Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. Межпримесное взаимодействие и его роль в процессах генерации и захвата горячих носителей заряда в компенсированном полупроводнике ... 18
I. Особенности энергетического спектра и рекомби-
национных характеристик, обусловленные наличи
ем примесных комплексов 18
2. Влияние донорно-акцепторного взаимодействия на равновесную электропроводность высокоомно-го компенсированного полупроводника ... 28
3. Эффект модуляции сечений захвата носителей за
ряда на примесные центры и его влияние на не
равновесные процессы 41
4. Оже-процессы с участием связанных носителей
заряда 51
ГЛАВА II.Горячие оже-электроны и процессы ионизации
примесных центров 66
I. Проявление ионизационных процессов в кинетике заполнения примесных центров электронами при низкотемпературном возбуждении .... бб
2. Влияние электрического поля на процессы ионизации примесных центров оже-электронами . . 76
3. Оже-возбуждение фотопроводимости .... 88
4. Влияние ионизационных процессов на ход энергетической релаксации горячих электронов ... 98
ГЛАВА III.Влияние электрического поля на релаксацию горячих электронов в полупроводнике с неэквивалентными долинами зоны проводимости . . . .104
I. Энергетическая зависимость скорости остывания
горячего электрона в полупроводнике с неэкви
валентными долинами 104
2. Влияние электрического поля на процессы релаксации. "Убегание" электронов в верхние долины зоны проводимости в полупроводнике типа G-ClAs . . 113
3. Проявление особенностей релаксационного процес
са в ионизационных эффектах 122
4. Некоторые параметры электронов высоких энергий
в полупроводнике с неэквивалентными долинами . 129
ГЛАВА ІУ.Особенности влияния электрического поля на
генерацию и рекомбинацию носителей заряда с
участием примесных уровней в компенсированном
полупроводнике 137
I. Влияние электрического поля на процессы за
хвата носителей заряда в компенсированном по
лупроводнике. Полевая перезарядка примесных
уровней 138
2. Исследование оптической ионизации примесных
центров в электрическом поле .... 150
3. Фотопроводимость высокоомного компенсирован
ного полупроводника в сильном однородном элек
трическом поле 161
Ч. Проявление межпримесного взаимодействия в ге-
нерационно-рекомбинационных полевых эффек
тах 165
ГЛАВА У. Захват и рекомбинация носителей заряда в усло
виях доменной неустойчивости электрического
тока в высокоомном компенсированном полупро
воднике 177
I. Методы исследования образцов с высокополевыми
доменами 178
2. Механизмы N -образности ВАХ компенсированно
го полупроводника в условиях оптического воз
буждения 184
3.Исследование процессов формирования высокополе-
вых областей в компенсированных кристаллах . 197 4. "Электронные" и "дырочные" рекомбинационные
домены 206
ГЛАВА УТ. Процессы тепловой релаксации при оптическом
возбуждении горячих носителей заряда . . . 214
I. Кинетика тепловыделения в кристалле при раз
личных способах возбуждения 214
2. Методика исследования кинетики тепловой релаксации при импульсном оптическом возбуждении . 223
3. Способы определения энергетических и кинетических характеристик полупроводника, основанные на изучении тепловой релаксации . . . 231
4. Некоторые результаты экспериментального иссле
дования эффектов релаксационного и рекомбина-
ционного нагрева . . 237
ГЛАВА УП.Некоторые способы и устройства обработки оп
тической информации, использующие эффекты го
рячих носителей в высокоомном компенсированном
полупроводнике 251
I. Сканирование изображений с помощью полупровод
никового кристалла с движущимся высокополевым
доменом 252
2. Сканирующий приемник излучения с теневым
штрихом 260
3. Одномерное разложение изображений при сканиро
вании движущейся границей "свет-тень" . . 272
4. Одномерное и двумерное разложение изображений
на однородном кристалле при помощи быстро дви
жущегося светового луча 277
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 285
ЛИТЕРАТУРА 291
ПРИЛОЖЕНИЕ 318
Введение к работе
Интенсивное развитие полупроводниковой оптоэлектроники, в большой степени определяющее современное состояние всей физики полупроводников и полупроводниковой техники, требует дальнейшего усовершенствования фотоэлектрических приемников и преобразователей, реличения их быстродействия и объема обрабатываемой оптической информации. Решение этой задачи требует глубокого понимания закономерностей электронных процессов в приборах такого рода. Физическая картина неравновесных процессов в фотоэлектрических приборах весьма сложна, по следующим причинам. Во-первых, применяемый в таких приборах(во всем объеме, или только в активной части) полупроводниковый материал является высокоомным и компенсированным, со значительным количеством примесных комплексов и соответствующими эффектами межпримесного взаимодействия, существенно усложняющими набор генерационно-рекомбинационных механизмов. Во-вторых, необходимость использования сильных электрических полей и наличие оптического возбуждения делает невозможным анализ неравновесных процессов без привлечения представлений о горячих носителях заряда; естественно, при этом оказывается существенной (имеющей влияние на параметры приборов) и структура разрешенных зон в области высоких энергий.
Несмотря на огромный объем исследований по фотоэлектрическим явлениям и по физике горячих электронов в полупроводниках, отмеченные аспекты генерационно-рекомбинационных явлений с участием горячих электронов в компенсированных полупро-
- б -
водниках оставались до последнего времени мало изученными. К началу нашей работы (~19б8 г.) информация об эффектах межпримесного взаимодействия была ограничена анализом влияния кулоновского взаимодействия на энергетические характеристики примесных центров [і-б] и общими представлениями об оже-про-цессах на связанных носителях заряда в полупроводнике со сферическими зонами [7-I3J. Из разнообразных процессов с участием горячих носителей заряда в компенсированных полупроводниках относительно подробно были изучены лишь процессы захвата носителей заряда на примесные уровни при наличии сильного электрического поля и (менее подробно) процессы оптической и термической ионизации носителей, локализованных на примесных уровнях. Совершенно недостаточно было исследовано влияние эффектов мекпримесного взаимодействия на рекомбинационные характеристики полупроводников, отсутствовали какие-либо сведения о роли таких эффектов в процессах генерации, релаксации и переноса носителей разной энергии и о влиянии реальной зонной структуры на эти процессы, информация об ионизационных процессах в компенсированном полупроводнике также была весьма скудной. Отсутствие общих представлений о специфике неравновесных процессов с участием горячих носителей в компенсированных полупроводниках не позволяло дать обоснованных рекомендаций относительно новых возможностей их практического использо вания, осложняло анализ условий работы и возможностей улучшения параметров многих существующих фотоэлектрических приборов.
Целью настоящей работы было исследования влияния эффектов
и J в
межпримесного взаимодействия и особенностей зонной структуры на скорость генерационно-рекомбинационных процессов, протекающих с участием горячих носителей заряда в компенсированном полупроводнике.
Решение проблемы включало следующие этапы:
выявление роли эффектов межпримесного взаимодействия в процессах генерации и захвата горячих носителей заряда в компенсированном полупроводнике ;
исследование ионизационных процессов с участием оже-электро-нов большой энергии;
изучение влияния электрического поля на процессы релаксации, генерации и рекомбинации горячих электронов в полупроводнике с зонной структурой типа Gq/Is ',
исследование влияния эффектов межпримесного взаимодействия на рекомбинационную неустойчивость электрического тока;
анализ общих закономерностей процесса релаксации тепловой энергии в компенсированном полупроводнике, возбуждаемом короткими световыми импульсами.
В качестве основного материала для экспериментального исследования был выбран арсенид галлия, компенсированный примесями с глубокими уровнями энергии ( Сг f /" » О ") Такой выбор обусловлен следующими причинами. После открытия эффекта Ганна G'Orl^ стал основным объектом исследования в физике горячих электронов (см. [14-25]), и в настоящее время этот ма-териал наиболее полно изучен как в отношении особенностей поведения в нем горячих носителей заряда, так и в отношении деталей зонной структуры в областях зоны Бриллюэна, удален-
ных от основных экстремумов; это позволяло привязять наши исследования к надежно установленным характеристикам и хорошо
разработанным представлениям. Вместе с тем, арсенид', галлия
и его Слизкие аналоги являются в настоящее время основными
материалами оптоэлектроники, и их исследование представляет
непосредственный практический интерес.
Полученные при исследовании арсенида галлия результаты
сопоставлялись с аналогичными данными для другого "ганновско-
го" материала - , компенсированного примесью
кинетические и энергетические параметры этого материала весь
ма близки к соответствующим параметрам высокоомного GrQ.A$> .
Для выявления связи изучаемых эффектов с особенностями зонной
структуры, дополнительные исследования были проведены на ком
пенсированных кристаллах , обладающих ана
логичным набором уровней энергии в запрещенной зоне, но су
щественно отличающихся расположением экстремумов зоны прово
димости. Часть работы, посвященная исследованию энергетичес
кой релаксации при импульсном возбуждении полупроводника, по
требовала контрольных измерений на материале высокой чистоты;
соответствующие измерения были проведены на кремнии. Основные
параметры исследованных полупроводниковых кристаллов сведены
в Таблицу, помещенную в Приложение.
Для решения сформулированных выше задач был использован комплекс хорошо апробированных экспериментальных методик, включающий исследование люминесценции, фотопроводимости (в частности, эффектов неаддитивности при возбуждении фототока от двух источников света различного спектрального состава), термостимулированной проводимости, примесного электропоглоще-
ния и электроотражения, а также измерение эффекта Холла. В ряде случаев, эти методики были модифицированы, с тем чтобы расширить область их применимости (так, для выявления слабых непериодических возмущений оптических спектров был разработан двухлучевой вариант методики модуляционной спектроскопии; были изучены законы сложения холловских токов в полупроводниковых образцах с поперечными слоями, и показана возможность использования метода тока Холла для определения подвижности в различных участках слоистого образца).
В ходе исследования было создано несколько новых методов определения электрофизических параметров полупроводников. К их числу относится серия "теневых" методик экспресс-контроля однородности образцов (метод теневого зонда, движущейся границы "свет-тень", и бегущего светового луча), а также метод определения ряда параметров энергетической структуры и кинетических характеристик по кинетике тепловой релаксации при импульсном оптическом возбуждении.
В соответствии с этапами решения поставленной задачи, основной материал диссертации был разбит на 7 глав.
В первой главе обсуждается влияние межпримесного взаимодействия в компенсированном полупроводнике на процессы генерации и захвата носителей заряда. Отмечены особенности температурной зависимости равновесной электропроводности. Описан эффект модуляции сечений захвата носителей на примесные центры за счет взаимного кулоновского влияния последних; изучены проявления эфого эффекта в проводимости и люминесценции. Проведено общее рассмотрение оже-процессов с участием примесных
-Ю-
комплексов в полупроводнике с разноэнергетичными долинами зоны проводимости.
Во второй главе рассмотрены процессы ионизации глубоких примесных центров неравновесными электронами различных долин зоны проводимости в полупроводнике с зонной структурой типа Gq/tS . Исследованы проявления ионизационных процессов в кинетике заполнения ловушек при низкотемпературном возбуждении, в термостимулированной проводимости, в фотопроводимости. Приведены экспериментальные свидетельства существования эффектов такого рода в компенсированных кристаллах.
Третья глава посвящена изучению влияния электрического поля на ход процесса релаксации энергии горячих электронов в полупроводнике с зонной структурой типа GtOlAs . Показано, что сравнительно слабое поле (много меньше порога междолинного переноса) способно вызвать увеличение заполнения электронами высоко расположенных долин с-зоны при наличии внутреннего источника горячих электронов (например, оже-процесса). Исследовано влияние этого эффекта на ионизационные процессы; из сопоставления теории с экспериментом определены некоторые параметры электронов высоких энергий в GqJiS (подвижность и время релаксации в Г-долине на уровне энергии ~ 0,4 эВ, и энергетическая зависимость характеристического времени Г-Х перехода).
В четвертой главе рассмотрены некоторые особенности гене-рационно-рекомбинационных процессов в компенсированном полупроводнике в сильном однородном электрическом поле. Экспериментально изучено влияние такого поля на процессы захвата носителей на примесные центры и процессы оптической ионизации
- II -
последних. Обнаружены новые проявления межпримесного взаимодействия в генерационно-рекомбинационных полевых эффектах.
В пятой главе исследованы особенности эффектов неустойчивости фототока в компенсированном полупроводнике. Показано, что межпримесное взаимодействие обуславливает действие двух факторов (полевая перезарядка уровней примесных комплексов, и модуляция сечений захвата носителей на глубокие примесные уровни вследствие ионизации компонентов комплекса с мелкими уровнями), приводящих к /V -образности вольт-амперной характеристики и к доменной неустойчивости. Изучена связь кинетики зарождения высокополевых доменов с контактными эффектами и с процессами прилипания носителей заряда.
В шестой главе проведен общий анализ процессов тепловой релаксации при оптическом возбуждении горячих носителей заряда. Определена последовательность этапов процесса, изучены форма и размеры нагретой области в зависимости от параметров ди$фузионной-дрейфовых явлений в.. ней. Показано, что экспериментальное изучение процесса тепловой релаксации при импульсном оптическом возбуждении позволяет определить ряд важных энергетических и кинетических параметров полупроводника.
Седьмая глава посвящена обсуждению некоторых возможностей практического использования компенсированных полупроводников, выясненных в ходе проведенного исследования. Показано, что такие полупроводники могут послужить основой для создания новых быстродействующих устройств обработки оптической информации; одним из таких устройств является система передачи и воспроизведения оптического изображения в практически произволь-
ном спектральном диапазоне. Системы такого рода могут найти применение в технике тепловидения и технического телевидения.
Основное содержание диссертации изложено на 290 страницах машинописного текста и иллюстрируется I таблицей и 97 рисунками (помещены в Приложении). Список литературы содержит 238 наименований. Основные результаты опубликованы в 42 печатных работах, ссылки на которые приведены в конце глав диссертации.
Научная новизна работы определяется тем-, что в ходе ее выполнения впервые проведены систематические и комплексные исследования особенностей поведения горячих носителей заряда в высокоомном компенсированном полупроводнике. При этом обнаружены и изучены следующие новые явления:
длинноволновая стимуляция фотопроводимости в компенсированном полупроводнике с донорно-акцепторными комплексами;
оже-возбуждение фотопроводимости;
оже-эффект ионизации глубоких примесных уровней электронами верхних долин с-зоны;
эффект накопления электронов в верхних долинах с-зоны в * присутствии сравнительно слабого электрического поля, возникающий вследствие различия кинетических характеристик горячих и холодных электронов Г-долины с-зоны;
эффект полевой перезарядки глубоких уровней примесных комплексов, приводящий к отрицательной дифференциальной проводимости Л/ -типа.
Впервые исследовано влияние межпримесного взаимодействия на равновесную электропроводность; установлено, что ее тем-
пературкая зависимость в полупроводнике с донорно-акцепторными комплексами имеет специфический характер и может быть использована для выявления таких комплексов. Впервые показано, что при наличии межпримесного взаимодействия существует возможность оптического и полевого управления ходом рекомбинацион-ных процессов за счет воздействия на примесные центры, непосредственно в рекомбинации не участвующие. Изучены проявления эффектов такого рода в фотопроводимости, люминесценции, термостимулированной проводимости, электропоглощении.
Впервые рассмотрены окег-процессы на связанных носителях заряда в многодолинном полупроводнике; изучена роль электронных состояний высоко расположенных долин с-зоны в таких процессах. Показано, что сечения процессов такого рода, как правило, много больше сечений аналогичных процессов в полупроводнике с простой зонной структурой, и могут достигать значений 10 - 10 см ; при этом оже-процессы с участием примесных комплексов могут определяющим образом влиять на все кинетические параметры материала (от времен жизни носителей заряда до времен релаксации энергии и импульса).
Впервые проведен анализ условий релаксации энергии, вводимой в полупроводник при оптической генерации носителей заряда. Показано, что кинетика тепловыделения отражает существенные закономерности процессов релаксации и рекомбинации носителей заряда; ее изучение позволяет определить энергетическое положение основных рекомбинационных уровней и установить механизм захвата носителей заряда, а также найти другие важные параметры материала.
Наиболее общие положения, развитые и обоснованные в дис-
сертации, можно сформулировать следующим образом.
Рекомбинационные характеристики компенсированного полупроводникового материала могут быть изменены путем оптической, температурной или полевой модуляции заряда примесных центров с относительно мелкими уровнями энергии, связанных с рекомбинационными центрами кулоновским взаимодействием.
Наиболее быстрыми рекомбинационными процессами в компенсированном полупроводнике со сложной зонной структурой являются оже-процессы на примесных комплексах с участием электронов верхних долин зоны проводимости. Такие процессы харак-
—II —ХЧ р
теризуются весьма большими (10 "" 10 см ) сечениями и оказывают влияние на скорость рекомбинации, генерации, энергетической релаксации, междолинного и пространственного переноса горячих носителей заряда.
Ход неравновесных процессов с участием электронов высоко расположенных долин с-зоны в полупроводнике с зонной структурой типа GrQjlS может быть изменен сравнительно слабым электрическим полем, стимулирующим возврат в верхние долины электронов, переходящих из этих долин в нижнюю.
Присутствие донорно-акцепторных комплексов в компенсированном полупроводнике обуславливает действие дЕух механизмов отрицательной дифференциальной проводимости // -типа: полевой перезарядки принадлежащих комплексам глубоких уровней, и полевой модуляции сечений захвата носителей на эти уровни, вызываемой ионизацией мелких уровней комплексов.
Кинетика релаксации энергии, вводимой в полупроводник при оптической генерации горячих носителей заряда, отражает
существенные закономерности релаксации и рекомбинации носителей заряда и может служить источником информации как об энергетической структуре, так и о кинетических характеристиках полупроводника.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, обеспечивается использованием простых и хорошо апробированных экспериментальных методик, комплексным характером исследования, совпадением результатов независимых экспериментов, ясной физической картиной изученных явлений, хорошо согласующейся с существующими представлениями о рекомбинационных процессах и об эффектах горячих носителей в полупроводниках, и сравнением отдельных результатов работы.с теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов.
Практическая ценность работы заключается, в первую очередь, в том, что ее результаты позволяют производить оптимальный выбор материала для полупроводниковых приборов, работающих в условиях сильного поля (значительная часть фотоэлектрических приемников и преобразователей, диоды Ганна, счетчики жестких излучений, электрооптические модуляторы света), и прогнозировать параметры соответствующих приборов для заданного материала. Полученная информация об оже-процессах, позволяющая оценить вероятность безызлучательной рекомбинации в материале с примесными комплексами, может быть использована для улучшения параметров и повышения срока службы светоиз-лучающих приборов.
В ходе проведенной работы были разработаны новые принципы скоростной обработки оптической информации с использова-
ниєм компенсированных полупроводниковых кристаллов большой площади. На основе этих принципов возможно создание быстродействующего сканирующего устройства типа твердотельного ви-
дикона с практически произвольной спектральной областью чувствительности. Такая возможность подтверждена экспериментально на кристаллах $4, (область чувствительности 0,4 -1,1 мкм), (гйМ(Сг) (0,4 -1,7 мкм; и І71$в (2-6 мкм). Использование таких видиконов позволяет создать цельные при-емо-передающие системы технического телевидения, в которых сканирование и восстановление изображения производится при помощи бегущего светового луча. Такой способ сканирования может быть использован также для экспрессного контроля однородности полупроводниковых кристаллов (шайо; большой площади. Практический интерес могут представлять и другие методы определения характеристик материала (диффузионной длины и времени жизни, параметров энергетической структуры и коэффициента теплопроводности), разработанные в процессе работы.
Тематика исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, соответствовала планам научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре физики полупроводников КГУ, в том числе по проблеме "Изучение собственных дефектов и примесных центров в полупроводниках и изучение люминесцентных и фотоэлектрических явлений, обусловленных взаимодействием экситонов и носителей заряда с поверхностью полупроводника" (утверждено в качестве одного из основных научных направлений на 1971-75 гг. решением Коллегии МВСОО ССОР от 4.II.71 rj, по проблеме "Исследование свойств дефектов и
их взаимодействия с излучением и возбужденными состояниями в полупроводниках" (постановление Президиума АН УССР № 398 от 20.XI.75 г., шифр 1.3.7(2) № 76045058, 1976-80 гг.), и "Исследование генерационно-рекомбинационных процессов и движения носителей заряда в полупроводниках в условиях сильного отклонения от термодинамического равновесия" (1981-85 гг., постановление Президиума АН УССР № 604 от 25.12.80 г., шифр 1.3.7.4 № 8I005I04).
