CC BY
14
УДК 535.213
В.Я. Костюченко
СГГА, Новосибирск
Д.Ю. Протасов
ИФП СО РАН, Новосибирск
ПАРАМЕТРЫ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ В ПЛЕНКАХ P-HG1-XCDXTE C X = 0,22, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
V.Ya. Kostyuchenko
SSGA, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation D.Yu. Protasov
Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, pr. Lavrentieva, 13, 630090, Novosibirsk, Russia
THE PARAMETERS OF RECOMBINATION CENTERS IN FILMS P-HG1-XCDXTE WITH X = 0,22 GROWN BY MOLECULAR-BEAM EPITAXY
A values of 1, Nt, Cn and Cp in vacancy-doped MBE MCT films with various density of major holes are determined at 77 K in this work. The parameters of recombination centers were founded via measurements of steady-state photoconductivity in magnetic filed for Faradey's geometry. The capture rates and ionization energy did not depend from density of major holes
p
and their values are equal to Cn=2.3x10-12 m3/s, Cp=8.2x10-16 m3/s, f=53 meV, but the centers density in samples is various. Correspondence of received values with published data and a nature of recombination centers are discussed.
ВВЕДЕНИЕ
Время жизни носителей заряда в тройном сплаве CdxHg1-xTe (кадмий-ртуть-теллур, КРТ), где х - мольное содержание Cd, является важным параметром, определяющим работу фотоприёмников на основе этого материала [1]. При рабочих температурах фотоприёмников (T~77 К) время жизни в КРТ p-типа ограничено механизмом рекомбинации Шокли-Рида и определяется такими параметрами рекомбинационного центра, как энергия залегания Et и концентрация Nt, коэффициенты захвата электронов Сп и дырок Ср.
Для определения параметров рекомбинационных центров обычно используется метод DLTS. Однако в случае КРТ с х~0.22 применение этого метода затруднено следующими причинами: во-первых, малая ширина запрещённой зоны требует использования гелиевых температур; во-вторых, трудно изготовить на этом материале p-n переход, который не имел бы туннельного пробоя при низких температурах. Кроме того, значения параметров рекомбинационных центров сильно зависит от технологии роста образцов.
В работе определены значения Et, Nt, Сп и Ср в плёнках Hg1-xCdxTe р-типа с x = 0.22 при 77 К, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs, с разной концентрацией основных носителей
заряда, обусловленных вакансиями ртути. Параметры рекомбинационных центров находились по измерениям фотопроводимости (ФП) в магнитном поле для геометрии Фарадея [2], что позволяло разделить вклады в ФП
неравновесных электронов и"рк(Б) и дырок ир , найти как подвижность неосновных электронов р,п, так и отношение их времен жизни тр .
Образцы и методы исследования
Исследовались три образца, изготовленные из одной пленки толщиной 10 мкм, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке из GaAs ориентации (013). После роста плёнка имела п-тип проводимости. Для получения образцов р-типа разделенную на части плёнку отжигали в нейтральной атмосфере гелия или азота при Т = 200 °С. В зависимости от продолжительности отжига, концентрация основных дырок, обусловленных
21 3 22 3
вакансиями ртути, изменялась в диапазоне от 4x10 м" до 3x10 м" . Для измерения ФП в геометрии Фарадея (к\\В и к I Ё у где к - волновой вектор излучения, Б - индукция магнитного поля, Е - напряженность тянущего электрического поля) вырезались образцы в виде прямоугольных полосок длиной 10 мм и шириной 1,5 мм. Образцы укрепляли на сапфировой подложке, и к ним делали индиевые контакты.
Концентрация р0 и подвижность цр основных носителей заряда (дырок) определялась из измерения эффекта Холла и магнитосопротивления методом «спектра подвижности» [3].
Экспериментальная установка для измерения ФП описана в работе [2].
Метод определения параметров рекомбинационных центров
На рис. 1 представлена магнитополевая зависимость сигнала ФП
5 которая описывается выражением:
л/7 Г/Г> = — — М" I С'1 — К = | дцр
^ е РХ(^М2пВ2) м,с1 е р>оМр 1 +^ '
(1)
где с - длина, - ширина и А - толщина образца, I - ток через образец, е - заряд электрона, Ап - концентрация неравновесных электронов, -
подвижность неосновных электронов, К = тр!тп +1, ^ипр}1(В) - зависящая
от магнитного поля электронная составляющая, - составляющая,
обусловленная неравновесными дырками, величина которой не изменяется в магнитном поле. Несмотря на достаточно низкую подвижность (//„/¡лр =100
), тяжелые дырки дают заметный вклад в сигнал ФП, так как при наличии большого числа рекомбинационных центров концентрация неравновесных дырок превышает концентрацию неравновесных электронов: Ар > Ап.
По измеренной магнитополевой зависимости ^Урн(В) находится подвижность неосновных электронов как:
вп
где Вп (Тл) - величина магнитной индукции, соответствующей уровню сигнала По величине дырочной и электронной составляющей
ФП определяется отношение времени жизни электронов и дырок:
т jsat
ТР ^п Uph _
" (3)
мР u;h(0)
Магнитное поле, Тл
Рис. 1. Зависимость ФП в геометрии Фарадея от магнитного поля. Символы - экспериментальные данные, линия - расчет
Далее экспериментальные значения интерпретировались
аналитическими выражениями [4], описывающими значения времени жизни электронов и дырок в р-КРТ с учетом таких механизмов рекомбинации, как радиационного, Оже-7 и Шокли-Рида. Параметры Е, Сп и Ср использовались в качестве подгоночных, а для концентрации рекомбинационных центров было предложено выражение: Ро+(Ся/СрЩ
(CJCP)
(4)
у
где N - эффективная плотность состояний электронов в зоне проводимости, приведенная к уровню рекомбинационного центра.
Экспериментальные результаты и обсуждение
На рис. 2 показаны экспериментальные магнитополевые зависимости ФП в геометрии Фарадея для трех исследованных образцов. Уровень сигнала ФП, показанный на рис. 2, увеличен для образцов 2 и 3 в 2 и 8 раз, соответственно. Сигнал ФП для трех образцов был измерен при одних и тех же условиях (одинакова интенсивность света, через образцы пропускался одинаковый ток, отношение длины к ширине образцов Поэтому,
согласно выражению (1), различие в поведении магнитополевых зависимостей обусловлено разными значениями времени жизни и подвижности неосновных и основных носителей заряда в образцах, а также их различной темновой проводимостью ао = ероМ-р- Определенные по измерениям эффекта Холла и магнитосопротивления параметры основных дырок, а также подвижность неосновных электронов и отношение времен жизни дырок и электронов приведены в таблице. В результате подгонки теоретических выражений [2] под экспериментальные данные получено, что энергия залегания центра , коэффициенты захвата на этот центр электронов Сп и дырок Ср не зависят от концентрации основных носителей и
12 3 20 3
равны следующим значениям: И, =53 мэВ, Сп=2.3х10~ м/с, Ср=1х10" м/с.
Энергия Е лежит близко к середине запрещенной зоны (Е{/Её = 48 %), что
согласуется с опубликованными данными [5,6]. Отношение полученных коэффициентов захвата Сп/Ср >103, что более чем на порядок превышает
значения, приведенные в работах [5,6] для объёмных образцов и эпитаксиальных плёнок, выращенных методом эпитаксии из газовой фазы с использованием металлорганических соединений. Как известно из литературы [7], для образцов р-КРТ значения времени жизни (и, следовательно, параметры рекомбинационных центров) сильно зависят от способа получения образцов и их термической обработки.
Магнитное поле, Тл
Рис. 2. ФП в геометрии Фарадея для образцов 1,2 и 3. Символы - экспериментальные данные, линия - расчет
Таблица. Электрофизические параметры исследованных образцов
№ p0, m-3 m2/Vxs Mn, m2/Vxs (тр) Jexp fTp1 V 7n J the or Tn, ns ns Nt, m-3
1 4,7х1021 0,036 7,5 15,3 14,0 12 166 4,0x1019
2 8,3х1021 0,045 6,4 5,1 6,1 17 105 2,5xl019
3 2,5х1022 0,026 5,6 43,3 40 0.8 32 5,3 xlO20
Так как считается [7], что в вакансионно-легированных образцах КРТ рекомбинационные центры связаны с вакансиями ртути, то концентрация Nt в таких образцах должна увеличиваться с ростом концентрации основных носителей заряда. Однако пропорциональная зависимость наблюдается лишь
22 3
при концентрациях, больших 1x10 м" , при меньших концентрациях четкой зависимости Nt от p0 нет [5,6]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе продемонстрирован новый метод определения рекомбинационных параметров плёнок p-КРТ. Метод основан на измерении магнитополевой зависимости ФП в геометрии Фарадея. Показано, что в плёнках МЛЭ p-КРТ полученные значения энергии залегания рекомбинационного центра Et близки к опубликованным значениям, коэффициенты захвата электронов Сп и дырок Ср превышают опубликованные на порядок, а концентрация центров Nt не зависит от р0 в
91 ^
области значений (4-^8)х10 м" .
Метод может применятся в качестве стандартного контроля при выборе материала для изготовления фотоприёмников с предельными характеристиками.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рогальский, А. Инфракрасные детекторы/ А. Рогальский; пер. с англ., -Новосиб.: Наука, 2003. - 636 с.
2. Подвижность неосновных носителей заряда в пленках p-HgCdTe / В.С. Варавин,
C.А. Дворецкий, В.Н. Овсюк, Д.Ю. Протасов // ФТП. - 2004. - Т. 38, №. 5. - С. 532 - 537.
3. Beck, W.A. Determination of electrical transport properties using a novel magnetic field-dependent Hall technique// W.A. Beck, JR. Anderson // J. Appl. Phys. - 1987. - V. 62. - P. 541 - 554.
4. Lopes, V.C. Minority carrier lifetime in mercury cadmium telluride / V.C. Lopes, A.S. Syllaios, M.C. Chen // Sem. Sci. Technol. - 1993. - V. 8. - P. 824-841.
5. Fastow, R. Shockley-Read recombination and trapping in p-type HgCdTe / R. Fastow,
D. Goren, Y. Nemirovsky // J. Appl. Phys. - 1990. - V. 68. - P. 3405 - 3412.
6. Barton, S.C. Determination of Shockley-Read trap perameters in n- and p-type epitaxial CdxHg1-xTe / S.C. Barton, P. Capper, C.J. Jones // Sem. Sci. Technol. - 1996. - V. 11. -P. 1163-1167.
7. Properties of Narrow Gap Cadmium-based Compounds / EMIS Datareviews Series., edited by P. Capper. - IEE, London. - 1994. - N. 10.
© В.Я. Костюченко, Д.Ю. Протасов, 2009
