Фотоэлектромагнитные и магнитооптические методы определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда в узкозонных полупроводниках Костюченко, Владимир Яковлевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Костюченко, Владимир Яковлевич. Фотоэлектромагнитные и магнитооптические методы определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда в узкозонных полупроводниках : диссертация ... доктора физико-математических наук : 01.04.01 / Костюченко Владимир Яковлевич; [Место защиты: ГОУВПО "Алтайский государственный университет"].- Барнаул, 2012.- 286 с.: ил. РГБ ОД, 71 13-1/7

Введение к работе

Актуальность темы. Важной практической задачей современной опто- электроники является усовершенствование известных и создание новых фотоприёмных устройств (ФПУ) инфракрасного диапазона. Большая часть ФПУ для этого диапазона изготавливается на основе узкозонных полупроводниковых соединений (InSb, InAs, PbSnTe, CdHgTe и др.).

В настоящее время для изготовления ФПУ с фотоэлементами в виде n-p-пе- реходов используются преимущественно плёнки p-типа тройных растворов кадмий - ртуть - теллур (КРТ) Cd_xHgi__xTe (x - мольный состав Cd) [1], толщина d которых сравнима с длиной диффузии L (d < L) неосновных носителей заряда (ННЗ). Плёнки КРТ выращиваются методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) или молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Для улучшения характеристик ФПУ в настоящее время выращиваются плёнки КРТ со сложным профилем мольного состава кадмия x - гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС). В ИФП СО РАН им. А.В. Ржанова разработана оригинальная технология выращивания методом МЛЭ плёнок КРТ [2] с приграничными варизонными слоями, которые уменьшают скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда [3].

При выборе плёнок для изготовления ФПУ с требуемыми характеристиками необходимо знать точные значения параметров материала: равновесную концентрацию р₀ и подвижность m_р основных носителей заряда (дырок), ре-

комбинационно-диффузионные параметры материала, такие как времена жизни электронов t_n и дырок t p в объёме, подвижность m_n неосновных носителей

заряда (электронов), скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда на свободной и связанной с подложкой границах плёнки 51 и S2, соответственно. В свою очередь, значения времен жизни электронов t_n и дырок t p в объёме определяются параметрами рекомбинационных центров (РЦ): концентрацией N_t и энергией залегания РЦ E_t, коэффициентами захвата электронов C_n и дырок C_p на РЦ.

Применение традиционных методов определения этих параметров в ГЭС КРТ р-типа затруднено сложностью выделения вкладов в процессы рекомбинации и диффузии ННЗ различных слоев структуры, а также относительной малостью значений их времени жизни и диффузионной длины. Применение метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней для измерений параметров РЦ в КРТ с мольным составом Cd х » 0,22 затруднено следующими причинами: во-первых, малая ширина запрещённой зоны требует использования гелиевых температур, во-вторых, трудно изготовить p-n переход на таком материале, который не имел бы туннельного пробоя при низких температурах. Поэтому актуальным является развитие новых, особенно бесконтактных, методов обнаружения РЦ и изучения их влияния на свойства полупроводников.

В связи с этим возникает проблема разработки методов определения указанных параметров в ГЭС (d < L) Cd_xHg_1-xTe p-типа с мольным составом Cd x» 0,2 и создания экспериментальной измерительной установки, которая позволила

бы последовательно применять эти методы для одновременного определения всего комплекса параметров. Кроме того, требуется определять указанные параметры для центрального однородного по составу х слоя ГЭС КРТ р-типа, не разрушая приповерхностные варизонные слои. Поэтому особую актуальность представляет разработка нового комплекса методов неразрушающих контактных исследований не только ГЭС КРТ р-типа, но и ГЭС узкозонных полупроводников р-типа, которые используются при создании принципиально новых полупроводниковых оптоэлектронных приборов на основе микро- и наноэлек- троники. В качестве модельного объекта исследований был выбран InSb n-типа как наиболее изученный узкозонный полупроводник.

Для разработки комплекса методов определения указанных параметров в плёнках (d < L) р-типа (x» 0,2) Cd_xHg_bxTe, помещённых в стационарные скрещенные электрическое и магнитное поля (E L B, где E - напряжённость электрического поля и B - индукция магнитного поля), необходимо было теоретически и экспериментально исследовать поведение фотогенерированных носителей заряда методом стационарной фотопроводимости (ФП) в магнитном поле

для геометрии Фарадея (к B, B L E, где к - волновой вектор излучения), а также совместными методами фотомагнитного эффекта (ФМЭ) и стационарной ФП в магнитном поле для геометрии Фойгта (k L B, к L E, B L E). К началу выполнения настоящей диссертационной работы в литературе не были описаны подобные методы для структур ЖФЭ КРТ p-типа, в которых мольный состав x изменяется линейно по толщине, а также для структур МЛЭ КРТ p-типа с вари- зонными приграничными областями.

С появлением работ [4], в которых был разработан метод определения энергетических параметров РЦ в узкозонных полупроводниках при оптических переходах между РЦ и квантовыми электронными состояниями в сильном магнитном поле (МОЭ - магнитооптические эффекты), необходимо было развитие этого метода для бесконтактного определения энергии ионизации РЦ в вырожденном InSb n-типа.

Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью разработки новых методов определения электрофизических и рекомбинационно- диффузионных параметров носителей заряда в плёнках (d < L) и гетероэпитак- сиальных структурах узкозонных полупроводников р-типа со сложным профилем ширины запрещенной зоны.

Целью работы является решение проблемы создания комплекса методов и аппаратуры для определения электрофизических и рекомбинационно-диффу- зионных параметров носителей заряда в эпитаксиальных плёнках и плёночных структурах (d < L) узкозонных полупроводников р-типа, а также развитие локального бесконтактного магнитооптического метода регистрации и измерения энергии ионизации РЦ в узкозонных вырожденных полупроводниках n-типа.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ с целью выявления недостатков современных аппаратурных средств и методов, применяемых для определения электрофизических

и рекомбинационно-диффузионных параметров узкозонных полупроводников р-типа и плёночных структур (d < L) на их основе;

разработать и создать экспериментальные установки для измерений хол- ловского напряжения, магнитосопротивления, ФМЭ, ФП в магнитном поле (геометрии Фарадея и Фойгта) в узкозонных полупроводниках и пленочных структурах на их основе;

построить с целью разработки новых методов определения параметров основных и неосновных носителей заряда модели, описывающие экспериментальные зависимости от индукции магнитного поля ФМЭ, ФП для двух геометрий (Т = 77-125 K) в плёнках и плёночных структурах (d < L) кадмий - ртуть - теллур (x» 0,2) р-типа;

определить раздельные вклады фотогенерированных электронов и дырок в ФП для геометрии Фарадея;

разработать, исходя из результатов исследований ФП в геометрии Фарадея (Т = 77-125 К), методы определения подвижности неосновных носителей заряда (электронов), отношения времени жизни носителей заряда и концентрации рекомбинационных центров в гетероэпитаксиальных структурах кадмий - ртуть - теллур p-типа. Проанализировать погрешности определения этих параметров;

разработать методы определения рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда в гетероэпитаксиальных структурах кадмий - ртуть - теллур р-типа таких, как время жизни электронов в объеме, скорости рекомбинации носителей заряда на поверхностях плёнки;

создать комплекс аппаратурных средств, реализованных на одной установке, и методов определения электрофизических и рекомбинационно- диффузионных параметров основных и неосновных носителей заряда;

апробировать предложенный комплекс определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров носителей заряда на гетероэпи- таксиальных структурах (d < L) МЛЭ кадмий - ртуть - теллур р-типа:

исследовать:

температурные зависимости подвижности электронов;

магнитополевые зависимости ФП в геометрии Фарадея при смешанной проводимости;

ФМЭ и ФП в магнитном поле для геометрии Фарадея в структурах со встроенными нанослоями в варизонных приграничных областях;

разработать метод измерения нормальной и латеральной компонент силы «темнового» тока n-p фотодиодов;
оценить параметры РЦ по температурной зависимости времени жизни электронов и по зависимости значения отношения времени жизни носителей заряда от концентрации равновесных дырок;

развить локальный бесконтактный магнитооптический метод регистрации и измерения энергии ионизации РЦ для вырожденного InSb n-типа.

Объектом исследований являются методы определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров основных и неосновных носителей заряда в узкозонных полупроводниках и ГЭС (d < L) р-типа на их основе.

Предметом исследований являются InSb n-типа; плёнки n- и p-типа КРТ (x» 0,2), выращенные методом ЖФЭ на подложках из CdTe (Cd_xHgi_-xTe/CdTe); плёнки КРТ (x» 0,2 и x» 0,3) p-типа, выращенные методом МЛЭ на подложках из GaAs ориентации (013) без варизонных и с варизонными приграничными областями, а также со встроенными нанослоями в варизонных областях.

Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретическим методом исследовано поведение фотогенерированных носителей заряда в плёнках и плёночных структурах (d < L) узкозонных полупроводников р-типа, помещенных в стационарные скрещенные электрическое и магнитное поля (E ± B).

Экспериментальными методами измерения холловского напряжения и маг- нитосопротивления определялись концентрации и подвижности основных носителей заряда в ГЭС ЖФЭ КРТ и InSb n-типа. Для эпитаксиальных плёнок ГЭС МЛЭ КРТ p-типа с приграничными варизонными областями концентрации и подвижности основных носителей заряда определялись по результатам измерений магнитополевых зависимостей холловского напряжения и магнитосопро- тивления методом «спектра подвижности» и так называемой многозонной подгонкой. Экспериментальные методы также включали ФМЭ и стационарную ФП (геометрии Фойгта и Фарадея) в магнитном поле с индукцией от 0 до 2 Тл для температурного диапазона от 77 до 300 К. При гелиевой температуре в геометрии Фойгта исследовались магнитосопротивление, магнитопоглощение и их поляризационные зависимости в InSb n-типа при монохроматической подсветке с длиной волны от 5 до 6 мкм, что соответствовало энергии фотона меньшей ширины запрещенной зоны. Исследования для геометрии Фарадея также проводились на невырожденном InSb n-типа при T = 4,2 К в сильном магнитном поле (до 10 Тл) сверхпроводящего соленоида. Рекомбинационно-диффузионные параметры плёнок находились методом наименьших квадратов с использованием численного метода нелинейной оптимизации Хука - Дживса из соответствия теоретических выражений экспериментальным данным.

Научная новизна. На основе совместного анализа ФМЭ и ФП (геометрии Фарадея и Фойгта) дано научное обоснование разработки методов определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров основных и неосновных носителей заряда в плёнках (d < L) узкозонных полупроводников р-типа. Создан автоматизированный фотоэлектромагнитный комплекс аппаратурных средств и новых методов, позволяющих получать наиболее полную информацию об указанных параметрах носителей заряда в плёнках КРТ p-типа. При этом впервые:

определены на основе анализа магнитополевой зависимости ФП в геометрии Фарадея раздельные вклады фотогенерированных электронов и дырок в сигнал ФП;

предложен на основе анализа магнитополевых зависимостей электронной компоненты ФП в геометрии Фарадея метод определения подвижности неосновных носителей заряда (электронов);

разработаны методы определения отношения времени жизни носителей заряда и концентрации рекомбинационных центров по магнитополевой зависимости ФП в геометрии Фарадея;

оценены в ГЭС МЛЭ КРТ p-типа параметры рекомбинационных центров: энергия залегания, коэффициенты захвата электронов и дырок на реком- бинационные центры;

разработан на основе анализа магнитополевых зависимостей ФМЭ и ФП в геометрии Фойгта метод определения времени жизни электронов в объеме, скорости рекомбинации носителей заряда на поверхностях плёнки;

развит для вырожденного InSb n-типа локальный бесконтактный магнитооптический метод регистрации РЦ и измерения их энергии ионизации.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

разработан фотоэлектромагнитный комплекс аппаратурных и методических средств, позволяющий определять параметры основных и неосновных носителей заряда в эпитаксиальных плёнках и плёночных структурах (d < L) КРТ р-типа: концентрацию и подвижность основных носителей заряда (дырок), времена жизни электронов и дырок в объёме, подвижность неосновных носителей заряда (электронов), скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда на поверхностях плёнки, что позволило получать на одной установке наиболее полную и достоверную информацию, характеризующую процессы диффузии и рекомбинации неосновных носителей заряда;

для вырожденного InSb n-типа развит локальный бесконтактный магнитооптический метод регистрации и измерения энергии ионизации РЦ. Предложенным методом определены ранее не наблюдаемые РЦ с энергией залегания 200 мэВ;

разработанным методом при температуре 77 К определена подвижность неосновных носителей заряда (электронов) в ЖФЭ и МЛЭ КРТ p-типа. Для исследованных ЖФЭ образцов значение подвижности лежит в интервале от 4 до

6 м /(В-с), а для МЛЭ образцов - от 5 до 8 м /(В-с);

для гетероэпитаксиальных структур с варизонными приграничными областями МЛЭ КРТ р-типа:

вычислены значения отношения времени жизни дырок и электронов, которые лежат в интервале 5-30;
оценены параметры РЦ: энергия залегания РЦ (E_t » 53 мэВ), коэф-

фициенты захвата электронов и дырок на РЦ C_n ~ 2,3 х 10" м/с и C_p ~ 8,6 х 10^-16 м_³/с, соответственно. Концентрация РЦ изменялась

1 Q -ЛП О

в диапазоне от 2,5 х 10 до 5,0 х 10 м . Энергия E_t лежит близко к середине запрещённой зоны, что согласуется с опубликованными данными;

из магнитополевых зависимостей ФП в геометрии Фойгта и ФМЭ (Т = 77 К) вычислены разработанным методом рекомбинационно- диффузионные параметры структур: время жизни электронов в объеме, скорости поверхностной рекомбинации. Значения скорости поверхностной рекомбинации лежат в диапазоне от 30 до 150 м/с, что по порядку величины совпадает с рекордно низкими значениями для образцов КРТ p-типа, пассивированных ZnS или CdTe [5].

Реализация результатов исследований. Разработанные методы и аппаратурные средства использовались при выполнении НИР ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН «Продукт», «Каскад-3», госбюджетных НИР при СГГА № 1.8.94Д «Разработка фотомагнитной методики и создание установки для диагностики рекомбинационных параметров в плёночных структурах узкозонных полупроводников» и 1.3.09 «Изучение рекомбинационных и диффузионных свойств неравновесного электронно-дырочного газа в полупроводниковых узкозонных плёнках с варизонными приграничными слоями».

Достоверность результатов исследований подтверждена: использованием при проведении измерений современных приборов и методик; соответствием полученных экспериментальных данных развиваемым в работе физико- математическим моделям; апробацией разработанных методик на большом числе образцов; совпадением значений параметров, определенных с использованием разработанного комплекса методов, со значениями, вычисленными другими авторами с использованием известных методик измерений; апробацией представленных результатов на отечественных и зарубежных конференциях.

На защиту выносятся:

методы определения (T = 77-125 К) параметров полупроводникового твердого раствора кадмий - ртуть - теллур (Cd_xHg₁._xTe, где х» 0,2 - мольный состав Cd) р-типа, основанные на измеренных магнитополевых зависимостях стационарной ФП в геометрии Фарадея. Предлагаются методы определения подвижности неосновных носителей заряда (электронов), отношения времени жизни носителей заряда в объеме пленки и концентрации рекомбинационных центров;

методы определения параметров при азотных температурах в плёнках и гетероэпитаксиальных структурах (d < L, где d - толщина плёнки, L — длина диффузии неосновных носителей заряда) кадмий - ртуть - теллур (х» 0,2) р-типа, основанные на совместном анализе магнитополевых зависимостей ФМЭ и стационарной ФП для геометрии Фойгта. Предлагаются методы определения времени жизни электронов в плёнке, скоростей поверхностной рекомбинации носителей заряда на свободной поверхности плёнки и на границе раздела плёнка - подложка;

автоматизированный комплекс аппаратурных средств и методов определения электрофизических и рекомбинационно-диффузионных параметров основных и неосновных носителей заряда в эпитаксиальных плёнках и плёночных структурах (d < L) кадмий - ртуть - теллур р-типа;

результаты, полученные с использованием фотоэлектромагнитного комплекса, для гетероэпитаксиальных плёнок (с варизонными приграничными областями) кадмий - ртуть - теллур р-типа (х» 0,2), выращенных методом моле- кулярно-лучевой эпитаксии:

зависимость подвижности неосновных носителей заряда (электронов) от температуры (T = 77-300 К) описывается выражением m = A (Т/77)^-к,

О .

где A = (5-8 м /В с), к = 1,3-1,5. Такая зависимость обусловлена рассеянием ННЗ на колебаниях решётки;

при смешанной проводимости (T= 135-175 К) на экспериментальных магнитнополевых зависимостях ФП в геометрии Фарадея наблюдается максимум (при В Ф 0), обусловленный сильным магнитосопротив- лением равновесных носителей заряда;
для пленок оценены значения энергии залегания рекомбинационных центров, коэффициенты захвата электронов и дырок на объёмные ре- комбинационные центры:

по температурной зависимости времени жизни электронов;

по зависимости отношения времени жизни носителей заряда от концентрации равновесных дырок;

новый метод определения при температуре жидкого азота нормальной и латеральной компонент силы «темнового» тока n-p-фотодиодов (обратное смещение) в многоэлементных фотовольтаических фотоприемниках по измерению зависимости величины тока от индукции магнитного поля, что также может быть использовано для исключения взаимного влияния фотодиодов;

- локальный бесконтактный магнитооптический метод регистрации ре- комбинационных центров и измерения их энергии ионизации в вырожденном InSb n-типа.

Апробация работы. Результаты, полученные в данной работе, докладывались на II Всесоюзной школе-семинаре молодых учёных «Физика и материаловедение полупроводников с глубокими уровнями» (г. Черновцы, 1988 г.); на II Всесоюзном семинаре по проблеме «Физика и химия полупроводников» (г. Павлодар, 1989 г.); на III Международной конференции ЕХМАТЕС-96 (г. Фрайбург, Германия, 1996 г.); на Международной конференции «Квантовый эффект Холла и гетероструктуры» (г. Вюрцбург, Германия, 2001 г.); на 1-й Украинской конференции по физике полупроводников (г. Одесса, Украина, 2002 г.); на Российских совещаниях Фотоника-2003, Фотоника-2008 и Фотоника-2011 (г. Новосибирск, 2003 г., 2008 г. и 2011 г.); на XIX и XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г. Москва, 2006 г. и 2010 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (г. Новосибирск, НГТУ, 2007 г. и 2009 г.); на Международной Сибирской школе-семинаре по электронным приборам и материалам EDM-2004, EDM-2005, EDM-2006, EDM-2007 и EDM-2011(Эрлагол, Россия, 2004-2007 и 2011 гг.); на Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2011» (г. Новосибирск, СГГА, 2005-2009 и 2011 гг.), на 14-й Международной конференции, по- свящённой соединениям А₂В₆ (г. Санкт-Петербург, Россия, 23-28 августа 2009 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 54 научные работы, в том числе 17 публикаций в журналах, которые входят в перечень периодических научных изданий, рекомендуемых ВАК для публикации научных работ, отражающих основное научное содержание докторских диссертаций. Перечень основных работ приведён в конце автореферата.

Личный вклад автора в экспериментальную физику заключается в разработке фотоэлектромагнитных методов определения электрофизических и ре- комбинационно-диффузионных параметров носителей заряда в плёнках узкозонных полупроводников (d < L) р-типа, что позволяет квалифицировать это как создание основ научного направления в области разработки новых методов и средств экспериментальной физики. Диссертационная работа - результат обобщения многолетних исследований, часть которых получена совместно с сотрудниками Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 250 наименований. Работа изложена на 286 страницах, содержит 71 рисунок и 13 таблиц.