CC BY
27
УДК 543.082/.084
ФОТОМОДУЛЯЦИОННАЯ свч-ДИАГНОСТИКА СТРУКТУРНО УПОРЯДОЧЕННЫХ ОБЛАСТЕЙ В АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
ГОРДИЕНКО Ю.Е., РЯБУХИНА.А., ФАРР.С.
пературную зависимость); сигналы фотопроводимости при различных уровнях и характере СВЧ-смещения.
Рассмотрены вопросы применения фотомодуляционной СВЧ-диагностики для исследования фотоэлектрических свойств структурно упорядоченных областей в аморфных полупроводниках.
В [1,2] рассмотрены современные аспекты усовершенствования СВЧ-метода диагностики аморфных полупроводников с кристаллическими включениями. Основное внимание при этом уделялось развитию методики и техники исследования кинетики частичной кристаллизации и определению абсолютного значения объема кристаллической фазы. Зачастую возникает необходимость изучать фотоэлектрические свойства структурно упорядоченных областей в аморфных полупроводниках. Имеются основания предполагать, что эти свойства существенно отличаются от установленных в классическом кристаллическом состоянии материала. СВЧ-метод безэлектродного исследования фотопроводимости полупроводников, развитый в большом количестве работ (см., например [3, 4]), в данном случае представляется единственно приемлемым. Основанную на его применении диагностику упорядоченных областей в аморфных полупроводниках будем называть фотомодуляционной.
Стандартная или серийно выпускаемая СВЧ-аппаратура для безэлектродного исследования фотопроводимости материалов отсутствует в связи с необходимостью ее специализации для различных материалов и исследуемых свойств. Наиболее распространенными являются СВЧ-установки на основе резонаторных измерительных ячеек (измерительных преобразователей — ИП). Принцип их функционирования базируется на изменении добротности и резонансной частоты ИП с образцом при освещении последнего излучением из области фоточувствительности материала. Способы формирования соответствующих сигналов определяют чувствительность установки и разрешающую способность по регистрации значения различных фотоэлектрических параметров материала образца.
В работе использовалась установка, структурная схема которой представлена на рис.1. При соответствующей настройке и коммутации узлов установка позволяет отдельно исследовать: фотопроводимость и фотодиэлектрический эффект (включая спектральную и температурную их зависимости); время жизни фотоносителей фазовым методом и по кинетике спада фотопроводимости (включая тем-
Рис. 1. Структурная схема установки
Функционирование установки базируется на таких общих принципах. СВЧ-мощность от генератора 1 поступает через ферритовый вентиль 2, циркулятор 3, устройство регулировки связи 4 на ИП 5, который может быть сменным. Прошедшая через ИП СВЧ-мощность регистрируется СВЧ-детекто-ром 6, а отраженная — детектором 7. Освещение образца в ИП осуществляется от модулируемого источника 8, в качестве которого удобно использовать светодиод соответствующего спектрального диапазона. Сигнал фотопроводимости при СВЧ-смещении выделяется на одном из СВЧ-детекторов на частоте модуляции освещения и усиливается узкополосным усилителем 9 и далее обрабатывается с использованием опорного канала от генератора модулирующего напряжения 10. Режим обработки выбирается фазовращателем 11 в опорном канале. Для выделения амплитудного сигнала с максимальным отношением сигнал / шум используется синхронное детектирование (фазовращатель 11, синхронный детектор 12, индикатор 13). Для выделения фазового сдвига фиксируются показания фазовращателя, соответствующие нулевому показанию индикатора.
При необходимости разделять сигнал фотопроводимости на СВЧ по составляющим, связанным с модуляцией добротности и резонансной частоты, используют отдельный опорный СВЧ-канал (ответвитель 14, СВЧ-фазовращатель 15) и включение СВЧ-детектора 7 через двойной волноводный тройник 16. Такой режим функционирования установки используется также при определении содержания кристаллической фазы по произведению добротности ИП на изменение резонансной частоты [1]. Для этого СВЧ-фазовращатель 15 должен быть высокопрецизионным, а освещение образца отключено.
Такую установку можно реализовывать в любом технически удобном диапазоне рабочих частот в соответствии с требованиями физических аспектов исследования.
В общем случае теоретическое описание сигнала фотопроводимости сводится к следующему соотношению:
АР
ф
фф дГ(£о) dQ + дГ(£о) о dG
* _ dQ да до да _ ’ (1)
РИ, 1998, № 2
28
где ДРф/Ро — относительное изменение СВЧ-МОЩ-ности, прошедшей (отраженной) через ИП, связанное с фотомодуляцией образца; Р0 — СВЧ-мощ-ность, падающая на ИП; Т(%,ю) — коэффициент передачи (отражения) ИП, зависящий от коэффициента связи (%) и частотной расстройки ИП (ю0 — ю)/ю0; со — резонансная частота ИП с образцом; Q — ненагруженная добротность ИП с образцом; ст — удельная электропроводность образца; ДстфД) — закон модуляции фотопроводимости образца.
Коэффициент связи ИП с волноводным трактом определяется отношением потерь СВЧ-мощно-сти на связь к потерям СВЧ- мощности в ИП:
I = Рсв/Рпот = aQ (2)
и, как нетрудно видеть, пропорционален ненагруженной добротности ИП с образцом.
Пользуясь выражением (8) работы [2] для численного исследования зависимостей Q = f) (ст) и ю = f2 (ст) и известными выражениями Т(%,ю) для отражательной и проходной схемы включения ИП, с помощью соотношения (1) данной работы можно численно исследовать сигналы фотопроводимости при СВЧ-смещении для различных ИП.
Однако ввиду существенной многопараметрово-сти задачи проведем предварительные оценки для выбора оптимальных вариантов построения исследовательской процедуры. Прежде всего это относится к выбору: схемы включения ИП (на проход или на отражение); режима СВЧ-детектора; значения исходного коэффициента связи; соотношения добротностей ИП с образцом и свободного от него; режима расстройки ИП относительно резонанса и др. С этой целью ограничимся случаем малых сигналов фотомодуляции Дстф и малым значением tgS образца (tgS = ст/юєє0, где є — относительная диэлектрическая проницаемость материала образца; є0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума).
Из работ [5, 6] известно, что при этих условиях и отсутствии фотомодуляции частоты ИП можно выписать следующие соотношения.
Для проходной схемы:
Ди ф = 2% Д<2Ф
Uo (1 + 2%)2 Q
линейный СВЧ-детектор;
Ди ф = 8% Д<2Ф
Uo “(1 + 2%)3 Q
квадратичный.
Для отражательной схемы:
Ди ф = 2% Д<2Ф
Uo “(1+%)2 Q
линейный СВЧ-детектор;
(3)
(4)
(5)
ДиФ = 4%(1 -%) Q Uo (1+%)2 Q - (6)
квадратичный.
Здесь ДПф/и0 — относительное изменение напряжения на выходе СВЧ-детектора, связанное с фотомодуляцией проводимости образца; U0 — напряжение на выходе СВЧ-детектора, характеризующее падающую на ИП СВЧ-мощность Р0; ДQф — фотомодуляция добротности ИП с образцом.
РИ, 1998, № 2
Анализируя эти выражения, приходим к следующим выводам. Для любых режимов существуют оптимальные значения исходного коэффициента связи, при котором Диф/и0 максимально.
Проходная схема:
%лин = 0 5- %квадр = 10. (7)
опт опт
Отражательная схема:
%лин “ 10- %квадр “ 2 + V3. (8)
Последняя обеспечивает в оптимуме в два раза больший сигнал. Кроме того, при отражательной схеме для регулировки коэффициента связи необходимо одно устройство, в то время как в проходной — два. По соотношению сигнал / шум выгоднее работать в области линейности характеристики СВЧ-детектора. Однако в отражательной схеме включения ИП при %опт=1,0 отраженная мощность близка к нулю и для вывода СВЧ-детектора на линейный участок необходимо дополнительно его СВЧ- смещение (допустимо также смещение от источника постоянного напряжения).
Как указывалось в [2], возможны два крайних режима включения образца в поле ИП: сильное Q0^tg5 >> 1 и слабое Q0^tg5 << 1. Здесь Q0 — исходная добротность ИП без образца; ц — параметр, характеризующий включение образца в электрическое поле колебаний резонаторного ИП:
J E2dV
Vo6p
n“ JE2dV ' (9)
Vnp
Соответственно, сигналы фотопроводимости будут иметь различную зависимость от исходной (тем-новой) электропроводности образца:
AUФ = 2%(ст) QoV Дст
Uо [1 + %(ст)]2 ює0 Ф - (10)
слабое включение;
ДЦ± = 2%(ст) Aстф
Uo ~[1 + %(ст)]2 ст - (11)
сильное включение.
При исследовании фотоэлектрических явлений в структурно упорядоченных областях аморфных полупроводников значение ст может изменяться во времени. Поэтому в (10) и (11) сохранены зависимости от коэффициента связи, который будет также изменяться.
Подводя итог проведенному приближенному рассмотрению, обращаем внимание на следующие обстоятельства.
Слабое включение образца в поле ИП обеспечивает исследование фотопроводимости материала без влияния на величину сигнала темновой электропроводности и возможного ее изменения.
При сильном включении величина сигнала не зависит от степени включения и для заданного коэффициента связи определяется только относительным изменением электропроводности материала при его освещении Дстф/ст.
При одинаковом Дстф/ст указанные сигналы будут различаться более чем на порядок и для умень-
29
шения этого различия следует уменьшать рабочую частоту до їредела, оїределяемого техническими и физическими условиями эксперимента. Наїомним, что физические условия связаны с ограничениями, накладываемыми влиянием дисїерсии їараметров гетерогенной системы, їредставляющей собой аморфную матрицу с упорядоченными областями.
Технические ограничения связаны с необходимостью їереконструирования резонаторных ИП їри уменьшении рабочей частоты. В частности, с переходом в дециметровый диаїазон целесообразно ис-їользовать коаксиальные резонаторные ИП.
Полные и точные їредставления о зависимости сигнала фотоїроводимости от режима включения образца и его їараметров, как уже указывалось, дает численное исследование выражения (1).
диф/и0
-0.015 -0.02
-0.025
-0.03 -0.035
0 0.002 0.004 0.006 tg<5
а
АІУЦ,
-0.015
-0.02 -0.025 -0.03 -0.035
0 0.002 0.004 0.006 tgtf
б
Рис. 2. Сигнал фотопроводимости для Но12 — ИП
для реальных Q0 и 104 разделение условий сильного и слабого включения возможно при удельной электропроводности материала больше 510-4 (Омсм)-1.
Соотношения (10) и (11) хорошо выполняются в области значений tgS < 10-4, а вклад второго слагаемого в (1) несущественен. Для более высоких значений tgS пропорциональность сигналов соответственно величинам Дстф и Даф/ст нарушается из-за появления заметного влияния образца на распределение поля в резонаторе. В связи с тем, что в работе такой режим не использовался, на зависимостях он не представлен.
При исследовании более высокоомных образцов (а < 10-3 Ом-1см-1) необходимо рабочую частоту ИП выбирать в области дециметровых длин волн.
Рис. 3. Сигнал фотопроводимости для ИП
коаксиального типа
На рис. 2 представлены зависимости сигналов, соответственно, при слабом и сильном включении от tg S материала, коэффициента связи ИП с волноводным трактом и толщины образца для ИП на основе цилиндрического резонатора с Н012 видом колебаний. Схематическое изображение таких ИП с образцом представлено в работе [7]. Степень включения образца в поле ИП изменяется, как указывалось в [7], синхронным перемещением нижнего и верхнего поршней в соосных частях резонатора, между которыми располагается образец. Количественно эта величина характеризуется значением РіН. Для сильного включения РхН ^ п/2 , а для слабого РіН^-0. Выбор конкретных значений определяется возможностью обеспечения оптимального коэффициента связи при р1Н ^ п/2 и допустимого уменьшения сигнала фотопроводимости при р1Н 0. Графики рассчитаны для рабочей частоты 37,5 ГГц.
Из представленных зависимостей видно, что при рабочих частотах в диапазоне миллиметровых волн
На рис. 3 представлены аналогичные зависимости сигнала фотопроводимости для ИП коаксиального типа с укорачивающей емкостью в области взаимодействия с образцом, который описан в [8]. Зависимости рассчитаны для рабочей частоты 1,5 ГГц. Степень включения образца в поле ИП регулируется величиной зазора между образцом и ИП. Из представленных зависимостей видно, что соотношения (10) и (11) также хорошо выполняются при 510-1 > tgS > 510-2. Резонаторные ИП такого типа без особых сложностей конструируются в диапазоне частот 0,75...10 ГГц, так что для аморфных материалов с а на СВЧ от 10-4 до 10-2 (Ом см)-1 выбор оптимальной рабочей частоты не сопряжен с техническими ограничениями.
Экспериментальная проверка теоретических положений и настройка установки осуществлялись на образцах монокристаллического кремния (пластины толщиной 200...250 мкм) с удельной электропроводностью от 10-1 до 10-4 (Омсм)-1 и временем жизни электронов тп порядка от 10-4 до 10-6 с.
30
РИ, 1998, № 2
Одна установка была реализована на частоте 1,5 ГГц на основе резонаторного ИП тороидального типа с укорачивающей измерительной емкостью. Резонатор имел исходную добротность Q0 = 800. Ширина емкостного зазора измерительной апертуры ИП составляла 1,5 мм. Радиус внутренней части коаксиала в области апертуры соответствовал 2 мм. СВЧ-питание установки осуществлялось от транзисторного генератора с выходной мощностью 40 мВт и стабильностью частоты 106.
Изменения степени включения образца в поле ИП производилось путем варьирования величины зазора между образцом и плоскостью торца с укорачивающей емкостью в пределах 0,05...1,5 мм.
При синхронном детектировании сигнала фотопроводимости на частоте модуляции освещения 520 Гц минимально регистрируемое значение Дстф ^ составляет 410-8 (Омсм)-1 для сильного включения образца и 210-5 (Омсм)-1 —для слабого включения.
Вторая установка функционировала на частоте 37,5 ГГц на базе цилиндрического резонаторного ИП с Hoi2 видом колебаний. Исходная добротность Qo = 7,5103. Диаметр внутренней части резонатора составлял 20 мм. Питание установки осуществлялось от стандартного СВЧ-генератора с выходной мощностью 20 мВт и стабильностью частоты 106.
Чувствительность установки при отношении сигнал / шум 3:1 составляла Дстф ^ = 310-7 (Омсм)-1 для сильного включения образца и Дстф ^ = 2,510-5 (Омсм)-1 — для слабого включения. Различное значение предельной чувствительности установок связано с различным уровнем флуктуации мощности и частоты СВЧ-генераторов и различием уровня шумов СВЧ-детекторов. Перестройка коэффициента связи в обеих установках осуществлялась с помощью СВЧ-трансформаторов. Время жизни т < 10-4 с в установках измерялось фазовым методом [7], а при т >10-4 с — по кинетике спада сигнала фотопроводимости при импульсном освещении.
Данные экспериментальной проверки выражений на кремниевых пластинах изображены точками с интервалами разброса измерений на рис. 2 и 3.
Основные экспериментальные исследования фотоэлектрических свойств упорядоченных областей выполнены на аморфных слоях селена с включением гексагональной его модификации. Приготовлялись такие слои по обычной технологии селениро-вания ксерографических барабанов [9]. Слои с различным содержанием гексагональной фазы формировались выдержкой их при температуре 50...70оС без модифицирующих факторов.
На рис. 4 представлены результаты исследования спектрального распределения фотопроводимости образцов селена при СВЧ-смещении в сравнении с известным спектральным распределением фотопроводимости аморфного селена с включениями гексагональной модификации при смещении постоянным напряжением (пунктирная кривая). Из сравнения обоих графиков видно, что при СВЧ-смещении регистрируется только фотопроводимость, связанная с гексагональной фазой.
Дальнейшие исследования были направлены на реализацию возможностей СВЧ-фотомодуляцион-ного метода, обсуждавшихся выше.
В первую очередь на образцах одной партии, но выдержанных при разных температурах (от 50 до 70 оС)
Рис. 4. Спектральное распределение фотопроводимости Se на СВЧ и постоянном токе
для частичной кристаллизации, проверялись соотношения (10), (11). При сильном включении и оптимальной связи ИП с волноводным трактом для каждого образца на обеих установках реализовывались близкие значения ДИф/и0, практически независимые от содержания кристаллической фазы. Значение ДИф/и0 и 310-4 определялось источником освещения образца ( лампа накаливания мощностью 100 Вт).
В то же время при слабом включении образца в поле ИП сигналы ДПф/и0 отличались более чем на порядок для установок на частотах 1,5 и 37,5 ГГц из-за большего допустимого для условий малости включения значения Q0p/ra на частоте 1,5 Гц.
Главное же состоит в том, что в обоих случаях величина сигнала хорошо коррелировала с содержанием кристаллической фазы в образцах. Последняя устанавливалась отдельными измерениями по методике, изложенной в [1,2]. Из приведенных в таблице сведений нетрудно убедиться, что величина СВЧ-сигнала фотопроводимости для слабого включения образца практически линейно связана с содержанием кристаллической фазы и не зависит от него выше определенной границы при сильном включении (граница определяется чувствительностью установки). Для селена на СВЧ справедливы представления
Дстф = qBpnTnN; ст = qi^nN, (12)
где q — заряд электрона; B — параметр, определяемый коэффициентом оптического поглощения образцов, квантовым выходом внутреннего фотоэффекта и интенсивностью освещения; цп — подвижность электронов; тп — время жизни электронов.
С учетом этого выражения (10), (11) преобразуются к виду
Диф
Qn
(1+tf
дц,
ф
Un
(1 + £>:
qBVnTnN;
т
- В ——. n
(13)
(14)
Следовательно, время жизни носителей тп существенно влияет на величину обоих СВЧ-сигналов фотопроводимости. Этот параметр отдельно измеряется по фазовому сдвигу сигнала или по его спаду при импульсном освещении.
Представленные в таблице экспериментальные результаты измерения тп (осуществлялись при сильном включении образца) показывают, что этот параметр практически не зависит от температуры и времени кристаллизации, однако отличается для различных партий. Партия образцов № 112-117
РИ, 1998, № 2
31
№ образ- ца Температура кристаллизации, оС Время кристал- лизации,ч. Содержание кристаллической фазы, N, % Д U ф “ 0 ГГц Д и ф а 0 ГГц Д и ф 0 ГГц Время жизни носителей, тп, с
и 0 юо = 1,5 S о її с: ОЭ о ^1 U 0 Ю0= 1,5
112 50 1,5 7,5 810-3 10 3 0,038 2,5 10-3
113 60 6 19 210-2 2,5 10-3 0,037 2,410-3
114 70 2 34 3,310 2 8,5 10-3 0,039 2,5 10-3
117 70 5 42 510-2 1,610-2 0,041 2,810-3
211 50 1,5 4,5 4,5.10 3 0,5 10-3 0,037 2,610-3
212 60 6 8 910-3 1,5 10-3 0,039 2,910-3
213 70 4 20 2,2.10 2 410-3 0,04 3,110-3
214 80 2 31 310-2 510-3 0,038 3,010-3
приготовлялась путем конденсации на охлаждаемую подложку, а образцов № 211-214 — на подогретую до температуры 40 0С.
На рис. 5 представлены графики кинетики кристаллизации образцов при более высоких температурах в сравнении с приведенной к максимальному
Рис. 5. Кинетика кристаллизации вакуумных конденсатов аморфного селена
значению кинетикой сигналов фотопроводимости этих образцов при слабом включении. Последняя представлена несоединенными точками.
Сравнение показывает, что при температурах кристаллизации селена менее 80 оС кинетики, измеренные обычным и фотомодуляционным методами, хорошо совпадают для различных партий образцов. При более высокой температуре для образцов второй партии наблюдается заметное различие. Объясняется это, по-видимому, изменением Tn в процессе кристаллизации при более высоких температурах. Из отдельных оптических исследований [10] известно, что в вакуумных конденсатах селена, напыляемых на неохлаждаемые или подогреваемые подложки, преобладает скорость роста сферолитов над скоростью зародышеобразования.
По-видимому, в процессе роста размера сферолитов изменяется время жизни носителей в нем.
Анализ поведения сигналов фотопроводимости при сильном включении позволяет утверждать, что концентрация носителей в упорядоченных областях практически не зависит от условий кристаллизации (величина такого сигнала почти неизменна для различных температур и времени кристаллизации, начиная с некоторого значения N). В то же время для любых температур кристаллизации наблюдается зависимость ДИф/и0, а следовательно, концентрации носителей n от условий конденсации материала (температуры подложки, температуры испарения).
Таким образом, представленные исследования показывают, что в изложенном виде СВЧ-фотомо-
дуляционная методика метрологически эффективна как для непосредственного изучения фотоэлектрических свойств упорядоченных областей, так и для коррекции СВЧ-исследований кинетики частичной кристаллизации аморфных полупроводников.
Литература: 1. Гордиенко Ю.Е., Фар Р.С. Модификация СВЧ-метода исследования упорядоченных структурообразований в аморфных полупроводниках// Радиоэлектроника и информатика. 1997, № 1. С. 43-45. 2. Гордиенко Ю.Е, Фар Р.С. Радиофизические аспекты исследования структурно упорядоченных областей в аморфных полупроводниках// Радиотехника. 1998. Вып. 105. С. 24-32. 3. Алтухов И.В., Покровский Я.Е, Смирнова О.И., Синие В.П. Бесконтактный СВЧ-метод исследования кинетики примесной фотопроводимости в кремнии// Физика и техника полупроводников. 1990. Т. 24, № 6. С. 1134-1136. 4. Wang Zongxim, Chu Youling. Use of icrowave photoconductivity to measure semiconductor properties // Solid-State Electronic. 1991. Vol. 34, № 7. Р. 735-740.
5. Блюменфельд Л.А., Воеводский В.В., Семенов А.Г. Применение электронного парамагнитного резонанса в химии. Новосибирск: СО АН СССР. 1962. 240 с.
6. Медведев Ю.В., Петров А.С. Анализ работы фоторезисторных приемников с СВЧ-смещением// Изв. вузов. Сер. Физика. 1972.№ 10. С. 93-97. 7. Гордиенко Ю.Е., Дудкин Ю.А., Бородин Б.Г., Федотов ДА. Установка для безэлектродного измерения времени жизни носителей заряда в полупроводниках // Приборы и техника эксперимента. 1983. № 2. С. 204-207. 8. Ахманаев В.Б., Медведев Ю.В., Петров А.С. Резонатор для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов// Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1981. Вып. 4. С. 48-51. 9. Шнейдман И.Б. Электрофотография на селеновых слоях. М.: Машиностроение, 1982. 254 с. 10. Мамедов К.П., Нуриева З.Д. О механизме кристаллизации селена// Кристаллография. 1967. Т. 12, № 4. С. 698-701.
Поступила в редколлегию 12.05.98
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Ажажа В.М.
Гордиенко Юрий Емельянович, д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХТУРЭ. Научные интересы: микроэлектроника; неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: 310726, Украина, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (0572) 40-93-62.
Рябухин Алексей Александрович, стажер — исследователь кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХТУРЭ. Научные интересы: неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: 310726, Украина, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (0572) 40-93-62.
Фар Раафат Саид, аспирант кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХТУРЭ. Научные интересы: неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: 310726, Украина, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. (0572) 40-93-62.
32
РИ, 1998, № 2
