CC BY
14
PHYSICO-MATHEMATICAL SCIENCES
INSE PHOTOCONDUCTIVITY BEYOND FUNDAMENTAL ABSORPTION EDGE Aliyeva A.M. (Republic of Azerbaijan) Email: [email protected]
Aliyeva Aytan Movsum gizi - PhD in Physics, Senior Researcher, LABORATORY FOR TRANSPORT PHENOMENA IN SEMICONDUCTORS AND NANOSTRUCTURES, INSTITUTE OF PHYSICS NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF AZERBAIJAN, BAKU, REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Abstract: in InSe layered crystals, photoconductivity has been experimentally observed beyond fundamental absorption. Radiation intensity was changed with use of calibrated neutral filters. The output of fundamental absorption signals was fed into non-stationary digital system, which included a storage oscilloscope and computer system. The measurements were conducted in the temperature range of 300 to 90K. With increasing intensity of the laser radiation, the photoconductivity maximum was clearly manifested, but with a further increase in intensity, its decrease occurred. Photoconductivity features in the range of high energies are explained by influence of hyperbolic excitons generated by the laser light.
Keywords: photoconductivity, exciton, fundamental absorption, Bridgman method, Brillion zone.
ФОТОПРОВОДИМОСТЬ INSE ЗА КРАЕМ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ Алиева А.М. (Азербайджанская Республика)
Алиева Айтан Мовсум гызы - доктор философии, старший научный сотрудник, лаборатория явлений переноса в полупроводниках и наноструктурах, Институт физики Национальной академии наук Азербайджана, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: экспериментально установлена фотопроводимость в слоистых кристаллах InSe за краем фундаментального поглощения. Интенсивность излучения изменяли при помощи калиброванных нейтральных фильтров. Выход сигналов фотопроводимости подавали в нестационарную цифровую систему, которая включала запоминающий осциллограф и компьютерную систему. Измерения проводили в интервале температур 300-90K. С увеличением интенсивности лазерного излучения максимум фотопроводимости отчетливо проявлялся, но при дальнейшем увеличении интенсивности происходило его уменьшение. Особенности фотопроводимости в области больших энергий объясняются влиянием гиперболических экситонов, генерированных лазерным светом.
Ключевые слова: фотопроводимость, экситон, фундаментальное поглощение, метод Бриджмена, зона Бриллюэна.
УДК 541.49:661.43:535.37
ВВЕДЕНИЕ
Ранее нами в слоистых кристаллах InSe экспериментально исследовалось нелинейное поглощение света и его временная эволюция в области экситонного
резонанса у края основной полосы поглощения при высоких уровнях возбуждения [1]. Было показано, что наблюдаемая временная зависимость коэффициента поглощения и его зависимость от интенсивности возбуждения определяется экситон-экситонным взаимодействием и экранированием экситонов плазмой неравновесных носителей, генерированных лазерным светом. Длина экранирования, определенная по формуле Дебай-Хюгеля, оказалась равной ~10А, что меньше радиуса экситона в 1п8е ~37А.
Особый интерес представляет обнаружение нелинейного поглощения в кристаллах 1п8е за краем фундаментального поглощения (КФП). При проведении таких исследований необходимы очень тонкие образцы (микронной толщины) с относительно малым значением коэффициента оптического поглощения за КФП, отсутствие поверхностных дефектов, а также мощных источников света. На наш взгляд, слоистые кристаллы 1п8е являются удобным объектом для проведения таких исследований. В этих кристаллах между слоями имеется слабая ван-дер-ваальсовая связь, что позволяет осуществить скол вдоль плоскости спайности и получить образцы с толщинами вплоть до долей микрона. Отсутствие оборванных связей практически исключает возможности образования поверхностных уровней (концентрация поверхностных состояний на два порядка меньше, чем в обычных полупроводниках), и эти кристаллы обладают высококачественными естественными зеркальными поверхностями. Коэффициент поглощения около края мал (а ~ 103 см-1) по сравнению с другими полупроводниками (а ~ 104-105 см-1).
Благодаря этим свойствам, удалось исследовать спектры поглощения кристаллов 1п8е за КФП [2, 3]. Анализ приведенных в [2, 3] данных показывает, что в исследуемой области спектр поглощения кристаллов имеет две особенности:
- высокоэнергетическую, связанную с между зонными переходами в седловой точке типа М1, которая располагается в центре боковой грани зоны Бриллюэна;
- низкоэнергетическую, обусловленную образованием экситонов седловой точки (гиперболические экситоны).
В [4] наблюдалось резонансное излучение в 1пБе, обусловленное переходами из состояний, находящихся в глубине зоны проводимости и валентной зоны и расположенных на расстояниях, соизмеримых с шириной запрещенной зоны. Следует отметить, что гиперболические экситоны наряду со слоистыми кристаллами в настоящее время интенсивно исследуются и в других полупроводниках [5-8].
Цель данной работы - исследование неравновесной фотопроводимости (ФП) в кристаллах за КФП. Спектры ФП слоистых полупроводников АШВУ1 в
области энергий hv>Eg исследованы в [9, 10]. Однако эти измерения были проведены обычными (не лазерными) источниками света и при низких интенсивностях возбуждения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Были исследованы монокристаллы 1п8е, выращенные методом Бриджмена. Толщина образцов составляла 2-10 мкм. Подвижность и концентрация электронов, определенные из холловских измерений, составили 1.2 х 103 см2/(В с) и 7 х 1014 см-3 соответственно. Омические контакты наносили напылением индия на освещенной поверхности образцов (перпендикулярно оптической оси С). Кристаллы облучали импульсами жидкостного лазера (активная среда родамин 6в), накачку которого осуществляли азотным лазером. Область перестройки длины волны излучения 473547 нм, ширина линии генерации во всем диапазоне ~0.4 А. Мощность импульса составляла 120 кВт при длительности 3 нс, а частота повторения импульса равна 20 Гц. Интенсивность излучения изменяли при помощи калиброванных нейтральных фильтров. Выход сигналов ФП подавали в нестационарную цифровую систему, которая включала запоминающий осциллограф и компьютерную систему. Измерения проводили в интервале температур 300-90 К.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.1 представлены спектры ФП кристаллов 1п8е при различных интенсивностях возбуждения. Как видно, при низких интенсивностях возбуждения (кривая 1) в спектре наблюдается слабая полоса с максимумом при 508 нм. С увеличением интенсивности лазерного излучения максимум ФП отчетливо проявляется (кривые 2 и 3), но при дальнейшем увеличении интенсивности происходит его уменьшение (кривая 4).
На рис. 2 приведены спектры ФП 1п8е при 300 (кривая 1) и 90 К (кривая 2). Видно, что уменьшение температуры до 90 К приводит к увеличению ФП более чем в 10 раз. Проведенные исследования показали, что кристаллы 1п8е обладают значительной фоточувствительностью за краем основной полосы поглощения. Максимумы в спектрах ФП полностью коррелируют с максимумами спектров поглощения и фотолюминесценции 1п8е, обусловленными гиперболическими экситонами [3, 4]. Резонансный характер максимума ФП свидетельствует об его экситонной природе. Об этом также свидетельствуют значительная полуширина спектров ФП, их стабильность и асимметрия с более коротковолновым краем.
Значительное увеличение ФП с уменьшением температуры, по-видимому, обусловлено изменением времени релаксации носителей тока с температурой. Анализ кинетических уравнений ФП при высоких уровнях оптического возбуждения рассмотрен в [11].
—I-
■ ■ ■
X, нм
Рис. 1. Спектры ФП кристаллов при интенсивностях возбуждения 1.34 (1), 3.74 (2),
6.4 (3), 12МВт/см2 (4)
Согласно [11], ФП, обусловленная экситонами, при низких уровнях возбуждения линейно изменяется с интенсивностью возбуждения, но при высоком уровне возбуждения, когда нелинейное поглощение становится доминирующим, ФП начинает снижаться. Наши экспериментальные данные, относящиеся к исследованию люкс-амперной характеристики ФП 1^е, хорошо согласуются с результатами [11] до уровня возбуждения 6 МВт/см2; при более высоких уровнях возбуждения ФП начинает уменьшаться . Данное снижение ФП можно объяснить не только уменьшением экситонного поглощения, обусловленного процессом экранирования
экситонов свободными носителями, но и термическим гашением ФП и образованием поверхностных состояний при очень высоких уровнях оптического возбуждения.
ю3
2 ■
■ ■ ■ ■ ■
530 520 510 500 490 А, нм
Рис. 2. Спектры ФП InSe при 300 (1) и 90 K (2) (W = 12МВт/см2) ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что кристаллы InSe являются удобным объектом для исследования фотопроводимости за краем фундаментального поглощения при высоких уровнях возбуждения. Наличие значительной чувствительности в этой области свидетельствует о высоком качестве естественных поверхностных слоев и позволяет утверждать, что кристаллы InSe могут быть использованы в качестве фотоприемников не только в инфракрасной области спектра, а также в видимой области.
Список литературы /References
1. Кязым-заде А.Г., Агаева А.А., Салманов В.М., Мохтари А.Г. Неорганические материалы. 43, 2007. 1419.
2. Савчук А.И., Говалешко Н.Л., Далевский Г.Д., Ковалюк З.Д. УФЖ. 17, 1972. 1548.
3. Абуталыбов Г.И., Белле М.Л., ФТП. 8, 1974. 2392.
4. Дворников Д.П., Салманов В.М., Ярошецкий И.Д. Письма в ЖЭТФ. 20, 1974. 17.
5. Вирко С.В., ЛисицаМ.П., Моцный Ф.В. ФТТ. 42, 2000. 1579.
6. Белявский В.И., Кончаков Р.А. ФТТ. 43, 2001. 1558.
7. Крохмаль А.П. ФТП. 37, 2003. 257.
8. Канустянык В.Б., Пастернак Р.М., Калуш А.З., Панасюк М.Р., Цибульский В.С., Рудык В.П., Серкиз Р.Я. Журнал Прикладной Спектроскопии. 74, 2007. 252.
9. Segura А., Guesdon J.P., Besson J.M. J. Appl. Phys. 54, 1983. 876.
10.Alekperov O.Z., GodjaevM.O., Zarbaliev M.Z., Suleimanov R. Sol. Stat. Comm. 77, 1991. 65.
11. Egorov V.D., Müller G.O., Zimmermann R. Sol. Stat. Comm. 38, 1991. 271.
Список литературы на английском языке /References in English
1. Kyazym-zade, A.G., Agaeva, A.A., Salmanov, V.M. et al. Inorg Mater, 2007. 43:1275 .
2. Savchuk A.I., Govaleshko N.L., Dalevsky G.D., Kovaluk Z.D. Ukranian Physics Journal. 17, 1972. 1548.
3. Abutalybov G.I., BelleM.L. Semiconductors. 8, 1974. 2392.
4. Dvornikov D.P., Salmanov V.M., Yaroshetsky I.D. JETP Letters. 20, 1974. 17.
5. Virko S. V., Lisitsa M.P. &Motsnyi F. V. Phys. Solid State, 2000. 42: 1622.
6. Belyavsky V.I. & Konchakov R.A. Phys. Solid State, 2001. 43: 1621.
7. Krokhmal'A.P. Semiconductors (2003) 37: 249.
8. Kapustyanyk V.B., PasternakR.M., Kalush A.Z. et al. J Appl Spectrosc, 2007. 74: 283.
9. Segura A., Guesdon J.P., Besson J.M., Appl. Phys. 54, 1983. 876.
10.Alekperov O.Z., GodjaevM.O., Zarbaliev M.Z., Suleimanov R. Sol. Stat. Comm. 77, 1991. 65.
11. Egorov V.D., Müller G.O., Zimmermann R. Sol. Stat. Comm. 38, 1991. 271.
