Метод оценки скорости поверхностной рекомбинации носителей заряда в кристаллах типа CdS по тонкой (экситонной) структуре спектров фотопроводимости Российский патент 2019 года по МПК G01N21/27 G01R31/265 

Изобретение относится к спектроскопическим методам определения рекомбинационной характеристики полупроводниковых материалов типа CdS и может быть использовано для оценки в них скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда, которая является важнейшей характеристикой этих полупроводников, определяющей их фоточувствительность и, следовательно, возможность их использования в твердотельной оптоэлектронике в качестве фотоприемников резисторных оптопар

Существуют различные экспериментальные измерения скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей в полупроводниках (см., например, Г.П. Пека. Физика поверхности полупроводников. Киев, Изд-во Киевск. ун-та, 1967, 191 с.; Л.П. Павлов. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М., Высшая школа, 1975, 207 с.) К ним относятся метод, основанный на измерении эффективного времени жизни импульсными методами, методы, основанные на измерениях магнитоконцентрационного и фотомагнитного эффектов, а также методы, основанные на измерениях спектральной зависимости фотопроводимости и стационарной фотопроводимости. Данные методы определения требуют использования сильных магнитных полей и сложной электронной аппаратуры, также указанные методы являются не очень точными, что является недостатком данных методов.

Существующие методы экспериментального определения скорости поверхностной рекомбинации S в большинстве своем не обладают достаточной простотой, либо требуют наличия сложной электронной техники, специальной подготовки образцов, а также выполнения ряда условий, налагаемых на характеристики полупроводника.

Так, например, метод определения S из измерения спектральной зависимости фотопроводимости, наиболее близкий предлагаемому нами, основывается на линейной зависимости фототока I_ф от где α - коэффициент поглощения света (Г.П. Пека. Физика поверхности полупроводников. Киев, Изд-во Киевск. ун-та, 1967, 191 с.) Такая зависимость I_ф от получается при условии отсутствия зависимости от длины волны коэффициента отражения света и квантового выхода фототока, что выполняется далеко не всегда и не при всех способах обработки поверхности полупроводника. При нарушении этого условия функция I_ф(λ) становится нелинейной и возможность ее использования для определения исключается, что является недостатком данного метода.

Задача, на решение которой направлено изобретение - разработка нового, простого в реализации, свободного от ограничений, налагаемых на характеристики полупроводника, метода определения S.

Предлагаемый метод определения S основывается на измерениях спектров фотопроводимости в области экситонных резонансов при температуре Т=77 К в зависимости от поперечного электрического поля - внешнего электрического поля, приложенного к поверхности полупроводника по методу эффекта поля (о методе эффекта поля см., например, А.В. Ржанов. Электронные процессы на поверхности полупроводников. М., Наука, 1971, 480 с.). В этих измерениях используется конденсатор эффекта поля для исследований влияния поперечного электрического поля на оптические и фотоэлектрические свойства полупроводников (А.С. Батырев, Н.К. Шивидов. Конденсатор эффекта поля. Патент РФ №142318, 27.06.2014, Бюл. №18).

Измерения спектров фотопроводимости в зависимости от поперечного поля осуществляются на экспериментальной установке, блок-схема которой приведена на фиг. 1, где 1 - источник питания; 2 - лампа накаливания ленточного типа СИ10-З00у; 3 - объективы; 4 - светофильтр СЗС-24; 5 - монохроматор МДР-3; 6 - поляризатор; 7 - конденсатор эффекта поля с образцом CdS; 8 - стеклянный криостат; 9 - электрометрический усилитель типа У5-9 или В7-30; 10 - самопишущий потенциометр КСП-4; 11 - источник тянущего (измерительного) поля; 12 - источник поперечного поля; К₁ и К₂ - ключи; П₁ и П₂ - трехпозиционные переключатели. Буквами а, б, в и г обозначены положения переключателей, определяющие знак поперечного поля, приложенного к образцу. В данной установке в качестве источника тянущего поля 11 используется источник постоянного тока Б5-50, а в качестве источника поперечного поля 12 высоковольтный источник постоянного тока Б5-60М. Охлаждение образца до температуры Т=77 К осуществляется с помощью стеклянного криостата 8, заполняемого жидким азотом после помещения в него конденсатора эффекта поля с образцом, встроенного в измерительный тракт экспериментальной установки.

Суть предлагаемого метода оценки S заключается в определении напряженности электрического поля на поверхности полупроводника, которая соответствует нулевому значению эффективной скорости рекомбинации неравновесных носителей на поверхности полупроводника.

Сущность предлагаемого метода определения S заключается в оценке напряженности электрического поля на поверхности полупроводника E_S и дрейфовой подвижности электронов μ_n, соответствующих бесструктурной (гладкой) спектральной кривой низкотемпературной (Т=77 К) краевой фотопроводимости, наблюдаемой в кристаллах типа CdS при S=μ_n⋅E_S (см. А.С. Батырев и др. Спектральный фоторезистивный эффект поля в кристаллах CdS при низких температурах. ФТТ, 2003, т. 45, в. 11, с. 1961-1967). Предлагаемый метод определения S применим к кристаллам CdS с четко выраженной тонкой (экситонной) структурой в спектре низкотемпературной фотопроводимости. Согласно современным представлениям (см. например, В.А. Киселев, Б.В. Новиков, А.Е. Чередничнко. Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников. СПб., Изд-во СПбГУ, 2003, 244 с.) такие кристаллы относятся к разряду «современных» кристаллов с малым значением параметра диссипативного затухания экситонов, определяемого процессами распада и рассеяния последних на фононах и несовершенствах кристаллической решетки. В таких кристаллах значения параметра μ_n при Т=77 К по литературным данным составляет величину порядка 10³ см²/В⋅с, существенно (на порядок и более) превышающую значения μ_n для «несовершенных» кристаллов CdS (см. например, S. Toyotomi, К. Morigaki. Impurity Conduction in Cadmium Sulfide at Low Temperatures. J. Phys. Soc. Jap. 1968, v. 25, №№, pp. 807-815; I. Uchida. Photoconductivity of Pure Cadmium Sulfide Single Crystal near the Band Edge. J. Phys. Soc. Jap. 1967, v. 22, №3, pp. 770-778). Эту величину можно использовать в качестве значения ц_п для эксперсс-оценки в рядка величины S по формуле S=μ_n⋅E_S. Таким образом, задача оценки S в CdS предлагаемым методом сводится к оценке значения E_S, при котором спектральная кривая краевой фотопроводимости полупроводника в области экситонных резонансов при Т=77 К приобретает гладкий (бесструктурный) вид. Экспериментальная оценка Es, соответствующей гладкому спектру краевой фотопроводимости CdS, осуществляется следующим образом.

Измеряют спектры краевой фотопроводимости полупроводника при Т=77 К в зависимости от напряжения на конденсаторе эффекта поля и находят его величину, при которой спектр фотопроводимости «обесструктуривается». Затем с использованием электрометра типа В7-30 измеряют плотность заряда N_SC, захватываемого поверхностными состояниями при найденном напряжении на конденсаторе эффекта поля. На следующем этапе осуществляется оценка плотности заряда на поверхности полупроводника N_SE. С этой целью измеряется поверхностная фотоэдс образца полупроводника, возникающая при его освещении модулированным по интенсивности светом из области собственного поглощения. Освещение образца осуществляется через управляющую полупрозрачную обкладку конденсатора эффекта поля. Измерения поверхностной фотоэдс осуществляются методом синхронного детектирования с использованием узкополосного усилителя типа UNIPAN-237. Измеряется поверхностная фотоэдс в зависимости от интенсивности падающего на образец света и по участку насыщения этой зависимости определяется величина равновесного поверхностного потенциала ϕ_S. Далее определяется N_SE по формуле

где ε₀ ^_ электрическая постоянная, μ_n - диэлектрическая проницаемость полупроводника, N_d - концентрация в нем доноров, е - элементарный заряд. Затем по формулам определяются значения E_S для кристаллов 1-ой и 2-ой групп, отвечающие гладкой спектральной кривой фотопроводимости (о кристаллах 1-ой и 2-ой групп см., например, В.А. Киселев, Б.В. Новиков, А.Е. Чередниченко. Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников. СПб., Изд-во СПбГУ, 2003, 244 с).

Использование: для оценки скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда полупроводников. Сущность изобретения заключается в том, что метод оценки скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводниках типа CdS, основанный на зависимости структуры спектра фотопроводимости от величины и знака напряженности электрического поля на поверхности полупроводника, отличается тем, что скорость поверхностной рекомбинации полупроводника определяется по форме спектральной кривой фототока в области экситонных резонансов. Технический результат: обеспечение возможности простого в реализации, свободного от ограничений, налагаемых на характеристики полупроводника, метода определения S. 1 ил.

Спектроскопический метод оценки скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводниках типа CdS, основанный на зависимости структуры спектра фотопроводимости от величины и знака напряженности электрического поля на поверхности полупроводника, отличающийся тем, что скорость поверхностной рекомбинации полупроводника определяется по форме спектральной кривой фототока в области экситонных резонансов.