Содержание к диссертации
Введение 3
Глава I Ударная ионизация мелких примесных центров и
экситонов в полупроводниках (обзор литературы) 40
Ї.Ї Мелкие водородоподобные образования в по
лупроводниках 40
1.2. Ударная ионизация мелких примесных центров
в германии 46
1.3. Ударная ионизация экситонов в полупровод
никах 2-2*
1.4. Кинетические коэффициенты 2 %
1.5 Оптоэлектроняые приборы, работающие на ос
нове примесного пробоя 3 &
Глава I Методика эксперимента 40
% "2.1 Технология изготовления образцов 40
2.2 Обоснование экспериментальной методики .... 4d
2.3 Экспериментальная установка. 46
Глава 3 Кинетика ударной ионизации мелких примесных
центров в германии 4 9
3.1 Метод исследования кинетики примесного
пробоя фотовозбуждениого германия .49
3.2 Коэффициент ударной ионизации мелких при
месных центров 5Z
3.3 Коэффициент захвата носителей заряда на.
примесные центры 60
3.4 Малосигнальный метод изучения кинетики
примесного пробоя 64
Глава. 4 Кинетика, ударной ионизации экситонов в гер
мании 7Z
4.1 Решение уравнений кинетики ТЗ
- г -
4.2 Методика определения концентрации экси
тонов т^"
4.3 Коэффициент ударной ионизации экситонов . %1
4.4 Коэффициент связывания электронов и
дырок в экситон ^
4.5 Ударная ионизация экситонов в магнит
ном поле ^
Глава 5 Кинетический режим усиления фототока при
примесном пробое в полупроводниках 400
5.1 Зависимость кинетики развития примес
ного пробоя от уровня фотовозбуждения І00
5.2 Коэффициент усиления фототока в кине
тическом режиме при примесном пробое 4 Об
5.3 Экспериментальная реализация кинети
ческого режима, усиления фототока "^
Заключение ^ 7
Литература
Введение к работе
Интенсивное развитие оптоэлектроники, происходящее в настоящее время, требует более полного понимания свойств носителей заряда в полупроводниках в условиях, когда их температура выше температуры кристаллической решетки. Особенности поведения электронов и дырок, разогреваемых электрическим полем, в значительной степени определяют характеристики целого ряда полупроводниковых приборов. Среди них: низкотемпературные фотосопротивления, работающие как в линейном, так и в нелинейном режиме, обусловленном лавинным фотоумножением носителей в условиях, например, примесного пробоя; полупроводниковые счетчики ядерного излучения; лавинные фотодиоды и др. Учет разогрева, неравновесных носителей заряда и экситонов, который возникает при интенсивном возбуждении полупроводников светом с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны, важен при анализе свойств устройств, работа, которых основана, на явлении оптической бистабильности полупроводниковых кристаллов.
Н числу наиболее важных характеристик, определяющих поведение горячих носителей заряда, относятся кинетические коэффициенты связывания (или захвата) и ударной ионизации. Первый из них характеризует темп захвата носителей в непроводящее состояние - на примесный центр в легированном полупроводнике или в эк-ситон в оптически возбужденном кристалле. Второй определяет скорость генерации свободных носителей в греющем электрическом поле за счет ударной ионизации связанных состояний. Хотя рекомбина-ционно-генерационные процессы в электрическом поле в легированных полупроводниках интенсивно изучаются уже на протяжении тридцати лет, в последние годы сильно возрос интерес к экспери-
- * -
ментальному определению величин кинетических коэффициентов и их температурной и полевой зависимостей.
Эти исследования стимулируются более глубоким пониманием процессов захвата носителей на кулоновскии притягивающий центр и их ионизации, достигнутом в результате нового развития микроскопической теории этих процессов как для случая мелких при-
Гт pi
месных центров, так и экситонов1- ' J. Последние представляют
собой тем более интересный объект для исследования кинетических коэффициентов, что до сих пор отсутствовали какие-либо экспериментальные данные об их поведении в электрическим поле.
Одним из наиболее эффективных методов изучения генераци-онно-рекомбинационных процессов в греющем электрическом поле является исследование кинетики ударной ионизации мелких примесных центров или экситонов. В то время как для экситонной системы такие измерения вообще не производились, анализ первых же результатов исследований такого рода;выполненных для случая примесного пробоя, показал, что временные характеристики тока пробоя могут сильно отличаться от кинетики изменения концентрации носителей заряда из-за. существенного вклада переходных явлений на контактах полупроводника. * * . В результате этот метод фактически не использовался в течение всей истории
изучения ударной ионизации примесных центров в полупроводниках Количественные данные о кинетических коэффициентах обычно получались косвенным образом из анализа стационарных характеристик примесного пробоя.
В диссертации разработаны методы изучения кинетики примесного пробоя, позволяющие исключить влияние переходных контактных явлений на кинетику тока ударной ионизации. Эти методы основаны на. том, что кинетика, тока пробоя изучается в уело-
.-5-
виях слабого фотовозбуждения кристалла, или стационарного режима пробоя при малой модуляции электрического поля. Суть обоих методов состоит в создании достаточно высокой начальной проводимости кристаллов, при которой характерные времена переходных процессов на контактах становятся много меньше времени развития примесного пробоя в образцах.
На основе разработанных методов в настоящей работе проведены детальные исследования кинетики тока примесного и экси-тонного пробоя с целью экспериментального определения коэффициентов ударной ионизации и связывания носителей тока и их зависимостей от электрического поля и температуры кристалла, а также от магнитного поля. Показано также, что особенности поведения кинетики примесного пробоя могут быть использованы для реализации кинетического режима усиления фототока с величиной
коэффициента усиления до <-I0 .
Все исследования проведены на одном материале - германии. Выбор этого полупроводника, связан с совершенной технологией
его производства, позволяющей получать как сверхчистые крис-
10 Я
таллы с концентрацией остаточных примесных центров «10 см ,
так и легко управлять типом и величиной концентрации легирующей примеси. Кроме того, германий является "непрямым" полупроводником, что приводит к малой вероятности излучательной рекомбинации неравновесных электронно-дырочных пар и экситонов и, следовательно, к их большому времени жизни, которое достигает величины ^10" с в чистых кристаллах. Это позволяет легко создавать значительные концентрации этих частиц с помощью относительно слабых источников оптического возбуждения. Наконец, все основные характеристики германия хорошо известны, что открывает широкие возможности количественного сравнения теории с экспериментальными данными.
Ь nr тгП
Результаты исследований автора опубликованьї^работах і " »
Материал диссертации изложен в пяти главах.
В первой главе дан подробный обзор работ, посвященных изучению ударной ионизации мелких примесных центров и экситонов в полупроводниках и применению этого явления для создания оп-тоэлектронных приборов.
Вторая глава посвящена, обоснованию методики измерения кинетики примесного пробоя. Показано, что избежать искажающего влияния переходных характеристик контактов на кинетику тока примесного пробоя можно при увеличении проводимости кристалла до такой величины, когда время диэлектрической релаксации станет много меньше пролетного времени носителей заряда, в образце и характерного времени развития пробоя. Предложено использовать с этой целью слабое фотовозбуждение кристалла, или измерять кинетику ударной ионизации в условиях создания в образце стационарного режима пробоя и приложения малых импульсов напряжения, модулирующих стационарное поле (малосигнальный метод).
В этой главе описана также технология изготовления контактов, их электрические свойства, и экспериментальная установка.
В третьей главе представлены результаты изучения кинетики тока, ударной ионизации в п-типа 6е(2Ь) с/^~10 см и р-типа.
см""^, как при фотовозбуждении образцов, так и в малосигнальном режиме.
Показано, что начальный наклон кинетики нарастания тока, пробоя позволяет непосредственным образом получить величину коэффициента, ударной ионизации. Измерена, зависимость коэффициента ударной ионизации от электрического поля для доноров и акцепторов и найдено, что она хорошо описывается теоретической зависимостью, построенной в предположении, что распределение
горячих носителей заряда по энергии может быть описана, функцией Стреттона. Показано, также, что большая величина коэффициента ударной ионизации для акцепторов, чем для доноров связана с особенностями вида волновой функции дырки на акцепторе. Измерена зависимость коэффициента захвата электронов на дон; ры от электрического поля и показано, что она хорошо описывается теорией \1Z].
В четвертой главе представлены результаты изучения кинетики ударной ионизации экситонов в германии. Подробно изложена. методика измерения концентрации экситонов, создаваемых оптическим возбуждением. Она основана на использовании известных данных о положении газовой границы фазового перехода экситонный газ-электронно-дырочная жидкость и изучения пробоя в системе экситонов, находящейся вблизи фазовой границы. Анализ кинетических уравнений для экситонов и свободных носителей заряда показал, что для нахождения коэффициента ударной ионизации может быть использован тот же способ анализа, кинетики нарастания тока ударной ионизации экситонов, как и в случае примесного пробоя. Получены экспериментальные зависимости коэффициентов ударной ионизации и связывания экситонов от электрического поля при разных температурах и проведено их сравнение с теоретическими зависимостями.
С помощью найденных кинетических коэффициентов рассчитаны вольт-амперныё характеристики (ВАХ) экситонного пробоя, хорошо описывающие экспериментальные ВАХ,
Измерено влияние поперечного магнитного поля на. величину критического поля пробоя и на коэффициент ударной ионизации экситонов. Показано, что в результате падения подвижности носителей тока коэффициент ударной ионизации уменьшается почти на. два. порядка величины уже в магнитном поле«10 Т.
- s -
Проведен расчет коэффициента ударной ионизации в магнитном поле.
В пятой главе рассмотрен новый способ усиления фототока в кинетическом режиме, основанный на сильной зависимости задержки примесного пробоя от фотовозбуждения полупроводника.Расс-читано, что максимальный коэффициент усиления фоонгска при этом может достигать величины ~ 10 . Рассмотрены различные режимы работ такого фотосопротивления. Экспериментально реализованный коэффициент усиления в бе c/f=3»Kr0cM"* составлял величину-10 . Показано, что разработанный способ усиления фототока может быть использован для повышения чувствительности низкотемпературных фотодетекторов.
В заключение сформулируем положения, которые выносятся на защиту.
Метод изучения кинетики примесного пробоя в полупроводниках, позволяющий избежать искажений кинетики тока пробоя, обусловленных переходными явлениями на контактах, состоит в повышении начальной проводимости кристалла с помощью фотовозбуждения или стационарного режима пробоя примесных центров до такой величины, чообы время диэлектрической релаксации в образце было меньше как характерного времени развития пробоя, так и пролетного времени.
С помощью этой методики впервые проведены прямые измерения коэффициента ударной ионизации доноров и акцепторов в широком диапазоне изменения электрического поля.
Измерена зависимость коэффициента захвата электронов на донорные центры в Се. от электрического поля. Экспериментальные данные хорошо описываются усовершенствованной теорией каскадного захвата [12].
Впервые экспериментально определен коэффициент ударной ионизации экситонов в широком диапазоне изменения электрического поля и температуры. Полученные данные хорошо согласуются с результатами расчетов.
Определенная из анализа. ВЙХ экситонного пробоя температурная зависимость коэффициента связывания электронно-дырочных пар в экситон в германии согласуется с предсказанной теоретически в работе [2].
Из анализа кинетики экситонного пробоя обнаружено, что коэффициент связывания электронов и дырок в экситон обратно пропорционален величине электрического поля.
Критическое поле пробоя экситонов сильно возрастает, а
коэффициент ударной ионизации резко падает в слабом поперечном
магнитном поле < 10 Т. Экспериментально найденный коэффициент
ударной ионизации в магнитном поле хорошо описывается сделанньм расчетом.
8. Новый режим кинетического усиления фототока может быть
реализован на основе использования особенностей кинетики при
месного пробоя фотовозбужденного полупроводника. Величина, коэф-
фициента. усиления достигает величины~10 .
- do -
