Введение к работе
Акту_альность_темы. В связи с развитием оптоэлектроники в последнее двадцатилетие возрос интерес к нетрадиционным для полупроводниковой электроники материалам, которые могут составить ее элементную оазу. Значительное место сведи них занимают Еысоксомныв полупроводники, край фундаментального поглощения которых лежит в видимой и олижней инфракрасной области спекта. К таким объектам принадлежат кристаллы типа силленитов ifij-.iSl.Gexi.Q и высокоомный GaAs. Обладая удачным сочетанием физических свойств (низкая темновая проводимость, высокая фоточувствительность, наличие линейного электрооптического эффекта, чувствительность к легированию, механическая прочность, технологичность изготовления), такие кристаллы и структуры на их основе нашли применение в качестве фоточувствительных сред ДЛЯ' реверсивной оптической памяти, голографии и оптической обработки пнфомацни. Использование этих кристаллов в практических устройствах основано на том, что при изменении электрического поля в них за счет электрооптического эффекта изменяются двулуче-преломляюше свойства, благодаря чему модулируется состояние поляризации зондирующего светового потока, считывающего информацию об изменении поля. Таким образом, работа этих устройств определяется перераспределением поля в кристаллической пластине под воздействием фотоактивного света (при использовании оптической адресации) или электронного луча (при электронно -лучевой адресации).
Кроме того, интерес к изучению арсенидгаллиевых p-1-n гтруктур во многом обусловлен их широким применением в качестве составных частей различных полупроводниковых приборов, таких как тиристоры, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, фотодиоды. На основе таких структур созданы новые приборы - оптоэлектронные тиристоры, имеющие оптическую связь мезду р-n переходами, что открывает ноБые возможности для повышения быстродействия за счет уменьшения времени задержки при включении и времени распространения включенного состояния в объеме коллекторного электрода.
Таким образом, для понимания функционирования и улучшения
параметров активних элементов оптоэлектронных систем, для оптимизации параметров известных полупроводниковых лтаоогов и ллл разработки принципиально новых представляєтся актуальным исследование сташюнатаого распределения поля и его эволюции в стсуктурах на основе высокоомных полупроводниковых кристаллов в условиях, слизких к тем, в котошх они оказываются пли практическом использовании. Кроме того, изучение пространственного распределения' поля и его эволюции представляет особый ;штерес, поскольку оно позволяет глубже понять механизмы переноса заряда пол влиянием различных внешних воздействий в высокоомяых полупроводниковых кристаллах, выявить роль различных локальных центров в процессах генерации и -захвата носителей, получить информацию о знаке подвижных носителей заряда, энергиях ионизации и концентрациях локализованных состояний в запрещенной зоне кристалла.
Шль_раооты. Основной целью работы является исследование электхюоптическими метолами пространственного распределения электрического поля и его эволюции в ооъеме бысокоомшх полупроводниковых' структур (в МІП1- структурах на основе кристаллов силленитов Bl,^(Sl,Ue)U,(j и p-1-n структурах на основе слаоо-легированного GaAS). Кроме того, в задачи настоящей работы входило проведение измерений при различных условиях эксперимента (различные виды контакта и величины приложенного напряжения, температуры образца, интенсивности фотовозсувдения) и выявление закономерностей процессов переноса заряда, при этом особое внимание следовало уделить выбору модели этого процесса і различных условиях. Предполагалось выполнить расчеты распределю!/ поля и сопоставить их с эксперименом, а также попытаться определить параметры, имеющие значение для практической использования структур этого типа.
Нау.чная_ковизна представленных в диссертационной работ< результатов заключается в том, что в ней впервые:
- Разработан прямей метод количественного измерена распределения напряженности электрического поля в объеме высоко омных полупроводтжоБ, основанный, на эффекте Франца -. Келдыша .ІепсльзованнцЯ стробоскопический Еариант регистрации пол
обеспечивает возможность изучения быстропротекающих процессов с временным разрешением не хуже імкс. Этим методом изучались процессы экранирования поля в p-1-n структурах на основе слабо-лелгеованного арсенидэ галлия.
Установлена зависимость характера экранирования поля в кгаїсталлах силлэнигов от соотношения размеюов исследуемой ИДП-стсуктуры - толщин кристалла, диэлектрика и длины дрейфа свободных носителей заряда. определен вид стационарного васпределения поля в объеме кристаллической пластины при зарядке ее noBODXHOCTH электронным пучком в зависимости от интенсивности фстовозоуждения и тока электронного пучка. Результаты проведенных экспериментов сопоставлены с теоретическими расчетами, определены основные параметры переноса заряда в силленитах.
Установлен характер экранирования поля в объеме p-1-n стоуктур на основе GaAs при приложении обратного смещения.' Показано, что экранирование поля происходит в два этапа, определяемых различными временами ионизации донорной и акцепторной примеси. Проведены расчеты экранирования поля в различных слпях, хорошо оплсываюшиэ эксперимент, найден ряд параметров исследуемой структуры.
Выполнены измерения экранирования поля при различных температурах образца. Показано, что температурная зависимость динамики электрического поля в исследуемых p-1-n структурах контролируется процессом термической ионизации единственного уровня глубоких акцепторов в объеме р-слоя, определена энергия их ионизашш.
- В зависимости от величины приложенного напряжения
наблюдались качественно различные картины, распределения поля в
1-слое p-1-n структуры (инвертирование вида экстремума в
стационарном распределении поля). Результаты объяснены на основе
модели, учитывающей генерацию, дрейф и обратный захват свободных
носителей на примесные уровни, имеющие существенно неоднородное
пространственное распределение.
- Обнаружено фотоиндуцированное смещение картины стационар
ного распределения поля, зависящее от интенсивности возбуждающего
света. Показано, что фотоиндуцированное смещение распределений
.-6-
поля вызвано оптической пеоезарядкой глубокого акцепторного уровня.
^остдвеоность_и_налезяость_резу_льтатов^ Иостоверность и надежность экспериментальных иезультатов и выводов работы обеспечены тщательной . прораооткой методики измерений и подтверждаются удовлетворительным согласованием результатов проведенных экспериментов с полученными на основе установленных моделей аналитическими решениями, результатами численных расчетов и имеющимися литературными данными.
. Нау_чная_и_п^актическая_значимость. Установленная в результате проведенных исследований связь между характером экранирования поля и'видом релаксации фототока в зависимости от характерных размеров щт-структуры на основе силленитов пвддстазляет определенную ценность для изучения явлений переноса заряда в высокоомных полупроводниках. 'Гак, в случаях, когда невозможно воспользоваться метолами прямого измерения распределения поля на основе электрооптических эффектов, единственной возможностью получеїшя информации о поле остаются традиционные токовые методы - измерение кинетики фототока во внешней цепи, по которой, используя установленные соотношения, возможно восстановить характер и основные параметры процесса экранирования поля. Полученные в диссертации результаты изучения стационарного распределения поля в силленитах при приложении напряжения электронным пучком и фотовозоуждении могут оыть использованы при разраоотке и совершенствовании параметров пространственно временных модуляторов света с электронно - лучевой адресацией, использующие в качестве мишеней эти кристаллы.
Разработанный высокоразрешающий метод регистрации быстро-протекающих процессов экранирования поля, использующий эффект Фракца-Келдыша, позволяет получать прямую информацию о процессах переноса заряда в высокоомных кристаллах в реальном масштабе времени и является одним из наиболее информативных методов изучения явлений, связанных с эволюцией поля в объеме образца.
Результаты исследований с помощью этого метода экранирования поля в объеме p-1-n структур на основе слаоолегированкого UaAs имеет вакное значение для понимания процессов переноса заряда в
сильно компенсированных полупроводниках (которым является 1-слой структуры). На основе установленный модели экранирования поля в разных слоях структуры предложен спосоо определения ряда параметров структуры, информация, о которых неооходима при конструировании и изготовлении полупроводниковых приооров на осноеє этих структур.
Аггоооация_раоотн. основные результаты диссертации докладывались на XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев,1988), на VI Всесоюзном совещании по физике, диэлектриков (Томск, 1У88), на I Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1989), Весенней сессии Европейского общества по исследованию материалов (Страсбург, 1У93), Международном совещании по фоторофрактивным материалам, эффектам и устройствам (Киев, 1993). Результаты также' докладывались на научных семинарах ь Университете г.Регенсоурга, в' институте Технологии Твердого Тела г.Мюнхена.
ЩОликации. основные результаты раооты опубликованы в 6 научных статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Отр^кту_ра_и_доъем_дисседтаиии. диссертация состоит из введения, пяти глав, двух приложений, заключения и списка литературы, Обший ооъем 175 машинописных страниц, в их числе 28 рисунков. Описок литературяы содержит 140 наименований.
