CC BY
10
УДК 621.315
НЕОПАДАЮЩАЯ ПРОВОДИМОСТЬ В СаРгБ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Г. Е. Зардас1, П. К. Евфимиу1, Д. Е. Феодору1, Ф. Рис2, X. И. Симсонидес1,
Б. Сентпали2,
Измерялась фотопроводимость на образцах п-СаР с ортогональными контактами, изготовленными из Либе/ТУг и отстоящими друг от друга на 5.5 мкм Измерения фототока при освещении с длиной волны X = 570 нм, соответствующей ширине запрещенной зоны (Ед = 2.175 эВ) при 200 К, показали, что фототок увеличивается и стремится к насыщению. После прекращения освещения ток медленно уменьшается и стремится к постоянному значению как при 200, так и при 250 А'. Полученные результаты свидетельствуют о существовании неспадающей фотопроводимости, которая обнаружена в этой работе впервые в объемных материалах.
Неопадающая фотопроводимость обнаружена во многих полупроводниках. Это ян.: ние может рассматриваться как эффект памяти. Явления медленной релаксации избыточной электропроводности, инициированной световым или электронным пучком, анализировались в работах [1, 2]. Обзор многочисленных работ в этой области, оп1 бликованных к 1976 г., дан в [3]. В настоящее время предложены две модели, при менимых для анализа рассматриваемого явления. Первоначальная модель, детально проанализированная в работах [1] и [2], основана на представлении о захвате носите лей заряда микроскопическими дефектами или комплексами. В альтернативной модели [3] рассматриваются барьеры объемного заряда, расположенные в приповерхностном
1Отделение твердого тела, Физический факультет, Афинский университет, Афины, Греция
2Научно-исследовательский институт технической физики, Будапешт, Венгрия.
В. С. Вавилов
слое полупроводника, и окружающие кластеры дефектов, которые возникли в объеме при кристаллизации или при облучении тяжелыми ионами [4, 5]. Подробные данные о неспадающей фотопроводимости в слоях GaAs, содержащих макроскопические по тенциальные барьеры, были получены в работах [б] и [7]. Такие барьеры всегда окру жают области с отличающимися свойствами. Локальные неоднородности существуют и в объеме материала, там, где концентрация дефектов или примесей намного превышает соответствующую концентрацию в среднем по объему. Модель неспадающей фотопроводимости, обусловленной кластерами дефектов, была предложена в работе [8] Эта модель основана главным образом на представлении о том, что потенциальный барьер, окружающий кластер дефектов, пространственно разделяет фотогенерированные носители заряда, за счет чего их рекомбинация замедляется.
Недавняя публикация [9] содержит дополнительную информацию о моделях неспа дающей фотопроводимости. В последнее время мы впервые получили данные [10] о неспадающей фотопроводимости в объемных кристаллах GaP:S при комнатной темпе ратуре и связали это явление с существованием кластеров дефектов в объеме материала как это уже предполагалось в случае слоев GsAs [6, 7]. В работе [10] получены также данные о влиянии облучения а-частицами; эти данные подтверждают наше предполо жение о существовании кластеров.
В данной работе мы впервые исследовали кинетику нарастания и спада неспадающей фотопроводимости, связываемой нами с существованием кластеров дефектов, объемных кристаллах GaP:S при температурах 200 К и 250 К.
Измерения проводились на двух образцах n-GaP:S, вырезанных из той же пласти ны, что и в [10], и имеющих концентрацию электронов п = 4.3 • 101' см~3, подвижность 117 см2В~1с~1 и удельное сопротивление р = 0.12 Ом • см. При температуре 400°С были сформированы два ортогональных контакта из AuGe/Ni (без мезаструктуры) на расстоянии 5.5 мкм. Эти контакты были изготовлены в Научно-исследовательском институте технической физики в Будапеште. Образцы помещались в криостат криогенной установки, работающей на циркулирующем газообразном Не и изготовленной Air Products Со. Окошко криостата было покрыто пленкой из майлара толщиной 25 мкм. Оптическая система состояла из небольшой 250-Вт галогенной лампы с внешним сферическим зеркалом и малогабаритного монохроматора фирмы Oriel Optics.
Пучок света направлялся по нормали на поверхность с двумя контактами; плотность потока фотонов поддерживалась постоянной для каждой длины волны во врем; измерений. Фототок измерялся электрометром Keithle 617. Измерения проводились при
температурах 200 и 250 К.
Обычная процедура исследований неопадающей фотопроводимости заключается в измерениях фототока после прекращения освещения, соответствующего определенному интегральному потоку фотонов. В отличие от этого, мы проводили измерения во время освещения, поскольку весьма низкая интенсивность нашего источника света не мог ла вызвать сколько-нибудь значительный фототок, если бы в образце не происходило накопления фотовозбужденных носителей заряда с очень большим временем жизни.
25
4.0
1Ш, мкА
4.5 4.4 4.3 4.2 4.1
VW % 100
99.5 99.0 98.5 98.0 97.5 97.0 96.5 96.0
10 15 t, мин
5 Ю 15 20 t, мин
Рис. 1. Зависимость от времени фототока 1щ при освещении с длиной волны А = 570 нм при Т = 200 К.
Рис. 2. Зависимость от времени отношения Id/Ido после прекращения освещения с А 570 нм при Т = 200 К.
На рис. 1 приведен типичный фототок при освещении с X — 570 нм, что соответствует ширине запрещенной зоны Ед — 2.175 эВ при 200 К. Наблюдается возраста ние фототока со временем и затем выход его на насыщение. Это свидетельствует о существовании незатухающей фотопроводимости. Зависимость между фототоком и ло гарифмом интегрального потока фотонов нелинейна [7].
Результаты измерений спада инерционного фототока после выключения света пред ставлены на рис. 2 и 3 для температур 200 и 250 К соответственно. Чтобы сравнить кинетику спада фототока для этих двух температур, мы построили график отношения (в %) фототока Id в данный момент времени к фототоку I¿o сразу после выключен;!», освещения. Из рисунков ясно видно, что при низких температурах существует слабо спадающая фотопроводимость, как то наблюдалось при 300 К [10]. Если мы примел; за
исходную точку значение /<¿//<¿0 = 98%, то видно, что время спада устойчивого фототока уменьшается с повышением температуры. Измерения на втором образце приводят к аналогичным выводам.
1Ао, % 100 99.5 99.0 98.5 98.0 97.5 97.0 96.5
96.0--•-----------■---♦-—'------
0 2 4 6 8 10 12 14 16 мин
Рис. 3. Зависимость от времени отношения /<¿//<¿0 после прекращения освещения с X — 610 нм при Т = 250 А'.
Эти результаты согласуются с предсказаниями теории неспадающей фотопроводимости, вызванной кластерами дефектов, которые присутствуют в толстых слоях полупроводников, таких как СаАэ [8], и в объемном ОаР:Б при комнатной температуре [10]. Эти результаты свидетельствуют о наличии кластеров дефектов в наших образцах.
Волновые функции пространственно разделенных электронов и дырок с большим временем жизни перекрываются, после чего следует медленная рекомбинация. Скорость рекомбинации зависит от расстояния между электронами и дырками; удельная электропроводность оказывается сложной логарифмической функцией времени [8].
Незатухающая фотопроводимость в СаР-.Б согласуется с предсказаниями модели этого явления, основанной на существовании кластеров дефектов. Накопление фотовозбужденных носителей заряда происходит в узком интервале интегральных потоков фотонов, и спад фотопроводимости после выключения освещения описывается сложной логарифмической функцией времени.
Эта работа выполнена при поддержке Национального Комитета по развитию технологии в рамках международных связей (Венгрия) и Генерального Секретариата исследований и технологии Греции.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Bube R. Concepts in Photoconductivity in Solids and Allied Problems, Willey, New-York, 1963.
[2] P ы в к и н С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М.. Физматгиз. 1963.
[3] S h е i n k m a n М. and S h i к A. Soviet Phys. Semicond., 10, 128 (1976).
[4] G о s s i с к В. J. Appl. Phys., 30, 1204 (1959).
[5] В а в и л о в B.C. Действие излучений на полупроводники, М., Физматгиз, 1963.
[6] Q u е i s s е г Н. J. and Т h е о d о г о и D.E. Phys. Rev. Lett., 43, 401 (1979).
[7] Q и е i s s е г H.J. and Theodorou D. E. Phys. Rev. B: Condens. Matter, 33, 4027 (1986).
[8] T h e о d о г о и D.E. and Synieonides С. I. Phys. Rev. B: Condens. Matter, 37, 10854 (1988).
[9] К h о k h 1 о v D. R. and V о 1 k о v B. A. The Physics of Semiconductors, Ed. by M. Scheffler, World Scientific, London, 1996.
[10] Z a r d a s G. E., T h e о d о г о и D. E., E и t h у m i о и D. С., et al. Solid-State Commun, 105, 77 (1998).
Поступила в редакцию 18 мая 1999 г.
