WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 2 Влияние плотности лазерного возбуждения на характеристическую временную постоянную и величину среднеполевой электромодуляционной компоненты сигнала фотоотражения в области фундаментального перехода E0 © Р.В. Кузьменко¶, А.В. Ганжа, Э.П. Домашевская, С. Хильдебрандт, Й. Шрайбер Воронежский государственный университет (Физический факультет, Кафедра физики твердого тела), 394693 Воронеж, Россия Fachbereich Physik der Martin Luther Universitt Halle-Wittenberg, 06108 Halle / Saale, Deutschland (Получена 12 марта 2001 г. Принята к печати 25 мая 2001 г.) Исследуется влияние плотности лазерного возбуждения L на величину и характеристическую временную постоянную среднеполевой электромодуляционной компоненты спектров фотоотражения, измеряемых в области фундаментального перехода E0 прямозонного полупроводника. Серии измерений спектров проводились в области значений L = 100 мкВт/см2-1Вт/см2 на образцах GaAs с концентрацией носителей заряда n 1016 см-3. Для всех исследованных образцов обнаружена логарифмическая зависимость величины электромодуляционного сигнала от плотности лазерного возбуждения. Установлено, что наблюдаемое изменение характеристической временной постоянной компоненты не оказывает какого-либо заметного влияния на величину измеряемого сигнала.

Широкое применение спектроскопии фотоотражения онной компоненты в области фундаментального пере(ФО) для исследования электронных, оптических и хода E0. Все измерения проводились при комнатной структурных свойств полупроводников обусловлено экс- температуре на установке, устройство которой описапериментальной простотой реализации метода и разно- но в [10]. Для проведения фазового анализа (ФА) образием информации, содержащейся в спектре. Основ- спектров [9] использовался двухканальный фазочувствиным носителем информации в спектре является эле- тельный усилитель (ФЧУ) SR850. Измерения провокромодуляционная компонента, возникающая в области дились на образцах GaAs (E0 = 1.424 эВ [4]) с конпрямого электронно-оптического перехода валентная центрацией носителей заряда n 1016 см-3. Значезона – зона проводимости и измеряемая в среднепо- ния ПЛВ (красный He-Ne-лазер) лежали в диапазоне левом или низкополевом режимах [1]. Модуляцион- L = 100 мкВт/см2-1Вм/см2. Использование меньный механизм, вызывающий ее появление, представляет ших значений ПЛВ делало сигнал настолько малым, собой периодическую модуляцию электрического поля что для его регистрации требовалось переключение поверхности полупроводника под действием лазерного диапазона усиления ФЧУ. Напротив, для ПЛВ, преосвещения с энергией фотонов, большей ширины за- вышающей 10 Вт/см2, для некоторых образцов наблюпрещенной зоны исследуемого полупроводника. В ра- далось насыщение величины и фазового угла сигнала ботах [2–4] было показано, что одним из основных ФО. Частота модуляции лежала в области значений параметров, определяющих форму спектральной линии f = 50 Гц-500 Гц, что исключало ее влияние на измеряи величину электромодуляционного сигнала, является емую величину модуляционного сигнала.

уровень модуляции поверхностного электрического по- Форма линии измеренных среднеполевых E0-спектров ля. Таким образом, плотность лазерного возбуждения ФО качественно совпадала с ранее опубликованной в (ПЛВ) является одним из важнейших параметров из- литературе [4]. Однокомпонентность спектров доказымерения спектров. Несмотря на это, влияние ПЛВ до валась моделированием в рамках обобщенной многосих пор было исследовано в литературе только для низ- слоевой модели (ОМСМ) [4] и построением фазовых кополевых компонент [5–7]. Кроме этого, практически диаграмм [9].

ничего не сообщалось и о воздействии ПЛВ на характеристическую временную постоянную компоненты, Характеристическая временная представляющую собой, в первом приближении, время постоянная запаздывания модулированного сигнала отражения по отношению к сигналу возбуждения [8,9].

Величина сигнала ФО, измеряемого двухканальным Цель представленной работы — исследование влиФЧУ, может быть определена как квадратный корень яния ПЛВ на величину и характеристическую вреиз суммы квадратов составляющей, синхронной с ременную постоянную среднеполевой электромодуляци ферентным сигналом, и составляющей, смещенной по ¶ E-mail: roman@ftt.vsu.ru отношению к референтному сигналу на 90 [9]. Однако Влияние плотности лазерного возбуждения на характеристическую временную постоянную... она может и не совпадать с истинной величиной сигнала слоя пространственного заряда, k — постоянная БольцR/R(E), определяемой параметрами модуляционного мана, T — температура, A — постоянная Ричардсона, процесса. В [10] показывается, что величина комплексно- Vs = Vs,0 - Vp, Vs,0 — значение поверхностного потенциго сигнала ФО зависит от циклической частоты = 2 f, ала при отсутствии освещения, Vp — фотонапряжение.

где f — частота модуляции, и характеристической вре- Так как Vs через Vp зависит от ПЛВ, из (2) следует, что менной постоянной компоненты и определяется как увеличение значения ПЛВ должно привести к спаду.

В предположении, что временные постоянные роста и R R 1 + e-i/ спада одинаковы, для определения нами в [9,10] было (E,, ) = (E) (1 + i ). (1) R R 1 + получено tg =. (3) Таким образом, для совпадения экспериментально измеряемого значения величины модуляционного сигнала с Для исследованных нами спектров при уменьшении его истинной величиной необходимо выполнение услозначения ПЛВ наблюдалось уменьшение величины сигвия 1.

нала и вращение фазовой диаграммы по часовой стрелВрамках ФАоценка из фазы запаздывания может ке. Вращение фазовой линии указывает на увеличение быть проведена, основываясь на строго определенной фазового угла. Поскольку измерения были проведены временной форме сигнала R(t) под действием возмубез предустановки фазы ФЧУ, фазовый угол мог быть щения и после его выключения. Одна из наиболее часто определен как угол между фазовой линией и осью X [9].

цитируемых в литературе моделей для R(t) предложеДля образцов наблюдалось некоторое различие в значена Зеебауером [8] и исходит из того, что уменьшение ниях фазовых углов, однако оно составляло не более напряженности электрического поля при лазерном освенескольких процентов. Хотя полученные значения и щении происходит путем дрейфа и рекомбинации неослежали в рамках модели Зеебауэра ( = 5-10), их новных носителей заряда с основными носителями зарянаблюдаемое изменение все же достаточно для того, да, захваченными на поверхностные состояния ловушек.

чтобы показать, что эта модель в данном случае не может Поскольку генерация и дрейф неосновных носителей — быть использована.

очень быстрые процессы (область нс) при достаточно Для проверки использованного предположения об одибольших значениях плотностей неравновесных носитенаковых значениях временных постоянных роста и спада лей заряда сколь-либо значительная временная задержка при помощи осциллографа была измерена зависимость не должна наблюдаться. Напротив, восстановление поR(t) при фиксированной энергии фотона для одного из верхностного заряда после выключения лазерного возобразцов. Хотя форма сигнала лишь немного отличалась буждения, происходящее путем захвата основных носиот прямоугольной, тем не менее в области роста и спада телей заряда, характеризуется временными постоянными было явно заметно запаздывание по отношению к сигнав области мкс–мс [11,12]. Это означает, что временная лу возбуждения. Визуально рост и спад R(t) имели вид постоянная, описывающая изменение сигнала ФО после экспоненциальных функций с примерно одинаковыми выключения возбуждения, не должна зависеть от ПЛВ.

временными постоянными. Это позволяет применить для В модели в случае 1/ ожидается 0; в расчета формулу (3). Результат перерасчета (L) для другом граничном случае (1/ 0) — 32.48.

одной из типичных зависимостей (L) представлен на В модели Шена и соавторов [13] предполагается, что рис. 1. Как видно из рисунка, полученная зависимость модуляция электрического поля обусловлена взаимодей (L) может быть хорошо промоделирована прямой линиствием поверхностных состояний с носителями заряда обоих знаков. Когда поверхностные состояния начинают терять свой заряд из-за рекомбинации с фотогенерированными неосновными носителями заряда, одновременно протекает конкурирующий процесс, заключающийся в захвате основных носителей заряда (так называемый ”ток восстановления”). Время, за которое эти два процесса приходят в равновесие, и определяет. Оно определяется емкостными эффектами в области пространственного заряда и для низких и средних уровней модуляции выражается следующим образом:

dJres 0 kT 1 qVs = RC = C = · · · exp. (2) dVs d q AT kT Здесь C — емкость системы поверхность– область проРис. 1. Зависимость характеристической временной посто странственного заряда, R — ее сопротивление, Jres — янной электромодуляционной E0-компоненты от плотности плотность тока восстановления, — диэлектрическая лазерного возбуждения L. Линейная зависимость наблюдается постоянная, q — элементарный заряд, d — толщина вплоть до L 100 мкВт/см2 (на рисунке не показано).

3 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 162 Р.В. Кузьменко, А.В. Ганжа, Э.П. Домашевская, С. Хильдебрандт, Й. Шрайбер ей. Поскольку фотонапряжение является логарифмической функцией от ПЛВ [5,6], из (2) ожидается линейная зависимость (L). Таким образом, полученный результат является дополнительным аргументом в пользу модели Шена.

Поскольку полученные значения лежат в области (3-6) · 10-5 с, это в соответствии с (1) означает, что отличная от нуля характеристическая временная посто янная в диапазоне использованных значений ПЛВ тем не менее не оказывает заметного воздействия на величину измеряемого сигнала. Таким образом, измеряемая экспериментально величина электромодуляционного сигнала Рис. 2. Типичные зависимости величины сигнала фотоотражеможет быть проинтерпретирована как истинная величиния A(L) от плотности лазерного возбуждения, обнаруженные на, обусловленная только параметрами модуляционного на трех исследованных образцах.

процесса.

Для исключения влияния длины волны лазерного возбуждения была проведена серия измерений с синим He-Cd-лазером ( = 441.6нм). При этом какого-либо Франца–Келдыша, их период и энергетическое положекачественного различия в наблюдаемых результатах об- ние остаются практически неизменными и определяются наружено не было. Тем не менее при использовании только значением электрического поля при отсутствии синего лазера принимали более низкие значения. Этот освещения и энергией электронно-оптического перехода.

результат легко может быть объяснен сдвигом области Напротив, величина сигнала в этой области определяется генерации неравновесных носителей заряда к поверхно- только уровнем модуляции поверхностного электричести образца. ского поля. Таким образом, является правомерным использование величины осцилляций Франца–Келдыша в качестве амплитудного фактора среднеполевого электроЗависимость A(L) модуляционного сигнала.

Определенные нами таким образом зависимости A(L) Понятие амплитудного фактора A до сих пор было вве- для нескольких образцов представлены на рис. 2. В кадено в литературе только в низкополевом случае, когда честве амплитудного фактора использовалась величина форма спектральной линии не зависит ни от значения второй положительной осцилляции Франца–Келдыша.

напряженности электрического поля, ни от уровня его Значения амплитудных факторов для одного и того же модуляции. В [5–7] показано, что в этом случае величи- значения ПЛВ значительно отличались от образца к на электромодуляционного сигнала является линейной образцу. Поэтому для сопоставления результатов измефункцией фотонапряжения или изменения поверхност- рений нами была предпринята нормировка. Проведенный ного потенциала Vs. Поскольку при фотовозбуждении количественный анализ показывает, что все наблюдаеVs является логарифмической функцией тока генери- мые зависимости A(L) могут быть хорошо описаны логаруемых неосновных носителей заряда к поверхности Jpc рифмической функцией. Благодаря этому можно сделать и ”тока восстановления” Jres, а Jpc — линейная функция вывод о том, что в диапазоне использованных значений от L, отсюда непосредственно следует логарифмическая ПЛВ амплитудный фактор среднеполевого электромозависимость A(L).

дуляционного сигнала является линейной функцией фоДля среднеполевой компоненты понятие амплитудно- тонапряжения или изменения поверхностного потенциаго фактора может быть введено аналитически только ла Vs.

в случае, если электрическое поле однородно во всей В заключение отметим, что целью работы быобласти возникновения сигнала ФО, и при освеще- ло исследование влияния ПЛВ на характеристичении полупроводника достигается его полное подавле- скую временную постоянную и величину сред ние [14,15]. В этом случае амплитудный фактор мог бы неполевой электромодуляционной компоненты. Обнабыть определен как коэффициент пропорциональности ружено, что изменение ПЛВ в диапазоне значений между уширенной электрооптической G-функцией [15] L = 100 мкВт/см2-1Вт/см2 приводит к изменению.

и измеряемой спектральной линией. В [3,4] было по- Однако это не оказывает заметного влияния на величину казано, что для реальных объектов эти условия не вы- измеряемого сигнала. Путем анализа экспериментальполняются, а спектральная форма компоненты не может ных данных и проведения расчетов в рамках ОМСМ ввебыть описана одним аналитическим выражением. Тем дено понятие амплитудного фактора для среднеполевой не менее проведенные в рамках ОМСМ [4] расчеты компоненты, а также предложен метод его определения.

показывают, что в области значений уровня модуляции Для исследованных образцов была обнаружена логарифэлектрического поля >0.05 форма линии осцилляций мическая зависимость A(L). Путем сравнения полученФизика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Влияние плотности лазерного возбуждения на характеристическую временную постоянную... ного результата с литературными данными показано, что Influence of laser pump density амплитудный фактор среднеполевого электромодуляциon the characteristic time constant онного сигнала является линейной функцией фотонаand the intensity of the intermediate-field пряжения. Благодаря проведенным исследованиям может electromodulation E0-component быть сделан вывод о том, что установлена типичная of the photoreflectance signal реакция среднеполевой компоненты на изменение ПЛВ в относительно широком диапазоне значений L.

R.V. Kusmenko, A.V. Ganzha, E.P. Domashevskaya, S. Hildebrandt, J. Schreiber Список литературы Solid State Physics Department, Voronezh State University, [1] D.E. Aspnes. Surf. Sci., 37, 418 (1973).

394038 Voronezh, Russia [2] H. Shen, M. Dutta. J. Appl. Phys., 78, 2151 (1995).

Fachbereich Physik der Martin Luther Universitt [3] J.P. Estrera, W.M. Duncan, R. Glosser. Phys. Rev. B, 49, Halle-Wittenberg, (1994).

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.