Содержание к диссертации
Стр.
Введение 4
Глава I. Влияние электрического и магнитного полей на
поглощение света в полупроводниках. Фоточувсгви-
тельность р-п-переходов. И
I.I. Край основной полосы поглощения полупроводников и.
его изменение в электрическом поле II
1.2. Энергегические состояния в магнитном поле и магнито
оптическое поглощение 18
1.3. Теоретические выражения для фоточувствительности
электронно-дырочных переходов . 35
Выводы пч
Глава П. Техника эксперимента. Исследование диффузионных
длин избыточных носителей заряда в магнитном
поле 46
2.1. Методика изготовления р-п-переходов 46
2.2. Методика измерений спектральных и вольтфарздных
характеристик р-п-переходов 48
2.3. Получение и измерение магнитных полей 55
2.4. Методика измерения диффузионной длины неосновных
носителей заряда 58
2.5. Определение диффузионных длин неосновных носителей
заряда. Исследование влияния магнитного поля на
диффузионные длины электронов и дырок 63
Выводы 81
Глава III. Спектры коэффициента поглощения р-п-струкгур на
основе антимонида индия 83
3.1. Методика определения коэффициента поглощения в облас
ти энергии tiw $ 6g 83
.. з -
стр.
3.2. Методика определения коэффициента поглощения в
области энергии "Ыз- ^ р7
3.3. Экспериментальные результаты по определению коэф
фициента поглощения 91
А, Область энергии 1ico ,s ^ 91
Б. Область энергии -fcw ? а 98
3.4. Экспериментальные результаты определения коэффи
циента поглощения света в 1и S6 р-п-структурах
в магнитном поле Ю9
Выводы Т20
Глава ІУ. Влияние электрического поля слоя объемного за
ряда на фоточувствительность In 5 Б п+-р-
-переходов вблизи края основной полосы погло
щения 122
4.1. Образцы для исследования 122
4.2. Экспериментальное исследование влияния электричес
кого поля на фоточувствительносгь lh$l п+-р-
-перехрдов 127
4.3. Сравнение экспериментальных результатов с теорети
ческими расчетами и литературными данными 139
Выводы ..... 154
Глава У. Исследование спектров фогогока сурьмянистоиндие-
вых р-п-переходов в квантующих магнитных полях . 155
5.1. Постановка задачи 155
Условия проведения эксперимента 155
Образцы для исследования 156
Требования к геометрии р-п-структур 156
5.2. Экспериментальные осцилляционные спектры фототокэ в
магнитном поле . 162
5.3. Изменение магнитооптического спектра фототока при
изменении обратного смещения на р-п-переходе 188
Выводы 204
Заключение 205
Литература 209
_ 4 -
Введение к работе
Растущие потребности народного хозяйства в новой технике стимулируют интенсивное развитие полупроводниковой электроники, микроэлектроники, оптоэлекгроники. Для успешного решения задач, стоящих перед полупроводниковой техникой, необходимо совершенствовать технологию получения высококачественных полупроводниковых материалов и всесторонне изучать их свойства.
Исследование фотоэлектрических явлений в полупроводниках, во-первых, служит мощным источником получения важной научной информации об их зонной структуре, энергетическом положении примесных уровней, поведении неосновных носителей заряда, о влиянии электрических и магнитных полей, в том числе квантующих, на свойства изучаемых материалов и во-вторых, представляет большой практический интерес для непосредственного использования этих явлений в чувствительных малоинерционных приемниках электромагнитного излучения.
В качестве объектов исследования в настоящей работе выбраны структуры с р-п-переходом на основе энтимонида индия - замечательного полупроводника группы А В5.
Сравнительно узкая ширина запрещенной зоны ( ~0,23 эВ при 78К), высокая подвижность (до 10 см2/В.с) и малые времена жизни ( Г = 10 ь 10 ) носителей заряда делают этот материал чрезвычайно подходящим для изготовления высокочувствительных быстродействующих приемников инфракрасного излучения спектрального диапазона 2,0 j-5,5 мкм, высокочувствительных датчиков магнитного поля на основе эффекта Холла и магнегосопротивления, приборов криогенной электроники (для температур 78 ь 4 К) и оптоэлекгроники.
_ 5 -
Благодаря развитию технологии в настоящее время успешно выращиваются достаточно совершенные и чистые монокристаллы энтимони-да индия сравнительно большого диаметра и длины, что делает этот материал модельным для исследования свойств прямозонных полупроводников.
Несмотря не то, что после предсказания и обнаружения (1952г.) полупроводниковых свойств энтимонида индия Н.А.Горюновой [94] и АЛ».Регелем [951 с сотрудниками этот материал интенсивно исследуется в СССР и за рубежом и его свойствам посвящено большое количество работ (см., например, обзоры [ІОІ] ), интерес исследователей к этому полупроводнику не ослабевает. Активно исследуются, в частности; экситоны [97,98,138] , мэгнигопоглощение [96, 97,138] , глубокие примеси в антимониде индия [99, 100].
В большей части известных публикаций исследуется антимонид индия в виде однородного материала. В тоже время особенней интерес представляет изучение свойств энтимонида индия в реальных структурах с р-п-переходами, которые в процессе изготовления неизбежно подвергаются термическим, механическим и другим воздействиям. Эти воздействия и само наличие р-п-пере хода в кристалле могут влиять, в частности, на времена жизни и диффузионные длины носителей заряда, на спектры коэффициента поглощения и для правильного понимания фотоэлектрических процессов в различных приборах необходимо изучение фотоэлектрических свойств энтимонида индия в реальных структурах. Необходимость в таких исследованиях продиктована расширяющейся потребностью в полупроводниковых
фотоэлектрических и опгоэлекгронных устройствах различного назначения, а также определена возможностями разработки фотоэлектри-
ческих методов изучения и контроля свойств полупроводниковых материалов и приборов.
Таким образом, исследование фотоэлектрических явлений в структурах с р-п-переходом на базе антимонида индия представляет собой актуальную задачу как с научной, так и с практической точек зрения.
Настоящая диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской работы, выполняемой на кафедре физики ЛЭТИ им.В.И.Ульянова /Ленина/.
Целью работы являлось комплексное исследование структур с р-п-переходом с целью дальнейшего расширения и углубления представлений о характере физических процессов, протекающих в них при воздействии световых потоков, электрического и магнитного полей, а также, получения из таких исследований данных о зонных параметрах полупроводника, примесных уровнях, диффузионных длинах неосновных носителей заряда.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые исследованы осциллирующие спектры фототока р-п-пе-реходов в антимониде индия в квантующих магнитных полях, показана возмоеность изучения с их помощью оптических переходов между подзонами Ландау;
установлено, что основные осцилляционные максимумы фото-тока обусловлены теми же оптическими переходами, которые обнаруживаются в осцилляционвых спектрах магнитопоглощения монокристалла антимонида индия;
установлено, что дополнительные максимумы, обнаруживаемые в осцилляционных спектрах фототека, обусловлены оптическими переходами, связанными с присутствием электрического поля р-п-пе-рехода;
впервые исследовано влияние электрического поля р-п-перехо-дов в энтимониде индия на спектры фототока вблизи фундаментального края;
в спектрах приращения фототока в электрическом поле обнаружены максимумы при энергиях фотонов 226, 221,6, 219 мэВ, отстоящие от края запрещенной зоны на ~ 4: ~8, -10,3 мэВ. Наблюдаемые максимумы связаны с примесным фотоактивным поглощением;
определены спектральные зависимости коэффициента поглощения света структур с резким несимметричным р-п-переходом как в отсутствии магнитного поля, так и в магнитных полях до 3 Тл;
в компенсированном энтимониде индия р-типа обнаружены явления "возгорания" коэффициента поглощения с включением и увеличением магнитного поля и "гашения" при дальнейшем увеличении поля;
определены диффузионные длины неосновных носителей заряда вп-ир- IhSS б магнитных полях до 3 Тл. Установлено, что относительное изменение диффузионных длин дырок и электронов в слабых и средних магнитных полях подчиняются зависимости ~-=(^Е>У 7
п = 1,25, jn - подвижность неосновных носителей заряда. Аналогичной зависимости подчиняется и относительное изменение фототока в максимуме спектра фототока для глубоко залегающего р*-п-переходэ. Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработаны методики определения коэффициента поглощения
в области энергии titu^^ и Ъоог по спектрам фототокз короткого замыкания р-п-перехода;
разработана методика определения спектральной зависимости коэффициента собирания неосновных носителей заряда структур с р-п-переходом;
предложен принципиально новый метод изучения эффектов,
связанных с. оптическими переходами между подзонами Ландау, преимущества которого перед обычной техникой поглощения или отражения включают высокое отношение сигнал/шум и простоту эксперимента;
предложена методика определения подвижностей неосновных носителей заряда;
измерены диффузионные длины неосновных носителей заряда и в р- и в п- InSK в магнитных полях, что позволяет учитывать на практике изменение эффективной области собирания носителей заряда приборов с р-п-переходом.
Результаты исследований используются на кафедре физики ЛЭТИ им. В.И.Ульянова /Ленина/ в дальнейших исследованиях структур с р-п-переходом. Кроме того, предложенный в нашей работе фотоэлектрический метод наблюдения осцилляционных эффектов, связанных с оптическими переходами между подзонами Ландау, был успешно использован в физическом отделении университета г.Оттавы (Канада) для исследования осцилляционных спектров структур на базе Inp [82]. В работе канадских авторов - П.Рошона и И.Фортэна - имеется ссылка на нашу публикацию [81] с признанием достоинств описанной в ней методики.
Совокупность представленных в диссертации экспериментальных данных позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту;
Электрическое поле слоя объемного заряда в InS6 р-п-пе-реходах увеличивает фототок в области края фундаментального поглощения за счет увеличения коэффициента поглощения света в электрическом ПОЛЄ При ЭНерГИЯХ t|Uj< 8cj .
В IhS р-п-переходэх вблизи края фундаментального поглощения возникает фототок, обусловленный примесным поглощением;
при этом чем сильнее электрическое поле в слое объемного заряда, тем сильнее фотоактивное примесное поглощение.
3. Осцилляции фототока IhSE р-п-переходов в квантующих магнитных полях обусловлены осцилляциями коэффициента поглощения; при этом, увеличение электрического поля в слое объемного заряда уменьшает глубину осцилляции в результате уменьшения интенсивности разрешенных оптических переходов и увеличения интенсивности запрещенных оптических переходов в отсутствии электрического ПОЛЯ.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались в научно-исследовательском институте прикладной физики (Москва, 1983 г.), ЛФТИ им. А.Ф.Иоффе (Ленинград, 1984 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им.В.И.Ульянова /Ленина/ (Ленинград, IS73-I983 гг.).
По своей структуре диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В первой главе рассмотрены основные теоретические и экспериментальные результаты исследования края основной полосы поглощения и влияния на поглощение ряда факторов, в частности, электрического, магнитного и скрещенных полей и экситонных состояний. Во второй главе описаны методики создания структур с р-п-переходом. Описана методика эксперимента. Приведены результаты измерения диффузионных длин электронов и дырок как в отсутствии магнитного поля, так и магнитых полях до 3 Тл. Третья глава посвящена исследованиям оптических свойств антимонида индия с помощью структур с р-п-переходом, а также, влияния магнитного поля на оптические свойства антимонида индия. Четвертая глава посвящена исследованию влияния электрического поля р-п-переходов на спектры фототока вблизи фундаментального края. В пятой главе приведены результаты исследования влияния магнитного поля на спектры фототока
- TO -
р-п-переходов, а также, влияния электрического поля слоя объемного заряда на спектры фототока р-п-переходов в магнитных полях. В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в работе.
- II -
