МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. И.И.МЕЧНИКОВА
кафедра экспериментальной физики
ОСОБЕННОСТИ ФОТОПРОВОДИМОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ СУЛЬФИДА КАДМИЯ
ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ
Заведующий кафедрой
экспериментальной физики
академик _______________ Смынтына В.А.
Дипломная работа
студентки V курса
физического факультета
Минаевой Ольги Павловны
Научные руководители:
Профессор Чемересюк Г.Г.
Зав. лабораторией Каракис Ю.Н.
ОДЕССА – 2007
Содержание
Введение
Глава 1. Фотоэлектрические свойства неоднородных
полупроводниковых образцов
1.1. Свойства кристаллов, подвергнутых обработке в газовом разряде
1.2. Фотопроводимость при наличии запирающего барьера
1.3. Фотовольтаический эффект в полупроводниках с электрической
неоднородностью
1.4. Особенности фотопроводимости, обусловленные неоднородным
освещением
1.5 Обогащенный контактный слой в отсутствие тока
Глава 2. Энергетическая структура омического контакта в присутствии неравномерно распределенных электронных ловушек
2.1. Влияние ловушек на структуру барьера. Предварительный анализ
2.2. Распределение энергии в приконтактных слоях полупроводника с ловушками для электронов
2.3. Структура барьера в истощенном слое
2.4. Детализация явного вида функции распределения энергии
2.5. Энергетический профиль барьера в объеме полупроводника
2.6. Влияние освещения на профиль барьер
Глава 3. Фотоэлектрические свойства кристаллов, обработанных в
газовом разряде
3.1. Технология легирования образцов
3.2 Вольтамперные характеристики исследуемых структур
3.3. Спектральное распределение фототока
3.4. Спектральное распределение фото-э.д.с
3.5. Люкс-амперные характеристики
Выводы
Литература
Качество омических контактов к различным полупроводниковым устройствам является определяющим для их надежного и долговременного функционирования. Этим обеспечивается значительный интерес ко всем аспектам работы таких контактов – их созданию, особенностям протекания тока через них.
Вместе с тем известно, что свойства полупроводниковых веществ могут изменяться в широких пределах в зависимости от количества и качества образовавшихся дефектов. Разумеется, это неизбежно должно сказываться и на контактирующей части полупроводникового кристалла.
В настоящей работе рассмотрена задача о поведении изначально омического контакта к полупроводнику при появлении в его области пространственного заряда неравномерно распределенных электронных ловушек. Несмотря на очевидную актуальность этой проблемы, в литературе она практически не освещена.
Введение ловушечных центров в приконтактную область полупроводника, по-видимому, может кардинально изменить энергетическую структуру этой области. В частности, в случае электронных ловушек, возможно образование запирающего барьера. При этом значительно изменяются условия токопереноса и возникают специфические эффекты, близкие по природе к отрицательной фотопроводимости.
Мы ставим себе задачей выведение формулы, описывающей, как в темноте, так и на свету, вид возникающего барьера в зоне проводимости. А также определения связи параметров этого барьера – его ширины, высоты, координаты максимума, крутизны стенок – от свойств ловушек – их энергетической глубины, начальной концентрации и распределения по глубине образца. В тех случаях, когда прямой анализ был затруднителен, выявлялись, по крайней мере, тенденции зависимости.
Целью настоящей работы является показать, что неравномерно распределенные электронные ловушки способны сформировать запирающий барьер в области пространственного заряда омического контакта. Параметры его однозначно связанны с параметрами ловушек и значит, управляются технологически. При этом благодаря возникшему барьеру полупроводниковый кристалл приобретает новые свойства, в том числе и аномальные.
ГЛАВА 1
Фотоэлектрические свойства неоднородных полупроводниковых образцов
1.1. Свойства кристаллов, подвергнутых
обработке в газовом разряде
Изменения фотопроводимости, вызванные обработкой монокристаллических образцов халькогенидов кадмия в газовом разряде исследовали авторы [1-3]. Технология такой обработки заключается в следующем. Образец помещался в вакууме ~ 10-2¸10-3 мм.рт.ст. между электродами, к которым прикладывалось напряжение порядка нескольких киловольт. Использовались переменные поля промышленной частоты. В образовавшемся стримере разряда происходит бомбардировка заряженными частицами поверхности образца.
Обработка поверхности монокристаллов халькогенидов кадмия газовым разрядом приводит к существенному изменению вида вольтамперных характеристик.[2]. До обработки они линейны во всем интервале применяемых напряжений. После обработки линейный участок темновой вольтамперной харак-теристики (рис. 1.1, кривая 1) сохраняется лишь при начальных напряжениях. Затем зависимость тока от напряжения становится сублинейной, достигая насыщения. При достаточно высоких электрических полях она переходит в зависимость вида I ~V* где п > 2. При освещении кристалла (рис. 1, кривая 2) светом с λ = 740 нм зависимость Iф(V) сохраняет все особенности предыдущей кривой. Характерным является то, что при указанной подсветке в некотором интервале напряжений кривая 2 проходит ниже кривой 1, т.е. ток, измеренный при возбуждении кристалла светом, оказывается меньшим темнового. При подсветке излучением из глубины полосы собственного поглощения (λ = 500 нм) характеристика почти спрямляется в широкой области напряжений (рис. 1.1, кривая 3).
Обработка газовым разрядом поверхности кристаллов халькогенидов кадмия, наряду с уменьшением поверхностной рекомбинации, приводит к созданию большой концентрации электронных ловушек в приповерхностном слое. Это должно вызвать не только резкое возрастание инерционности фототока, что действительно наблюдается на опыте, но и уменьшение подвижности свободных носителей μ за счет дополнительного рассеяния их на заполненных электронами ловушках. Перезарядка ловушек может происходить как фотовозбужденными, так и инжектированными в кристалл электронами. Учитывая это, сублинейность и насыщение вольтамперных характеристик можно объяснить уменьшением подвижности за счет возрастания с увеличением напряжения концентрации инжектированных в образец электронов, заполняющих ловушки в приповерхностном слое кристалла. Последующее быстрое возрастание тока с ростом напряжения может быть объяснено процессами, приводящими к размножению свободных носителей с помощью электрического поля (освобождение мелких ловушек полем или ударная их ионизация быстро движущимися электронами).
Рис. 1.1.Вольт – амперные характеристики монокристалла CdSe, обработанного газовым разрядом. 1 - в темноте,
2-при освещении светом с λ=730 нм, 3-при освещении светом с λ=500 нм.
Наблюдаемое уменьшение тока при освещении кристалла светом из области 730 нм можно интерпретировать как следствие увеличения числа рассеивающих центров при подсветке. Это может соответствовать заполнению ловушек фотоэлектронами или подъему электронов непосредственно из валентной зоны на уровни дефектов. Сравнение кривых 1 и 2 рисунка 1.1 показывает, что существует некоторая область напряжений, где ток, измеренный при освещении, имеет меньшую величину, чем соответствующий темновой ток. Это может произойти в результате настолько значительного уменьшения подвижности свободных носителей, что возрастание их концентрации в результате фотовоз-буждения оказывается недостаточным для увеличения световой проводимости по сравнению с темновой. Возрастание эффекта с увеличением электрического поля связано с повышением концентрации рассеивающих центров, вследствие заполнения ловушек электронами. Однако, при достаточно больших полях начинает сказываться ударная ионизация ловушек. Наибольшие изменения фотопроводимости достигается как результат равновесия между этими двумя эффектами.
В случае возбуждения кристалла сильно поглощаемым светом фототок создается в тонком приповерхностном слое, что соответствует высокой плотности свободных носителей. Тогда ловушки уже полностью насыщены электронами, и инжектированные полем носители не меняют их зарядового состояния. При такой ситуации сублинейность зависимости фототока от напряжения проявляется слабо [2] (рис.1.1, кривая 3).
Резкая зависимость эффекта от длины волны возбуждающего света показывает, что здесь существенную роль играет глубина проникновения света, т.е. зависимость коэффициента поглощения CdSe от длины волны возбуждающего света. При этом нужно учитывать, что обработка монокристалла газовым разрядом, вызывает повышение концентрации ловушек в тонком приповерхностном слое. Поэтому изменение фотопроводимости в данном случае зависит от соотношения глубины проникновения возбуждающего света в образец и глубины распространения рассеивающих центров. Если свет полностью поглощается в очень тонком поверхностном слое, то это соответствует случаю высокой плотности возбуждения. При проникновении возбуждающего света на большую глубину в кристалл свободные носители рождаются во всем объеме полупроводника, где плотность ловушек не повышена обработкой. Это снова приводит к стимулированию фототока. Наиболее благоприятным случаем для изменения фотопроводимости можно считать совпадение глубины проникновения света с глубиной расположения ловушек.
1.2. Фотопроводимость при наличии
запирающего барьера
Авторы [4] наблюдали, что при освещении проводимость пленок CdS1-xSex сначала незначительно увеличивается, а потом резко уменьшается относительно темнового тока. С ростом интенсивности света зависимость имеет характер насыщения. При оптимальных условиях кратность фотоответа составляла α = IT/IF ≥ 103 (IТ — значение темнового, а IF — светового тока). Причём проявляется лишь в некоторых интервалах значений интенсивности падающего на образец светового потока, приложенного напряжения и температуры.
На рис. 1.2 приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) пленок CdS0,6Se0,4, не подвергнутых термической обработке. Кривая 2 (см. рис. 1.2) иллюстрирует зависимость темнового тока от приложенного напряжения. При малых напряжениях (0—6 В) на ВАХ наблюдается линейный участок. С увеличением напряжения от 6 до 20 В линейный участок ВАХ переходит в суперлинейный участок, а при более высоких напряжениях зависимость имеет вид I ~ Uβ, где β > 2.
При уменьшении приложенного напряжения на ВАХ наблюдается гистерезис. С увеличением интенсивности падающего света образцы показывают остаточную проводимость (см.рис.1.2, кривая 3), и при более высоких значениях интенсивности света характеристика почти спрямляется в широкой области напряженности электрического поля (рис.1.2, кривая1) (0,5-130 В/см)
Вид этой ветви ВАХ авторы [4] определяли в основном явлением инжекции носителей при наличии захвата их на ловушках. Экспериментальная величина тока в образцах существенно была меньше теоретического значения, полученного для идеального полупроводника. При малых значениях электрического поля инжектированные электроны локализуются на ловушках, и это приводит к уменьшению тока. Резкое возрастание тока при больших значениях электрического поля связано с освобождением мелких ловушек полем или ударной ионизацией быстродвижущихся электронов. Захват инжектированных носителей заряда на ловушках приводит к медленному падению тока через образец при фиксированном напряжении и к появлению гистерезиса на ВАХ при вводе - выводе электрического тока.
При освещении происходит заполнение ловушек фотоэлектронами или переход электронов непосредственно из валентной зоны на уровни дефектов, связанных адсорбированными атомами кислорода. При сравнении кривых темнового и светового тока видно, что существует область напряжений, где фототок имеет меньшую величину, чем темновой, при тех же значениях приложенного напряжения.
Известно, что подобное явление наблюдается в полупроводниках с долговременными релаксациями проводимости. Авторы считают, что это в большинстве случаев связано с наличием в объектах исследований макроскопических потенциальных барьеров. В общем случае эти барьеры связываются с неоднородностями различного происхождения, к списку которых можно отнести монокристаллические границы, дислокации, кластеры и др. Наличие таких неоднородностей приводит к перестройке всей физической картины фотоэлектрических явлений.
По мнению авторов [4], в этом случае процессы связаны с наличием двух барьеров. Туннельный переход электронов с барьера между кристаллами в барьер, связанный с адсорбированным кислородом приводит к уменьшению кратности фотоответа. Последующий переход электронов с потенциального барьера в зону проводимости приводит к увеличению фотопроводимости.
1.3. Фотовольтаический эффект в полупроводниках
с электрической неоднородностью
Существование потенциального барьера в полупроводниковых образцах (как правило, структурах с разным типом проводимости или контактом разнородных областей) обычно сопровождается возникновением фотовольтаического эффекта. Заключается он в пространственном разделении образуемых светом разноимённых носителей тока из-за воздействия на них встроенного электрического поля [5]. Если при этом сопротивление внешней цепи незначительно по сравнению с сопротивлением образца, то во всей замкнутой цепи, содержащей освещаемый образец, потечёт электрический ток. Более сложные процессы происходят, если внешняя цепь разомкнута (так называемый режим холостого хода).
В этом случае поведение носителей тока в начальные моменты времени после освещения и в стационарном состоянии существенно отличается. В первые моменты времени фотовозбуждённые электроны под воздействием поля барьера образуют дрейфовый ток в сторону квазинейтральной части за пределами области пространственного заряда. Поскольку цепь разомкнута, они там накапливаются, понижая потенциал этого участка. Аналогично, за счёт дрейфового тока неравновесные дырки скапливаются с противоположной стороны. Потенциал этой области увеличивается. На контактах разомкнутого элемента образуется некоторая разность потенциалов, называемая э.д.с. холостого хода. Рекомбинационными процессами мы пренебрегаем, считая используемые материалы достаточно чистыми.
Если бы других процессов после освещения не происходило, фиксируемая вольтметром разность потенциалов в течение всего времени освещения практически неограниченно возрастала. Однако в полном соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна, развиваясь, этот процесс возбуждает конкурирующие явления. Между областями с повышенным содержанием электронов и избыточным содержанием дырок возникает ещё одно, внутреннее, поле, направленное против поля барьера. Из-за взаимодействия этих полей высота потенциального барьера, а значит и напряжённость поля здесь, несколько понижается. Ровно настолько, чтобы возросший при этом диффузионный ток в точности скомпенсировал генерационный.
Оба типа носителей – и основные и неосновные в основном занимают нижние уровни энергии в соответствующих зонах. При понижении барьера, вследствие обычных градиентов концентраций, они устремляются в противоположные области. С течением времени, за достаточно быстрый период, вновь, как и в темноте, устанавливается равновесие между дрейфовыми и диффузионными токами, только на более высоком уровне.
Высота барьера при этом, а значит и фиксируемая извне стационарная разность потенциалов, контролируется только интенсивностью падающего света.
1.4. Особенности фотопроводимости, обусловленной
неоднородным освещением
При исследовании слоистой структуры для объяснения наблюдаемых изменений авторами [6] привлекалось представление о влиянии электрического поля омического контакта на фотопроводимость. Внутреннее поле омического контакта разделяет генерированные светом электроны и дырки так, что дырки движутся в объем селенида кадмия, а электроны переходят в сульфид кадмия (электрод). При этом изменение проводимости низкоомного сульфида кадмия пришедшими электронами несущественно для продольного фоторезистора, в то время как дырки в селениде кадмия, захватываясь на центры чувствительности, вызывают гашение проводимости, в результате чего сопротивление слоя возрастает.
С увеличением длины волны излучения поглощение света происходит на большей глубине (вне слоя объемного заряда) или даже во всем объеме селенида кадмия.
Таким образом, концентрационный механизм коротковолнового гашения проводимости, обусловленный разделением электронно-дырочных пар электрическим полем омического контакта, может играть доминирующую роль по сравнению с эффектом уменьшения подвижности электронов, хотя и не исключает последнего.
Коротковолновое гашение проводимости особенно сильно проявляется при положительной полярности на исследуемом электроде.
Следует отметить, что на ряде образцов величина фотопроводимости уменьшалась после длительного (в течение нескольких часов) пребывания образца в темноте. При этом уменьшалась и темновая проводимость. Указанное обстоятельство позволяет считать, что исследуемый эффект представляет в ряде случаев коротковолновое гашение остаточной проводи-мости. Остаточная проводимость в пленочных образцах может возникать вследствие неоднородности их структуры.
Рентгеноструктурные и электронно-микроскопические исследования показали, что образцы состоят из кристаллитов в форме столбиков селенида кадмия гексагональной модификации, ориентированных осью с перпендикулярно подложке. На границе этих кристаллитов могут возникать слои, обедненные носителями заряда вследствие очувствления селенида кадмия акцепторной примесью меди в количествах, превышающих
предел растворимости меди, что приводит к разделению электронно-дырочных пар, генерированных светом, и появлению остаточной проводимости в каждом из таких столбиков (рис. 1.3., область 3).
Размеры кристаллов сравнимы с радиусом экранирования. Линии электрического тока параллельны межкристаллитным прослойкам; отсутствие пересечения прослоек линиями тока создает благоприятные условия для запасания проводимости в области 3. При этом электроны и дырки, разделенные на барьерах, захватываются на глубокие уровни в областях 3 и 4 соответственно. Захват электронов в области 3 приводит к повышению ее проводимости, сохраняющемуся длительное время из-за наличия рекомбинационного барьера на границе областей 3 и 4, препятствующего рекомбинации электронов с дырками, находящимися в области 4.
Страницы: 1, 2, 3
