Примесная краевая фотопроводимость полупроводников (стр. 2 из 4)

А. Коре и С. Никитин сравнили структуру фототока и коэффициент поглощения для «желтой» серии экситона в кристалле Сu₂О (рис. 4) [13].

Оказалось, что s-состояния экситона слабо проявляются в спектре фототока. В тоже время d- и р- состояния имеют много большую интенсивность в спектре фотопроводимости. Фотопроводимость в этом кристалле возникает при разрушении экситонов в локальных электрических полях. Если экситон движется в неоднородном электрическом поле, то оно будет поляризовать экситон и втягивать его в область более высоких электрических полей. Поскольку поляризуемость d- и р-состояний выше, чем поляризуемость s-состояний, то и вероятность разрушения их электрическим полем оказывается выше.

Авторы публикаций [21, 22] исследовали поведение фототока в непрямых экситонных переходах кристаллов германия и кремния. Ими было установлено, что в согласии с теоретическими работами М. Трлифая вероятность взаимодействия экситона с примесным центром зависит от его кинетической энергии и максимальна при k → ∞. Эти же авторы показали, что для наиболее чистых кристаллов германия (N⁺ – N^–~ 10¹² cм^–3) в слабых электрических полях экситоны не создают свободных носителей тока, если их кинетическая энергия меньше энергии связи экситона. Этим подтверждается основополагающая гипотеза Я. И. Френкеля об экситонах как нейтральных квазичастицах.

Многими исследователями было доказано участие связанных экситонов в создании свободных носителей тока. Так, в кристаллах CdS был обнаружен максимум фототока на линии I₂, принадлежащий экситону, локализованному на нейтральном доноре [11]. Предполагалось, что фототок в этом комплексе возникает в результате оже-процесса. В некоторых кристаллах CdS наблюдалась серия эквидистантных максимумов на кривых фотопроводимости, связанная с ионизацией экситонов на комплексе I₂ с испусканием оптического фонона [11].

В спектрах фотоответа р-п перехода для структуры на основе фосфида галлия, легированного азотом, авторами публикаций [23] были обнаружены максимумы фототока на линиях поглощения экситонов, связанных на единичных и на парных атомах азота. Анализируя свои данные, исследователи пришли к необычному выводу о миграции энергии связанных экситонов к р-п переходу с последующей их диссоциацией в области объемного заряда. Передача этого возбуждения происходит на расстояния, превышающие 10 мкм, что значительно больше, чем диффузионная длина для электронов и дырок в этом соединении.

В кристаллах германия, легированных мышьяком и фосфором, авторами работы [24] также наблюдались четкие максимумы на кривой фотопроводимости, принадлежащие связанным экситонам. Кроме того, наблюдались более слабые максимумы, приписанные исследователями возбужденным состояниям дырки, входящей в экситон-примесный комплекс.

Отметим также, что экситоны дают вклад и в создание фотоэдс. Впервые (в 1968 г.) это явление наблюдал В. Е. Лашкарев с сотрудниками для кристаллов CdS [20]. В. Н. Поляковым и др. исследованы (1985 г.) спектры барьерного фотоотклика гетероперехода п-CdS-n-CdSe в области экситонного поглощения CdSe и влияния на них напряжения смещения и дополнительной подсветки [25]. Ими определена диффузионная длина экситонов для CdSe. Она оказалась равной 25 ÷ 125 нм. Среди других работ на эту тему отметим недавно появившуюся работу Н. Нака и др. [26] по двухфотонному фотовольтаическому эффекту на экситонах в Сu₂О.

§2. Влияние поверхности на фотоэлектрические процессы с участием экситонов.

Вклад экситонов в фотоэлектрические процессы определяется как поведением экситонов (аннигиляция, ионизация), так и свойствами созданных ими носителей тока (время жизни, подвижность, квантовый выход). Большая величина коэффициента поглощения в максимумах экситонных линий соединений типа А₂В₆ (~ 10⁵ см^–1) приводит к тому, что состояние поверхности и приповерхностной области (наличие примесей и дефектов на поверхности, высокие электрические поля) должно оказывать существенное влияние на процессы с участием экситонов. Выяснилось, что механическая обработка поверхности кристалла CdS приводит, например, к переходу кривых фотопроводимости 1-го типа ко 2-му [27]. Эффективным методом изменения состояния поверхности явилась ее бомбардировка электронами низких энергий [28]. Глубина проникновения электронов сравнима с величиной обратного коэффициента поглощения света (~ 10² нм). Электронная бомбардировка приводит к десорбции газов с поверхности и перезарядке поверхностных и приповерхностных центров. При больших дозах облучения начинают проявляться и «допороговые» радиационные дефекты [29].

Электронная бомбардировка по-разному действует на тонкую структуру спектра фотопроводимости в кристаллах разных типов, но основным результатом является исчезновение самой тонкой структуры в кристаллах 1-го и 2-го типов и образование гладких бесструктурных кривых после небольших доз облучения (~ 10¹⁴ — 10¹⁵ эл/см²). После больших доз облучения структура может возникать вновь (рис. 5, кривая 3).

Сильное воздействие на структуру спектров фотопроводимости кристаллов CdS оказывает также интенсивное ультрафиолетовое облучение кристаллов в вакууме [28]. После УФ-облучения кристаллы 2-й группы становятся бесструктурными, а в некоторых случаях при длительном облучении на гладких кривых возникает структура, но уже 1-го типа. Аналогичное явление наблюдалось и после длительной бомбардировки электронами. Существенная трансформация спектральных кривых фотопроводимости выявлена А. С. Батыревым и др. после облучения кристаллов CdS в воде и на воздухе He-Cd-лазером.

Установлено, что результат воздействия электронной бомбардировки (см. рис. 5) и малых доз УФ-облучения обратим. После нагревания до комнатной температуры кривые фотопроводимости возвращаются к исходному виду: на гладких кривых восстанавливается первоначальная структура, причем скорость ее восстановления зависит от давления, состава газов в вакуумной камере и температуры. Поскольку экситонные спектры отражения после бомбардировки и УФ-облучения сохраняются, мы считаем, что можно предположить следующее: кардинальное изменение спектра фотопроводимости — исчезновение тонкой структуры — связано со свойствами носителей заряда в приповерхностной области. Рядом исследователей было высказано соображение, что в кристаллах 1-го типа имеет место обогащающий изгиб зон, связанный с избытком кадмия в приповерхностной области. В кристаллах 2-го типа существует сильный обедняющий изгиб зон, вызванный адсорбцией кислорода [30].

Наличие адсорбированного на поверхности CdS кислорода и влияние его на фотопроводимость было доказано многочисленными исследованиями: например, К.Райтом и К. Боэром при воздействии электронной бомбардировки [31], П. Марком при УФ-облучении [19]. Р.Шуберт и К.Боэр [32] показали, использовав масс-спектрометрический метод, что на поверхности кристаллов CdS, относящихся к разным типам, кислород адсорбирован в различных формах. К. Боэр и другие исследовали этим же методом роль нестехиометрии поверхностного слоя в формировании спектров фотопроводимости и люминесценции CdS [33, 34].

§3. Исследование экситонной структуры в спектрах фотопроводимости кристаллов CdS путем изменения внешнего поля.

При низких температурах в спектрах ФП полупроводников в области края собственного поглощения можно наблюдать тонкую структуру (ТС) в виде максимумов (тип 1) или минимумов (тип 2), обусловленную экситонами. Наличие ТС обусловлено различием времени жизни неравновесных основных носителей в приповерхностном слое (τ_s) и объеме полупроводника (τ_v) [35]. При этом тип ТС определяется соотношением этих времен: в случае ТС типа 1 τ_s > τ_v, в случае ТС типа 2 τ_s < τ_v, а при выполнении равенства τ_s = τ_v спектры ФП должны иметь бесструктурный (гладкий) вид. Воздействуя на полупроводник различными способами, можно изменять соотношение между τ_s и τ_v а, следовательно, и тип ТС, используя последнюю как индикатор изменения фоточувствительности приповерхностной области и / или объема полупроводника.

В настоящей работе исследованы низкотемпературные (T = 4 ÷77 K) спектры ФП кристаллов CdS в зависимости от электрического поля, приложенного к полупроводнику по методу ”эффекта поля”, предварительного фотовозбуждения собственным светом, подсветки ИК — светом и тянущего поля. Обнаружены характерные изменения ТС спектров и фоточувствительности в собственной и примесной областях спектра.