CC BY
52
УДК 535.343.2 ББК 22.379
А.С. Батырев, РА. Бисенгалиев, Н.Л. Шивидов
ЭФФЕКТЫ ОПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕЗАРЯДКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ В СПЕКТРАХ ФОТОПРОВОДИМОСТИ КРИСТАЛЛОВ CdS ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Аннотация. В спектрах низкотемпературной (77 К) фотопроводимости кристаллов CdS в области экситонных и межзонных переходов обнаружены яркие проявления эффектов захвата поверхностными состояниями носителей заряда, оптически генерируемых вблизи поверхности полупроводника.
Ключевые слова: спектры, фотопроводимость, кристаллы CdS, экситонные переходы, поверхностные состояния.
A.S. Batyrev, R.A. Bisengaliev, N.K. Shividov
OPTICAL RECHARGE EFFECTS OF THE SURFACE STATES IN THE PHOTOCONDUCTIVITY SPECTRA OF CdS CRYSTALS AT LOW TEMPERATURES
Annotation. Bright manifestations of the effects of capture by the surface states of the charge carriers being optically generated near the surface of semiconductor are found in the low temperature (77 K) photoconductivity spectra of CdS crystals in the region of exci-tonic and interband transitions.
Key words: spectra, photoconductivity, CdS crystals, exitonic transitions, surface states.
Хорошо известно (см., например, [1]), что поверхностные электронные состояния (центры) в значительной мере определяют оптические свойства кристаллов соединений А2В6 - перспективных материалов полупроводникового приборостроения. Поверхностные состояния (центры) могут играть существенную роль и в формировании фотоэлектрических свойств этих кристаллов. Так, в работах [2-5] исследовался спектральный фоторезистивный эффект поля в кристаллах CdS при температуре Т = 77 К. в этих работах показана важная роль электрического поля, создаваемого зарядом поверхностных состояний, а также поверхностных центров рекомбинации в формировании тонкой (экситонной) структуры (ТС) спектральных кривых фотопроводимости (ФП) полупроводника. Установлена связь между типом ТС и величиной и характером изгиба энергетических зон у поверхности полупроводника, определяемыми величиной и знаком заряда, локализованного на поверхностных состояниях.1
В настоящей работе исследованы спектры ФП кристаллов CdS, подвергнутых облучению сильнопоглощаемым лазерным излучением. Показано, что лазерное обучение приводит к существенным изменениям в спектрах ФП, различным для разных образцов. Обсуждается связь этих изменений с поверхностными уровнями захвата. Делается вывод о возможности их использования для диагностики поверхностных состояний в CdS.
1 Сведения о поверхностных состояниях в CdS и их параметрах можно найти в [6, 7].
Методика эксперимента и результаты
Исследовались изменения спектров ФП «чистых» (специально не легированных) кристаллов CdS при Т = 77 К в зависимости от продолжительности предварительного облучения образца излучением полупроводникового инжекционного лазера мощностью 100 мВт и длиной волны генерации 405 нм.
Исследованные кристаллы CdS представляли собой монокристаллические пластинки, выращенные из газовой фазы, с гексагональной осью С в плоскости поверхности образца. Толщина пластинок лежала в пределах от 30 до 200 мкм, ширина - от 1 до 2 мм, а длина - от 3 до 5 мм.
Для получения токоподводящих контактов к образцу и включения его в измерительную цепь использовался держатель образца оригинальной конструкции, позволяющей легко производить замену образца и получать к нему надежные малошумящие компланарные контакты из индий - галлиевой (1п - Са) пасты. Тянущее (измерительное) напряжение прикладывалось вдоль оси С образца, при этом его величина не превышала 100 В. Охлаждение образца до температуры Т = 77 К осуществлялось путем помещения держателя с вмонтированным в него образцом в оптический (стеклянный) криостат, заполнявшийся впоследствии жидким азотом.
Спектры ФП регистрировались на экспериментальной установке, собранной на базе решеточного монохроматора МДР - 3, в режиме непрерывного фотовозбуждения в геометрии^ £ _1_ С, £ _1_ С (Е- электрический, к - волновой вектор световой волны). Регистрация спектров ФП СсШ осуществлялась посредством их записи на ленте самопишущего потенциометра КСП - 4, подключенного через делитель к выходу электрометрического усилителя В7 - 30 . _ _ _ ,
_ г ^ валентных подзон Гв, Г7 и Г7, ооразовснных
ИЛИ У5 — 9. Последние использовались ДЛЯ рцщеиленш.м валентной звиы нристаллгяескии усиления сигнала ФП, поступавшего на ИХ и спин - орбит ¿пъныи взаимодействием;
„ „ „гс____ „ ___________________ стрелкой К показано спектральное положение
вход от образца, последовательно соеди- ^
1 лороад.-иежзомиыд: переходов.
ненного с источником тянущего напряжения - источником питания постоянного тока Б5 - 50.
На рис. 1 приведены спектры ФП образца кристалла CdS 1-ой группы1 в области края фундаментального поглощения и его непосредственной окрестности - в области длин волн 1 470 - 500 нм в зависимости от продолжительности облучения лазерным излучением (далее ФП в этой спектральной области и саму эту область мы будем называть краевой; см. также [3]). Как видно из рисунка, спектр краевой ФП необлу-
1 По общепринятой спектроскопической классификации [8] к кристаллам 1-ой (2-ой) группы относятся кристаллы, в которых линиям экситонного поглощения соответствуют максимумы (минимумы) в спектре ФП при Т = 77 К.
465 470 475
4В0 435 490
Длина волны, нм
495 5-00
Рис. 1. Спектр* краевой фотопроводимости кристалла. (\образец КС-2), подвергнутого
лазерному облучению разной
продолжительности I 4 с: 1 — 0; 2 — 35; 3 — 95; 4-695.
Здесь и на рисунках 2 и 3 А, В. С — структура, обусловленная экситонными переходами из
ченного образца (кривая 1) характеризуется ярко выраженной ТС в виде узких интенсивных максимумов фототока на резонансных длинах волн возбуждения экситонов.
Непродолжительное облучение образца лазерным излучением приводит к резкому падению его фоточувствительности (ФЧ) в спектральном диапазоне от 470 нм до, примерно, 489 нм, соответствующем экситонным и близпороговым межзонным переходам в CdS (область собственной краевой ФП CdS [3]). При этом наиболее значительное падение ФЧ происходит в экситонных максимумах фототока, вследствие чего ТС после непродолжительного воздействия лазерного излучения проявляется в виде размытых относительно слабовыраженных максимумов фототока, резонансных экситонным максимумам фототока необлученного образца (кривая 2).
Увеличение продолжительности облучения образца лазерным излучением приводит к новому падению ФЧ теперь уже по всему спектру краевой ФП образца и дальнейшему ослаблению ТС в его спектре ФП (кривая 3). После достаточно продолжительного воздействия лазерного излучения ТС в спектре краевой ФП практически не проявляется: спектр ФП приобретает бесструктурный (гладкий) вид (кривая 4).
Дпл-З ВЭЛ-э). н*
Рис. 2. Спектры фотопроводимости образца К-68- 75 кристалла С<£ в зависимости от продолжительности і облучения лазерным излучением. Ь с: 1 -0, 2-30, 3 - 90.
Здесь и на рис. 3 указан спектральный интервал в котором обычно проявляется гпримесныш максимум ДМ:.
В ряде кристаллов CdS 1-ой группы лазерное облучение приводило к спектрально - неоднородному росту ФЧ в краевой области спектра с сильным преобладанием эффекта в области собственной краевой ФП (рис. 2). В спектрах ФП этих кристаллов в исходном (до облучения) состоянии в области примесной краевой ФП (область 11 489 - 500 нм) наблюдался четко выраженный дополнительный длинноволновый мак-
симум фототока ДМ1 (в обозначениях [1, 2, 9]), связываемый с мелкими объемными собственно-дефектными центрами [10 - 14] (кривая 1 на рис. 2).
Исследование влияния лазерного облучения на спектры краевой ФП кристаллов CdS 2-ой группы показало, что эти кристаллы заметно менее чувствительны к лазерному воздействию по сравнению с кристаллами 1-ой группы. Влияние лазерного облучения на спектры краевой ФП кристаллов CdS 2-ой группы проявляется в индуцируемом лазерным облучением преимущественном падении ФЧ в области собственной краевой ФП и относительном усилении ТС в спектре ФП. Другими словами, в результате облучения кристалла CdS 2-ой группы лазерным излучением его ФЧ в краевой области спектра падает: значительно - в области собственной краевой ФП и незначительно - в области примесной краевой ФП, при этом ТС в спектре краевой ФП полупроводника становится более выраженной (рис. 3).
Необходимо отметить, что изменения низкотемпературных спектров краевой ФП CdS, индуцируемые лазерным облучением, носят обратимый характер. Если выдерживать облученный при Т = 77 К образец в темноте, его спектр ФП возвращается к исходному (до облучения) виду. При этом время релаксации спектра ФП к исходному виду при температуре жидкого азота может достигать многих часов. Однако нагрев облученного образца до комнатной температуры полностью устраняет изменения в его низкотемпературном спектре, вызванные лазерным облучением.
Обсуждение результатов
Обратимость изменений спектров краевой ФП CdS, вызванных лазерным облучением при Т = 77 К, - важный аргумент в пользу электронного, а не ионного (атомного) характера процессов, ответственных за эти изменения.
Наблюдаемые в спектрах низкотемпературной ФП CdS изменения, вызванные облучением полупроводника лазерным излучением, мы связываем с захватом поверхностными состояниями неравновесных электронов и/или дырок.
Действительно, в силу большого значения коэффициента поглощения на длине волны лазерного излучения 405 нм (~ 106 см-1) генерация неравновесных носителей заряда происходит непосредственно у поверхности полупроводника в тонком слое толщиной порядка 100 А. При наличии поверхностных состояний часть неравновесных носителей будет захватываться ими, образуя неравновесный долгоживущий поверхностный заряд, величина и знак которого будут определяться концентрацией и природой поверхностных центров захвата.
Заряжение поверхности полупроводника под действием лазерного излучения приведет к формированию неравновесного приповерхностного изгиба энергетических зон и, следовательно, к изменению ФЧ полупроводника в собственной краевой области спектра, а также формы спектра ФП в области экситонных резонансов (типа ТС) [3]. Так, индуцируемые лазерным облучением эффекты падения ФЧ в коротковолновой области спектра и сглаживания ТС спектральной кривой ФП 1-го типа (рис.1) являются следствием захвата медленными поверхностными состояниями неравновесных электронов. В то же время наблюдаемый после лазерного облучения в ряде кристаллов CdS 1-ой группы рост ФЧ в области экситонных и межзонных переходов (рис. 2) свидетельствует в пользу захвата поверхностными (приповерхностными) состояниями этих кристаллов неравновесных дырок, что приводит к росту в этих кристаллах положительного (обогощающего) приповерхностного изгиба зон под действием лазерного облучения [3]. Эффект падения ФЧ в области экситонных и межзонных переходов, наблюдаемый в кристаллах CdS 2-ой группы, подвергнутых лазерному облучению
(рис. 3), мы связываем с ростом в этих кристаллах отрицательного (обедняющего) приповерхностного изгиба зон под действием лазерного излучения [3].
Из сказанного выше следует, что, анализируя изменения формы спектра ФП в области экситонных состояний, а также ФЧ в области собственной краевой ФП полупроводника в результате облучения коротковолновым лазерным излучением, можно осуществлять диагностику поверхностных (приповерхностных) электронных состояний полупроводника.
Список литературы
1. Киселев В.А., Новиков Б.В., Чередниченко А.Е. Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников. - СПб.: Изд-во СПбГУ 2003. - 244 с.
2. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Ботов О.Э., Карасенко Н.В., Новиков Б.В., Су-мьянова Е.В. // ФТТ, 1998. - Т. 40. - № 5. - С. 941-943.
3. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Жукова Н.В., Новиков Б.В., Читыров Э.И. // ФТТ, 2003. - Т. 45. -Вып.11. - С. 1961-1967.
4. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Емельянцева С.Ю., Новиков Б.В. // Труды VI Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск, 2004. - С. 99.
5. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Емельянцева С.Ю., Новиков Б.В., Сумьяно-ва Е.В., Читыров Э.И. // Труды VII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск, 2005. - С. 143.
6. Lagowski J., Balestra СХ., Gatos H.C. // Surf. Sci., 1972. - V. 29. - P.p. 213-229.
7. Lagowski J. // Surf. Sci., 1994/ - V 299/300. - Pp. 92-101.
8. Гросс Е.Ф., Новиков Б.В. // ФТТ, 1959. - Т. 1. - Вып. 3. - С. 357- 362.
9. Батырев А.С., Карасенко Н.В., Новиков Б.В. // Вестник СПбГУ - 1994. - Сер. 4. - В.1 (4). - С. 28-33.
10. Uchida I. // J. Phys. Soc. Jap., 1967. - V. 22. - № 3. -P.p. 770-778.
11. Bragagnolo J.A., Storti G.M., Böer K.W. // Phys. Stat. Sol. (a), 1974. - V. 22. - P.p. 639-646.
12. Батырев А.С., Батырев Э.Д., Бисенгалиев Р.А., Новиков Б.В., Анбушинов В.С. // ФТТ, 1999. - Т. 41. - Вып. 7. - С. 1181 - 1184.
13. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Батырев Э.Д., Мисюра Е.А., Новиков Б.В., Читыров Э.И. // Труды Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии». - Ульяновск, 2002. - С. 55.
14. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Новиков Б.В., Чугунов В.А., Яковлева Н.Н. // Труды Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии». -Ульяновск, 2002. - С. 101.
