Спектроскопия конденсаторной фотоэдс

Для целей диагностики КРГ особенно удобен метод спектроскопии конденсаторной фотоэдс (КФЭ). Этот метод был впервые описан Бергманом в 1932 году [11] и довольно широко применялся для исследования фотоэффекта в порошковых материалах и на поверхности полупроводников. В связи с его рядом важных достоинств и широким использованием в исследованиях КРГ, проводимых в ННГУ, мы рассмотрим его более детально, чем другие фотоэлектрические методы, в частности, отметим некоторые особенности метода, которые необходимо учитывать при практическом его применении.

В отличие от других фотоэлектрических методов метод спектроскопии КФЭ может быть реализован в неразрушающем варианте. Он приближается в этом отношении к оптическим методам. Важным достоинством метода является то, что он не требует какой-либо предварительной подготовки структур для измерений, так как в этом методе используется естественный поверхностный барьер, имеющийся на реальной поверхности почти всех полупроводников. Поскольку к поверхности не требуется создавать плотный контакт, это обеспечивает возможность проведения различных воздействий на поверхность КРГ. Метод применим к образцам произвольной формы и практически любого размера,. Измерения КФЭ легко могут быть совмещены с измерениями ФП и ФЛ на одном и том же образце, что повышает информативность диагностики.

Если изготовить прижимной конденсатор с обеих сторон КРГ, нанесённой на полуизолирующую подложку (рис. 2.3г), то КФЭ может быть измерена в трёх вариантах конденсатора: С₁₂ (измеряется фотоэдс на поверхностном барьере, мы будем называть КФЭ в этом случае «переднестеночной»), С₂₃ (измеряется фотоэдс на внутреннем барьере или «заднестеночная» КФЭ) и С₁₃ (в этом случае измеряется алгебраическая сумма фотоэдс на обоих барьерах). Индекс у ёмкости указывает на номера измерительных электродов на рис. 2.3г. Как мы увидим дальше, наиболее удобен и прост для анализа фотоэлектрических процессов конденсатор С₁₂, когда КРГ сама является одной из обкладок конденсатора, точнее обкладкой является проводящая квазинейтральная область КРГ, и к ней нужно делать омический контакт. Для КРГ, выращенных на изотипной проводящей подложке, омический контакт к КРГ можно не делать, а достаточно просто прижать металлическую обкладку к обратной стороне подложки, что делает метод неразрушающим.

Метод предъявляет некоторые требования к RC-параметрам цепи измерительного конденсатора и частоте модуляции излучения.

Из теории переходных процессов в RC-цепях следует, что для неискаженной передачи на вход измерительной системы величины и кинетики фотонапряжения, возникающего на обкладках конденсатора в результате происходящих в нём фотоэлектрических процессов, должны выполняться условия:

(2f)^-1 << RC, (2.18)

(2f)^-1 >> _ф , (2.19)

где f - частота модуляции освещения, С - ёмкость измерительного конденсатора, R - сопротивление в цепи конденсатора (обычно это входное сопротивление предусилителя), _ф - характеристическое время релаксации фотоэдс, определяемое природой фотоэлектрического процесса.

Первое неравенство означает, что RC-цепь должна быть интегрирующей, а не дифференцирующей. Нарушение неравенства приведет к тому, что кинетика фотосигнала или его частотная зависимость будут определяться не только природой физических процессов, но и параметрами RC-цепи. Поскольку ёмкость измерительного конденсатора с прижимным электродом невелика (~5 пф), а частоты модуляции находятся в интервале 0.1-1 кГц, сопротивление R должно быть > 10⁸ - 10⁹ Ом, что требует применения специального предусилителя.

Так как поверхностные электронные процессы обычно описываются не одним временем релаксации, а широким набором _ф в интервале 10² - 10^-8 с, второе неравенство практически невыполнимо по отношению к длинновременным процессам фотоэлектрической релаксации, что проявляется в так называемом «эффекте накопления» или «эффекте автоподсветки», о котором будет сказано ниже.

Эффект накопления (эффект автоподсветки). Суть этого эффекта [18] заключается в том, что при модулированном освещении спадающая релаксация КФЭ, имеющая вообще говоря бесконечную длительность, не успевает завершиться полностью за время темновой паузы, и это приводит к накоплению разделенных в электрическом поле барьера зарядов. Этот эффект особенно ярко проявляется при наличии длинновременных процессов релаксации, характерных для поверхностных электронных явлений. В установившемся режиме переменный сигнал V_ф определяется временами релаксации, удовлетворяющими неравенству (2.19).

Накопление неравновесного заряда означает возникновение при модулированном освещении значительной постоянной составляющей фотоэдс V_ф >> V_ф, что эквивалентно наличию постоянной подсветки (автоподсветка). Величина переменной составляющей V_ф, т. е. собственно КФЭ, обычно на 2-3 порядка меньше V_ф~0.1 В. Автоподсветка аналогично внешней постоянной подсветке уменьшает фоточувствительность к модулированному освещению согласно (2.8), с тем однако отличием, что уровень автоподсветки не может быть задан произвольно, а сам определяется интенсивностью модулированного освещения и частотой модуляции. Это обстоятельство не позволяет по величине дифференциального фотосигнала V_ф однозначно судить об уровне абсолютной фоточуствительности, так как величина V_ф зависит от инерционности фотоответа. Тем не менее благодаря линейной связи V_ф с интенсивностью освещения, которая легко достигается в условиях автоподсветки, этот способ измерения КФЭ удобен для изучения спектров относительной фоточувствительности. Однако при исследовании, например, температурной зависимости фоточувствительности необходимо использовать внешнюю подсветку, так как автоподсветка сама может зависеть от температуры, что затрудняет интерпретацию результатов измерений.

Эффект «просвечивания подложки». Отметим ещё один эффект, который необходимо учитывать при анализе спектров КФЭ - это эффект «просвечивания подложки», который проявляется, например, при исследовании переднестеночной КФЭ ГКЯ GaAs/InGaAs в конденсаторе С₁₂ (рис. 2.3).

На первый взгляд кажется, что квазинейтральная область КРГ, которая является одной из обкладок этого конденсатора, должна изолировать его от процессов, происходящих вне конденсатора ( на внутреннем n-s-барьере и в самой подложке). Однако, как показывает эксперимент, в области слабого поглощения на спектр КФЭ от квантовых ям InGaAs накладывается спектр примесной КФЭ на n-s-барьере, обусловленный поглощением излучения центрами EL-2 в полуизолирующей подложке. О том, что эта примесная фоточувствительность не связана с центрами в самой ГКЯ говорит тот факт, что в ГКЯ, полученных в аналогичных условиях на n⁺-подложках, где внутренний барьер практически отсутствует, примесная фоточувствительность на 1-2 порядка меньше или совсем не наблюдается. Эффект просвечивания подложки обусловлен паразитными RС-связями конденсатора С₁₂ с подложкой через общее распределённое сопротивление слоя и ёмкость КРГ/экран. Его необходимо учитывать при анализе спектров КФЭ в области слабого поглощения КРГ. Если КРГ создана на основе более широкозонного, чем подложка, барьерного материала (например, КРГ AlGaAs/GaAs на подложке GaAs или InGaAs/GaAs на подлжке InP), то на спектре, как правило, будет просвечивать край спектра фоточувствительности подложки, что может серьёзно затруднить исследование спектра размерного квантования в КЯ GaAs. Эффект просвечивания можно существенно ослабить применением подсветки через фильтр из GaAs, которая понизит высоту барьера на границе КРГ/подложка.

Диагностика КРГ методом спектроскопии КФЭ. В следующих главах на примерах ГКЯ и ГКТ GaAs/InGaAs мы покажем, что уже сейчас метод спектроскопии КФЭ позволяет решать ряд важных диагностических задач, которые здесь мы только перечислим.

• Определение энергетического спектра КРГ в широком диапазоне энергий фотонов.

• Определение коэффициента межзонного оптического поглощения КЯ и КТ и исследование его тонкой структуры.

• Определение высоты собственного барьера КЯ _W, обусловленного её заряжением.

• Определение длины диффузии неосновных носителей в барьерной области КРГ.

• Определение концентрации глубоких фотоактивных дефектов и примесей как в барьерной области, так и в КЯ.

• Определение поляризационной зависимости спектров КФЭ и исследование симметрии электронных состояний в КЯ и КТ.

Конденсаторная фотоэдс и барьерная фотопроводимость. Выше уже говорилось о том, что измерения КФЭ вполне совместимы с измерениями ФП на одном и том же образце, если КРГ изготовлена на полуизолирующей подложке. На первый взгляд кажется в связи с барьерной природой ФП, что исследование ФП не может добавить что-то новое к исследованию КФЭ и поэтому не представляет особого интереса. Однако поскольку именно явление ФП, а не КФЭ, находит практическое применение в быстродействующих фотодетекторах излучения и представляет поэтому самостоятельный интерес, совместное изучение этих явлений важно в первую очередь для понимания явления ФП и представляет также определённый методический интерес.

1. Как показано в [16], совместные измерения КФЭ и БФП при постоянном освещении (в этом случае статический конденсатор должен быть заменён на динамический (метод Кельвина)) позволяют определить начальный изгиб зон на поверхности.

1. Сравнительное изучение спектров БФП, переднестеночной и заднестеночной КФЭ позволяет установить, с каким из барьеров связана ФП в данных условиях [16].

1. Следует иметь в виду при измерениях ФП и КФЭ, что эффекты БФП на обоих барьерах складываются по модулю, а эффекты КФЭ - алгебраически. Это может приводить к существенным различиям как в кинетике этих явлений, так и в форме спектров нормированной фоточувствительности.

Конденсаторная фотоэдс и фотолюминесценция. Измерения КФЭ совместимы также и с измерениями ФЛ, и они часто проводятся параллельно (см. например [15]). В связи с этим представляет интерес сравнение методических возможностей обоих методов на примере ГКЯ. Достоинства и недостатки обоих методов вытекают из принципиального различия в механизмах явлений ФЛ и КФЭ, которое заключается в том, что ФЛ является в основном внутриямным процессом, а КФЭ - в основном внеямным, в спектре КФЭ отражается первичный процесс взаимодействия излучения с веществом - поглощение излучения и генерация неравновесных носителей, в спектре ФЛ - конечная стадия этого взаимодействия - рекомбинация неравновесных носителей в термализованном состоянии, в котором в значительной степени утрачена связь с первичным процессом фотовозбуждения.

Важнейшим методическим применением спектроскопии ФЛ и КФЭ является их использование для определения энергетического спектра ГКЯ. В связи с тем, что спектр ФЛ имеет пиковый, а спектр КФЭ - ступенчатый характер, метод ФЛ несомненно позволяет более точно определять энергию основного перехода E_e1-E_h1 в КЯ, однако на обычном спектре ФЛ плохо или совсем не проявляются подзоны более высокого порядка. Конечно, применением достаточно высокого уровня фотовозбуждения или техники спектроскопии возбуждения ФЛ удаётся выявить и эти подзоны, однако это сильно усложняет эксперимент и не всегда возможно в силу ряда причин. Эта задача решается легко и просто при низких уровнях фотовозбуждения методами фотоэлектрической спектроскопии, которые, как мы видели, дают весь спектр поглощения КЯ. Возможность наблюдения и достаточно уверенной идентификации в спектре КФЭ двух и большего числа переходов позволяет однозначно и достаточно точно определять ширину КЯ L_z и состав твёрдого раствора x. Особенно явно преимущество метода КФЭ перед методом ФЛ выступает при исследовании структур с нелюминесцирующими или слабо люминесцирующими КЯ (из непрямозонных полупроводников и сильно дефектных), а также, в связи с температурным гашением ФЛ, в исследованиях , проводимых при комнатной или повышенных температурах. Наоборот, в связи с «вымораживанием» при низких температурах спектра КФЭ от КЯ, расположенных в квазинейтральной области, в этой области температур имеет преимущество метод ФЛ. Резюмируя вышеизложенное, можно сказать, что методы ФЛ и КФЭ удачно дополняют друг друга в тех случаях, когда один из них становится менее эффективным.

3. Фотоэлектрическая спектроскопия гетероструктур с квантовыми ямами GaAs / InGaAs

ГКЯ GaAs/InGaAs удобны для исследований методами фотоэлектрической спектроскопии, так как подложка GaAs прозрачна в спектральной области размерного квантования слоя InGaAs, и поэтому они наиболее изучены в этом отношении. В этом разделе в качестве иллюстации возможностей методов фотоэлектрической спектроскопии рассматриваются основные результаты этого изучения. Большинство из них получены методом спектроскопии КФЭ.