Диагностика параметров неравновесных носителей в p-КРТ методом магнитофотопроводимости Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.315.592

В.Я. Костюченко

СГГ А, Новосибирск

Д.Ю. Протасов

ИФП СО РАН, Новосибирск

ДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ В Р-КРТ МЕТОДОМ МАГНИТОФОТОПРОВОДИМОСТИ

Введение

Тройной раствор Hg1-xCdxTe (КРТ), где x - мольное содержание Cd, на сегодняшний день является основным материалом для изготовления фотоприемников инфракрасного излучения в дальнем (10^12 мкм) и среднем (5^6 мкм) диапазонах. Подвижность неосновных носителей является одним из основных параметров полупроводника, который во многом определяет свойства фотоприемников. Наряду со временем жизни, она определяет диффузионную длину, которая является ключевым параметром при изготовлении фотоприемников с высокими характеристиками.

Нами предложен прямой метод определения подвижности неосновных электронов, основанный на измерении магнитополевых зависимостей фотопроводимости в геометрии эффекта Холла (магнитофотопроводимости -МФП).

Образцы и экспериментальная установка

Исследовались образцы, изготовленные из пленок, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках из GaAs ориентации (013) [1]. На подобных образцах изготавливались фотоприемники с высокими характеристиками [2, 3].

Для измерения МФП, эффекта Холла и магнитосопротивления вырезались образцы в виде прямоугольных полосок длиной 10 мм и шириной 1.5 мм. Затем они укреплялись на сапфировой подложке, и к ним делались контакты, как показано на рис. 1.

О

I=const

Рис.1. Схема измерения МФП. Освещенная часть образца заштрихована. Ток проходит через контакты 1,2; МФП и магнитосопротивление измеряются с контактов 3,5 или 4,6; эффект Холла - с контактов 3,4 или 5,6

з

5

1

2

4

6

c

Для образцов КРТ были измерены магнитополевые зависимости сигнала МФП в диапазоне температур 77 ^ 300 К. Эффект Холла и

магнитосопротивление были измерены при температурах 77 ^ 300 К.

Для измерения магнтофотопроводимости образец дополнительно освещался светодиодом с длиной волны А=0.94 мкм. Излучение, не попадая на контакты, направлялось узкой диафрагмой на центральную область образца параллельно магнитному полю.

Экспериментальная установка и методика измерений описаны в [4].

Теория

Для образцов в виде «холловский мостика» при направлениях электрического и магнитного полей, как показано на рис. 1, продольное напряжение иа при измерении с контактов 3 и 5 (или 4 и 6) в режиме генератора постоянного тока определяется выражением [5]: с • I 1

и°(в)=•-лй (1)

• а <у( В)

где с - расстояние между потенциальными контактами 3 и 5 (или 4 и 6), w и d - ширина и толщина образца, I - ток через образец.

Выражение для проводимости в магнитном поле при наличии электронов и дырок имеет вид [5]:

/0 , п2^2п(1 + ^рв2) + Р2^р(1 + + 2пРЛпЛр(1 -ЛпЛрВ)

<г(В) = ц--------р--------------------------^р--------р---

пЛп(1 + ЛРВ ) + РЛр(1 + Л„В )

(2)

где р и п - концентрации дырок и электронов, /лр и цп - подвижности дырок и электронов, соответственно.

Проводимость образца меняется вследствие генерации светом неравновесных носителей. Свет попадает на образец через узкую диафрагму прямоугольной формы, что исключает влияние контактов, так как расстояние от краев диафрагмы до контактов значительно превышает длину диффузии неравновесных носителей.

При низком уровне возбуждения для магнитофотопроводимсти получаем следующие выражения:

Для низких температур, когда п0<<ро и существенна роль рекомбинации Шокли-Рида:

с • I Ап /л„ с • I Ап К

и (В) =

0Л"р^ • ^ Ч Гог-р

(3)

где К - коэффициент, учитывающий захват электронов на ловушки.

По магнитополевой зависимости сигнала АЦа(В), которая описывается выражением (3), можно определить подвижность. Для этого необходимо измерить величину магнитной индукции ВП (Тл), соответствующую уровню

сигнала АПа{0)/2. В этой точке выполняется условие 1 + л^2 = 2, откуда легко получается формула для подвижности:

Лп = 1ВП (м2/Вс). (4)

Для высоких температур, когда преобладает Оже-рекомбинация:

AUa (B) = -

c ■ I A.(B) c ■ I An

Я

w ■d °2(B) w ■d e [(ц + рцр )2 +(p - п)2 ц1цРB2 f

x

x

пц + рц

n p

'y

^ 1 l(

+ рц ц B 2пц + рц I - р ц ц B гг „г „ гп р) р п

р п

V

)

(5)

При таких температурах возможно появление максимумов при В^0 (рис. 2):

Magnetic field, T

Рис. 2. Теоретическая кривая магнитофотопроводимости, рассчитанная по

Л ЛЛ -5

формуле (5) для параметров носителей: ц„=2 м /Вс, n=1x10 м" , ц=0.02

м2/Вс, p=1x1022 м"3

Причина появления максимума заключается в следующем. Как следует из (3), значение магнитофотопроводимости пропорционально соотношению Лиа ~ Л^(в)-р(в)2. Проводимость неравновесных носителей Лсг(В)

уменьшается, а удельное сопротивление р(В) равновесных носителей возрастает в магнитном поле, так как оно уменьшает эффективную подвижность носителей в направлении тянущего электрического поля [5]. Наличие двух конкурирующих процессов - уменьшение Ла(В) и увеличение р(В), которые неодинаково изменяются в магнитном поле, и приводят к появлению максимумов магнитофотопроводимости.

Положение максимумов в зависимости от индукции магнитного поля В найдем из условия ёЛиа/ёВ = 0. Учтя, что /лп>>^р, получаем:

B

max

2 р

2прц - ц (р2 + 2п2 п р V

3 Г~2 2

ц р + ц п\ р - рп + п

р п V

ц р + ц п р п цц р п

(6)

В области температур, при которых происходит появление максимумов

2 2

на МФП, п <<р . Тогда выражение (3) примет вид:

B

max

i

2 p3 + Unp(p - n) UpUn

pn

Отсюда следует условие появление максимумов на МФП: а

а >-£ (8)

n 2

Результаты

На рис. 4 приведены измеренные МФП образца КРТ для температур 77 К (□) и 125 К (■). Через экспериментальные точки проведены теоретические кривые, построенные по формуле (3). Подвижность электронов определена

Л Л

по формуле (4) и составляет jun=8.1 м /Вс для 77 К, jun=3.6 см /Вс для 125 К.

На рис. 4 приведены измеренные значения магнитофотопроводимости при температурах 77, 155 и 175 К для образца КРТ с х= 0.222.

Дополнительно к измерениям магнитофотопроводимости были измерены эффект Холла и магнитосопротивление. Определенные методом «спектра подвижности» значения концентраций и подвижностей электронов и дырок приведены в табл. 1 для сравнения.

Magnetic field, T

Рис. 3. МФП для образца КРТ при температур 77 К и 125 К. Подвижность

Л

электронов Дг=8.1 м /Вс. □ - эксперимент, — - теория

Magnetic field, T

Рис. 4. Магнитофотопроводимость для температур 77, 155 и 175 К. □ -эксперимент, сплошные линии - теория

Таблица 1. Значение концентраций и подвижностей носителей

Т, К 2 Дп, м /Вс 2 Др, м /Вс n, м-3 Р, м-3

МФП Спектр подвиж ности МФП Спектр подвиж ности МФП Спектр подвижно сти МФП Спектр подвижнос ти

77 6.9 - - 0.028 - - 7.4х1021

155 2.5 2.5 0.011 0.011 7.9х1019 8.2х1019 1.1 х1022 1.4х1022

175 2.0 1.9 0.009 0.01 4.8х1020 3.4х1020 2.2х1022 1.5 х 1022

Заключение

Теоретически и экспериментально исследована

магнитофотопроводимость в образцах р-КРТ в диапазоне температур 77 - 300 К.

Показано, что метод магнитофотопроводимости можно применять для определения с высокой точностью параметров основных и неосновных носителей заряда.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Sidorov Yu.G., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Yakushev M.V., Varavin V.S., Vasiliev V.V., Suslyakov A.O., Ovsyuk V.N. Proc. SPIE, v. 4355, p. 228 (2001).

2. V.V. Vasiliev, V.N. Ovsyuk, Yu. G. Sidorov. Proc. SPIE, v. 5065, p. 39 (2001)

3. F.F. Sizov, V.V. Vasiliev, D.G. Esaev, V.N. Ovsyuk, Yu.G. Sidorov, V.P. Reva, A.G. Golenkov, V.V. Zabudsky and J.V. Gumenjuk-Sychevskaya. Opto-Electron. Rev., 9(4), 391 (2001).

4. Варавин В.С., Дворецкий С.А., Костюченко В.Я., Овсюк В.Н., Протасов Д.Ю. ФТП, 2004, том 38, вып. 5, С. 532-537

5. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования (М., Радио и связь, 1990)

© В.Я. Костюченко, Д.Ю. Протасов, 2005