Фотоэлектрические явления в широкозонных полупроводниковых гетероструктурах с глубокими примесными уровнями. Монография

Салим Мадрахмович Отажонов

В монографии приводятся физические свойства и механизм образования фото-ЭДС в пленках А2В6. Комплексное изучение фото-ЭДС и фотопроводимости позволил определить энергии их активации и свойства межкристаллических барьеров вдоль слоя. Рассмотрена структура края поглощения пленок для упрощения анализа спектров фотопроводимости и тока замыкания. Монография предназначена для научных работников, студентов и аспирантов тех. образования. Монография рекомендована к печати Ученым советом ФерГУ.

§2. Некоторые общие соображения о спектральном распределении фотоЭДС и фотопроводимости

Анализ спектров фотопроводимости (ФП) и фото-ЭДС проведен, поддерживаясь следующих общеизвестных положений:

а) если толщина полупроводника превышает длину диффузии неравновесных носителей, то при возбуждении сильно поглощаемым светом ФП определяется скоростью генерации и рекомбинации носителей в области генерации носителей (когда

то в слое толщиной, равной длине диффузии носителей, можно пренебречь изгибом зон на поверхности). В тех же условиях фото-ЭДС генерируется на барьерах в той же области, а результирующая ЭДС на контактах определяется эффективной схемой образца. На краю поглощения, когда свет слабо поглощается, в объеме возможно как увеличение фотопроводимости, если скорость рекомбинации на поверхности больше, чем в объеме, так и уменьшение, когда уменьшается скорость генерации носителей из-за увеличения прозрачности образца. Переход к примесной фотогенерации носителей будет выявляться, если меняется время их жизни. Если носители возбуждаются из мелких уровней, из которых происходит быстрая термическая активизация неравновесных носителей, то в этих условиях генерация фото-ЭДС при собственном и примесном поглощении определяется только свойствами области поглощения света;

б) если толщина образца меньше длины диффузии, то возбужденные как в объеме, так и на поверхности носители будут рекомбинировать на тех же центрах, которые захватывают не основные носители. При переходе к примесной генерации носителей может меняться их время жизни и, как в первом случае, возможны особенности, связанные со свойствами глубоких уровней (характером конкуренции различных каналов рекомбинации при наличии термической генерации не основных носителей).

в) если имеются межкристаллические барьеры в толщине слоя (в глубь образца), то при генерации носителей на поверхности фотопроводимость и фото-ЭДС определяется размерами этого кристаллита с учетом захвата носителей на межкристаллитный барьер, который играет роль рекомбинационного барьера. При объемной генерации эффект от всех барьеров должен суммироваться с учетом их взаиморасположения;

г) если имеются межкристаллические барьеры вдоль слоя, то возбужденные неосновные носители, захватываясь в них, меняют их высоту и этим уменьшают дрейфовый барьер. При этом барьеры могут быть разной величины, и ток будет определять наименьший барьер (уровень протекания), а время жизни этих носителей — наибольший барьер. Величина барьеров определяется концентрацией поверхностных состояний и свойствами кристаллита, определяющий экранирование заряда на поверхности. В случае малых кристаллитов барьеры будут меньше, чем в больших, когда длина экранирования сравнима или больше их размеров.

В дальнейшем приводятся результаты исследования спектрального распределения тока короткого замыкания I_кз и ФП тех же образцов, у которых проведены рентгеновские и электронно-микроскопические исследования структуры. Основные закономерности спектров I_кз и ФП у всех типах образцов сохраняются (рис. 3, 4, 5): имеется коротковолновый спад I_кз по сравнению с ФП, что указывает на меньшую асимметрию межкристаллитных барьеров на поверхности; в области края поглощения (1.3—1.6 эВ) ФП и I_кз пропорциональны, что указывает на одинаковую роль носителей и в ФП, и генерации АФН; в более длинноволновой области имеется примесная генерация носителей, причем в ФП проявляется большее число глубоких уровней с характерными энергиями около 0.6; 0.9; 1.03 эВ (рис. 3, кривая 1). Сопоставление спектров ФП и I_кз со спектром α (см.2) показывает, что световые кванты с энергией 1.3 эВ и больше поглощаются, создавая свободные электроны и дырки (из уровней с Е_ОПТ = 1.3 эВ, т. е. Е_v +0.20 эВ дырки высвобождаются термическим путем), поэтому различия в собственной и примесной ФП или генерации I_кз не выявляются. При этом скорость поверхностной рекомбинации роли не играет, и ФП почти не зависит от энергии кванта в области собственного поглощения.

Уменьшение I_кз в этой области, наблюдаемое в некоторых слоях, по-видимому, связано с уменьшением асимметрии барьеров у самой поверхности или увеличением роли шунтирования барьеров. На значение I_кз во всех слоях влияет генерация из уровней с энергией активации около 1,03 эВ. Только в пленках, выращенных на SiO₂ — Si в более длинноволновой части спектра генерируется фото-ЭДС обратной полярности; характерные энергии уровней около 0.4 и 0.7 эВ (рис. 5). При генерации носителей фотонами с энергией эВ фото-ЭДС гасится. Сопоставление всех спектров показывает, что спектры ФП и I_кз в области края собственного поглощения сдвинуты в разных слоях относительно друг друга на величину до 0.05 эВ. Это может быть вызвано внутренним механическим напряжением, разность которого в слоях при медленном и быстром наращивании, (если использовать dE/dP=7.9×10^—6 эВ× см²/кГ [24]), составляет около 6.3×10⁸ Па. При быстром напылении на стекле и на SiO₂ — Si внутреннее напряжение получается практически одинаковым.

Отметим, что эти микронапряжения свойственны самой пленке, так как в [21] показано, что в пленках, толщина которых превышает 0.3 мкм, микронапряжения от ее толщины не меняются. Микронапряжения в пленках при медленном испарении распределяются между большим числом кристаллитов и слабее выражаются при определении свойств пленок. В пленках, полученных при быстром испарении, микронапряжения, возможно, приводят к возникновению кристаллитов со ступенчатой структурой: в начальной стадии наращивания пленок происходит конкуренция между частицами с различной ориентировкой, которое приводит к микро-искажению. Выживают те кристаллы, которые ориентированы по направлению молекулярного пучка. На растущих кристаллитах с микро-искажением при определенной их величине возникают условия эпитаксиального роста других кристаллитов. По видимо, большие микроискажения в кристаллитах возникающие при быстром напылении, обусловливают различия в свойствах барьера у поверхности и у подложки, что приводит к инверсии знака фото-ЭДС при фронтальном и тыловом возбуждениях в таких пленках (см. также §4).