Анизотропия оптических и фотоэлектрических свойств тройных алмазоподобных полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ КАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИСФФЕ

На правах рукописи

ЩВЕДКИН Геннадий Александрович

УДК 621.315.522

АНИЗОТРОПИЯ ОПТИЧЕСКИХ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТРОЙНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени - доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993

г'аснта выполнена в (риаико-тнкничвском институте им.А.Ф.Иоффе РАН,

Официальные оппоненту! доктор те::ничег:кик неук,

профессор Челноков В.е.,

доктор физико-матбмати1'ескик наук,

профессор Новиков Б.Ь.,

доктор Физико-математических наук,

профессор Валов П.М.

Ведущая организация — Государственный технический университет»

Санкг-Петевбург.

Защите состоится " " . 1993 г. в час

на заседании споина.лмаирсваннога совета К 003.23.02 при- физико—техническом институте им. А. б). Ио^фе РАН (Россия 194021 Санкг-Петербург, Политехническая ул., 26| Факс: (В12) 017) .

Стзыиы на автореферат диссертации г двух экоемплярак, заверцнные печатью, просим напраплмть пг: вышеуказанному адросу ученому секретари специали&мопванного сорета.

^¿торефепгт разослан ____________г-

Уч«?мый секретарь

спеи>.«ализиоованного совета,

лектор оизнчо-матемд-! ическик наук Сорокин -Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

; „Актуальность темы.

Для современного этапа развития полупроводниковой электроники, ■ особенности оптоэльктроники, характерно асе пение физическим явлений, происходящих а полупроводниковых материалах со сложным химическим составом и в лолупраыодникзпых структурах с комбинацией тонких слоев или сверх'решиток. Это относится не только к кремниевым, структурам с легированными или модифицированными слоями или структурам с пониженной размерностью« но и к сложным — тройным, четверным полупроводниковым соединениям, обладающим сверхструктурой по отношению к более простым алн»зоподсйным элементарным и двойным полупроводникам. Решетки Ева*» в этих полупроводниковых кристаллам и алмааа совпадают, однако сперкструктур^ое упорядочение для трех или четырех химических элементов приводит к понижению симметрии кристалла до одноосной или двуосной. Алмааолвдобные кристаллические структуры

халькопирита, станнита, дефектного станнита приобретают ярки

¡

выраженную анизотропии! выделенная тетрагональная ось Формирует в кристалле оптическую и фотоэлектрическую индикатрису.

Исследование анизотропных явлений в кристаллах сложных полупроводников, предстаиляет не только общефизический интерес, но и позволяет развить новые подходы к приборам полупроводниковой оптоэлвктроники, заложить основы практического применения и Сформулировать принципы действия нового класса Фотоэлектрических приборов, чувствительным к поляризации излучения. Однако, для реализации уникальным свойств алмазоподобным ыешеств сложного мимического состава необходимо развитие прецизионной технологии выращивания монокристаллов, их точней ориентации, методов Формирования энергетических барьеров. Химия и технология сложных алмазоподобным .фаз является неотъемлемым этапом в раскрытии практического потенциала новых полупроводниковых материалов к оптика, оптоэлвктроникв, ФотопреаЛразааательной технике.

Последние два десятилетия эти работы схватили в.основном аналоги, двойных соединений III-V и H-VI. тройные полупроводники II-IV-Vj и I-III-VX^ С1*3. Большип успехи были едалани в разработке тпнкопленочным солнечным элементов (CuInSe,,),

уютстдятвктор'ои линейно поляризованного излучения (И-ХУ—Уд ! , . нелинейно оптических преобразователей <7.пБеРа , СбБеА»г, 11 — 11—V> , интерференционных Фильтров <1-П1-У12> £2*-4*, 13. 3 свг.ди с этим актуальным ягляетсы изучение анизотропии оптическим и Фотоэлектрическим свойств тройных алмазоподоЁнь'м полупроводников, как однородных монокристаллов, так и полупроводниковым структур с энергетическими Сарьардым.

Поляр> юочанное излучение, открытое X.Гюйгенсом еще в 1690 г. С5», 6*3, »послядствие стало предметом разносторонних оптических экспериментов, в основе которым лежало первичное преобразование поляризации оптическим элементом и оятем детектирование выходящего пучк« визуальна либо с помощью ютоприомкого устройства С7*3. В 160& г. .V. Мал юс, изучая отражение спета от стеклянной поверхности, установил свой знаменитый закон соа2^. Уже е наи>ем столетии полупроводниковое материаловедение, в истокам которого стояли А.ф.Иоффе и Н.А.Гсрюнова С8*, 9*3, вызвало рождение новым приборов и устройств полупроводниковой электроники. Постепенное совершенствование технологии сложных алма^оподобных фаз при переходе от элементарных полупроводников к двойным и тройным интвомотлллидгм привело, в частности, к получению объемным полупрсродниковых монокристаллов I—III—П-П^Ч'Ц

С9*, 10*3. Начиная с 1973 г. , в физико-техническом институте им. А. 0. Иоф.цг> Аыли развернуты исследования поляризационным эффектов в монэчристаллах этиу классов СИ-», 13, которые легли в основу создания ряда новых фотоэлектрических приборов, чувствительным к лииейнэй поляризации излучения.

8 предшествующих работах С12», 13*3 ок:ло начато изучение широкого круга физических явлений 6 тройных полупроводниках! ©аоовых пореходов, точечных деоектов структуры, электрическим, радиационных, из/.учательных, а также оптических и Оотоэлектричеи-кик в том числе в поляризованном излучении. В отличие от

предшествующим работ настоящая диссертация посвящена исключительно проблемам оптической и фотоэлектрической анизотропии, установление ФунЛ£ментальных закономерностей анизотропных свойств тройных алмазоподойнмк пслупроиодников из разных кристаллохимических г рупп.

Онл охватывает работы автора, начиная с 1975 г., ив основном отраженные а монографии 1992 г., а также включает авторские свидетельства на изобретения, в которых защищены новэйшие конструкции приваров, устройств, принципы их действия и способы получения кристаллов некоторых слпжнык алмазоподайным полупроводников'.

Цель и оадачи работы

Цель» диссертационной работы является установление Фундаментальных (закономерностей оптической и оотоилектрической анизотропии в кристаллах тройных алмазоподобных полупроводников. 9 круг изученных материалов входили соединения 11-14'--^! С^ЗпР^ , СйЭеРл , Сс131Аз2, Хп6еР2 , 2м31Ра, С{Ш1Ра, твердые растворы Сс^п^Оо,, ^ соединения 1-111МЛ2I Си1пТе2, Си1пЗег, С.и1п5а; соединения Мп-1Иг-У14 ! Мп1п2Те^, Мп6а2Те^!1 соединении 1й-11-11 СилСсЗЗпБе^, Си^С^БеЗе^. Дополнительной целью является подтверждение Фундаментальных закономерностей изучаемых свойств путем вовлечения в научное исследование некоторый полупроводниковые материалов других классов: двойных' соединений с тетрагональной решеткой (СЬР^ , ) , полярисгационт—нувствительнмм структур из

изотропных полупроводников <31, Бе, ВаАв, С<Ле) .

В соответствии с этим основными задачами диссертации были следующие:

1. Исследовать оптическую и фотоэлектрическую анизотропию в длинноволновой области спектра при наличиии мелких и глубоких уровней собственных дефектов и примесей и кристаллах.

2. Исследовать краэвой оптический дихроизм в сильно компенсированных полупроводниках и провести соавнительный

. анализ со случаем слабой компенсации Ыд/Ы-о.

3. Исследовать естественный фотоплеохреизм псевдопрямоэонным кристаллов с сильным тетрагональным сжатием рвшатки халькопирита и провести сравнительный обобщающий анализ анизотропных свойств тройных алмаооподоймых полупроводников из различных кристаллохммических групп.

4. Изучить возможности выращивания нетырвякомппи^нтных аналогов соединений 1-111-^1^ и 11-1^-^2 I полновалентиь'х соединений

С:игСс1йп5в^ VI Си2Сс»ВвЗэ,., н*;полновалымтных соединений с магнитным ионом мартами* Мп1паТв^ и МпБадТе^, твердых растворов в виде монокристаллов и исследовать их

оптическую и Фотоэлектрическую анизотропию. Опредглить оптические константы тройных алмаэаподойным полупроводников в видимой оаласти спектра, о. Выполнить комплекс технологических райот по созданию энергетических барьеров на кристаллах с сильной кристаллограиичес-кой анизотропией и исследовать «отозлектрическую анизотропии в однородный кристаллах и разработанных диодных структурах. 7. Научить и объяснить явление гигантского гаотоплеохроивма в полупроводниках! разработать теоретическую модель поляризационного инвертора и подтвердить ее экспериментально. 6. Изучить анизотропные фотоэлектрические аффекты в

гетеропереходах на тройных алм«эоподо*эных полупроводниках с привлечением квазикубической модели и модели Андерсона.

9. Установить связь поляриметрических свойств фотодетекторов с параметрами зоннсй структуры тройных алмазопедэбных полупроводников (естественна« аниаотропия) и с явлениями анизотропного прохождения линейно поляризованным излучением границы воздух-иыстропный полупроводник (наведенная анизотропия).

10. Изучить оптически** и фотоэлектрические свойства кристаллов Си1пБ<?2 с термическим окислом и гетеропереходов и этой система.

Перечисленные выше задачи решались с помощью следующих жепэримьнтальных методикI поляризационной оптической спектроскопии, поляризационной фотоэлектрической спектроскопии, лазерной >ллипсо*етрии.

Научная новизна работн

состоит у следующих полученных результатах! - Установлены закономерности оптического дихроизма и фотоплеохро-изг^а в тройных полупроводниках с различными тетрагональными структурами (у¿лькопирит, станнит, дефектный станнит) и с учетом их химического состава, концентрации свободных носителей заряде, точечных дефектов решетки и примесей, тетрагональной

деформации решетки, структуры энергетических зон.

- Предложены феноменологические! модели: а!. два модифицированные кваэикубичвекиа модели Хопфиляа для Си1п8(?2 и Мп1п„Те^,

б), модель поляризационного ичпертара, в). мслйль атомного механизма термического окисления С'лХпБо^.

- Обнаружено и всесторонне исследоаано новое «ютоэлектричэское явление — гигантский оютоплеохроиам в анизотропным полупроводниках »). Установлена его физическая природа.

- Обнаружены и изучены поляризационный эОФект окна в гетеропереходах и эффект наведенного юотоплезхроиэма в изотропном полупроводнике *).

Практическая ценности работы

1. Введено в научную практику новое понятие - шотаплеоурризм #>, всесторонне поучено »то явление для однородных кристаллов и полупроводникоомх структур с энергетическими бапьерами.

2.. Разработаны принципы действия и созданы действующие макеты фотодетекторов линейно поляризованного излучения с селективной и широкополосной чувствительностью.

3. Разработаны принципы действия, теоретическая модель и сосланы экспериментальные макеты поляриметрически« инверторов онака фототока.

4. Раоработаны устройства поляризационной оптоэлектооники: для исследования поляризационных свойств анизотропных материалов, для определения параметров линейно, эллиптически и частично поляризованного излучения.

5. Разработан способ повышения КПД шотопреобразевания линейно поляризованного излучения.

Ь. Разработаны способ исследования дефектной структуры и медяль атомного механизма термического окисления кристаллов Си1пЗег.

*) Это явление и.эффекты обнаружены совместно с Ю.В.Рудем. #) Термин впервые введен в 1973 г. <Медоидкин Г.Л. Полупроводниковые Сс18пРг-оотопривмники излучения Мс1-лаэера// Тезисы «окл. IV Респ.коночр.молодых ученых-физиков <23-27 окт.1978).-Елку.-Элм.—1979.—С.38.

7. .Методом.термического окисления и ионной имплантации кислорода созданы гитеростр/ктурн типа ^^О^/ох(СЧЛпБв^/Си1п5в2, перспективные для -разработки солнечных элементов.

8. Доказана возможность выращивания монокристаллов

четырехкомппнантнчх соединений Си2Сс1Вп5ыч, Си^СсЮеЗе^ и твердых растворов СсаЗп^беРк, пригодных для разработки приборов поляризационной олтоэлектроники.

Нгучмыа положения диссертации .

1. "О мелких и глубоких уровнях".

Мелким уровни собственных дефектов и примесей в тройных алмазоподобны* полупроводниках с прямой структурой зон уширяют спектральный контур естественного оптического дихроиама и Фотсплеохроизма, сдвигают его максимуму;* в. длинное о л нов у к; область на энер-ию, близкук к знергии их оптической активации. Глубокий. уровни создамт локальные длинноволновые экстремума, оптического дихроизма и вотоплесхроизма, спектрально отделенные от краевой полосы.

2. "0 компенсированных полупроводниках".

Краевая полоса оптического дихроизма в сильно компенсированных прямозонных полупроводниках смешена в длинноволновую область аа 'счет флуктуации концентрации донорных и акцепторных центрэе, и при этом сохраняется высокая степень анизотропии.

3. "0 коротковолновом оотоплеохроизме певвдопрямозонных

полупроводников"•

Естзстввнный фотоплеохроипм псеедопрямоаонных кристаллов 11—IV—Ч'-, с сильным тетрагональным сжатием (Т. >3.4У,) увеличивается с энергией фотонов выщо прямого А-первкода, достигая максимальных отрицательных значений в области 3—4 эВ.

4. 'О фундаментальной полосе поглощения (А<{Нм<Е^) кристаллов СсЗпР'л и С(^5х А«2 " • .

полупроаодниках С63пР2 и Сй31А»2 с концентрацией свободных дыоск 101 ^ и Ю^'-м'З прямкю экситснные переходы при энергиях А<1ль<В частично запрещены в поляризации ЕХ'с, но сста»тся разрешенными в поляоизац'ии й глубине

оундаментальной полосы поглощения <е<Т|ц<Е^) частотная , дисгерсия показателя преломления изменяет знак с

положительного на отрицательный в СйБпГ-ц и имеег сингулярность е Сс)31Аз^« а диспеьсия показателя поглощения остается положительной. 5. "О четырехкомпонентных аналогах".

Гетеровалентное и нзовалентное оамешенме «томов в кристаллах тройных соединений 1-Ш-У1й и (II1 + 1 И —- ¡1+14.

1+1 -г* Мп + СЗ и —> Гу'+1У) позволяет сомрзкит» я^спку»

оптическую и фотоэлектричэскую аниоотропий в кристаллах четь:-рехкомпонентных аналогов — соединениях и твердых растчорах с алмазоподобной. структурой станнита, дефектного станнита, халькопирита.

"О гигантском оотоплеохроиэме" .

Гигантский фотоплеохроиэм в полупроводниках (повышение амплитуды коэффициента ©отсплеохроизма до ±оо (теория) и до + 1.5-10^ '/. (эксперимент)), обусловлен векторной природой и конкуренцией фототокоез, протекакших в объеме кристалла и/или в энергетических барьеоах полупроводниковой структуры типа поляризационного инвертора. Одночастотный и многочастотний гигантский фотоплеохроизм проявляется пои ьнетргия'х с^Е^41'- или

, соответственно, характеризуется в окрестности Фотоизотропных точек резкой сменой знака, гиперболической Формой спектрального контура и сужением конгуца е 1и-10-' раз (теория, эксперимент), а вдали от оотоизогоопных точек следует контуру естесгвенного ФотоплесхроиЪма. 7. "0 термическом окислении Си1п8е2",

Термическое окислениа кристаллов тройного полупроводника Си1п8ей и ионная имплантация кислорода в этот матгриэл приводят к конверсии типа проводимости п —» р и образоаанииз гетеро— и гомоперекодов. Термический- окисел имеет химический состав близкий к 1п20з, образует с подложкой эффективный гетеропереход и может быть получен в виде интерференционной пленки с высокой оптической однородностью пс4 толшин«.

Приоритет результатов

Представленные к защите результаты, по которым сформулированы научные положения, имеют мировой и отечественный приоритет. Конструкции фотодетекторов линейно поляризованного излучения.

устройства и способы для регистрации поляризованного излучения а гакжз технология аыращиаания монокристаллов сложным соединений и гетеропереходов, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения, имякг мировой приоритет.

Доклад»! и публикации

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Всесоюзных и Международных конференциях и совещаниямI Всесокгном научна—техническом семинаре "фазовые и поляризационные измерения лазерного излучения и их метрологическое обеспечение" (Москва-1978),

II, III Всесоюзных конференциях по физическим процессам в полупроводникам (Ашхаб4д-197а, 0десса-19в2>,

III, IV, V Всесоюзных конференциях "Тройные полупроводники и их применение" !Кишинее-1979, 19S3, 1937),

VIII Международной конференции по тройным и многокомпонентным соединениям (Кишинев—1990), '

II, III Всесоюзных научно-технических конференциях

"Материаловедение халькогенидных полупроводников" (Чермоицы-19п6, 1991),

XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев-19S3),

VI Всесоюзной конференции "финика диэлектриков" (Тсмск-1983), II Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент-1930>,

VIII Всесолзном совещании "физика поБС-рхностных явлений 8 полупроводниках" (Кипв-19£4),

Ь'сасочоной конференции "0изика и применение контакта металл-полупрооодник" (Киео-1987),

VIII Чехословацкой спектроскопической конференции (Чвшске Будиевице-19пЗ),

Международном координационном совещании по физическим проблемам опта; лактроники "Оптоэлектроника-39" (Б*жу-1-7в9) , II Всесоюзной научно-технической конференции 'фотоэлектрические яоляния в полупроводниках" (Ашхабад—1991), а тáxx» ьа ряда республиканских конференций, симпозиумов, савеи*ний, на ецминарах ОТИ им.А.О.Иоффе РАН.

Результаты исследований опубликованы в 46 статьях, 1 монографии, 13 авторских свидетельствах на ис-обретения.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести гла:а, заключений и библиографии, включающей ссылки на авторские публикации и цитированную литературу. Объем: 161 страница, н тон числе? 71 рисунок и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана историческая справка и сформулированы основные цели исследования.

Глава 1

Рассмотрены главные определения величин и понятий, используемых в диссертации. Рассмотрены кристаллическое строение и зонная структура тройных алмазополобных полупроводников.

1. Введено в научную практику ночое понятие - <ро-топлеохроизм. Явление фотоплеохроизма (родственное оптическому плеохроизму) состоит в анизотропной фотогенерации носителей заряда в полупроводнике под действием излучения с различной поляризацией, например линейной. В отличив от оптического явления в фотоплеохооиаые кэ-жет проявляться векторная природа плотности фототока, Длио описание явлений естественного и наведенного пютоплеохроизма, и их численной характеристики - коэффициента оотоплеохроиз>*<а.

2. Сформулирован обобщенный закон Малюса, расширенный на совокупность Фотоэлектрических явлений в полупроводникам. Даны определения новых характеристик поляриметрических ютодггнктороз! поляризационная токовая (вольтовая) чувствительность, поляризационная квантовая Эффективность, азимутальная нарактеристика, максимальная азимутальная токовал (вольтовая) Еоточуяствитель.часть.

3. Методом направленной кристаллизации »первые ыьюалэны монокристаллы алмазоподобных соединений Си^СсН^лйе^, Си, МпХп^Те^, МпЗа^Те^ и установлена их принадлежность к полупронол-никакц авторское свидетельство С34] и С373.

-4, Дано описание кристаллического строения и зонной с тручт

полулроводкикоп II —TV—V2 i I ~ 111-VI^ / TI — IIIg —VI^ на основании погдшсствующих работе литературных данных. Приведены новые результаты нашим исследований пс» кристаллической структуре тройных полуг.^овояникон с магнитным ионом марганца — Mnln^fe^ и МпБа^Те^» Предложены квааикубичаские моделм зонной структуры полупроводников типа CuInGeg и Мп1плТв^, объясняющие полученные экспериментальны« результаты.

Главе

Изучена сптическаи анизотропия в области фундаментального края и в примесной области поглощения тройным алмазоподобных полупрооодникоа и их четырехкомпонентных аналогов, методами оптической спектро«копки и Фотоактивного поглощения.

1. Для тройных ллмазолодоиных полупроводников с прямой структурой оон, имеющих кристалпическ/м решетку халькопирита, станнита, дефектного станнита, а также "псеЕдотетрагонэльную" структуру МпВазТе^ и различное тетрагональное искажение, оыло показано, что максимум естественного оптического дихроизма реализуете* в области краевого А—перехода. Введение примесей и собственных точечных дефектов в кристаллы как с сильным (СсШпР^ / * так и слабым (Си1пТе£> тетрагональным сжатием/растяжением структуры халькопирита приводит к трансформации спектра длиннозолнового и краевого оптического дихроизма и фотоплоохроизма.

Установлено, что мелкие уровни собственных дефектов и примесей в тройные алмазоподобных полупроводниках с прямой структурой зон уширтэт спектральный контур и сдвигают максимуму* в длинноволновую область на энергию, близкую к энергии их оптической активации, глубочиь уровни создают локальные длинноволновые экстремумы оптического димроизма, спектрально отделенные от краевой полосы.

2. В чистых полупроводниковые кристаллах СсЗБпР^ и СйЭ^г^ с предельно ниской концентрацией свободных дырок 10^ и

было показано, что фундаментальный край поглощения формируется за счет экситон-шононногс механизма. Расчеты в всдоронеподобном при-ближэчии дают большие радиусы лкситоноз 21 (СйБоР^) и .9-8 нм

что отвечает модели Ванье, и зкпитонные ридберги? соответственно, 2.9 и Ь.4 мэб. Для изучения оптического поглощения в Фундаментальной полосе пог/.ошэнчя» прибегающей к краю (А<Ъи<В> ,

еэыли прооедены прецизионные намерения на специально приготз»эленных тонким <7—10 мки) и ориентироеанн*1>с пластинах при Т«77—300 К. Анализ кривых поглощения с испольвовакием соот»-;ои:вний >ллисттг для прямых экситонных.переходов з области выше первого эксигонно-го пика показал принципиальное различие для дсуг поляриэгщ-t/t.

Установлено^ что прямые экситонные переходы а этих кристаллах при энергиях A<tHw<B частично запрещены и поляризации Е1. с., но остаются разрешенными о поляризации ЕЛ с.

'3. На примере кристаллов CdGer^ * аырашенных методом капрап-.ленной кристаллизации, с высокой степенью компенсации (Мд/N^»0.i-0.9) был исследован, оптический дихроизм и проэеден сравнительный анализ с кристаллами CdGeP^ .-выращенными газофазным методом, с низкой степенью компенсации /N^<0. 2—0. 4) . Экспоненциальный край поглощения оказывается гдтян/тим в длинноволнпЕ^уч» область, контур краевого дихроизма оптического пропускания для пластин различней толщины .становится боле'? симметричным во всем диапас-сне? температур 77-300 К, а другие особенности аниасгрсг.ии ¿лизки или аналогичны слайо компенсированным полупроБодник&м.

Установлено, что краевая полоса' оптического дихроизма в сильно компенсированных прямозонных полупроводниках смещена з длинноволновую область за счет Флуктуации концентрации донорных и акцепторных центров, и при этом сохраняется высокая степень «Анизотропии.

4. Оптическая анизотропия изучена в тройных алмазспадобных полупроводниках со слабым тетрагональным растяжением решетки халькопирита < < 0. в"/-) , дефектного станнита (^=0.037.) и "псеодотетраг.ональной" структуры (X ~0. 737.).

Фундаментальный край поглощения кристаллов I—III—VI^ экспоненциальный и. формируется за счет электрон—фснончого взаимодействия. Кристаллическое расщапление валентной зоны и оптический дихроизм пропускания положительны a CuInSe* и CuInTe^, и отрицательны в CuInS^. В кристаллах с магнитным ионом марганца Hn-I I х^— Те^, фундаментальный край поглощения также экспоненциальный , но уже не может быть описан а рамках электрон—фононного механизма и правила Урйаха. Эксперименты показывают, что нл формирование фундаментального края оказывают влияние» структурные вакансии (их концентрация (4~5>* Ю2^ см">, точечные дефекты

решетки (они могут быть введены дополнительно термическими обработками/ и обменное взаимодействие зонных электронов с d-элвктро-нами ионоа Мп®+. Влияние обменного взаимодействия на оптическое поглощение лодтсерыдсется линейной зависимостью Ej(T> в области низких температур (от 370 до S К. для MnlnjJe^ и до 40 К для MnGa^Ts^), что наЗлюдалось ранее в попумагнитных полупроводниках типа Cd^^Mn^Te (к>0.2), а также повышенным значением эффективного числ«. электронов на атом , см. гл.З. Максимум оптического дихроизма достигается в области энергий минимальных оптически): переходов, •> знак дихроизма пропускания,положительный в Mnln^Te^ и отрицательный е МпЗа^Те^.

Были предложены квазикубические модели зонной структуры кристаллов типа CuInSa^ и MnlOjTe^, которые объясняют особенности оптических анизотропных свойств тройных полупроводников I-III-VI^ и Мп-1Х1Л—VI^ со слабым тетрагональным искажением. В рамках этих моделей были рассчитаны кристаллическое и спин-орбитальное расщепления валентной зоны. Для соединений I-HI-VI2 эти результаты позволяют устранить противоречия различных литературных источников С1*, 4» и др.], они показывают, что кристаллическое расщепление в халькспиритных кристаллах CuInSe^ ,и CuInTeg положительное, а в CuIr.Sr — отрицательнее. Для кристаллов Mnln^Te^ и Ипба^Тгц энергетические зазоры валенткой зоны получены впервые и приведены в таблице 1.

Изучались четырехкомпоненткые аналоги тройных полупроводников с целью получить фундаментальные данные об анизотропии электронного спектра и возможных изменениях в оптической и фотоэлек— тричиской анизотропии при гетероаалантном и изовалентном замещении а-rомов в алмазоподобных структурах ряда халькопирит—станнит-дефектный станнит.

С«м,?йство аналогов тройных халькопиритных полупроводников I-III-v/I^ - четырехкомпонентмыв соединения I^-Il—кристал— 'лиэуи;ся о полнозалентной упорядоченном структуре станнита. По схеме гетеровалентного замещения In + In Cd+Sn и Cd+Ge был соееищеч переход от CuInSe2 к CunCdSnSe-,, и CaaCoGeSe^. Мы вырастили первые монокристаллы и впервые установили их полупроводниковые свойства, а также анизотропию электронного спектра, авторское свидетельство С343. Кристаллы Cu^CdSnSe^ и

Таблица 1.

Энергетически* параметры зонной структуры монокристаллов КпХп^Т«^ и МпЗа^Тэ^ <в »В).

1- Температура т, К (Трямые переходы А В С Д кр ¿со

<м С ы 77 1.55 1.61 1.68 0.075 -с.оаз

с 300 1.425. 1.485 1.55 0.07 - о. оа

370 1.41 1.473 1.34 0. 00 -и. 08

Псевдопрпмые переходы Дкр

£ А' В' С'

С4

в 77 1. ¿35 1.6В 1.74 -0.07 0.06

с 300 1.52 1.57 1.66 -0. 10 0.06

370 1.50 1.34 1.64 -0. 10 0.06

Си£С<ДОе5е^ обладают средним тетрагональным сжатием '2: =1.3 и 3.0%, соответственно, и обнаруживают высокий оптический дихроизм |РТ|»60-84Х и ¡РЛ| «22Х в области фундаментального края поглощения »Е^-0.89 и 1.29 >В>.

Другое семейство аналогов тройных полупроводников 1—111—VI. -соединения Мп—кристаллизуются в неполное а лвнтных (яакансионных) структурах. В качестве четвертого компонента с нулевой электронной концентрацией рассматриваются вакансии С] в узлах решетки и тогда общая химическая Формула записывается в виде П-Ш^-И-УЦ, где вместо элемента II группы выступает магнитный ион Мп^*. Был осуществлен переход от Си1пТе£ к (-!п1пгГеч и Мп0а2Теч по схеме гетлровалентного оамещения 1 + 1 —!» Мп+С1. Изучение кристаллических структур методам рентгеновской дигар«кцим показало, что Мп1л2Те^ кристаллизуется в структуре дефектного станнита, а Мпба^Те^ — в моноклинной структуре С£, со слабой тетрагональной или "псевдотетрагональиой" деформацией. Оптичрскди и фотоэлектрическая анизотропия по сравнению с квлькопиритным

аналогом более высокая <60Х> индиевом кристалле и близка по амплитуде (107.) в галливвом кристалле.

На примере иалькопиритных кристаллов CdSnPj, и CdSePj по схема иаовалинтного замещения IV+IV —* IVfIV' был осуществлен переход к четырехкомпонентным твердым растворам с различной

концентрацией х»0т1. Все исследованные составы имели структуру халькопирита. На ориентированных монокристаллах были созданы Cu-барьеры Шоттки и изучена фотоэлектрическая анизотропия. Было показано, что максимальный коэффициент фотоплеохроизма "00%), такжв .как и степень поляризации излучательной рекомбинации (Рир'"* 90"/.) сохраняется для всех составов х. Расщепления валентной зоны кристаллов твердых, растворов (х»0.7), оцененные в рамках квазикубической модели] Лкр»0.12 эВ и Дйз«0. 10 эВ, занимают промежуточное место.между CdSnPa и CdGePa.

Установлено, что гетеровалентное и изовалентное замещения атомов в кристаллах тройных соединений l-III-VI^ и II-IV—'ИЬ III —► II+IV, I+I -* Mn+СЭ и IV+IV IV+IV') позволяют сохранить высокую оптическую и Фотоэлектрическую анизотропию в кристаллах четырехкомпонентных аналогов — соединениях и твердых растворах с алмазоподобыой структурой станнита, дефектного станнита, халькопирита.

Глав*. 5

Исследованы оптические свойства реальной и окисленной поверхности тройных алмазоподобных полупроводников методами лазерной эллипсометрии, оптического отражения и Фотоэлектрической спектроскопии.

1. Получены данные об оптических константах п (показатель преломления) и к (показатель поглощения) чистых кристаллов CdSnPj CdSiAüj,, CuInTbj, CuInSe2, CuInS^, Mn InjTe^ ,. MnEajTe4, см. таблицы 2 и 3. Рассмотрены общие' свойства спектров отражения кристаллов МпХпдТе^ и MnGa.jTe^, и их оптических функций п, к, , £о i ¿05?» Обнаружена повышенная относительно немагнитных

аналогов II — 11 VI4 величина эффективного числа электронов на атом п^ «4.3 и 4.4 в Mnln^Te^ и llnGajTe^ , что указывает на у.частк d-электронов ионов в оптическом поглощении этих соединений.

Экспериментальна показано« ч^о на естественной грани С112> кристаллов Си1пЗ^ существует тонкий слой собственного окисла, а в отражении наблюдается резкий пик, связанный с экантонами. Механическая полировка кристаллов приводит к образованию

Таблица 2.

Реальная и мнимая части комплексного показатели преломления №»п-1к для монокристаллов Сс^ЭпРд и СйБ^Аз^ при Т»ЗС0 К.

Сс13пР2 Сс!31Авг

Л , нм п к п к

476.5 4.337 1.372 3. 739 1.946

433.0 4.332 1.253 3. 379 1.331

496.5 4.307 1 . 129 3. 923 1.741

514.5 4. 199 0.905 3. 931 1.547 -■

632.3 3.763 0. 436 3. 934 0.912

Оптические константы п и к и толщина Таблица 3. собственного окисла

й0)|*> для тройных алмазоподобных кристаллов и

МлШ^Те^ на длине волны Л "632.3 нм при Т=300 К,

Соединение п к азх, нм

СиГпБ 2 2, 55 0. 59 1.3

СиХпБег; 2. 966 0.331 3.0

СиГпТед 3. 633 0. 799 2. 5

Мп1п^Те^ 3. 13 0.31 з,'з

МпОа^Те^ 3. 34 о.аз 4. 7

») При расчете с!ох для Си1пЭ2, Си1лТе„, МпIп^Ты^ , МпВа^Ти^ использована величина п^-2.12, измеренная для Си1п5ел>.

- да -

.ы(>уш;нного слоя, сглаживанию пик« отражения, сметанию «го в .1:>ниоволноаую область на с:'>0 май и общэму повышении амплитуды Я -4А а-ЯХ.'

2. Исслсдооани« дисперсии комплексного показателя проломло-ния кристаллов Сс1ВпР2 и CdБi■ видимой области спектра <1.92.6 »В) проводили методом спектральной лазерной эллипсомвтрии. Анализ результата» показал близкую оптическую аналогии) между кристаллами со структурой халькопирита и еоалорита. Обнаружено подобие абсолютных значений и спектрального мода п(^м) и к<^м> для тройных ссединений Сс1БпРг , Сс1Б1А»2 и их двойных аналогов 1пР, ВаАв в области В<^1м<Е), причем спектральные кривые для тройных полупроводников оказываются сдвинутыми е длинноволновую область на 0.5 »В.

Установлено, что в глубине фундаментальном полосы поглощения <В<^1И<Е, > частотная дисперсия показателя преломления изменяет ¡знак с положительного на отрицательный в СйБпР^ и имеет сингулярность в Сс1в1Й«21 а дисперсия показателя поглощения остается положительной.

3. Изучены процессы термического окисления тройного полупроводника Си!г,Бе2 - одного из важнейшим материалов солнечной фото— хнергетики.

Результаты технологии исследовались оптическими методами и дополнительными методами! »лвктронно-зондового микроанализа, рентгеновского дифракционного фазового анализа, вольт&мпврным характеристик, резердюрдовского обратного рассеяния. Пленки термического скисла были получены в виде интерференционным слоев с высокой оптической прозрачностью и электропроводностью. Экспериментальна докапано, чю мимический состав и кристаллическая структура термического окисла отвечает в основном соединению ша03. Предложена модель атомного механизма взаимодействия свободной поверхности Си1п5е^ с кислородом в процессе термического окисления. Механизм списывает образование окисной капы и движение грачицы 7л20з/СиХлбе^ с учетом поглощения вакансий , ¡¿си ■

генерации избыточным атомоы Ее^, Си;, в междоузлия и образования Сих5е. Разработаны спэсобы обработки и исследования дефектной структуры кристаллов типа Си1пЗ»2 с использованием термического окиелкния и оптическим картин цветового контрастного декорирования, ¿рторские свидетельства -27, 263.

Методом термического окисления сооданы гетеропереходы в системе 1п20з/Са1пЗЕ"/,, перспективные для разработки, широкополосных солнечный Фотоэлементов. Альтернативным методом имплантации ионсв кислорода созданы п—р переходы на основе кристаллов п-Си1пСэ^ изучены особенности их фотоэлектрических свойств о собственной и примэсной области поглощения. Показано, что эти .два процесса изменяют тип проводимости п --> р в припорерхностном сло^ подложки и позволяют выращивать эффективные гетеро- и гомогпэреходы, перспективные длв фотопрвобрасзовани» солнечного излучения.

Установлено, что термическое окисление тройного полупроводника СиХпЭе^ и ионная имплантация кислорода в этот материал приводят к конверсии типа проводимости п —* р и образование гетера- л гомопереходов. Термический окисел имеет мимический состав близкий к 1п^0з, образует с подложкой аффективный гетеропер&ход и кожит быть получен а виде интерференционной пленки с высокой оптической однородностью по толщине.

Г лава 4

Исследована фотоэлектрическая анизотропия тройных алмазопс-добиых полупроводников методами фотоэлектрической спектроскопии на однородных ориентированных кристаллах и полупроводниковых структурах с энергетическими барьерлми.

1. Получены основные соотношения для Фотопроводимости однородным анизотропных кристаллов в линейно поляризованном получении, в том 4vic.no - выражения для продольной, поперечной оотопрородимо-стк: и фотоэде Аем£ера. Рассмотрены особенности фотоэффекта з п-р пароходе и карьере Шотткн на анизотропных полупроводника'/, рклю-чая зависимость напряжения холостого тока короткого замыкания и энергетической характеристики от линейной поляризации излучения. Подчеркивается возможность реализации в структурах с *мергс?тмчаским барьером.особого режима фотопреобр^зоелния — поляризационной инверсии знака фототока, при которой кзэсоициент Фотоплеохроизма может достигать амплитуды, превышающей 100'/..

2. Изучены особенности спектров Фотоплеохроизма кристаллов II — IV—в области крэя и в- глубине полосы Фундаментального поглощения, а такьсе е длинноволновой области, где прояэл?-отся остп-активчые уровни собственных дефектов решетки и примесей. В полу-

проводниках с прямой структурой аон максимум естественного фотэ-плеохроизма реализуется в области прямого А-перехода. На примере кристаллов р-СйБпР^, легированных примесью меди (энергия активации мелких и глубоких уровней 70 и 630 мэВ>, показано, что спектр коэффициента .фотоплеохроизма претерпевает существенную трансформацию как в области краевой полосы, так и в длинноволновой области спектра.

Установлено, что мелкие уровни уширяют спектральный контур естественного.фотоплеохреизма и.сдвигают его максимумум в длинноволновую область на энергию, близкую к энергии их оптической активации, глубокие уровни создают локальные длинноволновые экстремумы фотоплеохроизма, спектрально отделенные от краевой полосы.

3. Изучены особенности естественного ©отоплеохроизма в кристаллах с псевдопрямой структурой зон и сильным тетрагональным сжатием структуры .халькопирита Т. >3.4'/.. Метод Фотоответа барьеров Шоттки типа Си/гпЗ^Рд и Си/Сс131Рй позволил провести измерения в широком спектральном диапазоне 1.5-4.0 эЗ. Э области слабых псевдопрямых переходов А', В', С' Фотоплеохроизм (также как оптический дихроизм) мал, Р^«—(10т20)X. С росток энергии фотонов наблюдаются локальные экстремумы Р£ при Тим=2.7-3.2 эВ, то есть в области минимальных прямых переходов А, В, С в кристаллах гп31Ра , Сс!31Р2, Мд31Рй. Максимальная амплитуда (40т70)7. зарегистрирована в.ближней ультрафиолетовой области, где наблюдаются сильно поляризованные оптические переходы, но не нашедшие пока адекватной теоретической интерпретации. Эта спектральная область чрезвычайно важна для практической метрологии и поляриметрии.

Установлено экспериментально, что естественный оотоплеохроизм псевдопррмозонных кристаллов с сильным тетрагональным сжатием СЪ >3.4Х> увеличивается с энергией фотонов выше прямого А-перехода, достигая максимальных отрицательных значений в области 3—4 эВ.

4. Рассмотрен фотоэффект в гетеропереходах на основе анизотропного и изотропного или двух анизотропных полупроводников! подложки из ориентированных монокристаллов' и Мг.-Ш^-УЦ и гетерослои (эпитаксиальные и неэпитаксиальные) из тройного соединения 11 — 1V—или двойных соедичаний 1пР, CdP;г , Хп^О«, 5п0£, см. таблицу 4. Обнаружено, что в эпитаксиальных гетеропереходах

в результате естественного и/или наведенного упругой деформацией . Фотоплеохроизма и при условии согласования правил отбора

Таблица 4.

Поляризационно-чувствительные свойства гетеропереходов на основе монокристаллов II — IV—1и Мп-11.

Гетеропереход

Тип

анизотропии

Параметры решетки (Ю-1 нм)

Р

Область 1 поляризационной ('/.) чувствительности (эБ)

СйВеРд /гпОеРа естественный а:3.741/5.466 с:10.775/10.772 80 1. 6-2. 6

са5пр2/сар2 естественный • а:5.902/5.233 с:11.512/19.808 -35 1. 1-2. 1

Сс^еР^ /1г.Р наведенный а:5.741/5.869 с/2:5.537/5.869 35 1. 3-1. О

Сй5ПР2 /ЗП02 естественный а:3.902/4.737 с:11.512/3.185 86 1. 1-1. 8

Мп1п2Те()/5п02 естественный а:6.196/4.737 с:12.402/3.185 -60 1. 3-1. 5

Мпйа^Те^/IТО естес.венный а«6.001/10.12 с/2:6.045/5.06 10 1. 5-) . и

2п31Р2 /Си» естественный а: 5.399 с:10.435 -70 - 1. 5-3. 8

Сс)31Р2/Си# естественный а:5.678 -15 2 1-2. 4

с:10.431 -АО 2. 9-3. 8

_» Барьер Шоттки.

поляризованных оптических переходов в гьтеропартнэрах возникает поляризационный эффект окна (расширение спектральной области поляризационной чувствительности от Е^ до Ед двух полупроводников;.

5. Проанализирована зависимость коэффициента фотоплеохооигэма тройных алмазоподобных полупроводников 11-17—^2, I — Мп—IIIСи^— 11 — от типа минимального энергетического

зазора и тетрагонального сжатия кристаллической решетки. Прямо-зонные кристаллы II—IV—и Мп^дТе^ обладают наиболее сильней краевой фотоэлэктрической анизотропией в узкой спектральной обла-

сти 100-200 мэВ вблизи Е^, Р?**(60+90)Ч. Для псевдопримозомных .соединений характерна слабая краевая анизотропия, но более широкая полсса фотоплеохрзизма, а при энергия» выше А'-перевод* (гпЕеРй, гг^Аи^) или выше А-переходь <1п31Р2 , Сс1г>1Р4 , Нд31Р2 > наблюдается повышение Р; до значений +.<40470)7.. Кристаллы с максимальным тетрагональным сжатием *?>&"/. ммеит широкук полосу оото-плеохроияма <сг2 >0), но амплитуда Р; невысока, а 2С-г40У.. Низкое тетрагональное сжатие не препятствует получению высокой степени Фотоэлектрической ¿низотропии.

Глава 5

Рассмотрены способы управления поляризационными свойствами Фотореэисторо<з из однородных анизотропных кристаллов и поляриметрических структур с п—р пэреходом, барьером Шоттки, гетеропереходом. Описаны конструкции фотодетекторов и устройств поляризационной оптоэлектроники.

1. Проанализировано влияние температуры на фотоплеохроизм и максимальную азимутальную фоточуествительность У™ I выбор температурного интервала- позволяет стабилизировать поляризационные характеристики фотоднтектэра и требуемых пределах.

2. Проанализировано влияние толщины с) анизотропного кристалла, диффузионной длины и и скорости поверхностной рекомбинации б ка величины Р^ и йр для фотопроводимости однородного образца и Фототока п-р-перехода! эксперимент согласуется с теоретическим рассмотренном. Показано, что естественный фотоплеохроизм может быть скомпенсирован до нуля или даже получен противоположного знака с амплитудой, превышающей величину оптического дихроизма кристалла за счет> а) уменьшения ё или пут&м создания области сотогенерации в глубине кристалла, б) увеличения I- или ». Поляризационная квантовая эффективность также управляется по амплитуде и знаку с помощью этих полупроводниковых параметров материала. Контроль |_ и в в фоторезисторах и фотодиоднык структурах на основе одноосных полупроводников с решеткой халькопирита, станнита, дефектного станните позволяет управлять амплитудой, знакам и спектральным диапазоном их поляризационной ©отачуествительности.

3. Рассмотрен эффект наведенного фотоплеохроизма в полупроводниках. Один из способов наведения фотоплеохроизма состоит в создании напряженного состояния эпитаксиального слоя гетероперехода, в результата чего возможна расширение спектрального контура в коротковолновую (2пВеРа/СсНЗеР^ ) и длинноволновую (1пР/Сс1ВеРа> области спектра. Этот эффект был обнаружен экспериментально, авторские свидетельства 16, 103.

Второй способ заключается э некаялинеарной ориентации поверхности полупроводника с изотропной или анизотропной структурой относительно вектора рефракции падающей линейно поляризованной волны, при которой наведенный фотоплеохроизм возникает а результате анизотропного прохождения излучением границы окружающая сре-да/полупрозодник и фотогенерации неравновесных носителей заряда в объеме полупроводника. Этот способ является по сути новым способом фотоэлектрического преобразования линейно поляризованного излучения, что позволило нам разработать на его принципе (а> фотодетекторы поляризованного излучения из изотропных полупроводников и <б> повысить КПД при регистрации линейно поляризованного излучения известными полупроводникоэыми фотоприемниками (например для '81 —Фотодиода КПД возрастает на 47%), авторские свидетельства С4, 133.

Используя ковариантное представление для оптических процессов на границе раздела воздух/изотропный полупроводник, мы провели компьютерные расчеты и получили выражения для наведенных неколли-неарной .ориентацией Функций <оС0> и (Зр(<^е) для широкой группы Полупроводников» IV, Щ-У, 11—4/1, Эксперимент для крис-

таллов 81 и СйТе с чистой поверхностью, согласуется с теоретическим рассмотрением эффекта наведенного фотоплеохроизма. Поляриметрический режим с наведенным фотоплеохроизмом был испытан также на промышленных фотодиодах и была показана их эффективность как поляриметрических фотодетектороз с неселективной спектральной поляризационной чувствительность».

4. Приведен дайджест разработанных Фотодетекторое и устройств поляризационной оптоэлектроникш детекторы, анализаторы, гетеро-переходные фотоэлементы, устройства для исследования поляризационных свойств анизотропных материалов и для определения параметров (мощности, формы, степени и др.) поляризованного излучения, авторские свидетельства С4, 6, 3-13, 24, 25}.

Рассмотрены принципы действия поляриметрических ротод^тект^ов и описаны их оптоэлектронные характеристики, такие как спектральный контур фотоответа, поляризационные характеристики ГгчПи) и У?* .СУ" > , энергетическая и вольтамперная характеристики, стабильность оотодетекторов. Приведены экспериментальные параметры поляриметрических фотодетекторов на основе монокристаллов II-IV-Va и пленок окислов металлов .типа In^Cj и Sn02. Постройка зонная диаграмма гетероперехода n-Sn02/p-CdSnPa<Cu> и описаны результаты исследования лучших поляриметрических иотодетекторои с низкой скоростью поверхностной рекомбинации на гетерогракицо. Токовая чувствительность в таких структурах достигает 0^-0.12 А/Вт, а максимальная азимутальная фоточувствительность А/Вт-град

при Т=300 К.

Глава 6

Рассмотрены результаты обнаружения и изучения нового фотоэлектрического явления — гигантского фотоплеохроизма в знизотрсп-ных полупроводниках.

1. Изложены результаты теоретического'рассмотрения явления гигантского Фотоплеохроизма на одной частоте в полупроводниковых структурах с одним и двумя энергетическими барьерами. Описана теоретическая модель поляризационкого инвертера знака фо-готока. физическая основа вэлания. заключается в векторной природе оотото-ков, которая в отличие от явления оптического дихроизма, где оптические коэффициенты — суть скаляры, позволяет приобрести дополнительную степень свободы и осуществить управление фототоками, как векторами посредством изменения плоскости поляризации падающего излучения. Приведены соотношения, при которых выполняются условия поляризационной инверсии онака фототока и резкого возрастания коэффициента фотоплеохроизма. Амплитуда Р. возрастает до +оо е узком спектральном диапазоне (0.1-0.001 от поляризационного расщег.ления) и слэдует гиперболической зависимости от "hw. Даны определения фотоизотропной точки, а также спектральной и азимутальной точек инверсии. Показано, что вдали от Фотоизотропных точек контур гигантского фотоплеохроизма подобен контуру естественного фотоплеохроизма.

2. Разработаны поляриметрические инверторы на основе

полупроводниковых структур типа р-n —р, БШ—БШ (два неэквивалентных барьера Шоттки), n-р переход с ооторезистором а одном кристалле. Созданы действующие макеты инверторов на основе полупроводниковых структрур p-n-p. ZnGePo , Cu-CdCeP2 -Си, n-p CdSnP, , n-p CdSiAsa, InP/CdGeP2 и описаны их экспериментальные параметры. В.окрестности оотоиэотропной тонки максимальная величина коэффициента фотоплеахроизма достигает 1GC0V. и более г.ри Т^ЗОО К, а приложение внешнего электрического поля позволяет многократна осуществлять сдвиг полосы гигантского фотоплеохроиэма по спектру на энергию от 130 до 500 мэВ для разных структур.

3. Дальнейшее изучение поляризационной инвьрс:ии привело нас к созданию полупроводниковых структур типа окисел моталла/диэлек-трмк/анизотропный полупроводник, обладающих одновременно несколькими точками инверсии знака оототока по спектру. В структура ~0М/А1д Oj/CdSnP^ , где Or1*=CdO, In^G^, экспериментально обнаружено явление многочастотного гигантского Фотоплеохроиома. В области минимального прямого перехода и в глубине фундаментальной полосы поглощения CdSnP^ наблюдаются три точки инверсии онака ■ "tiw ■» 1.171, 1.227, 1.273 эВ при Т=300 К, в которых коэффициент фотоплвохроизма достигает величин 1000-1500У.. Спектральная селективность поляризационной чувствительности инвертора

1-0.2 мэВ превышает аналогичный параметр п-р перехода из CdSnP2<B> баз инверсии в £00-1000 раз. Подчеркивается, что обнаруженное явление может быть реализована не только в анизотропных кристаллах, но также и в анизотропных структурах на основе "изотропных полулроиолников с наведенным юстоплеохроизмом.

Установлено, что гигантский фотоплеохроизм в полупроводниках (повышение амплитуды коэОФициента фотоплеохроизма до ± о" (теория) и до ±1.5- ю-* '/. (эксперимент)) обусловлен зекторн(сй природой и конкуренцией Фототоков, протекающих в обьеме кристалла и/или в энергетических барьерах полупроводниковой структуры типа поляризационного инвертора. Одночастотный и многочастотный гигантский оотоплеохроизм проявляется при энергиях '-fir или Ejj, соот-

ветственно, характеризуется в окрестности Фотоизэтропных точек резкой сменой знака, гиперболической фирмой спектрального контура и сужением контура в 10-10® раз (теория, эксперимент), а едали от ®отоизотропных точек следует контуру естественного фотоплеохроиз-' ма. '".•■■■

В заключении подчеркивается глубокая взаимосвязь полупроводникового материаловедения тройных соединений с современной поляриаационной оптоэлектроникой, приводится результаты краткого анализа развития областей науки и техники, связанных с поляризованным излучением.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Выделим наиболее яркие и общие, с нашей точки зрения, закономерности, выявленные в результате проведенного исследования Фундаментальных оптических и фотоэлектрических свойств тройных алмазоподобнык полупроводников.

В кристаллах со структурой халькопирита, станнита, дефектного станнита, с "псевдотетрагональной" структурой в спектральных областях примесного поглощения, фундаментального края поглощения и в глубине Фундаментальной полосы обнаружены, исследованы и объяснены следующие закономерности оптической и фотоэлектрической анизотропии!

а) В лрямооонных кристаллах со средним тетрагональным сжатием, X "2-ВУ. амплитуда- оптического дихроизма и фотоплеокроизма наиболее высокая! Р^, Р^ »70-90'/. и реализуется в узкой спектральной области 100-200 мэВ вблизи энергии Е^.. Мелкие уровни примесей и собственный дефектов уширяют краевую полосу и сдвигают максимум в область длинных волн, глубокие уровни создают локальные экстремумы , Р^ в длинноволновой области. Увеличение тетрагонального сжатия в халькопиритах, как правило, сопровождается увеличением анизотропии, а в дгфектном станните даже в случае "квазиизотропной" решетки мажет наблюдаться высокая оптическая и Фотоэлектрическая анизстропия,

б) В псевдспрямозонных кристаллах оптическая и фотоэлектрическая анизотропия вблизи фундаментального края поглощения слабая и немонотонно увеличивается с ростом энергии фотонов. В кристаллах с высоким тетрагональным сжатием коэффициент Фотоплеокроизма вырастает до отрицательных значений 40-70'/. при энергиях выше А-перехада, в области 3-4 »в. Кристаллы с максимальным тетрагональным сжатием "С >&'/• имеют широкую полосу Фотоплеохроизма ( — 2 эВ>, но амплитуда Р{ в целом невысока, 20-4С'/.. Низкое

тетрагональное .сжатие на препятствует получении высокой степени Фотоэлектрической анивотропии.

а) В прямоаоннь»: кристалл* с сильной компенсацией акцепторов и доноров, N^/Np, краевая полоса оптического дихроизма смешена в область длинным вплн на 60-80 Mi9, при э .-ом сохраняется высокая стапень анизотропии.

г) В четырехкомпонентных аналогах (соединениям и твердых растворах со структурой станнита, ■ дефектного станнита, халькопирита) , которые получены по схаме гетеровалентмого или иоочаленг-наго оамешения атомов I, III и IV групп из тройных соединений I-III~VIa и II-IV-Va, сохраняется высокая оптическая и Фотоэлектрическая анизотропия.

Изучение, реальной и окисленной поверхности тройных полупроводников, позволило определит» оптические константы кристаллов, являющиеся фундаментальными справочными данными,' а также, обнаружить .собственные окислы и . показать их влияние на оптические свойства кристаллов.. Целенаправленное изучение термически окисленных.поверхностей CuInSe2 позволило вперрыо для тройным полупроводников предложить модель атомного механизма термического окисления и на его основе разработать технологию получения широкополосных гетеропереходов типа IngOg/CuInSe^, перспективных для полупроводниковой солнечной энергетики.

Изучение фундаментальных оптических свойств тройных алмазоподобных полупроводников и их органическое сочетание с оптоэлектронными явлениями и аффектами а структурах (естественный фатаплеохроизм, гигантский фотоплеохраизм, поляризационный эффект окна, наведенный фятоплеохронам в изотропном полупроводнике) позволило нам предложить новый класс Фотоэлектрических полупроводниковых приборов! фогоанализаторы, фотоэлементы, фотсдетекторы линейно поляризованного излучения, поляриметрические инверторы и др. Были разработаны конструкции и физические принципы действия приборов, определены перспективы анизотропных Полупроводниковых материалов и структур в поляризационной оптике и поляризационной полупроводниковой оптоэлектронике.' Особо следует выделить блок исследований, посвященных явлению гигантского Фоталлеохроиома а полупроводниках! обнаружение, теоретическое, экспериментальное изучение и объяснение его оиаичосксй природы.

Одночастотный и многрчастотьый гигантский фотоплеохроизм открывает новые всеможности в разработке высокоточных поляриметрически« прибороо с чрезвычайно узкой, селективной по спектру поляризационной чувствительностью.

Таким образом., в настоящей работе г.окаиана общность явлений оптической и фотоэлектрической анизотропии на примере широкого класса тройных алмазоподобмых полупроводников с различной кристаллической структурой и химическим составам. Результаты представленного научного исследования лежат на стыке двух областей снаний — полупроводникового материаловедения анизотропных кристаллов и современной поляризационной оптоэлектроники, они развивают и формируют »ту новую область физики полупроводников.

СПИСОК ВКЛЮЧЕННЫХ В ДИССЕРТАЦИЮ РАБОТ

1. Медведкин Г.А., Рудь К).В. , Таирив М.А. Полупроводниковые кристаллы фотоприемников линейно-поляризованного излучения.// Ташкент, Изд.QAH.—1992.-296 С.

2. Медведкин Г.А., Свезов К. , Рудь ¡0.В», Соколова В.И. Поляризационные' свойства диодоо из CdonP^ . //

ФТП.-1976.-Т. 10.-В. U.-С.2081-2035.

3. Мальцева И.А., Мамедов А., Мвдеедкин Г.А.-, Рудь 10.В. Оптическая анизотропия ZnSiP2.// ФТП.-1977. -Т. 11. -В. 11. -С. 2133-21Г56.

4. Рудь Ю.В., Медведкин Г. А. Детектор линейно-поляризованного излучения. Авт.свид.СССР No.671634, приор.12.3.77.// 5юлл.иообр.-19аО.-Ыо 41.-С.291.

5. Medvedkin Q.A., Rud Yu.V., Valov Yu.A., Sokolova V.I. Photoconductivity of p-type CdSnP^ single crystals.// Phya.Stat.Sol.(a).-1978.-V.45.- No 1.-P.K95-K99.

6. Рудь Ю.В. , Медведкин Г. А., Ундалов К).К. Гетеропареходный фотоэлемент. Авт.свид.СССР No 762659, приор.IS.10.78.// Бюлл.изобр.-1981.- No 48.-С.305.

7. Медведкин Г.А., Рудь Ю.В. фотоэлектрические свойства гетеропереходов CdSnP2-CdP2 .// Письма э ЖТф.-1979.-Т.5.-6.22.-С.1371-1375.

3. Рудь Ю.В., Медведкин Г.А. Детектор излучения.

Авт.свид.СССР NO.S0ES77, приор. 2.1.79.// Разреш. фТИ РАН на

откр. публ. 12.10.92 г., протокол 59.

9. Валов Ю.А., Медведкин Г.А., Руд» Ю.З., Смирнова А.Д.,

Соколова В.И. Способ получения кристаллов полупроводников. Авт.сайд.СССР No.915667, приор.13.S.79.// Разреш. ФТИ РАН на откр. публ. 12.10.92 г., протокол 35.

10. Рудь Ю.З., Ундалов Ю.К., Медведкин Г.А. Анализатор

линейно-поляризованного излучения. Агт.свид.СССР No.812112, приор.3.12.79.// Бмлл.изобр.-1983.-No.ЗО.-С.244.

И. Рудь Ю.В. , Медведкин Г.А. Анализатор излучения.

Авт.свид.СССР No.a78112, приор.23.12.79.// Разреы. ФТИ РАН на откр. публ. 12.10.92 г., протокол 61.

12. Рудь Ю.В., Медвздкин Г.А. фотоэлектрический анализатор. Авт.свид.СССР No.867248, рриор.28.1.80.// Раореш. ФТИ РАН на откр. публ. 12.10.92 г., протокол 57.

13. F'/дь Ю.В., Медведкин Г.А. , Скормкин В.Е. Способ Фотоэлектрического преобразования линейно—поляризованного излучения. Авт.свид.СССР No.969122, приор. 19.11.80.// Разреш. ФТИ РАН на откр. публ. 12.10.92 г., протокол 60.

14. Вайполин A.A., Валов (O.A., Масагутова Р.В., Медведкин Г.А., Рудь Ю.В. Поляризационные исследования фотопроводимости тетрагональный кристаллов ZnP^.// ФТП.-19S0.-Т.14-Ö. 1.-

С.133-138.

15. Медведкин Г.А., Рудь W.B. Анизотропия фотоответа изотропного полупроводника.// Письма в ЖТФ.-1980.-Т.6.-В.16.-С.936-990.

16. Рудь Ю.В..Масагутова Р.В., Медведкин Г.А. Структуры р-п-р-ZnGeP^ с управляемым положением плоскости поляризации излучения знаком фототока.// ФТП.-1980.-Т.14.-В.10.-С.1S73-1S7S.

17. Медведкин Г.А., Рудь Ю.В. Поляризационно-упровляемый инвертор знакп фототока на анизотропны» полупроводниках.//

ФТГ1.-1980.-Т. 14.-9. 10.-С. 1952-1933.

18. Медведкин Г.А., Подольский В.В., Рудь Ю.В. Влияние внешнего напряжения на поляризационные характеристики п-р-лереходоа из CdSnP2.// ФТП.—1980.—Т.14.-В.11.-С.2218—2222•

19. Коротаев В.Б., Медведкин Г.А., Панков Э.Д., Рудь Ю.В. Прямая регистрация линейно поляризованного излучения Ge и S1 Фотоприемниками,// Опт.мех.пром.-1981.-No.11.-С.14-16.

20. Медведкин Г.А., Рудь Ю.В. Влияние глубины залеганий п-р-

перехода на спектр оотоплеохроиома анизотропных полупроводников II-IV-V2.// ЖТФ.-1981.-Т.51.-В.6.-С. 1301-Í303.

21. Рудь И.В., Вайполин А.А., Калевич Е.С., Медведким Г.А.,

. Лариибаков 3.А., Соколова В.И. Анизотропия аотоэктивнзго поглощения и иэлучательной рекомбинации твердых растворов CdSnxeo^_xP2.// ФТП. —1981. —Т. 15.-В. 12. —С.2366—2372.

22. Medvedkin Q. A. , RudYu.V. The parameters of polarization photosensitivity o-f isotropic semiconductors.//

Phyu.Stat.Sol. (a) .-1981.-rV. 67.-No. 1.-P.333-337.

23. Медведкин Г.A., Рудь Ю.В., Скорюкин В,Е. 0 повышении КПД Фотопрвобразователай линейно-поляризованного излучения.//

_КТФ.-1982.--1.-32.-В. 12.7С.2418-2420.

24. Коротаее В.В., Медведкин Г.А., Панков 3.Д., Рудь М.В. Устройство для исследования поляризационных свойств анизотропных материалов. Авт.сеид.СССР No.1045004, приор.1.6.82.// Бмлл.ызобр.-1933. -No.36.-С.150.

25. Медведким Г.А. 4

Устройство для -определении параметров поляризованного излучения <его вариант). Авт.скид..СССР No. 1299254, приор. 16.7.82.// Билл, изобр. -199-1. -No. 20. -С. 240.

26. Аверкиева Г.К., Мгадведкин Г.А., Яковенко A.A. Положительное кристаллическое расщепление в CuInSe^.// ФТП.-1983.-Т.17.-В.11.-С.2081-2084.

27. Медведкин Г.А., Яковенко A.A. Способ обработки полупроводникового материала CuInSsg. Авт.свид.СССР No.1135391,

приор.9.S.83.// Раореш. ФТИ РАН на,огкр. публ. 12.10.92 г., протокол 58.

28. Медведкин Г.А., Бекимбвтов Р.Н., Яковенко A.A. Способ исследования дефектной структуры кристаллов.

Авт.свид.СССР No.1321141, приор.10.6.83.// Раареш. ФТИ РАН на откр. публ. 12.10.92 г., протокол 63.

29. Медведкин Г.А., Амбрааявичнс. Г.А., Яковенко A.A. Исследование, процессов окисления кристаллов CuIriSea.// Поверхность.Оиз.хим.мех.-1937.-No.2.-С.81-87.

30. Медведкин Г.А., Бекимбетов Р.Н. , Макарова Т.Я.,

Смирнова A.A., Соколова В.И. Оптические свойства термического окис/.а на CuInSefi.// «Тф.-1987.-Т. 57.-В. S.-С.960-964.

31. йекимбвтов Р-Н., Медведкин Г.А.,'Прочухан B.Ü. , Рудь И.В., Таиров М.А. Экспериментальное обнаружение анизотропии оптического поглощения в кристалла« Мп1паТе^ и MnGa4Te^.// Письма в ЖТФ.-1937.-Т.13.-В.17.-С.1040-1043.

32. Madvedkin O.A., Rad Yu.V. , Tairov М.А. Optical band edge aoBorption in CuInSea.// Phy«.Stat.Sol.<Ь).-1987.-V.144.— No.2.-P.809-816,

33. 3ekiffibetov R.N., Vaipolin A.A., Konetantinova N. N., Kradlnova U.V., M-»dvedkin Q.A. , f*ud Yu, V. , Tairov M.A.

The semiconductor!» o-f MnllljTe^ family: Physical properties, promleing application*.// Cryet.f<es.Technol.-1987.-V.22.-No.12.-P.K238-K240.

34. Медведкин Г.А., Смирнова A.A., Соколова В.И. Способ выращива-

I IV vi

ния монокристаллов соединений Cu^CdA Ъц. Авт.свид.СССР

No.1535079, приор.2.11.37.// Раареш. ФТИ РАИ на откр. публ.

112.10.92 г., протокол 62.

35. Медведкин Г.А., Рудь Ю.В., Таиров М.А. Эффекты поляризационной фоточувствитяльности в тройным полупроводникам Il-lV-Va (Обзор).// Препринт No.118S ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР, Л.-1987.-65 С.

36. Медведкин Г.А., Рудь W.B., Таиров М.А. Анизотропия оптическим процессов я одноосных полупроводниках CuInVI2 (Обзор).// Препринт No.1272 ФТИ им.А.ф.Иоффе АН СССР, Л.-1938.-67 С.

37. Медведкин Г.А., Прочуман В.Д., Рудь И.В., Таиров М.А. Тройные полупроводники MnillgTa^i физические свойства и возможности применения (Обзор).// Препринт No.1273 ФТИ им.А.ф.Иоффе

АН СССР, Л.-1938.-67 С.

38. Медведкин Г.А., Рудь Н.В., Таиров М.А. Многочастотный "гигантский" фотоплесмроиом.// Письма в ЖТФ.-198Ö.-T,14.-В.10.-С.900-903.

39. Медведкин Г.А., Прочуман В.Д., Рудь Ю.В., Таиров М.А. Обнаружение оптического линейного дихроизма ■ монокристаллах CuInTej.// Письма в ЖТФ.-1988.-Т.14.-В.10.-С.917-920.

40. Макарова Т. Л., Келвэдкин Г.А. , Рудь К).В., Таироа М.А. Отражение и эллипсометрия реальной поверхности кристаллов Culns2.// ЖТф.- 1983.-Т.58.-В.8.-С.1612-1614.

41. Медведкин Г.А., Рудь Н.В., Таиров М.А. фотоэлектрические

явления а ОМДП-структуре OM/Al^Uj/CdSr^ <OM»CdQ, 1п4Оз>.// Электрофизика слоистых структур. Серия 6 - Материалы.-М.ЦНИИ "Электроника".—1988.—В.4(280).-С.45-46.

42. Марцинкяаичмс С., Амбразпвичюс Г., Бекимаетоа Р.Н., Медввдкин Г.А. Оптические свойства Мп1п2Те^ и МпЭа^Те^.// фТП.т1988.-Т.22.-тВ.11.-С. 1919-1923.

43. Медввдкин Г.А., Рудь W.B., Таиров М.А. фундаментальный край оптического поглощения монокристаллов CdSiAsp.// фТТ.-198а.-Т.30.-В,12.-С.3584-3590.

44. Medvedkin. G.А. , Rud Yu.V., Tairov М.А. Fundamental optical absorption edge-in МпВалТе^ single crystals.//

Phys.Stat.Sol.(a).-1988.-V.110.—No.2.-P.631-643.

45. Medvedkin O.A., Rud Yu.V., Tairov h.A. Fundamental optical .absorption edge in MnIn2Te^ single crystals.//

Phys.Stat.Sol. (a).-1989.-V.111.-No.1.-P.2Я9-300.

46. Medvedkin 0.A. , Pr.ochukhan V.D., Rud Yu.V., Talrov M.A. Anisotropy of' the optical band edge absorption in CuIr.Te^ single crystals.// Phys. Stat. Sol. (b).-1989.-V. 151. -No.2. -P.711-719.

47. Медввдкин Г. A'. , Рудь Ю.В. , Таиров М. А. Краевое оптическое поглощение CuInS2.// Опт.спектроск.-1989.-Т.66.-В.1.-С.92-98.

48. Медввдкин Г. А. , Рудь К).В., Таиров М.А. Оптический дихроизм кристаллов CdSnP2 в области Фундаментального края поглощения. //ФТТ.-1989.-Т.31.-0.4.-С.108-113.

49. Медввдкин Г.А., Рудь. К).В., Таиров М.А. Фотоэффект в г'етроструктурах InjOj/CuInSe^, полученных методом термического окисления.// ФТП,—1989.-Т.23.-В.3.-С.869-872.

50. Медввдкин Г.А., Рудь Ю.В., Таиров М.А.

Спектры фоточувствитальности структур Cu-CdSiFj.// ФТП.-1989.-Т.23.-В.6.-С.1002-1005.

51. Медввдкин Г.А., Рудь |0.В. , Таиров М.А. Анизотропия длинноволнового оптического поглощения монокристаллов CuInTe2 // ФТП.-1989.-Т.23.-В.7.-С.1171-1173.'

52. Medvedkin Q.A., Rud Yu.V., Tairov М.А. Direct observation of valence-band crystal-field splitting in CdSiAsa.//

Sol.St.Commun.-1989.-V.71.-No. 4.-P.307-309.

53. Константинова H.H. , Медввдкин Г. А., Полушина И.К., Рудь Ю.В.',

Смирнов« А.Д., Соколова В.П., Таиров М.А. Оптические и электрические свойства кристаллов Cu^CdSnBe^ и CUjCdGeBej,. // Пае.АН СССР Неорган.материалы.-1937.-Т.23.-No.9.-С.1445-1446.

54. Кекимбегов Р.Н., Медведкин Г.А., Прочухан В.Д., Рудь Ю.В., Таиров М.А. Оптическая анизотропия MnGa2Te^.// . ('.эа.ВУЗов физика.-i989.-T.32.-No.9.-Г.. 101-10^.

53. Medvedkin Q.A., R-idYu.V., TairovM.A. Photoelectric anieo-Лгору of II-IV-V2 ternary semiconductors (Review Article).// Phye.Stat.Sol.(a).-1989.-V.113.-No.1.-P.i1-50.

56. Медведкин Г.А., Рудь Ю.В., Таиров М.А. Анизотропия краевого оптического norлощения компенсированным кристаллов n-CdQePj .// ФТП.-1990.-Т.24.-В.7.-С.13Q6-13J2.

57. Медведкин Г.А., Рудь Ю.В., Таиров М.А., Ундалов (O.K. фотоэлектрические свойства структур на основе .СоВеР^ и его бинарного аналога InP.// ЖТф.-1990.-Т.60.-В.9.-С.17Л-176.

53. Medvedkin В.A., Pud V.Vu., Yakushev M.V. Diode n-p CuInBe2 structures -fabricated by oxygen implantation.// Crуat.Res.Technol.-1990.-V.23.-No.11.-P.1299-1302,

59. Makarova T.L., Medvedkin G.A. Tho refractive index dispersion of CdSnP2 and CdSiAsa crystals in the visible range.//

Semicond.9ci.Technol.-1992.-V.7.-No. 2.-P.278-280.

60. Магомедев М.А.., Мисяедкин Г.А., Рудь З.Н)., Рудь Н.Э. Получение и свойства гатяроструктур на основе n-CuInSe2.// ФТП.-1992.-Т. 26.-В. 3. г-С. 556-353.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОИ ЛИТЕРАТУРЫ

l*.Landclt-3ornetein, Vol.l7h, Physics of Ternary Compounds (£d. Madelung 0.1// Springer-Verlag.-1985.

2*. Coutts T.J., Kazmereki L.L., Wagner S. (Eds.)

Copper Indium Disalenide for Photovoltaic Applications.// Amsterdam.-El«evier.-1986.-640 P.

3*. Полупроводники II—IV-Vji Физические исследования,- проблемы и возможности применений (Ред. Тучкеоич B.ii. )// Изв.Вузов.физика.-1786.-Т.29.-No.8.-130 С.

4». Shay J.L., Werr.ick J.H. Ternary Chalcopyrite Semiconductors!

Growth, Elecronic Properties, and App.!tcatione. // Ox-ford.-Pergamon Preee.-1975. -244 P.

3*. Борн M. , Вольф Э. Основы оптики.// Ii.-Наука.-1973.-720 С.

6*. Шерклифф У. Поляризованный свет «получение и испольпованиэ).// М.—Мир.—1963.-264 С.

7«. Аззам Р., Башара Н. Эллипсомгтрия и поляризованный сает.// М.-Мир.-1981.-334 С.

S*. Иоффе А.ф. физика полупроводников.// М.-Л.-Иад. АН СССР.-1937.-492 С.

9*. Горюнова H.A. Сложные алмазоподобные полупроводники.// М.-Советское радио.-I960.-264 С.

10«. Бергер Л.И., Прочухан В.Д. Тройные алмазсподобные полупроводники.// М,-Металлургия.-1968.-151 С.

11». Прочухан В. А. , Рудь Ю.'В. Перспективы практического применения полупроводников А4Вчс| (Обзор).// ФТЛ.-1978.-Т.12.-В.2.-С.209-233.

12*. Рудь W.B. Полупроводники IIi получение, физические

процессы, возможности применения.// Автореферат докт.дисс.-Л.-фТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР.-1987.-37 С.

13*. Таиров H.A. Оптические явления в монокристаллах соединений а'в"'с5, а'^1"^ и МпВ'^С^1.// Автореферат докт. дисс.-Л.- ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР.-1989.-33 С.

РТП ПИЯФ, 8<yt.3I7, тир,120, уч.-иад.л.1,5; 23/H-I993 г.

Бесплатно