Методика исследования фотоэлектрических спектров
Общие вопросы методики эксперимента при исследовании фотоэлектрических свойств полупроводников описаны в [19]. В этом разделе мы рассмотрим некоторые особенности исследования фотоэлектрических спектров КРГ.
Образцы и измерительные ячейки. На рис. 2.6 показаны схемы образцов и измерительных ячеек для исследования фотоэлектрических спектров КРГ различными методами.
Спектры ФП обычно измеряют на образцах планарной геометрии, когда контакты к КРГ нанесены на поверхность слоя и, следовательно, внешнее напряжение приложено вдоль плоскости КЯ или слоя КТ (рис. 2.6а). КРГ, естественно, при этом должна создаваться на полуизоляторе, чтобы исключить шунтирование слоя подложкой. Схема поперечного транспорта при исследовании ФП в КРГ не применяется из-за высокой проводимости тонкого слоя и низкой фоточувствительности в связи с отсутствием эффекта фотоэлектрического усиления, о котором говорилось выше.
КРГ с БШ или p-n-переходом исследуются в условиях поперечного транспорта на сэндвич-структурах (рис.2.6б). Для снижения токов утечки и вероятности закорачивания барьера при механическом контакте с верхним электродом желательно уменьшать площадь верхнего электрода до минимальной возможной величины. Ещё лучше использовать меза-структуры, хотя это и усложняет получение образцов. Вообще относительная сложность изготовления образцов с БШ и тем более с p-n-переходом и манипуляции с ними являются существенным недостатком этого метода. Его целесообразно использовать тогда, когда другие более простые и удобные методы не позволяют решить задачу.
В тех случаях, когда по каким-то причинам нельзя наносить верхний электрод и на поверхности КРГ отсутствует хорошо выраженный стественный барьер, можно использовать электролитическую ячейку для исследования спектра ФВЭ (рис.2.3в). Подбором электролита обычно удаётся создать нужный барьер на поверхности. Недостатком этого способа, кроме того, что он «мокрый», является сложность электро-химических процессов, протекающих на границе полупроводника с электролитом и приводящих, в частности, к необратимым изменениям в процессе измерений.
Рис. 2.6. Схемы образцов и фотоэлектрических ячеек для исследования фотоэлектрических спектров: а) измерения планарной ФП, б) измерения ФВЭ в БШ или p-n-переходе, в) измерения ФВЭ в электрохимической ячейке, г) измерения КФЭ.
На рис. 2.3г показана схема измерительного конденсатора для измерений спектров КФЭ. Конденсатор образуется прижатием к одной или обоим сторонам образца через тонкую (50 -100 мкм) пластинку слюды полупрозрачного электрода. Обычно полупрозрачный слой металла ( Pt, Al) наносится непосредственно на слюду, но при этом нужно контролировать отсутствие интерференционных эффектов в исследуемой области спектра, которые могут приводить к появлению ложной тонкой структуры на фотоэлектрическом спектре. Эти эффекты полностью исключаются при использовании в качестве электродов телевизионной сетки с размером отверстий ~ 10 мкм.
Экспериментальная установка. На рис. 2.7 показана блок-схема автоматизированной экспериментальной установки для измерения фотоэлектрических спектров, которая широко применяется в НИФТИ ННГУ.
Источником монохроматического излучения служит светосильный монохроматор МДР-2 с дифракционной решеткой 600 штрихов/мм. Разрешающая способность монохроматора при ширине входной и выходной щели 0.5 мм составляет 2.5 мэВ. В качестве источника излучения используется галогеновая лампа мощностью 100 Вт, питаемая от стабилизированного источника постоянного тока. Интенсивность излучения на выходе монохроматора может изменяться при помощи нейтральных фильтров (латунных сеток). Относительное распределение интенсивности излучения на выходе монохроматора J0(h) определяется с помощью неселективного фотоприёмника (болометра или термоэлемента). Привязка к абсолютному значению интенсивности (в квантах/см2с), в тех случаях, когда это необходимо, например при измерении квантовой эффективности излучения или времён жизни носителей, производится с помощью специального калиброванного кремниевого или германиевого фотодиода, помещённого на место образца.
Чтобы не усложнять рисунок, на нём не показана оптическая система подсветки образца неразложенным светом лампы накаливания с набором различных светофильтров (Ge, Si, GaAs, цветные стёкла и др.) для выделения отдельных участков спектра. Применение подсветки не только позволяет линеаризовать нелинейные фотоэлектрические эффекты, но часто бывает необходимо для разделения фотоэффектов на разных барьерах или подавления некоторых явлений, например, явления «просвечивания» узкозонной подложки, о котором будет говориться дальше. Конечно, при этом необходимо учитывать, что подсветка может существенно изменить исходное состояние образца.
Рис. 2.7. Блок-схема экспериментальной установки для измерения фотоэлектрических спектров.
В тех случаях, когда фотоячейка имеет высокое сопротивление (например, при измерении КФЭ), для его согласования с входным сопротивлением селективного усилителя У2-8 применяется предварительный усилитель. Он представляет из себя истоковый повторитель на полевом транзисторе с входным сопротивлением 108 Ом и выходным ~50 Ом. Регистрация сигнала проводится по стандартной селективной методике с синхронным детектированием. Осциллограф служит для наблюдения за формой сигнала фотоответа (для этого селективный усилитель переводится в режим широкополосного усилителя), а также для контроля сдвига фаз между фотовозбуждением и фотооткликом.
Фотосигнал с выхода синхронного детектора и сигнал от устройства управления положением барабана монохроматора (на рисунке не показано), определяющий энергию фотонов, с помощью аналого-цифровых преобразователей, в качестве которых используется цифровые вольтметры, и стандартного интерфейса КОР подаются на персональный компьютер. После первичной обработки сигнала (деления на интенсивность) на принтер выводится спектр Sф(h).
Для измерений спектров при высоких и низких температурах исследуемые образцы помещаются соответственно в термостат или криостат, конструкцию которых мы из-за недостатка места описывать не будем.