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.

§3. Фотопроводимость в поликристаллических пленках CdTe в области примесного поглощения света

При изучении ФП пленок CdTe, обладающих АФН, возникают некоторые сложности, так как появляются фото-ЭДС, сравнимая по величине с приложенным полем, Поэтому надо было провести комплекс исследований, позволяющий отдельно рассматривать ФП и ток короткого замыкания (I_kз), определять разницу барьеров вдоль и поперек клинообразного образца. Для этого изготавливались образцы с крестообразным расположением контактов вдоль и поперек асимметрии слоя. Спектры ФП измеренные с внешним напряжением, приложенным параллельно асимметрии кристаллитов, показан на рис. 6. В длинноволновой области спектра hν <1.15 эВ создается фото-ЭДС намного меньшей величины по сравнению с величиной внешнего напряжения, поэтому в этой области только ФП и фотосигнал совпадают по величине при разных полярностях приложенного напряжения. С увеличением энергии кванта света (hν> 1,15 эВ) уже проявляется влияние фото-ЭДС. В одном случае, когда полярность фото-ЭДС совпадает с полярностью приложенного напряжения, фотосигнал увеличивается (кривая 1). В другом случае когда полярности генерируемого АФН и приложенного внешнего поля противоположны, в результате возникновения большой фото-ЭДС при hν> 1,35 эВ наблюдается инверсия знака (кривая 2). Путем усреднения аналогичных зависимостей было вычислено влияние I_кз и построены спектры ФП (рис.7, кривые 1,2). Перпендикулярно асимметрии кристаллитов фотосигнал совпадает по величине при разных полярностях приложенного напряжения во всем измеренном спектре (рис. 7, кривые 3,4), так как в этом направлении величина генерируемой фото-ЭДС более чем на порядок меньше величины фото-ЭДС, генерируемой параллельно асимметрии кристаллитов.

Представленные спектральные характеристики, а также их зависимость от температуры позволяют нам предложить следующую модель фотополупроводника. Отсутствие коротковолнового спада фотопроводимости показывает, что либо скорость рекомбинации на поверхности мала, что маловероятно, либо длина диффузии носителей превышает размер кристаллита. Так как средняя толщина образца не превышала d = 1,2 мкм, что соответствует размеру кристаллита, то, считая, что коэффициент диффузии в нем такой, как и в кристалле, получаем

Прямое измерение времени жизни носителей в слое по спаду ФП после возбуждения коротким импульсом возбуждения дало, что это время порядка 100 пс (см. §6). Это согласуется с последней оценкой.

Монотонное возрастание фототока с увеличением энергии квантов света показывает, что одновременно меняется и скорость генерации носителей и изменяются барьеры (из-за чего спектральная зависимость может сглаживаться).

Подсветка должна стабилизировать изменение барьеров, что и выражается в выявлении полос примесной ФП энергиями активации около 0,9 эВ и 1,3 эВ (рис.7.). Длинноволновый край ФП находится около 0,4 0,5 эВ. Понижение температуры приводит к опустошению этих уровней вследствие роста длины экранирования.

При 100 К спектральные зависимости показаны на рис. 8. Из них следует, что при низких температурах фото-генерация возможна только из уровней с энергией активации 1,1 эВ. Подсветка заполняет более мелкие уровни, и в спектре ФП выявляются уровни с энергий активации 0,5 и 0,8 эВ. Эти значения показывают, что в области барьеров имеется р — тип проводимости, а в объеме при низких температурах проводимость также становится р — типа. Появление фоточувствительности в направлении, параллельном асимметрии барьеров, в области

при 300К указывает на то, что в этом направлении, как упоминалось выше имеются каналы с более выраженным р — типом проводимости. С уменьшением температуры термическая генерация носителей заряда уменьшается и области объемных зарядов увеличиваются. Поэтому при температуре 100 К канал c более выраженным р — типом проводимости в направлении, параллельном асимметрии барьеров, появляются только при дополнительной подсветке с

так как уровень

в CdTe является ловушкой для дырок [15], и при подсветке он заполняется дырками.

Уменьшение фоточувствительности в области эВ при перпендикулярной ФП (рис. 8. кривая 3), а также ее меньшие величины при температуры 300К по сравнению с параллельной ФП указывает на то, что в этом направлении имеются потенциальные барьеры с более выраженной проводимостью n—типа.

Следует отметить, что как темновая, так и при освещении электропроводность поперек слоя больше, чем вдоль его. По-видимому, это связано с тем, что при росте кристаллитов поперек слоя плотность поверхностных состояний из-за лучшего их сращивания получилась меньше, чем вдоль слоя, когда сращивание было хуже. Это и приводит к тому, что величина барьеров вдоль и поперек слоя (оценивая по абсолютному значению тока) различается на 5—10 мэВ. Фотопроводимость в области 0.6—0.9 эВ также подтверждает различие в скорости генерации носителей из уровней в барьере, так как Анизотропия фотопроводимости (изменение высоты барьера) больше вдоль слоя. ФП с увеличением подсветки уменьшается, что связано с уменьшением времени жизни носителей (на что указывает и люкс-амперные характеристики представленные на рис. 9).

Асимметричность свойств косо-напыленных пленок наблюдается и при измерении зависимостей параллельного (рис. 9, кривая 1) и перпендикулярного (кривая 2) фототоков от интенсивности возбуждающего света L (ЛАХ) при освещении светом с

В обоих направлениях имеются три участка со значениями и это должно определяться изменением условий рекомбинации и протекания тока в зависимости от уровня возбуждения.

Для интерпретации ЛАХ учтем, что в косо-напыленных пленках CdTe: Ag, как и в других неоднородных полупроводниках [13], потенциальные барьеры могут служить дрейфовыми или рекомбинационными барьерами для неравновесных носителей. При наличии дрейфовых Е_др и рекомбинационных E_рек барьеров изменения проводимости можно записать следующим образом [27]:

где e — заряд электрона, — коэффициент поглощения, η — квантовая эффективность, L — интенсивность света, τ₀, μ₀ — соответственно время жизни и подвижность носителей заряда в однородном полупроводнике, s^{n, p}, l^{s, p} — сечение и длина каналов протекания в полупроводнике соответственно с p — и n — типом проводимости. При освещении зависимость Δσ от L определяется не только условиями генерации и рекомбинации неравновесных носителей заряда, но и изменением величины и ширины потенциальных барьеров [28]. Влияние барьеров на ФП более заметно при малых уровнях возбуждения.

Из рис. 9 видно, что с увеличением энергии кванта подсветки уменьшается поперечная ФП (поперечная по отношению вдоль пленки). Например, по нашим оценкам, ЛАХ поперечной ФП в области значений L (в отн. ед.) от 5 до 15 отн. ед. аппроксимируется со степенной закономерностью

при подсветке

Такое однозначное поведение ЛАХ, т.е. уменьшение ФП с ростом, связано с отсутствием влияния асимметрии на поперечную ФП. При параллельной асимметрии кристаллитов фотопроводимость в области значений от 5 до 15 аппроксимируется со степенной закономерностью

при подсветке с

Сверх-линейность ЛАХ при малых уровнях возбуждения показывает, что в этой области дрейфовые барьеры уменьшаются быстрее по сравнению с рекомбинационными барьерами, особенно это проявляется в случае перпендикулярной ФП. С увеличением интенсивности света ЛАХ переходит от сверх-линейности к линейности и сублинейности. В этом случае влияние дрейфовых барьеров исчезает и поэтому ЛАХ в обоих направлениях практически совпадают.

Различие коэффициентов ЛАХ при малых уровнях возбуждения особенно при освещении квантами света hν=1,1÷1,2 эВ, когда генерируется электроны из уровня E_C — 1,03 эВ в зону проводимости, и асимметрия спектральных зависимостей ФП говорят о том, что потенциальные барьеры в обоих направлениях различны.

Отметим также еще одну особенность спектрального распределения ФП. Нарастание ФП происходит более резко, чем возрастает коэффициент поглощения (см. например рис. 2 и 7). Это показывает, что ФП определяется не только скоростью генерации носителей, но и временем жизни. Достаточно резкое его повышение (при возрастании поглощении света на 1—2 порядка ФП растет на 3—4 порядка) показывает на возможное влияние рекомбинационных барьеров.

Таким образом, изучая ЛАХ, спектры ФП и I_кз в направлениях вдоль и поперек возникающей фото-ЭДС, можно получить информацию об асимметричности барьеров в этих направлениях.