Фоторефрактивный эффект в структурах АФН-плёнка-сегнетоэлектрик Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.382:681.17 Б.Х. Каримов ФерПИ, Фергана

Н.Р. Рахимов СГГ А, Новосибирск

ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В СТРУКТУРАХ АФН-ПЛЁНКА-СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК

B.Kh. Karimov, N.R. Rakhimov*

Fergana Polytechnic Institute (Fer PI); Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)*

10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

PHOTO REFRACTION EFFECT IN STRUCTURE APV-FILMS-FERROELECTRIC

In this work the results of research of structure, that consists of ferroelectric substrate and obliquely misted on it(her) a semi-conductor film from telluride cadmium - CdTe, generating an abnormal photovoltage are resulted. The change of two-refraction of ferroelectric under action of an abnormal photovoltage generated by a semi-conductor film CdTe (photo refraction effect in structure) was investigated.

Известно, что фотоэдс (или фотонапряжение) в полупроводниках независимо от их природы не может превышать ширины запрещенной зоны, то есть несколько вольт [1]. Например, в однородном полупроводнике демберовское (диффузионное) фотонапряжение для сколь угодно большой интенсивности возбуждающего света не превышает значения

кТ п, кТ, Nr

V =-----In —«---------In-----= Е (1)

q п0 q п0 ’ w

где Eq - ширина запрещенной зоны полупроводника, n1 и n 0 -

соответственно неравновесная и равновесная концентрация носителей, N с -плотность состояний. Другим примером может служить фотонапряжение, возникающее при освещении p-n- перехода [2],

КТ ..«.Р£_=ь _ь

2 CFn Fp , (Z;

V < ---ln-^ - E,„ - E,

q n0

которое также не превышает Ед . в формуле (2) пп и Рр -соответственно концентрации электронов в ^области и дырок в p-области, ЕРп и ЕРр - энергии уровня Ферми в п- и p- областях.

До последнего времени исключение из этих правил составляли лишь полупроводниковые текстуры, в которых наблюдается эффект аномально больших фотонапряжений (АФН-эффект), обусловленный сложением элементарных фотоэдс Дембера (1) или элементарных фотоэдс (2), развивающихся на отдельных p-n-переходах текстуры [3]. В текстурах из напыленных слоев, например CdTe, Si, Ge, GaAs, PbS, фотонапряжения могут

достигать значений порядка нескольких сотен вольт на сантиметр длины в направлении сложения элементарных фотоэдс.

Сначало эффект аномально больших фотонапряжений наблюдался в ряде однородных монокристаллов сегнетоэлектриков [1-5]. Оказалось, что при равномерном освещении однородного сегнетоэлектрика с разомкнутыми электродами в собственной или примесной области возникает напряжение

3 8 ^

порядка 10 -10 , превышающее величину Ея на два-четыре порядка.

К настоящему времени опубликовано несколько десятков экспериментальных работ по АФН-эффекту. Прежде всего следует сказать, что факт существования АФН-эффекта сейчас можно считать твердо установленным для многих типов полупроводниковых кристаллов.

1.Фоторефрактивный эффект (ФР - эффект) в сегнетоэлектриках. Известно [1], ФР - эффект в сегнетоэлектриках может быть обусловлен аномальным фотовольтаическим эффектом, существующим в самих сегнетоэлектриках. Как известно, воздействие электрического поля на кристалл вызывает изменение его оптических свойств, то есть показателя преломления, формы и ориентировки оптической индикатрисы. Воздействие электрического поля на сегнетоэлектрические кристаллы (в линейной области) описывается уравнением

.. = п., Е,

Ч Ф к 5 (3)

где ау - компоненты тензора диэлектрической проницаемости а =1/п2, п - показатель преломления, Гр - коэффициенты полярного тензора третьего ранга, Ек - компонента вектора напряженности поля Е. Если коэффициенты % известны, определение поля Е сводится к определению изменения показателя преломления Ап.

Обычно, при динамическом изменении двулучепреломления Ап используется два метода - голографический и поляризационно-оптический с компенсацией Ап [2, 3], позволяющие производить запись изменения Ап во времени. Голографический метод основан на измерении дифракционной эффективности Г! [4]

(

. 2

Г! = 81П

V

где d - толщина голограммы, X - длина волны, 0О - угол Брэгга для Х0.

Этот метод обладает высокой чувствительностью, однако не позволяет определить знак Ап. Кроме того, при больших пространственных частотах записи диффузионный механизм может играть доминирующую роль [1] и, тем самым, вуалировать процесс изменения Ап, обусловленный АФН-эффектом.

В настоящей работе использовался поляризационно-оптический метод с компенсацией Ап.

Рассмотрим оптическую систему, которая состоит из источника монохроматического излучения, поляризатора, кристаллической пластинки и

я-^|Ди| Л0 С08в

анализатора. Если на кристалл падает параллельный пучок света, то интенсивность прошедшего через такую систему света [5]

2 Г

I - Iо Cos а - j3 - ISinlaSinlP Sin —

где 10 - интенсивность падающего на кристалл света; а - угол между направлением колебаний в поляризаторе и главной осью эллипса сечения индикатрисы, перпендикулярного направлению распространения; в - угол между направлением колебаний в анализаторе и той же осью эллипса; Г -равно сть фаз между двумя волнами в исследуемой пластинке

2л d С, — п.

Г =

2

где d - толщина кристалла.

Современный уровень развития микроэлектроники требует получения и всестороннего изучения новых полупроводниковых соединений и структур. К таким новым структурам относятся структуры сегнетоэлектрик-полупроводник, в котором переполяризация сегнетоэлектрика может приводить к изменению фотоэлектрических свойств полупроводника (собственный эффект поля).

В рассматриваемой структуре АФН-пленка - сегнетоэлектрик фоторефрактивный эффект возникает под действием генерируемого АФН-пленкой.

В настоящей работе приводятся результаты исследования структуры, представляющей из себя сегнетоэлектрическую подложку (Ва0,258г075КЪ2Об) (НБС) и косо напылённую на нее полупроводниковую пленку из теллурида кадмия - CdTe, генерирующую аномальные фотонапряжения (АФН-эффект). Выбор в качестве сегнетоэлектрической подложки кристаллов твердого раствора ниобата бария-стронция обуславливался как высокими электрооптическими коэффициентами, так и возможностью исследования поведения структуры в области размытого фазового перехода сегнетоэлектрика (Тс=500С). Исследовалось изменение двулучепреломления сегнетоэлектрика под действием аномального фотонапряжения, генерируемого полупроводниковой пленкой CdTe (ФР - эффект в структуре). Поле, обусловленное АФН-эффектом, генерировалось в направлении спонтанной поляризации (100).

Исследование фотоиндуцированного изменения двулучепреломления осуществлялось следующим образом. Система АФН-пленка -сегнетоэлектрик устанавливалась в оптической схеме так, чтобы главные оси эллипса составляли угол ±450С с направлениями колебаний в скрещенных поляризаторах, то есть в положении максимального просветления. В этом случае формула (4) принимает вид (Р-а= 90°, а=45°, р=135°)

_ 7Т (I П, ~

1т • 2 12

= 10 81П --

А

Если в эту систему поместить компенсатор, то можно скомпенсировать естественное двулучепреломление так, чтобы 1=0. Изменение двулучепреломления приведет к изменению разности фаз между двумя волнами

, л с] п—п0

I =1 - -2 1 2

*о 8т

Я

С помощью компенсатора измерялась разность фаз Г, рассчитывалась соответствующая величина А(п1- п2), а затем по известным электрооптическим коэффициентам Гу определялось поле Ё.

2. Фоторефрактивный эффект в структурах АФН-плёнка-сегнетоэлектрик.

Система АФН-пленка - сегнетоэлектрик устанавливалась в кристаллодержатель и помещалась в криостат. Установка позволяла вести параллельную запись двулучепреломления и фототоков.

Известно, что ФР - эффект в сегнетоэлектриках может быть обусловлен аномальным фотовольтаическим эффектом, существующим в самих сегнетоэлектриках [1, 3]. В рассматриваемой структуре АФН-пленка -сегнетоэлектрик ФР - эффект возникает под действием генерируемого АФН-пленкой напряжения. Отличительной особенностью здесь является возможность создания различных геометрических конфигураций с использованием как поперечного, так и продольного электрооптических эффектов.

-5

В качестве подложек использовались пластинки (10x5x1мм ) монокрис-сталлов твердого раствора ниобата бария - стронция (Ва0,25Зг075КЪ2Об) (НБС). Поверхность пластинки соответствовала плоскости (010) и, таким образом, направление спонтанной поляризации Ps лежало в плоскости, на которую напылялась полупроводниковая пленка из теллурида кадмия - CdTe. Пленка CdTe наносилась в вакуумной камере методом термического испарения. Теллурид кадмия был первым материалом, в плёнках которого удалось

-5

генерировать фотонапряжения порядка 10 В/см [2].

Испарение порошкообразного материала производилось из тигля, покрытого окисью алюминия при температуре 7500С. Давление остаточных газов в процессе напыления пленок CdTe было 10-4-10-5 мм. рт. ст., угол напыления составлял 40-450, температура подложки 2250С, толщина напыленных пленок не превышала 1 мкм. Поле, обусловленное АФН эффектом, генерировалось в направлении (001). Освещение структур АФН - пленка-сегнетоэлектрик производилось гелий - неоновым лазером на длине волны

Л

Х=6238А в области плотности энергии до 80 мВт/см . При освещении пленки гелий-неоновым лазером это поле составило 200 В/см. Для измерения поля и фотонапряжения в АФН пленке на ее конце в направлении генерируемого поля наносились контакты. С противоположной стороны подложки методом катодного распыления наносился прозрачный проводящий контакт из SnO2, который соединялся с одним из контактов АФН пленки. Общий вид структуры АФН-плёнка - сегнетоэлектрик изображен на рис. 1а.

Освещение производилось по всей площади со стороны пленки CdTe гелий-неоновым лазером. В соответствии с указанной на рис. 1а схемой генерируемое в направлении (010) фотонапряжение зависело от расстояния между зондируемой точкой и электродом АФН-пленки, соединенным проводящим контактом.

Рис. 1. а) Структура АФН-пленка-сегнетоэлектрик для исследования фоторефрактивного эффекта; б) Распределение фоторефрактивного эффекта

по длине структуры

Для определения изменения двулучепреломления использовался компенсационный метод [1]. Распределение фоторефрактивного эффекта по длине структуры представлено на рис. 1б. Кроме изменения обусловленного АФН-эффектом, двулучепреломление изменяется также вследствие нагрева. Чтобы исключить влияние нагрева, измерялось изменение двулучепреломления при замыкании и размыкании контакта К (рис. 1а) при непрерывном освещении. Измеренный фоторефрактивный эффект для ниобата бария-стронция, несколько ниже оцениваемого по электрическими коэффициентами что, по-видимому, обусловлено частичной экранировкой поля в объеме сегнетоэлектрика.

Использование сегнетоэлектрика вблизи температуры фазового перехода позволяет увеличить фоторефрактивную чувствительность структуры, вследствие увеличения электрооптических коэффициентов. С другой стороны, с понижением температуры резко увеличивается величина генерируемого фотонапряжения. Сказанное выше отражено на рис. 2а, где

представлены температурные зависимости АФН-эффекта в пленке CdTe и электрооптической константы г5 в ниобате бария - стронция, определяющей электрооптический эффект

На рис. 2б приведены результаты непосредственных измерений температурной зависимости фоторефрактивного эффекта. Как и

предполагалось, фоторефрактивная чувствительность увеличивается в области фазового перехода, также в области низких температур.

Рис. 2. а) Температурные зависимости АФН эффекта в пленке CdTe и электрооптические коэффициенты г 51 в ниобате бария - стронция. б) Температурная зависимость фоторефрактивного эффекта

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Фридкин, В.М. Фотосегнетоэлектрики / В.М. Фридкин. - М.: Наука, 1979. - 264 с.

2. Адирович, Э.И. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектроника / Э.И. Адирович. - Ташкент: Фан, 1972.

3. Леванок, А.П. Механизмы фоторефрактивного эффекта / А.П. Леванок, В.В. Осипов // Изв. РАН, сер. физ. - 1977.- Т. 41, № 4. - С. 752-769.

4. Kogelnik, H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The Bell Syst. Techn. J. -1969. - V. 48, № 9. - P. 2909-2947.

VАФН, кВ

Г51,ОТН.еД

Д(1ь-По)-10

1

103/T°K

Ю 8

6 4

2 1

5. Сонин, А.С. Электрооптические кристаллы / А.С. Сонин, А.С. Василевская. - М.: Атомиздат, 1971.- 328 с.

© Б.Х. Каримов, Н.Р. Рахимов, 2008