивности излучеНа рис. 1 кривой 1 показана температурная зависиния из области собственного поглощения для GaAs Cr мость внутреннего трения Q-1 = f (T ) для GaAs, легиропри комнатной температуре показало (рис. 2, кривая 2), ванного Cr, с удельным сопротивлением = 6·105 Ом·м что сначала наблюдается возрастание ВТ в результате при частоте изгибных колебаний 8.2 кГц. На этой криуширения пика, а затем начинается его уменьшение, вой, измеренной при затемнении образца, располагасвязанное с оптическим подавлением уширенного пика.

ется исходный дебаевский пик ВТ при температуре Такое поведение ВТ имеет место при всех температурах T =+70C, обусловленный ЭМРГУ [1], который харакниже температуры пика, т. е. во всей области уширения теризуется энергией активации релаксационного процеспика (рис. 1). В то же время при подавлении ВТ при са (0.76 ± 0.02) эВ и частотным фактором 1.6 · 1014 с-1.

температуре пика (+70C) максимум отсутствует (криПри воздействии на образец собственного излучения вая 1). Уменьшение интенсивности облучения приводит средней интенсивности E = 0.3Emax (Emax — максимальк обратному ходу кривых, показанных на рис. 2.

ная используемая интенсивность) с энергией фотонов Таким образом, оптическое облучение приводит не h = 1.4 эВ изначально симметричный исходный пик только к подавлению исходного пика ВТ, но и к изВТ значительно уширяется в сторону низких температур менению его основных параметров, таких как ширина, температура. В то же время уменьшение высоты пика при снижении удельного сопротивления образца [1,2] происходит без смещения по температуре и изменения основных параметров пика. Мы полагаем, что различие связано с тем, каким образом происходит экранирование пьезоэлектрического поля в объеме образца: за счет равновесной и равномерно распределенной по объему концентрации свободных носителей заряда, как при изменении, или неравновесных, имеющих градиент концентрации по толщине образца носителей, как при Рис. 1. Температурная зависимость внутреннего трения в освещении. С такой интерпретацией в целом согласуютGaAs Cr : 1 — без облучения; (2–4) — при оптическом ся описываемые далее особенности наших эксперименоблучении (h = 1.4эВ) с интенсивностью 0.3Emax, 0.5Emax тальных результатов.

и Emax соответственно.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 140 В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, В.В. Свиридов, Н.П. Ярославцев вблизи h = 1.4 эВ. Наличие узкого остроконечного пика в этой спектральной области в случае измерения ВТ (рис. 3, кривая 1) можно объяснить следующим образом. Внутреннее трение — это проявление эффекта неупругости, и его абсолютная величина зависит от объемной доли участка образца, в котором происходят акустические потери. Усиление подавления ВТ в начальной области собственного поглощения сменяется его резким спадом при интенсивной фотоионизации за счет вытеснения области поглощения в сторону облучаемой поверхности образца. (Коэффициент оптического поглощения для собственного поглощения в GaAs составляет величину 104 см-1 [5]). Эти два встречных процесса формируют узкий остроконечный пик при энергии фотонов, близкой к ширине запрещенной зоны Рис. 3. Спектральная зависимость относительного уменьполупроводника. Остаточное подавление ВТ при энергии шения внутреннего трения Q-1 = (1 - Q-1/Q-1 ) (1) и max h > 1.42 эВ, по-видимому, обусловлено процессами спектральная зависимость фототока If (2) в GaAs Cr.

диффузии свободных носителей заряда в глубь образца.

В примесной области коэффициент поглощения на 3 порядка меньше, чем в собственной [5], поэтому градиент концентрации неравновесных носителей по толщине 3.2. Спектральная зависимость подавления образца невелик. По этой причине форма кривых в внутреннего трения примесной области для ВТ и фотопроводимости разлиКак отмечено выше, степень подавления пика ВТ чаются незначительно.

при оптическом облучении зависит от длины волны излучения. В связи с этим нами была исследована 3.3. Кинетика внутреннего трения спектральная характеристика относительного уменьшепри оптическом облучении ния пика внутреннего трения Q-1 =(1 - Q-1/Q-1 ) max для GaAs, легированного Cr. Результаты показаны на Использование прямоугольной модуляции интенсиврис. 3 (кривая 1), из которого видно, что заметное ности света позволило исследовать кинетику нарастания подавление ВТ начинается с энергии квантов, близких к и спада ВТ, изучить динамику восстановления равновеэнергии ионизации соответствующего глубокого центра сия релаксационных процессов, связанных с ЭМРГУ. На (0.76 эВ). В области энергии фотонов h = 0.9-1.0эВ рис. 4 показана кривая зависимости величины ВТ в пике кривая имеет максимум резонансного вида, а вблизи (+70C) от времени t для GaAs Cr при скачкообразэнергии 1.4 эВ, соответствующей ширине запрещенной ном включении и выключении собственного излучения.

зоны арсенида галлия, наблюдается остроконечный пик Световой импульс приводил к ”резкому” подавлению ВТ.

с полушириной менее 0.1 эВ.

При этом спад и восстановление ВТ происходили за вреТак как степень подавления ВТ напрямую связана с мя 0.2 с, что близко к времени механической релаксаконцентрацией образующихся при оптическом возбуждеции изгибных колебаний образца или времени затухания нии неравновесных носителей заряда, уместно сравнить свободных колебаний. Это время можно считать нижним полученную кривую со спектром фотопроводимости того же образца. Такие измерения были проведены для GaAs Cr, результаты представлены на рис. 3. Видно сильное сходство спектральных кривых относительного уменьшения внутреннего трения Q-1 (кривая 1) и фототока If (кривая 2) на рис. 3 в примесной области и значительное различие в области собственного поглощения, что может быть интерпретировано следующим образом.

Основной вклад в фотопроводимость дают области образца с более высокой концентрацией неравновесных носителей. Поэтому резкое возрастание оптического поглощения в собственной области и, как следствие, вытеснение области поглощения к поверхности образца не оказывает существенного влияния на величину Рис. 4. Зависимость внутреннего трения в GaAs Cr от времефототока. Область собственного поглощения на рис. ни при температуре образца +70C и импульсном облучении (кривая 2) имеет обычный вид ступеньки с порогом (h = 1.4эВ) (1). 2 — форма импульса излучения E(t).

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Воздействие оптического излучения на внутреннее трение в пьезополупроводниках... более сложной, что отображено на рис. 6. Наличие всплеска на участке a (кривая 1) после выключения облучения можно объяснить тем, что ВТ при снижении концентрации фотоионизированных носителей заряда происходит через максимум (обратный ход кривой 2 на рис. 2). Этот всплеск ВТ приходится на время быстрой релаксации 1 (рис. 6, участок a), после которого наблюдается медленная релаксация с характерным временем 2 =(18 ± 2) с (рис. 6, участок b).

Измерение кинетики собственной фотопроводимости в тех же образцах GaAs Cr, в которых исследовалась кинетика ВТ при оптическом облучении, показало сущеРис. 5. Зависимость внутреннего трения в GaAs Cr от времественное различие времени релаксации фотопроводимони при температуре образца +20C и импульсном облучении сти — (0.74 ± 0.10) мс и времени релаксации ВТ — 18 с.

средней интенсивности (h = 1.4эВ) (1). 2 —формаимпульса Различие составляет примерно 4 порядка.

излучения E(t).

Изучение влияния различных факторов на время медленной релаксации показало, что 2 монотонно уменьшается со снижением удельного сопротивления (на 5с при изменении на порядок). Наличие постоянной собственной подсветки в несколько раз уменьшало 2.

С другой стороны, 2 возрастало с 8 до 18 c при увеличении температуры от -80 до +20C. По этой температурной зависимости в координатах lg 2 = f (1000/T ) была определена энергия активации уровня, связанного с процессом медленной релаксации, которая составила (0.045 ± 0.005) эВ.

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.