Салим Мадрахмович Отажонов
Фотоэлектрические явления в широкозонных полупроводниковых гетероструктурах с глубокими примесными уровнями. Монография

Редактор Ибратжон Хатамович Алиев

Редактор Боходир Хошимович Каримов

Редактор Оббозхон Хакимович Кулдошев

Рецензент, доктор физико-математических наук, профессор Ферганского политехнческого института Носиржон Хайдарович Юлдашев

Рецензент, кандидат технических наук, доцент физико-технического факультета Ферганского государственного университета Якуб Усманович Усмонов

Иллюстратор Ибратжон Хатамович Алиев

Иллюстратор Боходир Хошимович Каримов

Иллюстратор Салим Мадрахимович Отажонов

Дизайнер обложки Ибратжон Хатамович Алиев

Дизайнер обложки Боходир Хошимович Кримов

Дизайнер обложки Салим Мадрахимович Отажонов

Корректор Ибратжон Хатамович Алиев

Корректор Боходир Хошимович Каримов

ISBN 978-5-0059-1351-7

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Введение

Физические свойства и механизм образования фото-ЭДС в пленках А₂В₆ исследовались во многих работах [2—7], но глубокие уровни в них почти не изучались. В то же время, комплексное изучение фото-ЭДС и фотопроводимости позволяет определить не только энергии их активации, но и свойства межкристаллических барьеров вдоль слоя, а также их различия на поверхности и в глубине слоя. В данной главе рассмотрим структуру края поглощения пленок, что необходимо для упрощения анализа спектров фотопроводимости и тока короткого замыкания, а также систематизируем электрофизические свойства слоев, полученных с разной скоростью конденсации. Будут рассмотрены и некоторые простые феноменологические модели этих слоев. В конце главы сделана попытка построить более реальную модель АФН-пленки и теорию образования АФН в косо напылённых поликристаллических пленках в области собственного и примесного поглощения света.

§1. Край поглощения света тонких пленок CdTe с глубокими уровнями

Изучение спектральных зависимостей оптических постоянных в области края поглощения является весьма эффективным методом исследования особенностей дефектности строения энергетических зон в тонких пленках. В связи с этим нами были измерены коэффициенты пропускания (Т) при перпендикулярном освещении слоев теллурида кадмия, полученных при разных скоростях конденсации. Как известно, коэффициент пропускания зависит от оптических постоянных: показателя преломления пленок (n) и коэффициента экстинкции (k), толщины пленки (d), длины волны света (λ), а также от показателя преломления подложки (n₁).

На рис.1. представлена зависимость T от энергии кванта света (hν) для пленок CdTe: Ag, полученных при разных скоростях конденсации (см. табл.1.).

Из рисунка видно, что в длинноволновой области спектра в пленках наблюдается интерференция. Для пленок, полученных со скоростью конденсации 0.2 и 1.73 нм/c в области спектра hν = 0.5—1.0 эВ, T_max достигает 90—97%. При скоростях конденсации 2.5 нм/с T_max и T_min интерференции уменьшаются (кривая 3) и T_max достигает 30% в длинноволновой области спектра. В пленках, полученных при сравнительно больших скоростях 2,53 нм/с, интерференция наблюдается только в области 2—2.5 мкм, а T_max в этой области достигал 20%. Отсюда следует, что с увеличением скорости конденсации коэффициент пропускания уменьшается.

Далее с использованием метода огибающих функций максимумов и минимумов интерференции, изложенного в главе II, мы определяли показатель преломления, толщину пленок d, значения которых приведены в таблице 1 и являются несущественно меньшими, чем в монокристаллах n =2.7 при λ=1.5 мкм [25], что совпадают данным полученным, для пленок CdSe [26].

Кроме того, толщина пленок определялась с помощью микроинтерферометров МИИ – 4 и МИИ – 9 посредством смещения интерференционных полос, возникающих при отражении света от поверхности слоя и подложки. Величина d, вычисленная по формуле (2.5.10) совпадает по погрешности с измеренной на МИИ – 4 и МИИ – 9. Затем, зная значения n, d, мы определяли коэффициент поглощения () c помощью формулы (2.5.8) и представили их зависимости от hν на рис. 2. Как видно, в спектрах поглощения света в этих пленках имеется явно выраженная примесная полоса поглощения. В области (1.46—1.5) эВ поглощение света почти совпадает с данными для монокристаллов (имеется длинноволновый сдвиг около 0.02 эВ) и соответствует собственной полосе поглощения. Длинноволновый сдвиг может быть объяснен внутренним механическим напряжением в пленке 2.5·10⁸ Па, если использовать для барического коэффициента изменения ширины запрещенной зоны значение эВ· см²/кГ [24]. Далее имеется одна более явно выраженная полоса с красной границей около 1.3 эВ и другая, не подающаяся надежной расшифровке, в которой коэффициент поглощения уменьшается от порядка 10³ до 10²см^-1 в области 0.7—1.3 эВ (рис.2). Обе эти полосы связаны с поглощением света глубокими центрами.

Отметим, что в исследуемых нами пленках поглощение в примесной области вблизи края поглощения достаточно большое 10⁴см^-1, как и при собственном поглощении обусловливает пространственно неоднородное возбуждение носителей.

§2. Некоторые общие соображения о спектральном распределении фотоЭДС и фотопроводимости

Анализ спектров фотопроводимости (ФП) и фото-ЭДС проведен, поддерживаясь следующих общеизвестных положений:

а) если толщина полупроводника превышает длину диффузии неравновесных носителей, то при возбуждении сильно поглощаемым светом ФП определяется скоростью генерации и рекомбинации носителей в области генерации носителей (когда

то в слое толщиной, равной длине диффузии носителей, можно пренебречь изгибом зон на поверхности). В тех же условиях фото-ЭДС генерируется на барьерах в той же области, а результирующая ЭДС на контактах определяется эффективной схемой образца. На краю поглощения, когда свет слабо поглощается, в объеме возможно как увеличение фотопроводимости, если скорость рекомбинации на поверхности больше, чем в объеме, так и уменьшение, когда уменьшается скорость генерации носителей из-за увеличения прозрачности образца. Переход к примесной фотогенерации носителей будет выявляться, если меняется время их жизни. Если носители возбуждаются из мелких уровней, из которых происходит быстрая термическая активизация неравновесных носителей, то в этих условиях генерация фото-ЭДС при собственном и примесном поглощении определяется только свойствами области поглощения света;

б) если толщина образца меньше длины диффузии, то возбужденные как в объеме, так и на поверхности носители будут рекомбинировать на тех же центрах, которые захватывают не основные носители. При переходе к примесной генерации носителей может меняться их время жизни и, как в первом случае, возможны особенности, связанные со свойствами глубоких уровней (характером конкуренции различных каналов рекомбинации при наличии термической генерации не основных носителей).

в) если имеются межкристаллические барьеры в толщине слоя (в глубь образца), то при генерации носителей на поверхности фотопроводимость и фото-ЭДС определяется размерами этого кристаллита с учетом захвата носителей на межкристаллитный барьер, который играет роль рекомбинационного барьера. При объемной генерации эффект от всех барьеров должен суммироваться с учетом их взаиморасположения;

г) если имеются межкристаллические барьеры вдоль слоя, то возбужденные неосновные носители, захватываясь в них, меняют их высоту и этим уменьшают дрейфовый барьер. При этом барьеры могут быть разной величины, и ток будет определять наименьший барьер (уровень протекания), а время жизни этих носителей – наибольший барьер. Величина барьеров определяется концентрацией поверхностных состояний и свойствами кристаллита, определяющий экранирование заряда на поверхности. В случае малых кристаллитов барьеры будут меньше, чем в больших, когда длина экранирования сравнима или больше их размеров.

В дальнейшем приводятся результаты исследования спектрального распределения тока короткого замыкания I_кз и ФП тех же образцов, у которых проведены рентгеновские и электронно-микроскопические исследования структуры. Основные закономерности спектров I_кз и ФП у всех типах образцов сохраняются (рис. 3, 4, 5): имеется коротковолновый спад I_кз по сравнению с ФП, что указывает на меньшую асимметрию межкристаллитных барьеров на поверхности; в области края поглощения (1.3—1.6 эВ) ФП и I_кз пропорциональны, что указывает на одинаковую роль носителей и в ФП, и генерации АФН; в более длинноволновой области имеется примесная генерация носителей, причем в ФП проявляется большее число глубоких уровней с характерными энергиями около 0.6; 0.9; 1.03 эВ (рис. 3, кривая 1). Сопоставление спектров ФП и I_кз со спектром α (см.2) показывает, что световые кванты с энергией 1.3 эВ и больше поглощаются, создавая свободные электроны и дырки (из уровней с Е_ОПТ = 1.3 эВ, т. е. Е_v +0.20 эВ дырки высвобождаются термическим путем), поэтому различия в собственной и примесной ФП или генерации I_кз не выявляются. При этом скорость поверхностной рекомбинации роли не играет, и ФП почти не зависит от энергии кванта в области собственного поглощения.

Уменьшение I_кз в этой области, наблюдаемое в некоторых слоях, по-видимому, связано с уменьшением асимметрии барьеров у самой поверхности или увеличением роли шунтирования барьеров. На значение I_кз во всех слоях влияет генерация из уровней с энергией активации около 1,03 эВ. Только в пленках, выращенных на SiO₂ – Si в более длинноволновой части спектра генерируется фото-ЭДС обратной полярности; характерные энергии уровней около 0.4 и 0.7 эВ (рис. 5). При генерации носителей фотонами с энергией эВ фото-ЭДС гасится. Сопоставление всех спектров показывает, что спектры ФП и I_кз в области края собственного поглощения сдвинуты в разных слоях относительно друг друга на величину до 0.05 эВ. Это может быть вызвано внутренним механическим напряжением, разность которого в слоях при медленном и быстром наращивании, (если использовать dE/dP=7.9×10^—6 эВ× см²/кГ [24]), составляет около 6.3×10⁸ Па. При быстром напылении на стекле и на SiO₂ —Si внутреннее напряжение получается практически одинаковым.

Отметим, что эти микронапряжения свойственны самой пленке, так как в [21] показано, что в пленках, толщина которых превышает 0.3 мкм, микронапряжения от ее толщины не меняются. Микронапряжения в пленках при медленном испарении распределяются между большим числом кристаллитов и слабее выражаются при определении свойств пленок. В пленках, полученных при быстром испарении, микронапряжения, возможно, приводят к возникновению кристаллитов со ступенчатой структурой: в начальной стадии наращивания пленок происходит конкуренция между частицами с различной ориентировкой, которое приводит к микро-искажению. Выживают те кристаллы, которые ориентированы по направлению молекулярного пучка. На растущих кристаллитах с микро-искажением при определенной их величине возникают условия эпитаксиального роста других кристаллитов. По видимо, большие микроискажения в кристаллитах возникающие при быстром напылении, обусловливают различия в свойствах барьера у поверхности и у подложки, что приводит к инверсии знака фото-ЭДС при фронтальном и тыловом возбуждениях в таких пленках (см. также §4).

Купить и скачать всю книгу

1 2 3 4 5 6 7