CC BY
15
УДК 535.417,681.787
НЕСТАЦИОНАРНАЯ ФОТОЭДС В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ СОВРЕМЕННОЙ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
М.А. Брюшинин1, И. А. Соколов1, И.Н. Завестовская2'3, Р. В. Ромашко4, Ю.Н. Кульчин3'4
В работе исследуется возбуждение нестационарной фо-тоэдс в кристаллах карбида кремния и оксида галлия. Получены передаточные характеристики сигнала и определены фотоэлектрические параметры, необходимые для разработки адаптивных фотоприемников - удельная фотопроводимость, время максвелловской релаксации, диффузионная длина переноса носителей заряда. Определена чувствительность фотоприемника на основе оксида галлия.
Ключевые слова: нестационарная фотоэдс, адаптивный фотоприемник.
При реализации интерферометрических систем детектирования оптических фазо- и частотно-модулированных сигналов приходится уделять особое внимание стабилизации рабочей точки и совмещению волновых фронтов на поверхности детекторов [1-3]. Использование адаптивных фотоприемников на основе эффекта нестационарной фотоэдс является одним из способов решения данных проблем. Эффект нестационарной фотоэдс заключается в возникновении электрического тока в образце, освещаемом колеблющейся интерференционной картиной [4]. К настоящему времени эффект хорошо изучен в традиционных кубических фоторефрактивных кристаллах Bi12Si(Ti)O2o и GaAs. Расширение спектрального диапазона и круга задач, решаемых с помощью современных систем адаптивной оптики и оптоэлектроники, требует поиска новых фоточувствительных материалов. В данной работе эффект нестационарной фотоэдс исследуется в сре-
1 Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, 194021 Россия, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26; e-mail: mb@mail.ioffe.ru.
2 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53.
3 НИЯУ "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
4 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041 Россия, Владивосток, ул. Радио, 5.
дах, не обладающих кубической симметрией, а именно, в кристалле 6H-SiC, облученном реакторными нейтронами, и в кристалле e-Ga203.
Lock-in
Рис. 1: Экспериментальная установка для исследования нестационарной фотоэдс.
Экспериментальная установка для исследования сигнала нестационарной фотоэдс представлена на рис. 1. Свет второй гармоники Nd:YAG лазера (Л = 532 nm, Pout = 20 mW) разделялся на два луча, которые затем формировали на поверхности образца интерференционную картину со средней интенсивностью 10 = 0.039 — 2.2 W/cm2, пространственной частотой K = 0.13 — 17 ^m-1 и контрастом m (m = 0.45 и 0.98 в экспериментах с SiC и Ga2O3, соответственно). С помощью электрооптического модулятора сигнальный луч модулировался по фазе с амплитудой А = 0.61 и частотой ш/2п = 0.002 — 100 kHz. Плоскость поляризации света была перпендикулярна плоскости падения. Фототок, возникающий в образце, приводил к появлению напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот сигнал усиливался и затем измерялся селективным вольтметром и спектроанализатором. Кристалл SiC политипа 6H был выращен сублимационным сэндвич-методом. Затем кристалл был облучен реакторными нейтронами с дозой 1018 cm-2. Передние и задние поверхности (6.0 х 1.0 mm), являющиеся срезом кристалла (0001), имели оптическое качество. На боковые поверхности (6.0 х 0.38 mm) были нанесены электроды с помощью серебряной пасты. Кристалл ß-Ga2O3 был выращен методом зонной плавки. Исследуемый образец имел размеры 2.00 х 2.15 х 1.35 mm вдоль кристаллографических направлений [100], [010] и вдоль направления, перпендикулярного плоскости (001). Передняя и задняя поверхности (2.00 х 2.15 mm) получены сколом
кристалла вдоль плоскости (001), никакая дополнительная обработка поверхностей не применялась. С использованием серебряной пасты электроды наносились на боковые грани. В работе исследуются две ориентации образца в-Оа2О3, в которых направление вектора записываемой зарядовой решетки (направление возбуждаемого тока) совпадает с осью кристалла [100] или [010], соответственно.
Нами были измерены частотные передаточные характеристики сигнала нестационарной фотоэдс (рис. 2(а)). Сигнал демонстрирует поведение, ранее наблюдавшееся в других кристаллах, а именно, присутствуют рост амплитуды при увеличении частоты фазовой модуляции в области ш < ш\ и частотно-независимый участок при более высоких частотах ш > ш\. Данные зависимости описываются выражением, полученным ранее для простейшей модели полупроводника с одним типом частично компенсированных донорных центров [2, 4]:
т2Аа0Ев -гш/ш\ , .
j Ш
2(1 + K 2LD) 1 + iu/ui
U = [тм (1 + K 2LD )]-1, (2)
где Ed = (kBT/e)K - диффузионное поле, LD - диффузионная длина электронов, Тм = /а0 - время максвелловской релаксации [4]. Увеличение амплитуды сигнала с ростом частоты является важным проявлением адаптивности процесса формирования объемного заряда в фотопроводящих материалах. В области низких частот сигнал мал вследствие того, что решетка поля пространственного заряда и решетка свободных носителей отслеживают небольшие смещения интерференционной картины относительно среднего положения. Пространственный сдвиг между решетками поддерживается примерно равным п/2, что и приводит к малой величине сигнала. При более высоких частотах решетка с большим временем релаксации становится практически неподвижной, периодические пространственные сдвиги решеток увеличиваются, и ток достигает максимума на частотно-независимом участке. По положению частоты среза определяются величины Тм и а0. Для кристалла SiC они составили Тм = 0.48 - 7.6 ms и ао = (0.11 - 1.8) х 10-9 П-1 cm-1 (1о = 0.11 - 2.2 W/cm2), а для кристалла в-0а20э тм = 3.8 - 20 ms и ао = (0.48 - 2.5) х 10-10 П-1 cm-1 вдоль оси [100] и Тм = 10 - 32 ms и а0 = (0.32 - 1.0) х 10-10 П-1 cm-1 вдоль оси [010] (10 = 0.039 - 0.4 W/cm2).
Зависимость амплитуды сигнала от пространственной частоты интерференционной картины является еще одной характеристикой, обычно измеряемой в экспериментах с нестационарной фотоэдс. Результаты этих измерений приведены на рис. 2(b). По поло-
10
1-9
10
-ю
<
10
1-11
10
,-12
5.4
(а)
** □ Г.я^О-, Älir
W/cm2, ÄT=1.0 цт-1 о Ga203, Ч|[010], /0=0.4 W/cm2, ЛГ=1.0 цпН
Ga203, Ä]|[100],/c=0.4\
- SiC, /0=0.54 W/cm2, A=0.22 цпг
i-9
10
<
- Ю"10
10
1-11
—гт I I | Т II 1 1 ч ■ Iii 11 —?—1—1—
. оСа203,Х||[100],/„ -0.4 W/cm2 "j (b):
оОа203, ЛЦ[010], /0=0.4 W/cm2
г • SiC, In=2.2 W/cm2 i -
: (0>t0j i' :
- -ä-'-ä" -
" i
г
: Л' :
; Л' r'
x
: ...... I i :
10° 101 102 103 104 105 со/2я, Hz
10"
10°
К, цт-
101
Рис. 2: Зависимости амплитуды нестационарной фотоэдс от частоты фазовой модуляции (а) и пространственной частоты (Ъ), измеренные в кристаллах в-0а203 и БгС (Ъ).
жению максимума на этой зависимости определяется диффузионная длина электронов: Ld < 100 nm в SiC и Ld = 190 - 200 nm в e-Ga2O3.
Оценим чувствительность адаптивного фотоприемника на основе ß-Ga2O3 как амплитуду сигнала, нормированную на мощность сигнального луча и амплитуду фазовой модуляции: Бш = Зш (PsA) = 1.5 х 10-7 A-W-1 rad-1. Шумы в нашей измерительной системе в основном определяются тепловыми шумами нагрузочного сопротивления Rl = 300 kQ. Отсюда следует, что минимальная детектируемая амплитуда фазовой модуляции равна Amin = (4kßTR-1S/)1/2 = (БшPs), где Sf - полоса детектирования. Для типичных значений Ps =1 mW и Sf = 1 Hz эта величина составляет Amin = 1.6 х 10-3 rad. Эта оценка уступает значениям, полученным ранее для других широкозонных полупроводников, но, тем не менее, позволяет говорить о высокой чувствительности интерферометра, использующего данный фотоприемник.
В заключение, в работе исследован эффект нестационарной фотоэдс в кристаллах 81С и в^а203, являющихся перспективными материалами адаптивной оптики и опто-электроники. Из передаточных характеристик эффекта оценены важнейшие фотоэлектрические параметры - удельная фотопроводимость, время максвелловской релаксации и диффузионная длина переноса электронов. Полученная оценка чувствительности адаптивного фотоприемника позволяет говорить о возможности использования материалов при построении современных интерферометрических систем детектирования
оптических фазо- и частотно-модулированных сигналов, в том числе систем неразру-шающего контроля реальных диффузно-рассеивающих свет объектов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект 19-1200323).
ЛИТЕРАТУРА
[1] A. A. Kamshilin, R. V. Romashko, and Y. N. Kulchin, J. Appl. Phys. 105, 031101 (2009).
[2] M. A. Bryushinin, K. T. V. Grattan, V. V. Kulikov, and I. A. Sokolov, J. Mod. Opt. 53, 857 (2006).
[3] M. Bryushinin, V. Kulikov, I. Sokolov, et al., EPL 105, 64003 (2014).
[4] I. A. Sokolov, M. A. Bryushinin, S. V. Ordin, et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 39, 1063 (2006).
Поступила в редакцию 27 ноября 2019 г.
После доработки 5 декабря 2019 г. Принята к публикации 6 декабря 2019 г.
