Введение к работе
.
іктуальность темы. Исследование экситонных эффектов относится
числу наиболее .информативных физических методов изучения
[икропроцессов в объеме и на поверхности полупроводников и
иэлектриков. В последнее время особенно интенсивно развивается
кситонная спектроскоп; : приповерхностной области
олупроводников и размерно кантованных структур. Естественное ля микроэлектроники уменьшение веса и толщины ристаллических слоев с одной стороны и разработка новых груктур с заданными злектрігіескими и оптическими свойствами с ругой стороны, привели к глубокому изучению олупроводниковых структур и материалов с пониженной азмерностыо. В этом смысле весьма актуальным является зучение экситонных явлений в приповерхностных слоях олупроводников и на границах разделов полупроводников с ругими средами. В частности, такая постановка вопроса актуальна \я .решения проблемы фотоэлектрохимического преобразования элнечной энергии на границе раздела полупроводник-электролит.
бъекты и методы исследования. В качестве объектов ^следования использовались поверхностные слои монокристаллов CdTe и ZnO и их границы раздела с электролитом. CdTe и ZnO зляются полупроводниковыми соединениями группы A2BD, для эторых характерны прямые оптические переходы и коэффициент ггического поглощения достигает значений 105см"'. Благодаря юму, происходит значительное поглощение света уже в эиповерхностной области, толщина которой меньше длины волны ідающего излучения. Эти материалы весьма успешно пользуются для преобразования солнечной энергии, где для CdTe >стигнут КПД 15-16%, а слои ZnO входят в состав многослойных отоэлектрических преобразователей имеющих КПД 30%, звестно, что эффективность фотоэлектрохимического и отоэлектрического преобразования солнечной энергии іределяется различными параметрами полупроводника, причем во зогих случаях определенную роль играют свойства поверхности, а кже'образование экситонных состояний.
В диссертационной работе экспериментальные исследования юводились методами отражения, электроотражения и этолюминесценции для изучения экситонных спектров на
границе раздела полупроводник-электролит и в приповерхностно:*: слое. Граница раздела полупроводник-электролит дает возможності изучать поведение поверхностных экситоиов практически пщ любых значениях поверхностного потенциала и одновременно изменять энергетическое положение двумерных поверхностны? подзон.
Состояние вопроса. В последнее время интенсивно изучалисі поверхностные экситоны в приповерхностных слоях и на граница? раздела полупроводник-электролит. Тем не менее, ряд вопросов которые имеют принципиальное значение для оптик* поверхностных экситоиов, до сих пор остаются невыяснеиыми например: зависимость поверхностных экситоиов от температуры і концентрации свободных носителей заряда, особенно, в області высоких температур, роль поверхностных двумерных подзон п- и р типа проводимости в процессе образования экситонных состояний Недостаточно изучен также процесс формирования инверсионного слоя при хемосорбции на поверхности, влияние поверхностной потенциала, на двумерные поверхностные подзоны и связанные < ними квазидвумерные поверхностные экситоны, а также ролі размерного квантования в инверсионных слоях.
Цель работы'. Изучение поведения поверхностных экситоиов н< границах раздела CdTe- и ZnO-электролит. Экспериментально* исследование фотолюминесценции, отражения и электроотраженш в области экситонного поглощения в зависимости от концентрацш . носителей заряда в полупроводнике, температуры в области 4-300К хемосорбции и величины поверхностного потенциала, поляризацш света и его наклонного падения. Обработка и анали: экспериментальных результатов и разработка соответствующи: механизмов образования поверхностных экситоиов.
Научная новизна. Экспериментально показано, что пр] хемосорбции ионов кислорода или ионов электролита н, поверхности CdTe образуется размерное квантование движени: дырок валентной зоны в приповерхностном инверсионном слое Обнаружены квантовые дырочные подзоны с квантовыми числам] О, 1, 2, 3. Показано, что в приповерхностном инверсионном слс CdTe снимается вырождение валентной зоны при значенні волнового вектора К = 0. Экспериментально показано, чт<
двумерные поверхностные электронные подзоны в кристаллах CdTe и ZnO принимают участие в образовании квазидвумерных поверхностных экситонов. Обнаружен механизм образования квазидвумерных поверхностных экситоноз с участием двумерных поверхностных электронных подзон и размерно квантованных дырочных подзон в приповерхностном инверсионном слое CdTe.
Основные научные положения, вынесенные на защиту.
-
Обнаружено размерное квантование валентной зоны в поверхностном инверсионном слое CdTe, образованном при хемосорбции кислорода на поверхности при длительном освещении или хемосорбции ионов электролита на границе раздела CdTe-электролит,
-
На границе раздела CdTe-электролнт обнаружен новый механизм образования квазидвумерного поверхностного экситона, формирующегося в" результате кулоновского взаимодействия электрона, принадлежащего' двумерной поверхностной подзоне, расположенный ниже Ес , с дыркой находящейся в размерно квантованном инверсионном слое.
На границе раздела ZnO-электролит при 190К обнаруживается квазидвумерный поверхностный экситон, который образуется из-за кулоновского взаимодействия электрона в зоне проводимости с дыркой в двумерной поверхностной подзоне.
3. На спектрах отражения и фотолюминесценции кристаллов
CdTe обнаружены линии, обусловленные .квазидвумерными
юверхиостными экситонами. Установлен характер зависимости
\иний поверхностных экситонов от концентрации свободных
носителей заряда и температуры в интервале 4-ьЗООК, причем в
інтервале 100<Т<300К и при концентрациях электронов ND-
Чд>10|7см"3 на спектрах обнаруживаются только поверхностные
экситоны. ' .
1, Анализ спектров отражения при наклонном -падении юляризованного света, позволяет . идентифицировать товерхностные экситонные переходы с участием квантованных іодзон как тяжелых, так и легких дырок.
В случае квантованного инверсионного слоя увеличивается значение угла Брюстера, а коэффициенты
отражения р- и S -поляризованных волн вблизи их минимумов приближаются друг к другу.
5. На спектрах электроотражения и отражения границы раздел CdTe-электролит и ZnO-электролит при увеличении длины і высоты падения поверхностного потенциала обнаружены сдвип линий, обусловленных . квсппдвумерными поверхностным] экситонами. Сдвиги в кор ховолновую сторону спектр, обусловлены поверхностными -j.: итонами, механизм образоваии: которых приведен в пункте 2, тогда как сдвиги в дликноволновук сторону спектра объясняются образованием квазидвумерноп поверхностного экситона, когда дырка локализована в размерн< квантованном инверсионном слое, а электрон - в индуцированноі квантовой яме вблизи поверхности.
Практическая' ценность. Исследование границы раздел; полупроводник-электролит представляет большой интерес Н( только с точки изучения природы поверхностных подзон I поверхностных экситонов, но и с практической стороны, так' каї показывает возможность увеличения КПД преобразовании солнечной энергии в химическую энергию водорода.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложень и ' обсуждены на научных семинарах: департамента физикі Государственного Инженерного Университета Армении лаборатории "Гелиотехники" центра малых энергетических систел Государственного Инженерного Университета Армении, кафедрь физики полупроводников и проблемной лаборатории физика полупроводниковых материалов Ереванского Государственногс Университета. Основные результаты работы доложены на 2-й и 3-і Республиканской конференции аспирантов Арм. ССР (Ереван 1987г. и 1989г.), на 6-ой Всесоюзной школе семинаре по физике поверхности полупроводников (Одесса, 1987), на 11-й Всесоюзное конференции по физике полупроводников (Кишенев, 1988г.), Не семинаре Института Спектроскопии АН СССР (г. Троицк, 1991).
Публикации. Основные результаты диссертационной работн отражены в девяти опубликованных работах, список которы> приведен в конце автореферата.
>бъем и структура работы. Диссертационная работа состоит из ведения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, одержит 135 страниц машинапнсного текста, из них : 46 рисунков а 26 страницах, 1 таблица и 148 наименований литературы на 17 границах.