Введение к работе
Анхуальлоепі^теиьі. Тенденции развития современной физики и техники полупроводников во многой определяются вовлечением в круг исследований новых материалов и структур на алмазоподобных полупроводниках. В последние годы усиливается интерес к анизотропным пат^риалаи на основе тройных соединений II-Ш-Уг-аналогов бинарных полупроводников III-V. Уникальные свойства тройных полупроводников СоТСУТСТВИЄ цеНТРа ИНВСРСИИ. СНЯТИе ВЫРОЖДеНИЯ ВйЛОНТ-
ной зоны, высокая нелинейная восприимчивость.естественный фото-плеохриизн и др.) делают их перспективными материалами твердотельной электроники. Широкий диапазон изменения Физико-технологических параметров этих соединений удовлетворяет, с одной стороны, требованиям техники,а с другой - всегда сулит надежды на обнаружение новых необычных яалений в многокомпонентных алмазоподобных Фазах. Обнаружание эффективной параметрической генерации, сильной поляризации рекомбинационного излучения и эмиттированних электронов, высокой поляризационной фоточувствительности и др. подтверждает обоснованность таких ожиданий. Между исследованиями бинарных и их более сложных аналогов установилась тесная генетическая связь, позволяющая на пути от простого к сложному проследить влияние усложнения атомного состава, а выявив новые закономерности в сложных Фазах, попытаться воспроизвести их в более простых. Иллюстрацией .юследнего является то. как обнаружение естественного фоголлеихроизма СЕЮ в тройных полупроводниках стимулировало открытие наведенного фотоплеохроизиа СНФ) в бинарных полупроводниках.
Основными объектами в настоящей работе являются диодные структуры из диарсенида кадмия и крєнния .а также его изотропных аналогов из числе полупроводников Пі-V CGaAs и др. ).
В связи с возможностями широкого применения CdSiAsz в полупроводниковой олтоэлектронике актуальными являются как совершенствование параметров кристаллов и различных диодных структур из них, так и комплексные исследования физических процессов в таких структурах. Этот вопрос ваїжен. т.к. позволяет судить о практических возможностях структур на основы анизотропных материалов в сопоставлении со свойствами таких структур в изотропных полупроводниковых соединениях IU-V.
К ка илу настоящей работы Фотоэлектрические процессы в сірукіу
pax на осново CdSiAs2 были изучены недостаточно, что обусловлено трудностями приготовления ориентированных образцов для поляризационных измерений, недостаточной фоточувствительностью и ограниченный кругом созданных типов таких структур. Отсутствовали сведения по анизотропии токопереноса в кристаллах II—IV-V2 р-типа нрОподимос:їй. что связано с недостаточный для таких исследований уровнем электрической однородности вещества. Оставался не изученный вопрос о зависимости поляризационной фоточувствительности от рижипов Фоторегистрации в диодных структурах t<^ осново анизотропных полупроводников в линейно-поляризованной излучении ( ЛПИ ). Не были разработаны структуры, позволяющие реализовать эффект гигантского Фотоплеохроизма. Наконец, наведенный Фотоплеохроизм в бинарных аналогах CdSiAS2 - полупроводниках 111—V оставался практически не изученный.
Выбор диарсенида кадмия и крепния и его бинарных аналогов в качестве объектов исследования был продиктован прикладной значимостью диодных структур, которые могут широко применяться при создании устройств поляризационной оптоэлектроники. что и определяет актуальность данной работы.
Целью работы является экспериментальное исследование фотоэлектрических свойств однородных монокристаллов, а также диодных структур из CdSiflS2 и его аналогов III-V с применением поляризационной спектроскопии, направленное в научном плане на выявление закономерностей естественной и наведенной Фотоэлектрической анизотропии, а в практическом - на установление оптимальных условий создания различных структур и управления их поляризационными параметрами,
В связи с этим в данной работе ставились следующие задачи:
-
Исследовать анизотропию явлений переноса носителей заряда в кристаллах с решеткой халькопирита.
-
Изучить поведение прітесоЛ II 1-й группы в кристаллах CdSiAss.
-
Исследовать влияние термодинамического равновесия в системе кристалл-пар на процесс конверсии типа проводимости и разработать режимы получения гоиопереходов СГПЭ n-p-CdSlAs2.
-
Исследовать возможности получения фогочувствительных СТРУКТУР на основе кристаллов CdSlAs2. легированных элементами третьей
-
Изучить зависимость ЕФ от режима фоторегистрации в широком диапазоне интенсивностей линейно-поляризованного излучения.
-
Получить структуры с поляризационной инверсией знака Фотото-
I 1
-5-ка и исследовать эффект усиления ЕФ в CdSiAs2-
?. Выполнить исследования закономерностей НФ в барьерах Шоттки и гетероструктурах СГС) из полупроводников III-U.
8. Реализовать эффект усиления НФ в структурах на полупроводниках III-V.
Научную новизну представленных в работе исследований составляют! -выявленная по температурным зависимостям кинетических коэффициентов на ориентированных электрически однородных монокристаллах полупроводников II-IV-U2 р-типа проводимости анизотропия то-копвреноса дырок и ее коррвлдяция с тетрагональной деформацией решетки халькопирита!
-результаты по создании и комплексным исследованиям Фотоэлектрических процессов в п-р-структурахна основе ориентированных монокристаллов p-CdSlAs2. позволившие расширить функциональный диапазон по отношении к структурам на бинарных аналогах и выявить закономерности поляризационной фоточувствителькости;
-результаты комплексных исследований фотоэлектрических и люминесцентных свойств монокристаллов CdSiAs2. подвергнутых различным видан легирования, что позволило сдвинуть верхнюю границу концентрации дырок до 5.5»Ю1е си-3 (300 К) и контролировать поляризационную ФОТОЧУВСТВИТвЛЬНОСТЬ СТРУКТУР)
-установленные закономерности поляризационной фоточувстви тельности впервые созданных структур n-In203/p-CdSlAs2
-экспериментальные данные по зависимостям ЕФ от интенсивности излучения при двух различных режимах Фоторегистрации, что обеспечивает использование Фотоприепников на анизотропных полупроводниках для детектирования Са) интенсивности или Сб) поляризации излучения и позволяет определить высоту барьера в готовых структурах:
-результаты создания двухбарьеркых структур с встречно направ-линными электрическими полями и реализация условий поляризационной инверсии знака фототока, обеспечивающзй проявление селективного эффекта усиления естественного Фотоплеохроизма в структурах п-In203/p-CdSlAs2»
-результаты поляризационных измерений Фоточувствитедьности барьеров Шоттки и эпитаксиальнмх структур из полупроводникое
І І
II I-V на кремниевых подложках, позволившие выявить закономерности наведенного Фотоплеохроизма, что открыло возможности применений главных материалов полупроводниковой электроники с высокоразвитой технологией при создании высокочувствительных фотоанализа-торов ЛПИ;
-результаты по разработке на эпитаксиальных слоях III-V двух-барьернык структур с встречно включенныии электрическими полями и обнаружение поляризационной инверсии знака Фоготока, вызывающей эффект усиления наведенного Фотоплеохроизма.
Наулная _ и__пр_ак_тическаа._значиир_с_т_ь представленных в диссертации результатов состоит в получении количественной информации о параметрах энергетического спектра легированных кристаллов CdSiAs2 и поляризационной фоточувствителькости созданных структур. что необходимо для использования CdSiAs2 в полупроводниковой электронике. Полученные в данной работе экспериментальные данные по анизотропии токопереиоса могут стимулировать развитие теоретических исследований энергетического спектра и механизмов рассеяния носителей заряда в кристаллах с решеткой халькопирита. Разработаны основы технологии создания ГП на CdSiAs2 с рекордными параметрами. Предложены новые поляризационные методы экспрессного определения высоты энергетического барьера в готовых фотодиодах. Доказана целесообразность применения различных типов энергетических барьеров на эпитаксиальных слоях IH-V в поляризационной фото-электронике. На кристаллах CciSlA52 и его бинарных аналогах создан ряд структур с поляризационной инверсией знака фототока, обусловливающей эффекты усиления естественного и наведенного фотоплеохроизма.
Основные научные положения, выносимые на защиту :
1.Термообработка монокристаллов p-CdSiAs2 в вакууме сопровождается диссоциацией, вызывающей изменения состава твердой фазы в пределах области гомоген"ости соединения, что приводит к конверсии типа проводимости р*п на за'данную глубину и созданию п-р-пе-реходов с рекордными параметрами.
2.Спектральный контур поляризационной разности фототока гетеро-структур на основе легированных монокристаллов p-CdSiAs2 определяется природой и способом введения примеси.
3.Естественный фотоплеохроизм ячеек H20/p-CdSiAs2 определяется анизотропией фотоактивного примесного и межзонного поглощения излучения веществом Фотоэлектрода, а отсутствие инверсии его знака в коротковолновой спектральной области указывает на достаточное
-7-соеиршекство границы СсіЗіАєг-злектролит.
4.Коэффициент Холла в кристаллах I1-IU-V2 с решеткой халькопирита изотропен, что свидетельствует в пользу одноэллипсоидной «одели свободных дон. тогда как подвижность дырок преобладает в направлении тетрагональной оси. причем коэффициент анизотропии падает с понижением естественной тетрагональной деформации.
5.Максимальный динамический диапазон в поляризационно-чувстви-телыш:: структурах с постоянный значением коэффициента Фотоплеох-роизпа достигается при регистрации Фототека короткого замыкания, тогда как регистрируемый по фотонапряжению холостого хода естественный Фотоплеохроизм при превышении определенного уровня плотности потока ЛИИ компенсируется до нуля, когда фотонапряжеш-іе сравнивается с диффузионной разностью потенциалов. Физической причиной исчезновения Фотоэлектрической анизотропии является то. чти Фотинапряжение в поляризациях Е II с и ЕЛс"растет лишь до тех пир. ішк.і не исчезнет потенциальный барьер.
G.Эффект усиления ЕФ структур n-p-CdSifts2/In203 обусловлен конкуренцией процессов разделения Фотогенерированных носителей противоположно направленными электрическими поляни ГП и ГС. что и обеспечивает инверсию знака Фототока при изменении поляризации излучения. Резкое увеличение ЕФ (3 ) отвечает выравниванию аосо-лютних значений фототоков для поляризаций Е И с и Е1с. а спектральное положение точки инверсии знака контролируется внешним электрическим полем.
7.При наклонном падении Я1Н на приемную плоскость структур с потенциальным барьером в полупроводниках с реыеткой сФалєритаСАи/Gafis.GaAs/Si и др.5 возникает поляризационная Фочо-чувстаителыюсть, спектральный диапазон которой определяется свойствами контактирующих Фаз и барьеров, а величина Нч' регулируется углом падения ЛИИ на приемную плоскость и чувствительна к ее совершенству. Структуры с наведенным Фотоплеохроизмом в кристаллах ІІІ-V о&еспечив.іпт рекордные значения азимутальной Фото-чув.:і'ьитєдьности 5^0.21 а/Вт-град.
8. В двухбарьь-рных структурах со встречно-направленными полями CAu/r.afts/fiu.p-n-GaP/p-Si и др.) из-за конкуренции фототоков, образующих эти структуры барьеров, при определенной энергии фотонов происходит инверсия знака фототека, которая при наклонном падении ЛН1 вызывает эффект усиления наведенного фотоплеохроизма, величина которого достигает -900 '/..
Приоритет результатов. Пгедсіавленные результаты. по которын
-8-с+оркулироааны научные положения, получены впервые.
йШММщШ_ЕМйШ! Основные результаты работы докладывались ка VII 1-й и 1Х-й Международных конференциях "Тройные и многокомпонентные соединения" (.Кишинев. 1990 ; НокогакаЛ993)s на Международном совещании "Оптоэлектроника-89" (Баку.1989); на XI 1-й Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев.1990)( на 1-й Всесоюзной конференции по фотоэлектрический явлениям в полупроводниках (Ташкент,1989); на Международной совещании по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердом теле (ВарнаЛ989); на 1-й школе ФТФ JITIH-ФТИ (Ленинград. 1888); на семинарах ФТИ им. А. 4>, Иоффе РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1? научных работ, приведенных в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация, состоит из введения, пяти слав и заключения. Изложена ка 159 страницах, в ик числе 108 страниц машинописного текста, содержит 59 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 122 наименований .
