Исследование роли приповерхностной области в формировании экситонных спектров фотоотражения и фотопроводимомости кристаллов CdS тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

САНКТ - ПКТЕБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

рпГОД "

11 ИЮН 1930 На правах рукописи

Бисенгалиев Рустем Александрович

УДК 535.315.592

ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ОБЛАСТИ В ФОРМИРОВАНИИ ЭКСИТОННЫХ СПЕКТРОВ

ФОТООТРАЖЕНИЯ И ФОТОПРОВОДИМОСТИ

КРИСТАЛЛОВ Сс18.

Специальность : 01.04.07 - ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание учёной степени кандидата физико - математических наук

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ - 1998

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультета Санкт - Петербургского Государственного Университета.

Научный руководитель : доктор физико - математических наук , профессор Новиков Борис Владимирович.

Официальные оппоненты : доктор физико - математических наук, Разбирин Б.С. кандидат физико - математических наук, Талалаев В.Г.

Ведущая организация - Балтийский Технический Университет ( Санкт -Петербург).

Защита диссертационной работы состоится ••¿г " ШСЛ&. 1998 г. в час, на заседании диссертационного совета Д.063.57.32 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора физнко - математических наук в Санкт - Петербургском Государственном Университете по адресу : 199034, Санкт - Петербург, Университетская набережная 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу : 198904 , С.- Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская 1, НИИФ СПбГУ, диссертациошшй совет Д063.57.32

Автореферат разослан

„¿f, ¿¿ал 19ц/г

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико - математических наук, профессор

Соловьёв В. А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Исследование роли поверхности и приповерхностной области в формировании оптических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых кристаллов представляет собой важную проблему актуальную , в частности, для многих направлений современной микроэлектроники и оптоэлектро-ники особенно в связи с переходом к субмикронным размерам полупроводниковых элементов. Это приводит к определяющей роли приповерхностных слоев в формировании их общих характеристик.

Электрические поля и собственные дефекты в приповерхностной области оказывают существенное влияние на общие свойства полу проводниковых кри-статлов , а следовательно приборов , конструируемых на их основе. В связи с этим , представляет практический интерес развитие методов исследования за-рядно - дефектного состояния приповерхностной области , а так же неразру-шающих способов контроля реальной кристаллической поверхности .

Большие возможности в этом отношении представляет изучение низкотемпературных ЭКСИТ01ШЫХ спектров фотоотражения ( ЭСФО ) и фотопроводимости ( ФП ) в области экситонных состояний кристалла. Кроме того , метод ФП позволяет качественно исследовать процессы проходящие не только в экситониой области спектра , но и в области примесного поглощения света , где коэффициент поглощения света относительно невелик.

Исследования выполнены ira кристаллах CdS , которые являются модельным объектом для изучения экситонных состояний и находят широкое техническое применение как фотоприёмники и твердотельные лазеры.

К настоящему времени уже накоплен достаточно большой объём экспериментальных данных о влиянии поверхности кристалла на экситонные спектры отражения , а также её воздействие на распределение ФП лежащее в области края фундаментального поглощения. Однако вопрос взаимодействия экситонов с поверхностными электрическими полями изучен в исследуемых кристаллах относительно слабо. Всё это и определяет актуальность проводимых исследований.

Цель работы. Экспериментальное изучение механизмов воздействия поля поверхностных состояний кристалла на экситонные спектры фотоотражения и определение связи вида спектра с типом тонкой структуры фотопроводимости.

Основные положения работы . выносимые на защиту.

1. Условия формирования двух качественно разных типов ЭСФО в кристаллах CdS ( А и В типы) определяющиеся фотоперезарядкой поверхностных состояний ( ПС ) и различным штарковским сдвигом экситонных уровней. Теоретический расчёт ЭСФО А и В типа.

2. Существование сигнала ФО для обоих типов ЭСФО при фотомодуляции светом из области прозрачности кристалла от 1 до 2.4 эВ. Инверсия типа ЭСФО при изменении энергии фотомодуляции и интенсивности света.

3. Энергетическая схема уровней ПС для кристаллов CdS А и В типов , объясняющая возникновение сигнала ФО при фотомодуляции.

4. Связь между видом ЭСФО ( А или В ) и типом тонкой структуры ( ТС ) спектров ФП ( I и H группы ТС ) этих же кристаллов ( прямая корреляция между ФП и коэффициентом поглощения - I группа ТС , и обратная корреляция между ФП и коэффициентом поглощения - II группа ).

5. Обратимая трансформация типа ТС спектров ФП ( I или Нгруппа ) во внешнем электрическом поле.

6. Свойства и природа дополнительных максимумов ( ДМ ) фототока в кристаллах CdS ( ДМ[ ~ 2.4 эВ ( ~ 515 нм ), Т = 300 К ; ДМ2 ~ 2.36 эВ ( ~ 525 нм ), Т = 300 К )

Научная новизна

В работе исследована природа ЭСФО двух групп ( А и В ) кристаллов CdS.

1. Впервые показано , что существование двух типов кристаллов ( А и В ) связано со штарковским сдвигом ( положительным или отрицательным ) экситонных уровней в электрическом поле ПС.

2. Впервые обнаружено изменение типа ЭСФО под влиянием интенсивности света и энергии модулирующего излучения ( МИ ).

3. Впервые обнаружена быстрые и медленные реласационные процессы в ЭСФО , обусловленное полями ПС.

4. Впервые предложена схема энергетических уровней ПС для кристаллов А и В типа , определяющая изменение электрического поля под действием МИ в интервале энергий от 1 до 2.6 эВ.

5. Впервые установлена детальная корреляция между типом ЭСФО ( А или В ) и видом ТС спектров ФП.

В работе исследована ТС спектров ФП связанная с диссоциацией экситонов в

приповерхностной области полупроводника. 4

6. Впервые установлено , что внешнее электрическое поле , а также воздействие интенсивной засветки собственным светом изменяют вид корреляции спектров ФП с коэффициентом поглощения , а также изучена природа дополнительных максимумов , связанных с фотонейтрализацией ионизованных акцепторных состояний.

Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью при исследовании большого количества образцов , применением современных , хорошо разработанных экспериментальных методов и теоретических представлений для интерпретации полученных данных , а также совпадением некоторых полученных результатов с ранее известными в литературе.

Практическая значимость работы определяется получением новой информации о формировании эксито1шых спектров отражения и ФП в приповерхностной области полупроводников, Они представляют интерес для теории экситонов , теории физики поверхности и могут быть использованы для создания новых оп-тоэлектронных приборов.

Апробация результатов работы. Результаты проведенных: исследований были представлены в 2 - х докладах на международной конференции " Экситоны в конденсированных средах " , посвящённой 100 - летию со дня рождения Е.Ф. Гросса ( С.-Петербург, 14-18 сентября 1997 г.), а также на I студенческой конференции " Физика полупроводников и полупроводниковая наноэлектроника " (С.-Петербург, 25 ноября 1997 г. ).

Структура и оГуъсм диссертации. Диссертационная работа состоит из введения , четырёх глав к заключения. Материал изложен на 120 страницах машинописного текста и включает 48 рисунков. Список литературы состоит из 124 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность проведённых исследований , а также сформулированы основные положения выносимые на защиту. Представлено краткое содержание работы.

В первой главе представлен литературный обзор по вопросам влияния поверхности на оптические и фотоэлектрические спектры полупроводниковых кристаллов вблизи края фундаментального поглощения. Рассмотрена роль экси-тонных состояний и приповерхностной области в формировании спектров фотопроводимости и отражения. Проведён анализ предшествующих работ , посвя-

щённых изучению оптических и фотоэлектрических свойств монокристаллов СЖ. В заключении главы сформулирована постановка задачи.

Вторая глава содержит описание методических и технических аспектов проведённых исследований по изучению ЭСФО и спектров ФП кристаллов Сей и описание двух оригинальных экспериментальных установок, первая из которых предназначена для регистрации оптических спектров кристаллов , другая для фотоэлектрических измерений.

Установка для измерения ЭСФО состоит из монохроматора МДР - 2 с решеткой 1200 штр. / мм. с дисперсией 20 А / мм., ФЭУ - 79 , вольтметра - электрометра В7/30 и регистрирующего прибора КСП - 4. Подсветка кристалла осуществлялась лазером ЛГИ - 21, монохроматором УМ - 2 и ртутной лампой ДРШ - 250 , фотомодуляция которой осуществлялась с помощью электромагнитного модулятора. Скважность и длительность импульсов подсветки могла изменяться от 1 до нескольких секунд и определялась в основном длительностью релаксационных процессов сигналов ФО. Рабочая температура составляла от 4.2 до 77К. Скорость развертки по спектру составляла от 0.5 до 3 нм / мин и изменялась в зависимости от целей эксперимента.

Используемая методика проведения экспериментов следующая : в процессе измерения экситонных спектров отражения ( ЭСО ) производилось модулирующая подсветка кристалла внешним излучением в ходе которого , происходило возникновение сигналов ФО , регистрация которых осуществлялось прибором КСП - 4. Дальнейшая обработка спектров осуществлялось пересчётом дашшх и построением соответствующих ЭСФО.

Установка для измерения спектров ФП состоит из монохроматора МДР - 2 с решёткой 1200 штр. / мм. с дисперсией 20 А / мм., вольтметра - электрометра В7/30 , источника напряжения ( 1 - 300 В ) и регистрирующего прибора КСП - 4.

Исследования фотоэлектрических явлений в данной работе , производились в стационарном режиме возбуждения , в интервале температур от 4.2 до 300 К. Интервал энергий возбуждения фототока , в основном , определялся рабочими температурами и в предельных случаях , для исследуемого материала , составляла от 540 до 460 им. Также представлено описание полевой ячейки специальной конструкции, предназначенной для реализации "эффекта поля".

Методика измерения спектров фототока следующая : на исследуемый образец в процессе измерения, прикладывается тянущее электрическое поле. Параллельно с этим , в определённой геометрии осуществляется освещение кристалла через используемый монохроматор. Регистрация величины фототока осуществлялась прибором КСП - 4 при непрерывной развёртке излучения по спектру ,

скорость которой составляла от 7 до 14 нм / мин и изменялась в зависимости от целей эксперимента.

Эксперименты выполнены на пластинчатых монокристаллах С<18 , выращенных из паровой фазы , а также методом Фрёрихса , с гексагональной осью С в плоскости поверхности образца . Толщина образцов применяемых в эксперименте составляла 0.1 - 1 мм. Кристаллы в процессе роста специально не легировались. Электроды, для получения оммических контактов необходимых для фотоэлектрических измерений , производились путём нанесения на поверхность образца 1п - Са пасты.

В третьей главе приводятся экспериментальные данные полученные в ходе исследования спектров ФО в области экситонных состояний кристаллов СёЭ. Эксперименты проводились при различной интенсивности излучения , различных температурах , различных энергий квантов модулирующего излучения и т.д. Также изучалась кинетика релаксационных процессов формируемых сигналов фотоотражения. Последний параграф этой главы посвящен обсуждению полученных результатов.

В ходе экспериментов было обнаружено , что часть исследуемых нами кристаллов , в процессе взаимодействия с модулирующим излучением ( МИ ) энергетически превышающей величину запретной зоны ( ) полупроводника , формируют импульсы за счёт возникновения отрицательного приращения отражения в длинноволновой области резонансных положений экситонов , в то время как другая часть образцов демонстрировала её обратное поведение , т.е. компонента приращения отражения имела положительное значение. Такое поведение отражения ведёт к тому , что в данном случае происходит особое деление свойств кристаллов на две определённые группы. В первом случае происходит формирование ЭСФО типа А, а в следующем В типа, соответственно [ Л1 ].

В ходе экспериментов было исследовано около 40 образцов монокристаллов С(18, полученных разными методами. Было обнаружено , что подавляющее количество исследуемых кристаллов ( более 30 образцов ), воспроизводит ЭСФО типа А, оставшаяся часть из которых, соответствует В типу ЭСФО.

Приведём схематическое описание формирования ЭСФО для двух его типов, непосредственно состоящих из спектрального распределения сигналов ФО, вычисляемых по разности двух контуров отражения.

1. Спектр типа А связывается с общим спектральным смещением ЭСО в сторону меньших энергий при внешней подсветке МИ , относительно исходного спектра. Сигнал ФО образуется как разность между этими двумя кривыми и для кристаллов типа А имеет форму обратного дисперсионного контура . Такое по-

ведение экситоиного отражения при взаимодействии с МИ является проявлением "положительного" штарковского сдвига экситонного резонанса , означающее его смещение в низкоэнергстичсскую область спектра. При этом , при смещении наблюдается характерное уменьшение амплитуды спектра отраженна и увеличение его полуширины ДГ ( рис. 1 , а ).

2. В случае механизма типа В , наоборот , происходит фотоиндуцированныи спектральный сдвиг контура ЭСО в сторону больших энергий , увеличение его размаха и уменьшение полуширины ДГ и связывается с "отрицательным" штар-ковским смещением. Аналогично , такое поведение дисперсиошшх контуров отражения , ведёт к формированию спектров ЭСФО , которые как и в первом случае являются спектральным приращением отражения относительно исходного , и в настоящем случае имеет прямой дисперсионный контур обозначаемый как ЭСФО типа В (рис. 1,6).

Таким образом , главное отличие ЭСФО разных типов заключается в том , что спектры ЭСФО типа В имеют прямые , а типа А обратные дисперсионные контуры ( рис. 1 а, б ).

Было обнаружено , что абсолютные значения величин сигналов ФО, как А так и В типов , при условии равенства освещённости для каждого случая , могут сильно отличаться друг от друга . В случае ФО типа А , модуль величины сигнала ФО мог составлять до 10 % от значения величины отражения в максимуме ЭСО . В случае же ЭСФО типа В , величина ЛИ. -сигнала могла достигать значений 40-50 % для каждого кристалла.

Используемая методика эксперимента позволяет выделить , на общем фоне двух дисперсионных контуров отражения , характерную энергию штарковского смещения ДЕ , определяемую по спектральному положению минимумов обоих контуров отражения , при условии сохранения общей дисперсионной формы ЭСО при подсветке МИ. Величина сдвига ДЕ, главным образом , зависит от интенсивности МИ. Такой способ измерения ДЕ обосновывается путём сопоставления экспериментальных спектров с теоретическими , рассчитанными в рамках модели экситонного эффекта Штарка в приповерхностном поле барьера Шоттки [Л4]. Для некоторых образцов , при температуре жидкого азота , максимальное

значение | ДЕ | , для обоих механизмов формирования ЭСФО , достигало величины 1,7 мэВ ( 0,34 им ), и уменьшалось при понижении интенсивности МИ.

Было обнаружено , что сигнал ФО типа А характеризуется наличием быстрой и медленной временной компонентой релаксации , а сигнал ФО типа В содержанием только быстрой её составляющей. Время затухания , медленной компоненты присущее для сигналов ФО типа А , может достигать значений 20 сек. и более. Время быстрой компоненты, которая может проявляться в сигналах ФО для кристаллов типа А и полностью формирующая сигналы ФО в образцах с В типом ЭСФО , составляет менее 0,1 сек. Относительная роль быстрой и медленной компоненты в кристаллах типа А , зависит как от интенсивности МИ , так и от рабочей температуры.

В ходе экспериментов было обнаружено , что воздействие излучения с высокой интенсивностью ( N2 - лазер ) способно приводить к полной инверсии типа ЭСФО и обнаруживается только в кристаллах типа В ( перевод ЭСФО из типа В в тип А), когда как для образцов А типа такая инверсия не наблюдалась.

Исследование воздействия температурного фактора на формирование ЭСФО позволило установить , что для различных групп кристаллов оно может иметь существенные отличия. Амплитуда сигнала ФО для кристаллов типа А практически не зависит от температуры , а для образцов В типа она существенно ослабляется при её понижении до 4.2 К.

До настоящего времени , все эксперименты в области исследования ЭСФО проводились с использованием в качестве МИ света энергетически превышающего величину Ея кристалла , результаты которых отмечались многими авторами , с привлечением различных моделей для их объяснения. Так например , в работе [Л2] данный эффект приписывался экранированию ПП кристаллов неравновесными носителями заряда , а в работе [ ЛЗ ] экранированию самих эксито-нов в поле этих носителей. Риш [ Л1 ] связал ФО с изменением величины ПП и условий рекомбинации на поверхности.

Нами впервые был поставлен эксперимент основанный на использовании в качестве МИ света с различной энергией его квантов, выделяемых из сплошного спектра лампы накаливания через моиохроматор.

При изучении зависимости амплитуды ЭСФО от длины волны МИ было показано , что сигнал ФО в области экситонного резонанса наблюдается и в том случае , когда энергия кванта МИ существенно меньше энергии Ея т.е. в области прозрачности кристалла. Такое поведете ФО свойственно как к кристаллам А , так и В типа. К тому же , воздействие света МИ с определёшюй её энергией

может приводить к полной инверсии ЭСФО на обратный , т.е. из типа А в тип В или наоборот.

Как было установлено, для кристаллов типа А ( рис. 2 ), изменение энергии подсвечиваемого МИ приводит к изменению амплитуды формируемых сигналов ФО во вссй области энергий МИ, причём при определённых её значениях происходит изменение знака сигнала на обратный , что соответствует переходу из исходного , т.е. А типа в ЭСФО типа В. Такой переход наблюдается при энергии МИ равной 2 - 1.96 эВ, которая обозначена Et¡ . Дальнейшее уменьшение энергии МИ начиная от E,¡ , вплоть до 1 эВ (1200 нм ) не изменяет yace установлешюго знака сигнала ФО, который также продолжает определять ЭСФО В типа.

Поведение амплитуды сигналов ФО, снятых в максимуме ЭСФО , в зависимости от энергии МИ для кристаллов В типа также показано ira рис. 2. При энергии квантов света МИ превышающих Eg, наблюдается образование сигналов ФО с относительно высокой их амплитудой и имеющих соответственно типу ЭСФО положительное значение . Уменьшение энергии МИ ниже Eg приводит к резкому уменьшению амплитуды сигнала ФО , что наконец ведёт к его полному исчезновению по достижении энергий МИ значений 2.48 - 2.45 эВ , обозначенное как Е,2 , после чего он появляется снова , но уже имея отрицательный знак , что соответствует обнаружению ЭСФО А типа.

Одна из особенностей явления ФО заключается в том, что форма, амплитуда и знак импульса зависит от энергии воздействующего МИ , причём в переходной области , где происходит изменение знака ФО , вид импульсов может иметь относительно сложную форму, на фоне которых могут быть ярко выражены конкурирующие процессы с одновременным участием быстрых и медленных компонент релаксации. Такое поведение релаксационных импульсов , как было обнаружено , свойственно кристаллам как А , так и В типа , причём дополнительно , для каждого из них существуют характерные для соответствующего типа ЭСФО особенности, В переходной области от А к В типу ФО или наоборот,

Рис. 2

наблюдаются характерные "выбросы" сигнала , причем такое свойство характерно как для А, так и для В типа ЭСФО.( рис. 2 )

В ходе экспериментов было обнаружено , что ЭСФО типа А соответствуют спектры ФП с ТС I группы ( корреляция фоготока со спектром поглощения ) , а кристаллы типа В всегда обнаруживают ТС И группы ( антикорреляция фототока со спектром поглощения ). Такое соотношение спектров согласуется в рамках предложенной модели.

Детальный анализ спектров позволил установить , что основную роль в формировании ЭСФО при подсветке излучением могут играть процессы усиления величины поверхностного поля ( ПП ) ( А тип ) или его ослабления ( тип В ), приводящее в следствие эффекта Штарка к сдвигу экситошшх уровней. Причиной такого поведения могут служить процессы фотоперезарядки ПС.

Для детального рассмотрения поверхности кристалла , нами были использованы данные [Л5] полученные для призматической поверхности Сей, измеренные методом поверхностной фото -ЭДС при комнатной температуре. Схема содержит до 5 дискретных уровней ПС с различной глубиной залегания , что соответственно усложняет рассмотрение предлагаемой модели. На рис.3 представлена упрощённая схема энергетически уровней ПС кристалла поясняющая изменение величины ПП.

В случае фотозаселения электронов на незаполненные или частично занятые ПС ( рис. 3 , а , переход 1 ) происходит увеличение отрицательного заряда и как следствие повышается величина приповерхностного поля , смещающая резонансную частоту экситона в область меньших энергий.

Такое описание может быть использовано для объяснения возникновения ЭСФО типа А (положительный Штарковский сдвиг).

Для кристаллов типа В наблюдается иная ситуация ( рис. 3,6, переход 1), а именно, в данном случае происходит безбарьерный кулоновский захват аккумулированных свободных дырок на ПС расположенные в нижней части запрещённой зоны. Это приводит к уменьшению суммарного поверхностного заряда и соответственно к понижению высоты приповерхностного барьера. Такое поведе-

Рнс. 3

ние должно приводить к сдвигу энергии экситона в область больших энергий , соответствующее ЭСФО типа В ( отрицательное Штарковское смещение ).

Уменьшение энергии МИ в кристаллах типа А приводит к возникновению дополнительных переходов на ПС ( рис. 3 , а , переход 2 ) и к исчезновению ранее наблюдавшихся ( рис. 3 , а , переход 1 ) , что приводит к изменению механизма формирования ПП и соответственно ЭСФО. Это объясняет изменение знака сигнала от А типа в В при определённых энергиях МИ. Что касается кристаллов типа В , то н этом случае при уменьшении энергии МИ ниже величины Ех происходит исчезновение генерации свободных дырок и соответственно исчезновение механизма 1(6). Это приводит к тому , что теперь наблюдается оптическое заселение незаполненных уровней ПС и соответственно формирование ФО типа А( рис. 3, б, переход 2 ).

Существенное ослабление величины сигнала ФО для обоих типов ЭСФО при подсветке из области прозрачности ( рис.2 ), связано с относительным уменьшением числа фотонов взаимодействующих с уровнями ПС.

В переходной области от ЭСФО типа А в тип В ( для кристаллов типа А ) или от типа В в тип А ( для образцов В типа) наблюдаются характерные "выбросы" отражения ( рис. 2 ). Возникновение этих "выбросов" обусловлено конкурирующими процессами между различными механизмами ( например между процессами 1 и 2, рис. 3 ( а, б )) и чётко наблюдаются в области инверсии сигнала. Эти процессы отличаются как по времени релаксации , так и своим знаком в следствие чего ярко выражены на фоне друг друга. Такое поведение наблюдается как в кристаллах типа А, так и В типа.

В рамках представленной модели , можно предположить , что быстрая составляющая сигнала может быть обусловлена кулоновским безбарьерным захватом дырок , накапливающихся у поверхности на нижние , заполненные электронами ПС , а медленная с тепловым забросом электронов с относительно мелких ПС в зону проводимости через существующий барьер. С понижением температуры этот процесс ослабевает.

Анализ экспериментальных данных позволил установить , что качественное согласие между экспериментальными и теоретическими спектрами достигается , если принять , что концентрация избыточных доноров , в исследованных образцах составляет величину порядка 1016 см "3, а приповерхностный изгиб зон меняется в пределах 0.1 - 0.2 эВ [ 5 ].

Различие механизмов формирования ЭСФО может быть связано как с различной концентрацией ПС , так и с различным профилем энергетических зон у поверхности для кристаллов определённого типа. Такое положение было под-12

тверждено исследованиями ТС спектров ФП , анализ которых привёл к выводу , что для кристаллов типа А характерны относительно малые ПП , а для образцов В типа эта величина существенно превышает еб значите для первого случая. Это может быть обусловлено как различной концентрацией ПС, например обусловленное содержанием адсорбированного кислорода на поверхности, так и содержащем легирующих компонент кристалла , в роли которых могут быть собственные дефектные состояния , например донорного типа V, или С<1-, или акцепторного Л; или Не*. Это приводит к формированию в приповерхностной области обогащающих ( ТС I группы „ ЭСФО типа А ) и обедняющих ( ТС II группы , ЭСФО типа В ) полей для основных носителей.

В четвёртой главе изложены результаты экспериментов по изучению спектров ФП. Подробно изучены фотоэлектрические процессы с участием экситонов , а также длшшоволновыс особенности спектров проявляющиеся в виде дополнительных максимумов ДМ, и ДМ2 ( ДИ ~ 2.53 эВ , Т = 77 К; ДМ2 ~ 2.51 эВ , Т = 77 К ) и располагающиеся у края собственного поглощения 1Л6]. Исследовалось влияние различных внешних воздействий как на экситонную , так и на длинноволновую структуру фототока. В конце главы представлено обсуждение экспериментальных данных.

Исследовано влияние поперечного электрического поля ( эффект поля ) на спектры ФП ряда кристаллов и обнаружено, что вид ТС может кард инально изменяться под воздействием внешних полей (рис.4 ), а именно , наблюдается инверсия тина ТС , <аэ т.е. ТС I типа -> ТС II типа, или наоборот. При этом величина и положение максимума ДМ, практически не зависимы от данного воздействия.

Результаты наших экспериментов прямо подтверждают связь типа ТС с состоянием приповерхностной области , а именно , с характером изгиба зон вблизи поверхности . Вид спектра с максимумами фототока в экентондадх линиях , свидетельствует о существующем исходно , обогащающем изгибе зон в приповерхностной области кристалла.

№ Н90 Рис. 4

500 А, нм

Приложение уже небольших полей ( и ) того же знака , приводит к увеличению положительного изгиба зон , увеличению времени жизни основных носителей и как следствие ведущее к росту фототока в собственной области (см. рис. 4 , кривая 4). Внешнее обедняющее поле постепешю уменьшает положительный изгиб зон вплоть до полного их спрямления . Случаю прямых зон отвечает бесструктурная гладкая кривая 2. Дальнейшее обеднение приповерхностной области внешним полем создаёт отрицательный , обедняющий изгиб зон. Время жизни основных носителей вблизи поверхности становится малым - на спектральных кривых наблюдаются минимумы фототока в экситонных линиях поглощения (кривая 3).

Методом эффекта поля впервые обнаружено существование "гистерсзисной" зависимости спектра ФП под влиянием поперечного поля. Несовпадение исходных кривых ФП и после воздействия поля обусловлено избыточным заселением электронов ( дырок ) та уровни ПС. Выдержка кристалла в темноте , в течении нескольких минут без внешних воздействий приводит заполнение ПС к исходному состоянию.

Изучено поведение спектров фототока в зависимости от предварительного воздействия интенсивного собственного излучения. Установлено , что тип ГС при таком воздействии также может кардинально изменяться. При этом такое влияние оказывается исключительно на кристаллы I группы ТС , при засветке которого наблюдается его инверсия во II группу. Выдержка образца в темноте , в течении 30 мин. и более , приводит кривую распределения к исходному виду. Этот вид воздействия связывается с процессами фотоперезарядки ПС.

Установлено , что наблюдается обратная корреляция между интенсивностью ДМх и ДМ2 и временем предварительной засветки, требуемыми для инверсии пикового типа ТС: чем больше интенсивность дополнительных максимумов , тем меньше соответствующие времена.

Длинноволновые максимумы фототока в спектрах ФП обладают рядом интересных свойств , которые наблюдались и ранее [Л7,Л8]. В ходе проведенных нами экспериментов было подтверждено такое поведение длинноволновых максимумов и кроме того обнаружены некоторые дополнительные особенности связанные с их формированием.

Детально изучено поведение длинноволновых максимумов в зависимости от дозы предварительной засветки и величины тянущего напряжения. Такие виды воздействий приводят к существенному относительному усилению максимума ДМ1 и его смещению в длинноволновую область спектра ( до 3 нм ). Чувстви-

телыюсть максимума к таким воздействиям ДМг существенно ниже. Аналогичное поведение максимума ДМ i наблюдали авторы [Л8].

Обнаружено, что предварительная засветка излучением, спектрально совпадающее с положением максимума ДМ1 приводит к наиболее существенным изменениям в его формировании по сравнению с излучением другого спектрального состава.

В результате проведённого комплексного изучения фотоэлектрических спектров кристаллов CdS , имеющих дополнительные максимумы фототока , установлено , что эти максимумы формируются за счёт фогонейтрализации относительно мелких ионизовашшх акцепторных состояний в случае ДМ1 , и изолированных состояний , обусловленных собственными дефектами в кристалле , в случае ДМг. Независимость интенсивности и спектрального положения ДМ1 от поперечного поля, прямо свидетельствуют о его объёмном происхождении ( рис. 4 ). Объёмное распределите таких состояний обуславливает селективность гашения фоточувствителыюсти при внешней ИК подсветке , т.е. наблюдается преимущественное ослабление фотоответа в области длинноволновых максимумов , нежели в области собственного поглощения. При этом происходит нейтрализация этих центров путём захвата части неравновесных дырок , генерируемых ИК светом.

Зависимость как спектрального положения, так и интенсивности фотоответа максимума ДМ! под воздействием предварительной засветки и приложенного напряжения может быть обусловлено процессами ионизации акцепторных центров. Это приводит к существенному усилению величины фотоответа в этой области спектра. Постепенная ионизация вей более глубоких уровней приводит к смещению пика ДМ) в сторону длинных волн.

В заключении диссертации кратко сформулированы основные результаты и выводы представленной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. В кристаллах CdS обнаружено существование двух определенных групп кристаллов с принципиально различным видом эксигонных спектров ФО ( А и В типы ). Возникновение сигнала ФО связано с существованием экситонного эффекта Штарка.

2. Установлено , что для образцов А и В типа характерны существенно различные времена нарастания и затухания сигнала ФО , а именно кристаллы типа А

характеризуются существованием медленных и быстрых , а В типа только быстрых компонент релаксации.

3. Исследованы экситонные спектры ФО при воздействии МИ с различной энергией. Обнаружено существование сигнала ФО в области прозрачности кристалла как для кристаллов А, так и В типа. Данный эффект связан с процессами фотоперезарядки ПС.

4. Предложена энергетическая схема поверхности кристаллов , объясняющая возникновение спектров типа А и В, Возникновение спектров типа А обусловлено усилением ПГ1, а типа В его ослаблением.

5. Обнаружена корреляция спектров ФО и ФП в экситонной области спектра , а именно, как правило кристаллам типа А соответствует ТС I группы , а для типа В характерно проявление ТС II группы. Это обусловлено различным профилем энергетических зон у поверхности.

6. Осуществлена обратимая трансформация типа ТС спектров ФП с использованием метода эффекта поля. Полученные результаты прямо свидетельствуют об определяющей роли приповерхностного изгиба зон в формировании ТС в спектрах фототока.

7. Исследовано влияние предварительного фотовозбувдения, а также величины тянущего поля на распределение фотоответа в области длинноволновых максимумов. Показано , что ответственность за изменения в формировании дополнительных максимумов несут процессы перезарядки акцепторных центров .

8. Установлено , что дополнительные максимумы формируются за счёт фотонейтрализации относительно мелких акцепторных состояний в случае flMj , и изолированных состояний , обусловленных собственными дефектами в кристалле , в случае ДМ2. Возникновение интенсивного фотоответа в их области связано с относительно высоким временем жизни электронов в объёме кристалла.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.C. Батырев, P.A. Бисенгапиев, С.Р. Григорьев, Н.В. Карасенко, Б.В. Новиков, Е.В. Сумьянова Влияние лазерного "легирования" и приповерхностного электрического поля на спектры люминесценции и фотопроводимости монокристаллов CdS . Вестник СПбГУ , Сер. 4, вып. 1 (№ 4) , ¡996.

2. A.C. Батырев , P.A. Бисенгапиев , О. Ботов, С.Р. Григорьев , Н.В. Карасенко , Б.В. Новиков , Е.В. Сумьянова Роль зарядово - дефектного состояния приповерхностной области в формировании спектров люминесценции и фотопро-

водимости кристаллов CdS . Калм. уиив. - Элиста, 1996. ( Депонирован в ВИНИТИ № 2136 - В96 , 26.06.96. )

3. A.C. Батьгрев , P.A. Бисенгалиев, О.Э. Ботов , Н.В. Карасенко , Б.В. Новиков , Е.В. Сумьянова Исследование экситошюй структуры спектров фотопроводимости кристаллов CdS . ФТТ , т. 40 , № 5 , 1998 , с. 153 - 155.

4. A.S. Batyrev, R.A. Bisengaliev, O.E. Botov, N.V. Karasenko , E.V. Sumyanova . Study of exitonic structure in photoconductivity spectra of CdS single crystals. Abstr. of Int. Confer. H Optics of exitons in condensed matter ", St. Petersburg, 1997,(p.64 ).

5. Э.Д. Батырев , P.A. Бисенгалиев , Б.В. Новиков , A.B. Селькин Спектры фотоотражения и фотопроводимости кристаллов CdS: экситоны в электрических полях поверхностных состояний. ФТТ, т. 40, № 5 , 1998 , с. 88 - 89.

6. R.A. Bisengaliev , Е. Batyrev , В.У. Novikov , A.V. Sel'kin. Photoreflectance and photoconductivity spectra of CdS single crystals : exitons in an electric field of surface states. Abstr. of Int. Confer. " Optics of exitons in condensed matter ", St. Petersburg , 1997,( p. 68 ).

7. Э.Д". Батырев , P.A. Бисенгалиев , Б.В. Новиков Спектры фотоотражения и фотопроводимости монокристаллов CdS: экситоны в электрических полях поверхностных состояний. Тез. докл., I - я Городская студ. Нучная конференция по физ. полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике , СПб , изд. СПбГТУ, 1998, с. 56 - 57.

8. Э.Д. Батырев , P.A. Бисенгалиев , Б.В. Новиков. Исследование экситошюй структуры спектров фотопроводимости монокристаллов CdS . Тез. докл., 1-я Городская студ. Нучная конференция по физ. полупроводников и полупроводниковой наноэлеюронике, СПб, изд. СПбГТУ, 1998, с. 18 - 19.

Цитированная литература:

Л1. RischL. -Phys. Stat. Sol. (b), 88, 111 (1978); (a ), 49,177 (1978).

Л2. Stosscl W„ Colbow K., Dunn D. - Can. J. Phys., 48, ( 1970 ).

ЛЗ. Wang E.Y. and Albers W.A. - J. Phys. Letters, A27, 347 ( 1968 ).

Л4. Новиков А. Б., Новиков Б. В. и др. - Письма в ЖЭТФ, 64, вып .1 ,38 (1996).

Л5. Lagowski J„ Surf. Sei., 299 , 300 ( 1994 ) , p. 92 - 101.

Л6. Bragagnolo J A., Storti G.M. and Böer K.W. - Phys. Stat. Sol. ( a )., v. 22 ( 1974 ).

Л7. Гросс Е.Ф., Лидер К.Ф., Новиков Б.В. - ФТТ, 4 , 5 ( 1962 ), с. 1135- 1139.

Л8. Новиков Б.В., Убушиев Е.А., Чередниченко А.Е. - ФТП , т. 19 , № 4 ( 1985 ).