close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Фотомагнитный эффект и фотопроводимость в магнитном поле в геометрии Фойгта исследованные на эпитаксиальных слоях МЛЭ HgCdTe р-типа при доминирующей рекомбинации Шокли-Рида..pdf

код для вставкиСкачать
УДК 535.213
Д.Ю. Протасов, В.Я. Костюченко
СГГА, Институт Физики Полупроводников СО РАН, Новосибирск
ФОТОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ И ФОТОПРОВОДИМОСТЬ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
В ГЕОМЕТРИИ ФОЙГТА, ИССЛЕДОВАННЫЕ НА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЯХ
МЛЭ HGCDTE Р-ТИПА ПРИ ДОМИНИРУЮЩЕЙ РЕКОМБИНАЦИИ ШОКЛИ-РИДА
Введение
Тройной сплав Hg1-xCdxTe, где х – мольное содержание Cd, является
базовым полупроводниковым материалом для создания фотоприемных
устройств для среднего (3 5 мкм) и дальнего (8 12 мкм) инфракрасного
диапазонов. Свойства фотоприемников во многом определяются такими
рекомбинационно-диффузиоными параметрами, как время жизни и
подвижность неосновных носителей заряда (электронов), скорости
поверхностной рекомбинации на передней и задней границах раздела
эпитаксиальной пленки.
Ранее фотомагнитный эффект (ФМЭ) и фотопроводимость (ФП) в
магнитном поле в геометрии Фойгта ( k B E ) успешно применялись для
определения рекомбинационно-диффузионных параметров образцов HgCdTe
[1 – 3]. Однако в данных работах предполагалось, что доминирует
излучательная или Оже-рекомбинация, при которых времена жизни
электронов и дырок равны друг другу: n= p. В настоящее время установлено,
что в HgCdTe р-типа при температурах, близких к температуре жидкого азота
доминирующей является рекомбинация Шокли-Рида [4]. Как известно [5],
для этого механизма рекомбинации n
p и выполняется соотношение
n
p , где n и p – концентрации неравновесных электронов и
n
p
дырок.
В работах [6, 7] показано, что значительная концентрация
рекомбинационных центров может приводить к появлению особенностей на
магнитополевых зависимостях ФП в геометрии Фарадея ( k || B E ). Поэтому
использование условия n= p при анализе измерений ФМЭ и ФП может
привести к ошибкам при определении рекомбинационно-диффузионных
параметров носителей заряда.
В данной работе проводится теоретический и экспериментальный
анализ ФМЭ и ФП в геометрии Фойгта для эпитаксиальных слоев МЛЭ
HgCdTe р-типа при доминирующей рекомбинации Шокли-Рида.
Образцы и методы исследования
Исследовались образцы, изготовленные из пленок, выращенных методом
молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках из GaAs ориентации (013).
Толщина пленок была 7÷10 мкм, состав 0.21 0.23. После роста образцы имели
n-тип проводимости, и для конвертирования в p-тип их отжигали в нейтральной
атмосфере гелия или азота. Для измерения ФМЭ и ФП в геометрии Фойгта
вырезались образцы в виде прямоугольных полосок длиной 10 мм и шириной
1.5 мм. Образцы укрепляли на сапфировой подложке, и к ним делали индиевые
контакты.
Концентрация и подвижность основных носителей заряда (дырок)
определялась из измерения эффекта Холла и магнитосопротивления методом
«спектра подвижности» [8].
Экспериментальная установка для измерения ФМЭ и ФП описана в работе
[6].
Теория
Исследуемый образец в виде полоски помещлся в стационарные
скрещенные электрическое и магнитное поля, направления которых показаны
на рис. 1.
Для получения выражений, описывающих магнитополевые зависимости
ФМЭ и ФП будем исходить из уравнений непрерывности и транспортных
уравнений для плотности токов электронов и дырок в магнитном поле:
n
n 1
G
divjn ;
t
e
n
(1)
p
p 1
G
divj p ;
t
e
p
jn
en
nE
eDn grad n
jp
en
pE
eD p grad p
jn
n
p
jp
B;
(2)
B,
где
e
–
величина
элементарного заряда; n и p,
z
k
n и p – подвижности и
B
концентрации электронов и
дырок; B – значение индукции
E
x
магнитного поля; Dn и Dp, n и
p – коэффициенты диффузии и
время жизни электронов и
y
V
дырок; – квантовый выход;
– коэффициент поглощения;
I=const
– скорость
G G0 exp
y
оптической
генерации
неравновесных носителей.
Рис. 1. Геометрия эксперимента
Будем
рассматривать
стационарный
случай
(
n t
p t 0 ) и малый уровень возбуждения: p0 ,n0
p, n . Кроме
того, будем считать, что толщина образца сравнима с диффузионной длиной
неравновесных носителей заряда, проводимость имеет дырочный характер:
nn
p p и максимальное значение индукции магнитного поля является
слабым для тяжелых дырок:
pB
1.
В случае поверхностной генерации, когда излучение поглощается на
небольшой глубине, и при большой концентрации рекомбинационных центров
уравнение электронейтральности для неравновесных электронов и дырок может
быть записано в виде:
p 1 K n , где K – коэффициент захвата
неравновесных электронов на ловушки.
Исследуемые структуры имели профиль состава, изображенный на рис.
2.
Как видно из рис. 2, на передней и задней
границах раздела пленки состав х увеличен
для уменьшения скорости поверхностной
рекомбинации. Так как толщина варизонных
областей много меньше длины диффузии
неосновных носителей, то встроенные
электрические
поля,
возникающие
на
границах, можно учесть с помощью введения
эффективных
скоростей
поверхностной
Толщина, мкм
рекомбинации s1*,2 . Тогда граничные условия
для системы уравнений (1-2) можно написать
Рис. 2. Профиль состава
в виде:
исследуемых образцов по
e Dn
толщине
j (0)
S1
E1
n s1* n ;
k T
0,6
0,55
Состав, х
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0
2
j (d )
4
S2
6
8
e Dn
E2
k T
n
s 2*
n.
(3)
Решение системы уравнений (1-2) с граничными условиями (3),
описывающее распределение концентрации неравновесных электронов по
толщине n(y) приведено в [3]. При низких температурах оно не зависит от
коэффициента захвата К, значит, рекомбинация Шокли-Рида на
распределение неравновесных электронов не влияет.
Напряжения фотоотклика в режиме постоянного тока через образец (
i0 const ) найдем из уравнения:
w 0d jnx
j px dy i0
(4)
с использованием уравнений (2). Для определения напряжения ФМЭ в
(5) следует положить i0 = 0. В результате получается следующее выражение
для величины измеряемого сигнала:
U UФП B, Ex
UФМЭ B, Ex ;
(5)
U ФП B , E x
n
R0ewE x
p
1
1
pB
n
2 2
nB
2
K
p
d
0
n y dy ;
(6)
U ФМЭ B , E x
R0 ewDn
n
1
p B
2 2
nB
n0
nd ,
(7)
где
L*
w
–
ширина
2 2
nB
Dn 1
к
образца;
–
R-0
темновое
сопротивление;
– длина диффузии неосновных электронов в магнитном
2
2
L* 2
L* 2
1 ; S1*,2 s1*,2 L* –
поле;
n E x B e k BT ; P1,2
приведенные безразмерные скорости поверхностной рекомбинации на
передней и задней границах пленки;
z S1* P2 S 2* P1
S1* P1 S 2* P2 exp P1 P2 d L* .
Выражения для 0d n y dy и
n0
n d приведены в [3].
На рис. 3 приведены
теоретические
зависимости
фотопроводимости
от
магнитного поля, рассчитанные
по формулам (5 – 7) при
следующих
значениях
рекомбинационнодиффузионных
параметров:
1,4
- с учетом рекомбинаци
Шокли-Рида
- без учета
1,2
UФПМ, отн.ед.
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
-2
-1
0
1
2
Магнитное поле, Тл
1.0
UФП, ФМЭ, отн. ед.
Рис. 3. Теоретические магнитополевые
зависимости сигналов фотомагнитного
эффекта и фотопроводимости
концентрация и подвижность дырок
p=1.0×1022 м-3 и p=0.05 м2/Вс,
подвижность электронов n = 5.0
м2/Вс, время жизни электронов n =
10 нс, эффективные скорости
поверхностной рекомбинации на
передней и задней гранях пленки: s1*
s*2 =5
=100 м/с и
захвата К = 50.
м/с, коэффициент
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
exp
-0.2
- UФП
-0.4
- UФП
-0.6
- UФМЭ
-0.8
- UФМЭ
theor
exp
theor
-1.0
-2
-1
0
1
2
Магнитное поле, Тл
Рис. 4. Экспериментальные
магнитополевые зависимости сигналов
фотомагнитного эффекта и
фотопроводимости
Как видно из рис. 3, учет рекомбинации Шокли-Рида увеличивает сигнал
фотопроводимости, так как учитывается вклад тяжелых дырок. При большой
плотности рекомбинационных центров концентрация неравновесных дырок
n . Поэтому,
превышает концентрацию неравновесных электронов: p
несмотря на низкую подвижность ( e p 100 ), тяжелые дырки дают
заметный вклад в фотопроводимость.
Эксперимент
На рис. 4 приведены измеренные магнитополевые зависимости ФМЭ
(○) и ФП (□). Метод определения рекомбинационно-диффузионных параметров
носителей из измеренных сигналов ФМЭ и ФП описан в [9]. Через
экспериментальные точки проведены теоретические кривые, рассчитанные по
формулам (5 – 7 ) при следующих параметрах: концентрация и подвижность
дырок p=5.7×1021 м-3 и p = 0.052 м2/Вс, подвижность электронов n = 4.0
м2/Вс, время жизни электронов n = 10.8 нс, эффективные скорости
поверхностной рекомбинации на передней и задней гранях пленки: s1* = 110
м/с и s*2 = 20 м/с, коэффициент захвата К = 15.
Без учета рекомбинации Шокли-Рида, т. е. при К = 0, определенное из
измерений сигнала ФП время жизни получается завышенным: 16.6 нс.
Заключение
В работе проведен теоретический анализ влияния рекомбинационных
центров на ФМЭ и ФП в геометрии Фойгта. Показано, что время жизни
электронов, определенное из измерений ФП, без учета рекомбинации ШоклиРида завышается в 1.5 раза. Это происходит вследствие того, что не
учитывается вклад тяжелых дырок в фотопроводимость.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. S. Konczak and M. Nowak. Some comments to the photoelectromagnetic effect //
Surface Science /- V. 87. – 1979. – P. 228 – 238.
2. G. Sarusi, A. Zemel, D. Eger, S. Ron, Y. Spara. Investigation of the bulk and surface
electronic properties of HgCdTE epitaxilal layers using photoelectromagnetic, Hall, and
photoconductivity measurements // Journal of Applied Physics. – V. 74, N. 6. – 1992. – P. 2312
– 2321.
3. Фотомагнитный эффект и фотопроводимость тонких эпитаксиальных слоев
CdxHg1-xTe/CdTe / С.А. Студеникин и др. // Физика и Техника Полупроводников. – Т. 27,
вып. 5. – 1993. – С. 744 – 756.
4. V.S. Lopes, A.J. Syllaios and M.C. Chen. Minority carrier lifetime in mercury
cadmium telluride // Semiconductors Science and Technology. – V. 8. – 1993. – P. 824 – 841.
5. Бонч-Бруевич, В.Л. Физика полупроводников / В.Л. Бонч-Бруевич, Л.Г.
Калашников. – М.: Наука, 1977. – С. 672.
6. Подвижность неосновных носителей заряда в пленках p-HgCdTe / В.С. Варавини
др. // Физика и Техника Полупроводников. – Т. 38, вып. 5. – 2004. – С. 532 – 537.
7. D.Yu. Protasov, V.Ya. Kostyuchenko, V.N. Ovsyuk. Influence of Traps on
magnetophotoconductivity in p-HgCdTe // 6th international siberian Workshop and Tutorial of
Electron Devices and Materials EDM-2005, 1-5 july, Russia, Erlagol. – 2005.
8. W.A. Beck, J.R. Anderson. Determination of electrical transport properties using a novel
magnetic field-dependent Hall technique // Journal of Applied Physics. – № 2. – V. 62. – P. 541 –
554.
9. Исследование фотомагнитного эффекта и фотопроводимости в слоях p-CdHgTe /
С.А. Студеникин и др. // Австометрия. – № 4. – 1996. – С. 77 – 81.
© Д.Ю. Протасов, В.Я. Костюченко, 2006
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа