Введение к работе
Актуальность темы. Фосфид индия (InP) - полупроводниковое соединение, которое находит широкое применение в изделиях оптоэлектронной техники и получает все большее распространение. Этот полупроводниковый материал может эффективно использоваться в качестве приемников излучения, в том числе рентгеновского, но применяется и для более сложных устройств.
Присутствие в кристаллах полупроводников (в том числе и в InP) примесных атомов может значительным образом повлиять на свойства материала. Особое место здесь занимает медь, входящая в ряд переходных элементов. Её особенностью является то, что в образовании химических связей могут принимать участие электроны с внутренних Зс!-оболочек. Введение меди в полупроводниковые соединения A"'BV способствует появлению в кристалле глубоких центров, которые приводят к проявлению фотоочувствляющих свойств. Выполненные в последнее время исследования методами фотопроводимости позволили создать модельные представления об амфотерности и бистабилыюсти состояний меди в фосфидах галлия и индия. Примесь может изменять свою координацию, находясь в одном и том же зарядовом состоянии.
Несмотря на длительное изучение и большой объем экспериментальных данных по влиянию меди на фотоэлектрические свойства InP, объяснения поведения этой примеси зачастую противоречивы. Проведение дополнительных исследований необходимо для устранения существующих разногласий.
Работа выполнялась в соответствии с планом Госбюджетной работы 2004.34 «Исследование полупроводниковых материалов (Si, AJB5, А2В6), приборов на их основе и технологии их изготовления», Государственный регистрационный номер №01200412882.
Цель и задачи исследования состоят в изучении природы примесных центров в фосфиде индия, компенсированном медью, их влияния на фотоэлектрические свойства при воздействии комбинированного излучения в условиях различной температуры.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
обеспечить проведение измерений спектров фотопроводимости (ФП) в собственной и примесной области при условии постоянства светового потока в автоматическом режиме с помощью компьютера;
выполнить экспериментальные исследования спектров гашения и сенсибилизации ФП при воздействии дополнительного излучения с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны (Eg) при различных температурах;
исследовать спектры гашения и сенсибилизации собственной фотопроводимости (СФП) InP:Cu при воздействии примесного излучения при различных температурах;
изучить примесную ФП InP:Cu в длинноволновой области спектра для обнаружения внутрицентрового перехода, аналогичного в GaP:Cu;
исследовать особенности кинетик релаксации ФП в 1пР:Си в условиях комбинированного излучения для установления особенности участвующих процессов.
Методы исследования. Чтобы решить поставленные задачи, использовались следующие методы изучения фотоэлектрических свойств 1пР:Си:
модуляционный метод измерения ФП при различных температурах;
комбинированный модуляционный метод измерения фотопроводимости при различных температурах;
модуляционный метод измерения кинетик релаксации фотопроводимости при различных температурах;
комбинированный стационарный метод измерения кинетик релаксации фотопроводимости при различных температурах;
метод сдвига фазы между модулируемым возбуждающим световым пучком и фотопроводимостью.
Научная новизна заключается в том, что в работе впервые:
- в InP:Cu обнаружена куполообразная полоса примесной фотопроводи
мости с максимумом при 0,34 эВ. Экспериментально показано, что её форма и
максимум не зависят от интенсивности излучения, напряженности электриче
ского поля и температуры. Происхождение полосы объясняется внутрицентро-
вым возбуждением примеси меди;
путем аппроксимации форм-функцией Пекара рассчитаны параметры внутрицентрового перехода: энергия, составляющая 0,31 эВ и константа элек-трон-фононного взаимодействия равная 1;
из полученной температурной зависимости максимума фотопроводимости при внутрицентровом возбуждении найдена термическая энергия активации, равная 0,41 эВ, что наряду с температурной зависимостью темновой проводимости (0,45 эВ) подтверждает автокомпенсацию легированного медью материала;
в коротковолновой части спектра примесной ФП 1пР:Си обнаружен «обратный фотопозисторный» эффект с температурой 357 К, имеющий при энергии излучения 0,65 эВ термические энергии активации 0,22 и 0,15 эВ, что предположительно связывается с двумя примесными состояниями меди;
- релаксационные процессы, обусловленные примесью меди, имеют
сложную зависимость от энергии квантов, их длительность меняется на три по
рядка от ~0,1 до -100 мс;
- наблюдаемые эффекты гашения, очувствления и длительные кинетики
релаксации ФП в InP:Cu возникают из-за пространственного распределения различных зарядовых состояний примеси меди (образованного областью поверхностного потенциала) и различной глубиной проникновения квантов света, вызывающих межзонные переходы.
Пряктическая значимость работы
-
Обнаруженное внутрицентровое возбуждение меди в InP позволяет расширить спектральный диапазон фоточувствителыюсти к излучению до -4,5 мкм, что можно использовать при разработке резисторных онтопар длинноволнового диапазона.
-
Найденные эффекты при комбинированном излучении (переход положительной фотопроводимости в отрицательную) позволяют изменять функциональные характеристики приемников оптического излучения дополнительным оптическим воздействием.
-
Существование температурной точки перехода от роста фотопроводимости к её уменьшению («обратный фотопозисторный» эффект) может быть использовано в системах термостабилизации оптронного типа.
-
На основе наблюдаемых больших времен релаксации (достигающих ~0,5 с при Т=300 К и нескольких сотен секунд при охлаждении) в InP.Cu возможна разработка материалов с большим коэффициентом фотоусиления.
-
Создана установка на базе инфракрасного спектрометра ИКС-21, обеспечивающая проведение измерений спектров фотопроводимости в собственной и примесной области в автоматическом режиме при постоянстве светового потока, что позволяет уменьшить трудоемкость и влияние человеческого фактора на результаты эксперимента при исследовании фотоэлектрических свойств полупроводников.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Обнаруженная куполообразная полоса фотопроводимости в длинноволновой части спектра InP:Cu с порогом 0,26 эВ и максимумом 0,34 эВ обусловлена внутрицентровым возбуждением примеси меди. Медь обладает бис-табильностыо и ее переход из устойчивого состояния в неравновесное приводит к увеличению времени жизни дырок.
-
Энергии термической активации максимума фотопроводимости при hv=0,34 эВ и темповой проводимости, связаны с автокомпенсацией легированного медью InP.
-
Постоянная времени переходных процессов фотопроводимости при комнатной температуре в длинноволновой части спектра (при энергии излучения 0,34 эВ) составляет величину на три порядка меньшую, чем в коротковол-
новой части, что подтверждает протекание резонансного фотовозбуждения через метастабильный центр меди А+.
4. Эффекты гашения и сенсибилизации фотопроводимости в InP:Cu, проявляющиеся в результате дополнительного излучения, возникают из-за появления квазиравновесных состояний меди, образующихся при дополнительном фотовозбуждении носителей в объеме образца или в области пространственного потенциала, а также распределения центров меди в объеме и ОПЗ 1пР.
Достоверность полученных результатов определяется построением физических моделей с учетом основных явлений, определяющих свойства объектов или процессов, неоднократной экспериментальной проверкой результатов измерений, основная часть которых получена с использованием автоматизированного управляемого компьютером спектрально-вычислительного комплекса. При измерениях использовались апробированные методики, аттестованное и поверенное лабораторное оборудование. Параметры экспериментальных зависимостей определялись с помощью минимизации ошибок с использованием современных программных средств. Часть полученных результатов согласуется с выводами и результатами 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); Международной научной конференции, посвященной 15-летнему юбилею Международного института компьютерных технологий (Воронеж, 2007) (дважды); VII Международной научной конференции «Химия твёрдого тела и современные микро- и ианотехнологии» (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 защищенности телекоммуникационных систем» (Воронеж, 2008); X Международной конференции "Опто-, наноэлектроника, ианотехнологии 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 приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: изготовление аппаратно-программного комплекса [3-4, 6], получение экспериментальных результатов исследований [1, 5, 8, 10-11], их обработка при помощи средств вычислительной техники [9, 11-12], обсуждение и подготовка научных публикаций [1-2, 7-11].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 115 наименований. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 49 рисунков, 5 таблиц.
