CC BY
18
5. Смоленский, Г.А. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики [Текст] / Г.А. Смоленский, В.А. Боков, В.А. Исупов [и др.] — М.: Наука, 1971. — 476 с.
6. Струков, Б.А. Физические основы сегнетоэле-ктрических явлений в кристаллах [Текст] / Б.А. Струков, А.П. Леванюк - М.: Наука, 1995. - 302 с.
7. Yoon, J.-G. Effects of defects on the incommensurate phase of sodium nitrite crystals [Текст] / J.-G. Yoon, S.-I. Kwun // Phys. Rev. B. - 1987. - Vol. 35. - Р. 85918594.
8. Choi, M.Y. Domain-wall pinning in the incommensurate phase of sodium nitrite [Текст] / M.Y. Choi // Phys. Rev. B. - 1988. - Vol. 37. - Р. 5874-5876.
9. Tatsuzaki, I. Dielectric behavior in incommensurate phase of NaNO2: Influence of NO3-impurities [Текст] / I. Tatsuzaki, H. Yamamoto, H. Yamashita, R. Kato // Ferroelectrics. - 1989. - Vol. 96. - Iss.1. - P. 59-62.
10. Ahmed, S.A. Electrical and thermal studies of NaNO2 [Текст] / S. A. Ahmed, M.H. Ali // Physica status solidi (b). - 1996. - Vol. 194. - Iss. 2. - P. 517-524.
11 . Janssen, T. Phase transitions in incommensurate composites [Текст] / T. Janssen // Ferroelectrics. -2011. - Vol. 412. - Iss. 1. - P. 4-7.
12. Tagantsev, A.K. Ferroelectric materials for microwave tunable applications [Текст] / A.K. Tagantsev, V.O. Sherman, K.F. Astafiev [et al.] // Journal of Elec-troceramics. - 2003. - Vol. 11. - P. 5-66.
13. Ferroelectrics - аpplications [Текст] / Ed. by M. Lallart. - Published by InTech, 2011. - 119 р.
14. Стукова, Е.В. Стабилизация сегнетоэлек-трической фазы в композитах (KNO3)1-X-(BaTiO3)X [Текст] / Е.В. Стукова, С.В. Барышников // Перспективные материалы. - 2011. - № 2. - С. 28-33.
15. Стукова, Е.В. Диэлектрические исследования сегнетоэлектрических композитов на основе (KNO3)1-X(KNbO3)X [Текст] / Е.В. Стукова, С.В. Барышников // Перспективные материалы. - 2011. -№ 2. - С. 45-48.
16. Высочанский, Ю.М. Точка Лифшица на диаграммах состояний сегнетоэлектриков [Текст] / Ю.М. Высочанский, В.Ю. Сливка //УФН. - 1992. -Т. 162. - № 2. - С. 139-160.
17. Michelson, A.P. Phase diagrams near the Lifshitz point. I. Uniaxial magnetization [Текст] / A.P. Michel-son // Phys. Rev. В. - 1977. - Vol. 16. - P. 577-584.
18. Стукова, Е.В. Диэлектрические свойства твердых растворов Na1-XKXNO2 [Текст] / Е.В. Стукова, А.Ю. Милинский, В.В. Маслов // Известия РГПУ. -2009. - С. 133-138.
19. Виноградов, А.П. Электродинамика композитных материалов [Текст] / А.П. Виноградов. - М.: УРСС, 2001. - 208 с.
20. Фридкин, В.М. Сегнетоэлектрики -полупроводники [Текст] / В.М. Фридкин. - М.: Наука. -1976.- 408 с.
УДК 621.383.51
В.В. Трегулов
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЙ В РЕЗКИХ НЕСИММЕТРИЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ CdS/p-Si
Гетероструктура СёБ/р^ может успешно применяться в качестве фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии. Теоретическая оценка максимальной эффективности преобразования фотоэлектрического преобразователя на основе этой гетеростру-ктуры составляет 26 % [1]. В то же время на электрофизические характеристики гетероструктур существенное влияние оказывают дефекты на гетерогранице,
причинами возникновения которых являются несоответствие параметров кристаллических решеток контактирующих полупроводников, различие их коэффициентов термического расширения, химические примеси. При этом на гетерогранице возникают поверхностные состояния с глубокими энергетическими уровнями (ГУ), которые способствуют снижению контактной разности потенциалов гетероперехода. В результате эффектив-
ность фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии падает [1, 2].
Таким образом, исследование поверхностных состояний в гетероструктурах фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии является актуальной задачей.
Особенности применения метода вольт-фарадных характеристик для исследования поверхностных состояний в гетероструктурах
Для исследования гетероструктур широко используется метод вольт-фарадных характеристик, заключающийся в измерении зависимости барьерной емкости С от приложенного постоянного напряжения обратного смещения V Зависимость С ~2 = f (V) для резкого гетероперехода имеет вид прямой линии. Экстраполяция этой зависимости к нулю позволяет определить эффективное значение контактной разности потенциалов Ф, которое изменяется под влиянием заряда поверхностных состояний Qss:
Ф = vd -
Q¿
2де0 (еАМА + )S
(1)
где Уй — контактная разность потенциалов при отсутствии ГУ; q — заряд электрона; NA — концентрация мелкой акцепторной примеси в области р-типа; ND — концентрация мелкой донорной примеси в области я-типа; £0 — диэлектрическая постоянная; еА, гв — значения диэлектрической проницаемости контактирующих полупроводников р- и я-типа, соответственно; <5*—площадь гетероперехода [2].
При высоких частотах процессы перезарядки ГУ поверхностных состояний не успевают следовать за переменной составляющей измерительного сигнала и не дают вклад в измеряемую емкость. В этом режиме измеряется высокочастотная вольт-фарадная характеристика (ВЧ ВФХ). При низких частотах процессы перезарядки ГУ успевают следовать за измерительным сигналом, что приводит к возрастанию емкости [3]. Этот режим соответствует низкочастотным вольт-фарадным характеристикам (НЧ ВФХ). Таким образом, измеряя частотную зависимость вольт-фарадных характеристик
гетероструктуры, можно найти зависящую от частоты составляющую Ф, из которой определяется величина Qss [2].
Важно отметить, что такой способ исследования поверхностных состояний можно применять только в том случае, если величина заряда Qss не зависит от V [2].
Описание исследуемой гетероструктуры и особенностей вольт-фарадных характеристик
Исследуемая гетероструктура СёБ/р^ предназначалась для использования в качестве фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии и была изготовлена методом гидрохимического осаждения тонкой пленки сульфида кадмия СёБ на поверхности монокристаллической кремниевой пластины р-типа проводимости с удельным сопротивлением 1 Омсм. Пленка СёБ имела проводимость я-типа и толщину 2,5 мкм. Технология изготовления гетероструктур СёБ/р^ достаточно подробно описана в работе [4].
В исследуемой гетероструктуре слой сульфида кадмия играет роль оптического окна для солнечного излучения. Концентрация мелких доноров в этом слое составляет 1,001018 см-3. Эта величина получена по результатам исследования ВЧ ВФХ изотипной гетероструктуры СёВ/я-Б^ изготовленной на кремниевой пластине с удельным сопротивлением 0,01 Омсм. Изотипная гетероструктура была изготовлена по той же технологии, что и анизотипная гетероструктура СёВ/р-Б^ исследуемая в данной работе.
Таким образом, область пространственного заряда гетероструктуры СёБ/р^ находится в р-Б^ т. е. она является несимметричной и ее база находится в кремниевой области.
Для измерений вольт-фарадных характеристик гетероструктуры СёБ/р^ использовался цифровой измеритель иммитанса Е7-20. Переменная составляющая измерительного сигнала напряжения имела синусоидальную форму с амплитудой 40 мВ.
Измерения ВЧ ВФХ производились при частоте измерительного сигнала 1 МГц, НЧ ВФХ — при частоте 1 кГц (рис. 1). Температура исследуемого образца поддерживалась постоянной и составляла 300 К. Видно, что ВЧ ВФХ (кривая 1) в координатах С~2 = f (V)
С-2, 1019 Ф2 1,5
1,0
0.5
хЮ"1
2.
0
1,0
2.0
3.0
V, в
Рис. 1. Вольт-фарадные характеристики гетероструктуры в виде С-2 = f (V) на
частотах 1 МГц (1) и 1 кГц (2)
может быть представлена двумя отрезками прямых с разным наклоном. Наклон изменяется при напряжении обратного смещения около 2 В. Таким образом, можно считать, что гетеропереход является резким в области напряжений обратного смещения от 0 до 2 В.
Нелинейный вид НЧ ВФХ (кривая 2 на рис. 1) может быть объяснен влиянием ГУ поверхностных состояний. Изменение наклона данной характеристики С-2 = / (V) свидетельствует о том, что заряд поверхностных состояний зависит от приложенного напряжения. Следовательно, метод исследования поверхностных состояний, основанный на применении выражения (1), использовать нельзя.
Вывод формулы для энергетической плотности поверхностных состояний с учетом зависимости Qss (V)
Поскольку исследуемая гетероструктура CdS/p-Si является несимметричной, для описания процессов перезарядки ГУ поверхностных состояний достаточно рассмотреть зонную диаграмму базовой области при обратном смещении (рис. 2).
При увеличении обратного напряжения смещения V возрастает изгиб энергетических зон и увеличивается ширина области пространственного заряда Ж (рис. 2). При изменении этого напряжения квазиуровень Ферми для дырок ЕРр «сканирует» ГУ поверхностных состояний Е^ на гетерогранице. Состояния, оказавшиеся ниже ЕРр, заполнены носителями заряда, а состояния выше ЕРр — от них свободны. Таким образом, изменяя значение V, можно
управлять заполнением ГУ поверхностных состояний (см. рис. 2).
Текущее положение ГУ Е^ на гетерогранице, отсчитанное от потолка валентной зоны, — (Е33 - Еу), можно связать с напряжением обратного смещения Кследующим образом [5]:
Е^ - Еу = д (Ф^)
(2)
Значение Ф определяется экстраполяцией НЧ ВФХ С-2 = / (V) к нулю.
Из выражения (2) можно определить максимальное значение V, при котором НЧ ВФХ определяется процессами перезарядки ГУ поверхностных состояний:
V.,
= Е*-Ф ,
(3)
где Е х — ширина запрещенной зоны полупроводника базовой области гетероструктуры (в нашем случае кремния).
Величина заряда ионизированных состояний при низкой частоте переменной составляющей измерительного сигнала (0НЧ) связана с НЧ ВФХ СНЧ( V) следующим образом:
Qнч = ^НЧ (V).
(4)
С другой стороны, если V изменяется в пределах от 0 до Vssmax, то ^НЧ определяется концентрацией мелкой акцепторной примеси в базовой области (ДА) и концентрацией ГУ поверхностных состояний N [3]:
Рис. 2. Зонная диаграмма базовой части гетероструктуры CdS/p-Si с учетом ГУ поверхностных
состояний Е55 при обратном смещении; Ж—ширина области пространственного заряда; бю — часть области пространственного заряда, в которой происходит перезарядка ГУ поверхностных состояний; ЕРр — квазиуровень Ферми для дырок
^ч = qS (XА + Nst = ^
(5)
где бм — часть области пространственного заряда, в которой происходит перезарядка ГУ поверхностных состояний (см. рис. 2); QA — заряд, обусловленный мелкой акцепторной примесью. В формуле (5) имеет смысл объемной концентрации ГУ в слое
Для резкого гетероперехода концентрация ЛА в базовой области постоянна, следовательно QA — величина постоянная. Заряд Qss может зависеть от V, если концентрация зависит от V. Такая ситуация имеет место при неравномерном распределении ГУ поверхностных состояний в области При этом НЧ ВФХ, представленная в виде С -2 = f (V), будет нелинейной в диапазоне напряжений обратного смещения от 0 до В этом случае для определения концентрации N следует совместно использовать формулы (4) и (5).
Для описания распределения плотности поверхностных состояний вместо N традиционно используют функцию -ДЕ) (распределение энергетической плотности поверхностных состояний). Последняя связана с зарядом Qss следующим образом [6]:
Qss = ^ЕБ^ (Е),
(6)
^ (Е) = (Е)
-1
^Снч (V - NA
(8)
Значение энергии активации Е определяется по формуле (2); причем для исследуемой гетероструктуры СёБ/р^
объясняется тем, что для вычисления -ДЕ) в формуле (8) используются все экспериментальные точки НЧ ВФХ в диапазоне значений V от 0 до Благодаря этому учитывается конкретный вид энергетического распределения ГУ поверхностных состояний в области В то же время подход, основанный на формуле (1), использует только значение Ф; при этом вид энергетического распределения концентрации ГУ поверхностных состояний не учитывается.
Если заряд Qss не зависит от V, то НЧ ВФХ в виде С-2 = f (V) линейна и выражение (8) также можно применять для вычисления -ДЕ).
Интегральное значение плотности поверхностных состояний N можно определить, используя следующее выражение [7]:
^ = / ^ (Е^Е,
Еу
(9)
где Е1, Е2 — границы исследуемого интервала энергий активации, причем Еу = #Ф, Е2 = qVss тах согласно формулам (2) и (3).
Для определения используем выражение из [3] применительно к поверхностному ГУ Е^ в полупроводнике р-типа:
где Е — значение энергии активации ГУ поверхностных состояний.
Учитывая формулу (6), запишем выражение (5) в следующем виде:
Онч = ^ Nа8!В + (Е). Е). (7)
Приравняв правые части в выражениях (4) и (7), получим формулу для определения -ДЕ):
Ж-8„ =
2еае0 (еж - ^р )
9 ^ N а
(10)
где (Е55 - ЕТ;р) — энергетическое положение ГУ отсчитанное от квазиуровня Ферми ЕРр для дырок.
Учитывая, что ширина области пространственного заряда Ж с учетом влияния ГУ поверхностных состояний связана с НЧ ВФХ зависимостью [3]
Ж = Е а EoS
Снч (v)'
(11)
получим из (10) выражение для б в виде
Е = Еж Еу .
Следует отметить, что выражение (8) позволяет корректно определять -ДЕ) в случае, если заряд Qss зависит от V, то есть если НЧ ВФХ в координатах С-2 = f (V) нелинейна в диапазоне значений V от 0 до К„тах. Это
лл хио-л.
§ _ ЕА EoS
Снч (V) \
2еА Е0 (Еж - EFp )
9 N
(12)
Положение квазиуровня Ферми для дырок в полупроводнике р-типа ЕРр относительно потолка валентной зоны Еу определяется выражением
Е¥р - Еу = Ш 1п
V
N
(13)
где k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, N — плотность состояний для дырок в валентной зоне [8].
Используя (13), свяжем энергетическое положение ГУ ЕДД, отсчитанное от квазиуровня Ферми для дырок (Е- ЕРр), с его положением, отсчитанным от потолка валентной зоны
Е - Еу):
Е -Е¥р) = (ЕВ -Еу)-Ш 1п
' N ^
N.
(14)
Объединяя формулы (12), (14) и (2), получим окончательное выражение для ширины области 6ДД, в которой происходит перезарядка ГУ поверхностных состояний:
с = гл ^
" = Снч (V)
2г ,£
г
л ь0
9 2*л
д (Ф^)-Ш 1п
V Nл )
(15)
Методика исследования поверхностных состояний в гетероструктуре СДЗ/р^
Указанная методика в резкой несимметричной гетероструктуре СёБ/р-предлагаемая в данной работе, основана на следующей последовательности действий.
Сначала измеряются ВЧ ВФХ и НЧ ВФХ исследуемой гетероструктуры при постоянной температуре образца. Затем по наклону прямой ВЧ ВФХ, построенной в координатах С ~2 = f (V), определяется величина концентрации мелкой легирующей примеси в базовой области гетероструктуры N4. Далее, экстраполируя к нулю НЧ ВФХ в виде С-2 = f (V), определяем значение Ф. Затем по формуле (3) определяется величина Кдтах. Зависимость DДД(E) вычисляется
ДДН1^. ДД4 /
по формуле (8). При этом значения энергетического положения ГУ поверхностных состояний определяются по формуле (2). Значение 6ДД определяется по формуле (15). Следует помнить, что величина V изменяется в пределах от 0 до Кдтах.
Интегральное значение плотности поверхностных состояний в исследуемом интервале энергий определяется по формуле (9).
Предложенная методика исследования поверхностных состояний может использоваться в случае, если НЧ ВФХ в виде С~2 = f (V) нелинейна в диапазоне значений Vот 0 до Кдтах.
ддггых
Результаты исследования поверхностных состояний в гетероструктуре СДЗ/р^
Значение концентрации ЫА в базовой области гетероструктуры СёБ/р-полученное из ВЧ ВФХ, составило 1,62-1016 см-3. Величина эффективной контактной разности потенциалов Ф, полученная из анализа НЧ ВФХ, равна 0,11 В. Максимальное значение напряжения обратного смещения ^тах, при котором поверхностные состояния определяют вид НЧ ВФХ, составило 1,01 В.
Зависимость энергетической плотности поверхностных состояний от энергии активации ГУ поверхностных состояний для гетероструктуры СёБ/р-Б^ полученная расчетом по формуле (8), представлена на рис. 3.
Интегральное значение плотности поверхностных состояний определенное по формуле (9), составляет 7,06-10и см-2. При этом значения пределов интегрирования в формуле (9) составили: Е1 = 0,11 эВ, Е2 = 1,01 эВ.
Достоинства, недостатки и область применения предложенной методики
Основным достоинством предложенной методики исследования поверхностных состояний является возможность ее применения
Рис. 3. Энергетическое распределение плотности поверхностных состояний для гетероструктуры СёБ/р^
для различных видов резких гетеропереходов, в которых заряд поверхностных состояний зависит от приложенного напряжения. Другим важным достоинством являются условия измерения вольт-фарадных характеристик исследуемого образца: оно проводится при постоянной температуре. Также важно отметить, что для измерений НЧ ВФХ и ВЧ ВФХ могут использоваться стандартные измерители иммитанса, предназначенные для исследования характеристик полупроводниковых приборов. Такое оборудование имеется во многих исследовательских лабораториях и на производстве.
В качестве недостатка предложенной методики следует отметить невозможность разделить влияние ГУ поверхностных состояний и в объеме базовой области гетероструктуры при значениях V, близких
к ^шах. Такое разделение спектров ГУ возможно с помощью метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней за счет селекции по постоянной времени релаксации. В то же время при исследовании поверхностных состояний методом р елаксационной спектроскопии глубоких уровней требуется производить многократные измерения спектра при разных значениях напряжения заполнения и опустошения ГУ [9]. Это снижает степень оперативности получения результата.
В заключение следует отметить, что предложенная методика исследования поверхностных состояний может найти применение прежде всего на производстве, при оптимизации технологии изготовления гетероструктур фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шарма, Б.Л. Полупроводниковые гетеропереходы [Текст]: пер. с англ. / Б.Л. Шарма, Р.К. Пурохит.- М.: Сов. радио, 1979. - 232 с.
2. Фаренбух, А. Солнечные элементы: Теория и эксперимент [Текст]: пер. с англ. / А. Фаренбух, Р. Бьюб. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 280 с.
3. Берман, Л.С. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках [Текст] / Л.С. Берман, А.А. Лебедев. — Л.: Наука, 1981. — 176 с.
4. Трегулов, В.В. Исследование гетероструктур CdS/p-Si, изготовленных методом гидрохимического осаждения CdS [Текст] / В.В. Трегулов // Вестник Рязанского гос. ун-та им. С.А. Есенина.— 2011.— Т. 32. — № 3. — С. 169—179.
5. Tataroglu, A. Effect of surface states on electrical characteristics of metal-insulator-semiconductor (MIS)
diodes / A. Tataroglu, S. Altindal, I. Dokme // G.U. Journal of Science. — 2003. — Vol. 16. — №4. — Р. 677—685.
6. Зи, С.М. Физика полупроводниковых приборов [Текст]: в 2 т. — Т.2. —М.: Мир, 1984. — 456 с.
7. Киреев, П.С. Физика полупроводников [Текст]: Учеб. пос. для втузов / П.С. Киреев. — М.: Высшая школа, 1975. —584 с.
8. Орешкин, П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков [Текст] / П.Т. Орешкин. — М.: «Высшая школа», 1977. — 448 с.
9. Дорджин, Г.С. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней. Методические основы применения [Текст] / Г.С. Дорджин, В.Н. Лактюшкин, М.В. Сорокина // Обзоры по электронной технике. Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. — 1989. — Вып. 4 (1434). — 72 с.
УДК 621.315.592, 621.382
Е.А. Чернышева, А.В. Сахаров, Н.А. Черкашин, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ В РЕАКТОРЕ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР InGaN, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ГФЭ МОС
Известно, что при выращивании соедине- эпитаксии из металлорганических соединений ний нитридов III группы методом газофазной (ГФЭ МОС), от давления в реакторе суще-
