CC BY
51
Э. У. Арзикулов, И. П. Парманкулов
КОЛЕБАНИЯ ФОТОТОКА В КРЕМНИИ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ, ВЫЗВАННЫЕ ИНФРАКРАСНЫМ СВЕТОМ
Самаркандский государственный университет им. А. Навои, Университетский бульвар, 15, г. Самарканд, 140104, Республика Узбекистан,
eshkuvat@samdu.uz
Введение
В работе [1] была исследована температурно-электрическая неустойчивость (ТЭН), обнаруженная в ионно-имплантированных марганцем образцах кремния Si<Mn>. ТЭН в этих образцах Si<Mn> наблюдалась при освещении их интегральным светом и при напряженностях электрических полей в интервале от 500 до 5000 В/см.
Настоящая работа посвящена исследованию неустойчивостей тока, обнаруженных в ионно-имплантированных образцах Si<Mn>, при освещении их инфракрасным (ИК) светом из области собственного поглощения и при воздействии слабого электрического поля. Устойчивая генерация колебания наблюдалась при температурах меньше чем 130 К. Образцы для экспериментальных измерений изготовлялись по технологии, описанной в [1].
Экспериментальная установка и результаты экспериментов
Для исследований вольт-амперных характеристик (ВАХ) и параметров автоколебаний нами была собрана экспериментальная установка, состоящая из последовательно соединенных образцов Добр, находящихся в специальном металлическом криостате, нагрузочного сопротивления Днаг и источника постоянного тока. Независимо от условий эксперимента всегда выполнялся режим генератора напряжения, то есть Добр > Днаг. В качестве источника ИК-излучения использовался глобар спектрометра ИКС-29. При этом криостат закреплялся на выходной щели спектрометра. Интенсивность ИК-излучения управлялась с помощью калиброванных металлических сеток, которые механически опускались между окошком криостата и выходной щелью спектрометра. Изменение температуры криостата и стабилизация осуществлялись с помощью электронного стабилизатора, позволяющего управлять током транзистора, закрепленного на подложке криостата, что обеспечивало стабилизацию температуры подложки (±0,50С). Температура подложки и образца измерялась медь-константановой термопарой.
При исследовании ВАХ ионно-имплантированных образцов Si<Mn> n типа с р=9,1-104 Омсм, освещенных ИК светом из области собственного поглощения, были обнаружены периодические колебания фототока инфранизкой частоты. На рис. 1 показана ВАХ этого образца. Как видно из рисунка, фототок 1ф при малых напряжениях (до 1 В) возрастает суперлинейно, затем рост 1ф замедляется и до 30 В зависимость @=f(U) сублинейная, затем при U>30 В эта зависимость линейная. В области сублинейного участка ВАХ возбуждались низкочастотные колебания фототока. При этом образец находился в специальном криостате, охлажденный жидким азотом до температуры 110 К, и освещался ИК светом. Условия возбуждения и параметры этого колебания так же сильно зависят от внешних воздействий, как и другие колебания тока, обнаруженные в образцах кремния, ионно-легированных или диффузионно-легированных марганцем [1, 2]. Ниже приведены зависимости амплитуды и частоты колебания от условий их возбуждения.
На рис. 2 приведены зависимости амплитуды и частоты колебания от напряженности электрического поля. При полях менее чем 1 В/см амплитуда колебания становится настолько маленькой (/ф<10-9 A), что затрудняет ее фиксировать, а при полях более 25 В/см появляются дополнительные гармоники и периодичность колебания нарушается, а при полях более 50 В/см колебания переходит в стохастическое автоколебание.
Из рисунка видно, что с ростом напряженности электрического поля примерно до 5 В/см амплитуда и частота колебаний фототока резко возрастают, затем рост амплитуды и частоты замедляя-ется и при напряженностях полей 15 В/см практически достигается насыщение.
На рис. 3 приведена зависимость параметров колебания фототока от температуры при постоянном электрическом поле, энергии и интенсивности ИК-света. При этом периодическое колебание
© Арзикулов Э.У., Парманкулов И.П., Электронная обработка материалов, 2008, № 6, С. 93-96.
93
фототока наблюдалось в интервале температур от 110 до 125 К. При температурах больше чем 125 К колебания становились стохастическими.
Рис. 1. ВАХ образца Si<Mn> с р=9,1-104 Ом-см, снятой при Т = 115 К; h v=1,0 эВ,
L=1,4-10~4 Вт/см2
Рис. 2. Зависимости амплитуды и частоты колебания фототока от напряженности электрического поля, снятых при Т=115 К, hv=1,0 эВ, L=1,4-10-4 Вт/см2.
AI= Imax - Imin - разность максимальных и минимальных токов при колебании фототока, то есть
амплитуды колебания
С увеличением температуры амплитуда колебаний уменьшилась, а частота возросла почти линейно.
Кроме того, периодичность колебания существенным образом зависит от энергии падающего кванта ИК-света. На рис. 4 показаны зависимости параметров колебания от энергии падающих квантов. Установлено, что с увеличением энергии кванта от 0,85 до 1,15 эВ амплитуда линейно возрастает, а частота уменьшается, причем зависимость частоты от энергии кванта слабее, чем зависимость амплитуды. При энергиях падающих квантов менее 0,85 эВ колебания срывались.
На рис. 5 приведены зависимости амплитуды и частоты колебания фототока от интенсивности ИК-света.
Как видно из рисунка, с увеличением интенсивности ИК-света амплитуда и частота колебаний увеличиваются, причем зависимость параметров колебаний от интенсивности слабее, чем от остальных условий возникновения периодических колебаний фототока. Из-за ограниченной мощности ИК-света мы не смогли экспериментально определить возможность срыва колебаний при воздействии ИК-света значительной интенсивности.
94
Таким образом нами были определены условия возникновения и существования автоколебаний тока и зависимости параметров колебания от этих условий, которые являются очень важными для создании маломощных портативных генераторов инфранизких частот.
Рис. 3. Зависимости параметров колебаний фототока от температуры.
U=10 В; h v=1,0 эВ; L=1,4 10-4 Вт/см2
I, мкА ф -♦ f, кГц
0,8 ♦ ' 0,8
0,6 ♦ - 0,6
0,4 ♦ - 0,4
■ * _ '
0,2 1 ■ ■ 0,2
0 ♦ 1 ■ 1 ■ 1 1 1 1 1 1 1 0
0,S5 0,95 1,05 1,15 hv
Рис. 4. Зависимости параметров колебания фототока от энергии кванта ИК-света. U=10 В, T=115 К, I=1,410-4 см2
Рис. 5. Зависимости параметров колебания фототока от интенсивности ИК-света.
U=10 В, hv=1,0 эВ, Т=115 К
Обсуждение результатов
Для объяснения механизма наблюдаемых автоколебаний фототока в диффузионнолегированных образцах Si<Mn> авторы работ [1, 2] использовали трехуровневую модель, предложенную С. Г. Калашниковым для объяснения колебаний фототока инфранизких частот, наблюдаемых в фотопроводящих образцах монокристаллов CdS и CdSe [3]. Причинами возникновения автоколебаний являются эффект температурного гашения фотопроводимости и образование отрицательной дифференциальной проводимости на участке ВАХ в результате джоулева нагрева кристалла. Однако эта модель дает только качественные объяснения экспериментально наблюдаемых параметров колебаний фототока для монокристаллических образцов Si<Mn>. (Здесь амплитуда тока может достигать нескольких ампер, а глубина модуляции почти —100%.) Далее для количественного объяснения колебаний фототока в Si<Mn> авторами работ [2] была предложена трехуровневая модель, учитывающая неравномерный характер распределения диффузионно-легированных примесей, а также образование кластеров ионов примесей, которые случайным образом приводят к модуляции соответствующих энергетических зон. По мнению авторов, случайные модулирования соответствующих зон способствуют пространственному разделению и накоплению носителей в этих зонах, и при быстром термическом перебросе наблюдается всплеск фототока с большой амплитудой. Согласно модели Калашникова одно из основных требований к примесным атомам - асимметричность сечений захвата носителей противоположных знаков. Но для обеспечения большой амплитуды тока отношение сечений захвата Sn/Sp должно быть 1010—1012. Однако существующие экспериментальные данные [4] показывают, что это отношение для однократно (Mn+, Sp =10-19см2) и двукратно (Mn++, Sn=10"14см2) ионизованных атомов марганца составляет порядка 105—106, что в свою очередь затрудняет объяснение полученных экспериментальных результатов по колебаниям фототока в исследуемых нами образцах Si<Mn>. Такое большое значение отношений сечений захвата трудно связать с зарядовым состоянием лишь од-
95
ного атома примесей. Поэтому можно предположить, что такое большое значение сечений захвата обеспечивается наличием самоорганизованных квантовых точек (СКТ), состоящих в основном из множества атомов примесей. Известно [5, 6], что в СКТ ожидается сильное увеличение времени жизни фотовозбужденных носителей заряда вследствие так называемого эффекта фононного сужения (phonon bottleneck effect). Например, в системе Si-Ge с КТ [5] обнаружено чрезвычайно высокое значение сечение фотопоглощения (2-10"13 см2), что превышает по крайней мере на порядок известные значения сечения фотоионизации для локальных центров в кремнии и на три порядка аналогичную величину для КТ в системе InAs-GaAs.
Теперь если в качестве очувствляющего центра в трехуровневой модели Калашникова приняты СКТ, состоящие из атомов марганца с большим сечением захвата носителей, то механизм и параметры наблюдаемых в экспериментах колебаний тока в образцах Si<Mn> могут быть объяснены как качественно, так и количественно.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бахадырханов М. К., Аскаров Ш. И., Парманкулов И. П., Норматов А. У., Куткова О. Г., Мирбаба-ев У. М. Токовые неустойчивости в кремнии, ионно-легированном марганцем // Изв. АН УзССР. Серия физическая. 1986. № 3. С. 56-60.
2. Бахадырханов М.К., Зикриллаев Н.Ф. Низкочастотные колебания тока с большой амплитудой в компенсированном марганцем кремнии // Физика и техника полупроводников. 1984. Т. 18. В. 12. С. 2220-2222.
3. Калашников С. Г., Пустовойт В. И., Падо Г. С. Теория температурно-электрической неустойчивости в фотопроводящих кристаллах соединений А^^ // Физика и техника полупроводников. 1970. Т. 4. В. 7. С. 1255-1261.
4. Бахадырханов М.К., Зайнобидинов С., Комилов Т.С., Тешабоев А.Т. Фотоэлектрические свойства кремния, легированного марганцем // Физика и техника полупроводников. 1975. Т. 9. В. 1. С. 76-80.
5. Герасименко Н.Н. Наноразмерные структуры в имплантированных полупроводниках // Российский химический журнал. 2002. Т. XLVI. В. 5. С. 30-41.
6. Пархоменко Ю.Н., Белогорохов А.И., Герасименко Н.Н., Иржак А.В., Лисаченко М.Г. Свойства самоорганизованных SiGe-наноструктур, полученных методом ионной имплантации // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. В. 5. С. 593-597.
Summary
Поступила 06.05.08
The experimental results of research of photocurrent oscillations in silicon with quantum dots stimulated by infra-red light are presented. Is shown, that the large amplitude of oscillations (up to 1 Amper) and ~100 % depth of modulation observable in experiment can not be explained by theory Kalashnikov. For an explanation of observable photocurrent oscillations is used the self-organized quantum dots with anomalous large asymmetric section of capture of charge carriers.
96
