Введение к работе
Актуальность темы. Огромный интерес к явлению фотопроводимости (ФП) обусловлен тем фактом, что оно лежит в основе огромного количества фотоприёмников. К примеру, простое фотосопротивление позволяет регистрировать разнообразные излучения от далёкого инфракрасного (ИК) излучения до ядерных частиц высокой энергии. ФП наблюдается как в полупроводниках (ПП), так и в изоляторах. Полупроводниковые соединения А3В5 такие, как InP, GaP и GaAs широко применяются в изделиях микро-, наш- и оптоэлектроники. Основной интерес к InP обусловлен тем, что его спектр возбуждения ФП совпадает со спектром излучения серийных светодиодов на основе GaAs, что позволяет рассматривать InP как перспективный материал для изготовления резисторных оптопар.
Известно, что наличие в кристаллах атомов примесей в значительной мере определяют свойства материалов. Первоначально исследовались примеси, образующие "мелкие" водородоподобные уровни в зоне запрещённых энергий. В настоящее время их свойства хорошо изучены. Долгое время присутствие в материале примесей, создающих "глубокие" уровни, с энергией сравнимой с шириной запрещённой зоны, рассматривалось исключительно как нежелательное явление, ухудшающее свойства материала и приводящее к ускоренной деградации приборных структур. Однако теперь, в связи с быстрым темпом развития оптоэлектроники, значительно усилился интерес к оптическим, фотоэлектрическим, фотоёмкостным и др. явлениям в ПП, определяемым присутствием в них "глубоких" примесей. Введение таких примесей, как Си или Fe в материалы может значительно усилить их собственную фотопроводимость (СФП). Иными словами, легирование этими примесями соединений А3В5 позволяет изготавливать высокоэффективные фоторезисторы с большими значениями коэффициента усиления.
Большое число исследований посвящено изучению поведения примеси меди. Например, известно, что медь весьма перспективна как легирующий элемент для получения высокоомных фосфидов индия и галлия путём сильной компенсации их исходного типа проводимости, но до сих пор отсутствует единое мнение о физической природе причин сенсибилизации СФП медью, практически не известна её роль в процессах рекомбинации. Имеющиеся представления о характере взаимодействия примесных атомов меди с кристаллической решёткой ПП весьма приблизительны, вследствие полного отсутствия данных измерений методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
>
Свойство меди легко диффундировать в ПП материалах определило представление о междоузельном размещении атомов в решётке, однако, установленный акцепторный характер поведения примеси, а также величина её предельной растворимости привели к выводу о двойственном поведении меди. Последние исследования ФП позволили сформулировать представления о бистабильности узельного состояния меди в InP и GaP, когда примесный атом, находящийся в одном и том же зарядовом состоянии, может изменять свою координацию. Подобная модель вполне способна объяснить ряд электрических и фотоэлектрических свойств легированных материалов. Тем не менее необходимы дополнительные исследования, которые должны устранить неоднозначность объяснения часто рознящихся экспериментальных результатов.
Бистабильность примесных состояний меди связывается с различным характером её локализации в решётке, тем не менее представляет интерес поиск проявления аналогичных свойств другими представителями переходных металлов, в частности, примесью железа с устойчивой внешней оболочкой, но возможностью образования трёх зарядовых состояний.
Работа выполнялась в соответствии с планом Госбюджетных работ 2004.34 "Исследование полупроводниковых материалов (Si, А В5, А2В6), приборов на их основе и технологии их изготовления", государственный регистрационный номер №01200412882.
Цель исследований заключается в изучении влияния эффектов перезарядки примесных центров с глубокими уровнями на вид спектров СФП полупроводниковых фосфидов.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
-
Установить степень влияния способа обработки поверхности образца, а также выбора материала контактов и режимов токопереноса на вид спектров СФП.
-
Провести сравнение спектров СФП компенсированных полупроводников примесями с различной электрической активностью и различным характером локализации в кристаллической решётке.
-
Оценить адекватность использования модели с пространственным изменением времени жизни неравновесных носителей заряда для описания спектров СФП для GaP:Cu, InP:Cu и InP:Fe.
Образцы и методы исследования. В исследованиях использовались высокоомные монокристаллические образцы InP, изначально легированные Те и компенсированные примесями Си и Fe.
Для решения поставленных задач был использован однолучевой модуляционный метод измерения фотопроводимости в широком ин-
тервале температур с 80 до 300К. Измерения проводились на измери-тельно-вычеслителышм комплексе СДЛ-2, также на спектрофотометре ИКС-21 с использованием азотного криостата при работе с низкими температурами.
Научная новизна результатов работы
Установлено, что в InP:Cu аномалия спектров СФП в виде дополнительных экстремумов появляется вследствие механической обработки поверхности. Эффекты механической полировки приводят к появлению нестабильности спектров СФП, которая проявляется в исчезновении аномалий.
Экспериментально показано, что аномалия может быть обусловлена не только эффектами характера локализации примеси в решетке в случае InP:Cu, но и эффектами перезарядки центров с глубокими уровнями не меняющих характер локализации в случае InP:Fe.
Установлено, что эффект механической обработки наблюдается в случае легирования образца медью. Высказывается предположение о влиянии остаточных механических напряжений, возникающих после механической обработки на характер локализации атомов примеси в решётке.
Показано, что достижение режима инжекции носителей заряда из металлических контактов при повышении подаваемого на образец напряжения приводит к увеличению амплитуды фундаментального максимума, что объясняется стимулированием инжектированных носителей одного из состояний локализации атомов меди в случае с InP:Cu и перезарядки центров железа в случае с InP:Fe.
Практическая значимость проведённых исследований:
-
Исследования показали, что InP:Cu как и InP:Fe обладают высокой фоточувствительностью в собственной области поглощения, совпадающей со спектром излучения серийных светодиодов на основе GaAs. Это означает, что данные материалы можно использовать для создания высокоэффективных резисторных оптопар.
-
Показано, что область спектральной чувствительности InP:Cu может быть расширена в коротковолновую область при условии решения задачи стабилизации свойств полированной поверхности.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту Аномалия спектров СФП в виде дополнительных экстремумов в случае с InP:Cu обусловлена влиянием реконструкции центров меди в решётке (уровни А' и В4), а в случае с InP:Fe влиянием перезарядки внутренней d оболочки железа (d5, d6 и d7) на распределение рекомбина-ционного параметра по глубине образца.
Остаточные напряжения, создаваемые механической полировкой могут способствовать перестройке атомов меди из состояния В+ в А" вблизи поверхности образца, увеличивая при этом времена жизни в околоповерхностной области образца, приводя к усилению высокоэнергетического (аномального) максимума СФП -1.35 эВ.
Инжекция электронов из металлических контактов приводит к преобладанию в объёме энергетических уровней, способных принимать только дырки (в случае ЬгР:Си это уровень А", в случае InP:Fe это уровень, соответствующий заполнению d оболочки семью электронами). Это приводит к увеличению времени жизни носителей в объёме, усиливая при этом "объёмный" низкознергетический максимум СФП -1.30 эВ.
Достоверность полученных результатов определяется построением физических моделей с учётом основных явлений, определяющих свойства процессов или объектов, многократной экспериментальной проверкой результатов измерений, большая часть которьк получена с использованием управляемого компьютером спектрально-вычислительного комплекса. При измерениях использовались апробированные методики, аттестованная и поверенная аппаратура. Экспериментальные результаты дополняются данными численного моделирования. Часть полученных результатов согласуется с результатами и выводами других авторов.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabView и технологии National Instruments" (Москва, 2006); дважды на Международной научной конференции, посвященной 15-летнему юбилею Международного института компьютерных технологий (Воронеж, 2007); VII Международной научной конференции "Химия твёрдого тела и современные микро- и на-нотехнологии" (Кисловодск, 2007); Международной научной конференции "Актуальные проблемы физики твёрдого тела" (Минск, 2007); Всероссийской научно-практической конференции курсантов, слушателей, адъюнктов и соискателей "Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем" (Воронеж, 2008); X Международной конференции "Опте-, наноэлектроника, нано-технологии и микросистемы" (Ульяновск, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,2, 5, 7, 9-12] исследование спектров собственной фотопроводимости InP:Cu и InP:Fe при раз-
личных условиях проведения эксперимента, обработка и аппроксимация полученных спектров при помощи средств ЭВМ, [3,4, 6, 8] автоматизация и модернизация измерительных установок на базе комплекса СДЛ-2 и инфракрасного спектрометра ИКС-21.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основная часть работы изложена на 161 странице, содержит 97 рисунков и список литературы из 141 наименования.
