CC BY
20
УДК 535.213
В.Я. Костюченко
СГГА, Новосибирск
Д.Ю. Протасов
ИФП СО РАН, Новосибирск
ФОТОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ CDXHG1-XTE (X = 0,22) С ПРИГРАНИЧНЫМИ ВАРИЗОННЫМИ СЛОЯМИ
V.Ya. Kostyuchenko
SSGA, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation D.Yu. Protasov
Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 13 pr. Lavrentieva, 630090, Novosibirsk, Russia
THE PHOTOELECTROMAGNETIC EFFECT IN EPITAXY FILMS P-HG1-XCDXTE (X = 0,22) WITH GRADED-GAP NEAR-BORDER LAYERS
The photoelectromagnetic effect (PME) at epitaxy films MBE MCT with graded-gap near-border layers is analyzed in this work. It is shown, that dependence on magnetic field of PME can be described, having replaced investigated structure a homogeneous film and having entered effective surface recombination velocities and effective rate of surfaces generation.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время тройной раствор CdxHg1-xTe (КРТ), где х - мольное содержание Cd, является основным материалом для создания фотоприёмных устройств (ФПУ) инфракрасной (ИК) области спектра [1]. Для изготовления ФПУ с большим количеством элементов в виде n-p переходов
используются преимущественно плёнки КРТ p-типа. При выборе плёнок КРТ для изготовления фотоприёмников с нужными характеристиками необходимо знать не только концентрацию и подвижность основных носителей заряда, но и рекомбинационно-диффузионные параметры материала. К этим параметрам относятся время жизни носителей заряда в объёме rv, подвижность неосновных носителей заряда //1Ъ скорости поверхностной рекомбинации S\ и S2 на свободной и связанной с подложкой границе плёнки.
В ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН разработана оригинальная технология выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) плёнок КРТ со сложным профилем мольного содержания Cd на подложках GaAs ориентации (013) [2]. На границах плёнок выращиваются варизонные слои, в которых мольное содержание х увеличивается от однородной по составу центральной области структуры к её границам. Такие слои уменьшают влияние поверхностной рекомбинации на время жизни носителей заряда.
При изучении процессов рекомбинации и диффузии неосновных носителей заряда наиболее информативными являются такие эффекты, как фотопроводимость (ФП) в магнитном поле в геометрии Фойгта (AlLZ? и kl.E,
k - волновой вектор излучения) и в геометрии Фарадея (к\\В и к1Л), а также фотомагнитный эффект (ФМЭ) [2-4].
В работе приводятся результаты исследования ФМЭ на плёнках МЛЭ р-КРТ с варизонными приграничными областями. Рекомбинационные параметры плёнок, от которых зависит ФМЭ, определялись из совместного анализа ФМЭ и ФП в магнитном поле для случая рекомбинации Шокли-Рида.
Образцы и методы исследования
Исследовались две плёнки КРТ p-типа толщиной 7,2 мкм и 8,93 мкм, выращенные методом МЛЭ на подложках из GaAs ориентации (013) с варизонными приграничными областями. Значение x рабочего (среднего) слоя образцов было 0,226 и 0,223, в варизонных слоях плавно увеличивалось до 0,4-Ю ,6 на расстоянии 0,5^-2 мкм. Для №1 подвижность основных
л
носителей заряда (дырок) /ир = 0,052 м /В х с, концентрация дырок
21 3 2
/70 = 5,2-10 м" , подвижность неосновных электронов/ле = 5,3 м /Вхс; для образца №2 jup =0,029 м2/Вхс, р0 = 1,23 -1022 м"3, jue =6,4 м2/Вхс. Образцы
формировались меза-травлением в виде классической холловской структуры. Контакты на образцы наносились индием методом холодной сварки. Образец освещался ИК-светодиодом с X = 0,9 мкм через отверстие в держателе. Экспериментальная установка для измерения ФМЭ описана в работе [2]. Концентрации и подвижности носителей заряда определялись по результатам измерений магнитополевых зависимостей эффекта Холла и магнитосопротивления методом «спектра подвижности» и так называемой многозонной подгонкой. Рекомбинационно-диффузионные параметры образцов находились из соответствия теоретических кривых экспериментальным данным методом наименьших квадратов совместно с численным методом нелинейной оптимизации Хука-Дживса.
Экспериментальные результаты
Принципиальная схема наблюдения ФМЭ приведена на рис. 1. Если на полупроводниковую пластину падает излучение с длиной волны, соответствующей собственному поглощению, то в тонком поверхностном слое образуется высокая концентрация неравновесных носителей заряда (электронов и дырок). Возникающий при этом градиент концентрации приводит к появлению диффузионного потока в объём образца по направлению падающего излучения. Со стороны магнитного поля, приложенного в поперечном направлении, на диффундирующие носители действует сила Лоренца, которая отклоняет потоки электронов и дырок на углы Холла &р и 0„, соответственно. Углы Холла равны:
tgep=jupB и tgsn=junB,
где /Лр, ¿и,, - подвижности дырок и электронов. Вследствие этого возникают составляющие плотности тока jpx и jnx, направленные в одну и ту же сторону. Если полупроводниковая пластинка не замкнута, то левый её торец будет заряжен положительно, а правый - отрицательно, в пластинке
появится составляющая электрического поля Ex, а между торцами возникнет разность потенциалов. При коротком замыкании торцов пластинки в цепи возникнет ток iкз.
Аналитические выражения, описывающие поведение неравновесного электронно-дырочного газа в скрещенных электрическом и магнитном полях, были получены из решений уравнений непрерывности и транспортных уравнений для плотности токов электронов и дырок в магнитном поле и приведены
в работе [5]. Показано [5], что в варизонной области магнитодиффузионная и градиентная компоненты ФП сравнимы по величине, однако имеют разные знаки. Следовательно, эти компоненты компенсируют друг друга и оказывают незначительное влияние на измеряемый сигнал ФМЭ.
Свет
+
x <-
в
-©
У
E
x
Рис. 1. Электронная jn и дырочная jp компоненты тока ФМЭ
На рис. 2 приведены магнитополевые зависимости сигнала ФМЭ для образца № 2. При освещении образца со стороны подложки сигнал меньше из-за поглощения излучения в материале подложки. Как видно,
незначительное отличие иФМЭ при освещении с разных сторон даёт основание полагать, что вклады варизонных слоёв в измеряемый сигнал незначительны.
и
н о
15
10
-5
-10
-15
□ - освещение с лицевой стороны
J---Q—П—В—В—П
■ - освещение через подложку ^
ш^Ш ■ ■ WJ
Л ш ш я и-""^ Г
п—в □ п и-^
Магнитное поле, Тл
Рис. 2. Магнитополевые зависимости ФМЭ при освещении образца с разных сторон
5
0
0
1
2
Из соответствия теоретических кривых, построенных на основе аналитических выражений [5], и экспериментальных данных были определены рекомби-национно-диффузион-ные параметры структуры:
*1=37±7м/с;
*2=38±7м/с;
rF= 10,6 ±0,5 нс
Заключение
В работе из анализа ФМЭ экспериментально доказано, что плёнку с варизонными приграничными слоями можно свести к однородной по составу плёнке, введя эффективный темп поверхностной генерации и эффективные скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рогальский, А. Инфракрасные детекторы/ А. Рогальский; пер. с англ. - Новосиб.: Наука, 2003. - 636 с.
2. Студеникин, С.А. Фотопроводимость гетероэпитаксиальных структур Cdx Hgi-x Te/CdTe в поперечном магнитном поле / С.А. Студеникин, В.Я. Костюченко // Мат. республ. конф. тез.докл. - Львов, 1990.
3. Characterization of MBE р- Cdx Hg1-x Te layers using the photoconductive effect in
crossed E -L В fields / S.A. Studenikin, D.Yu. Protasov, V.Ya. Kostuchenko, V.S. Varavin // Material Science Engineering B.-1997.-V 44. - P. 288-291.
4. Подвижность неосновных носителей заряда в пленках p-HgCdTe / В.С. Варавин, С.А. Дворецкий, В.Я. Костюченко, В.Н. Овсюк, Д.Ю. Протасов // ФТП. - 2004. - Т. 38, № 5. - С. 532-537.
5. Протасов, Д.Ю. Эффективные темы оптической генерации и скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда в варизонных плёночных фотоприемных структурах р-КРТ МЛЭ /Д.Ю. Протасов, В.Я. Костюченко //Автометрия. - 2008. - Т. 44, № 6. - С. 103-108.
© В.Я. Костюченко, Д.Ю. Протасов, 2009
