Оценка концентрации хрома и его распределение в высокоомном арсениде галлия
Виды оптического поглощения в полупроводниках. Измерение поглощения оптического излучения в арсениде галлия. Отбор образцов с дефектами. Измерение спектров пропускания. Оценка концентрации хрома и его распределения в высокоомных образцах арсенида галлия.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | отчет по практике |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.02.2020 |
| Размер файла | 1,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НИ ТГУ)
Радиофизический факультет
Кафедра полупроводниковой электроники
ОТЧЁТ ПО УЧЕБНОЙ ПРАКТИКЕ
Оценка концентрации Cr и его распределение в высокоомном GaAs
по основной образовательной программе подготовки бакалавров
Направление подготовки 03.03.03 - Радиофизика
Руководитель практики
м.н.с.
И.И. Колесникова
Автор работы
студент группы № 763
Тимофеев Михаил Сергеевич
Томск-2019
Оглавление
1. Оптические свойства полупроводниковых детекторов
1.1 Полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения
1.2 Характеристика материалов для полупроводниковых детекторов
1.3 Структуры на основе GaAs
1.4 Компенсация GaAs хромом
1.5 Дефекты в кристаллах
1.6 Влияние дефектов на физические свойства кристаллов
1.7 Оптическое поглощение
1.8 Поглощение излучения глубокими примесями
1.9 Выводы к литературному обзору
2. Измерение поглощения оптического излучения в арсениде галлия (методика эксперимента)
2.1 Отбор образцов с дефектами
2.2 Измерение спектров пропускания
2.3 Расчет коэффициента поглощения
2.4 Оценка концентрации хрома
3. Определение концентрации хрома и его распределение в GaAs
3.1 Изображения структуры исследуемых образцов
3.2 Измерение коэффициента пропускания GaAs:Cr
3.3 Спектры поглощения GaAs:Cr
3.4 Оценка концентрации хрома и его распределение в GaAs:Cr
Заключение
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
полупроводник арсенид галлий хром оптический
ВВЕДЕНИЕ
Арсенид галлия является одним из часто используемых и хорошо изученных полупроводниковых материалов. Он применяется для изготовления приемников ионизирующего излучения, одним из видов которых является рентгеновское излучение, светодиодов, транзисторов, фотоприемников. По проведенным исследованиям, диффузионный GaAs:Cr имеет лучшие физические свойства, более высокое удельное сопротивление, большую чувствительность к ионизирующему излучению по сравнению с GaAs:EL2, формируемым при выращивании монокристалла. Однако, при легировании хрома в арсенид галлия, в материале образуются различные дефекты, которые значительно ухудшают такие важнейшие характеристики, как время жизни носителей заряда, удельную глубину проникновения электрического поля в материал, эффективность сбора заряда, вследствие чего значительно снижается качество устройства, созданного на основе такого полупроводника.
Наличие таких дефектов может быть обусловлено наличием примеси, собственными дефектами кристаллической решетки, а также неравномерным распределением легирующей примеси. В работе предлагается проверить теорию о возникновении дефектов в арсениде галлия при высокотемпературной диффузии, за счет неравномерного распределения концентрации хрома.
1. Оптические свойства полупроводниковых детекторов
1.1 Полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения
Полупроводниковый детектор - это прибор, использующийся для регистрации ионизирующих излучений. Основным элементом полупроводникового детектора является кристалл полупроводника. Излучение в области энергий квантов, превышающих энергию образования электронно-дырочных пар в полупроводниках, называют ионизирующим. Главной особенностью такого излучения является высокая проникающая способность, пропорциональная энергии. [1]
Полупроводниковые детекторы, в отличие от вакуумных и сцинтилляционных, обладают большим быстродействием и координатным разрешением. Многоэлементные детекторы нашли применение для создания:
1) Медицинских томографов, маммографоф, систем диагностики раковых опухолей, рентгенодиагностики.
2) Систем таможенного досмотра и систем контроля перемещения опасных грузов
3) Дефектоскопов и ламинографов.
4) Систем безопасности в аэропортах, вокзалах, местах большого скопления людей.
Схема полупроводникового детектора представлена на рисунке 1.1
Рисунок 1.1 - Схема полупроводникового детектора [1].
Основным принципом работы детекторов является ионизация атомов в кристалле полупроводников. Согласно зонной теории, спектр разрешенных и запрещенных значений энергии электронов в трехмерных кристаллах состоит из чередующихся полос - энергетических зон. Зоны образованы квазинепрерывной совокупностью атомных уровней энергии, «расщепившихся» в результате агрегации свободных атомов в кристаллическую структуру [2]. При температуре абсолютного нуля все электроны в полупроводнике расположены в валентной зоне, а зона проводимости полностью свободна, в таком случае полупроводник является диэлектриком, так как отсутствуют свободные носители заряда. Для перехода электрона в зону проводимости, необходимо приложить энергию, количественно равную ширине запрещенной зоны. Источниками энергии являются заряженные частицы, фотоны. Электрон, оторвавшийся от атома, переходит в зону проводимости и приобретает отрицательный заряд, а на его месте в валентной зоне остается положительный заряд, имеющий эффективную массу, называемый дыркой. Ковалентная связь в данном случае становится нарушенной, для ее восстановления, образовавшуюся дырку в валентной зоне занимает электрон соседнего атома. Валентные электроны перемещаются от атома к атому, разрывая и восстанавливая тем самым ковалентные связи. При отсутствии внешнего электрического поля, свободные электроны и дырки перемещаются по кристаллу. Под действием внешнего электрического поля образуется направленное движение электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. В полупроводнике может происходить два процесса: генерация и рекомбинация носителей заряда. Процесс рекомбинации можно объяснить, как возвращение электронов в валентную зону, при этом исчезает пара носителей заряда (электрона и дырки). Количество пар электрон - дырка пропорционально энергии, потерянной заряженной частицей или г-фотоном. Таким образом, полупроводниковые детекторы обладают хорошими спектрометрическими свойствами. По мере того, как носители смещаются, они индуцируют на электродах заряд, пропорциональный пройденной ими разности потенциалов. Возникающие при этом импульсы тока или напряжения используются для регистрации излучений. [1]
1.2 Характеристика материалов для полупроводниковых детекторов
Идеальный полупроводниковый материал должен обладать следующими свойствами:
1.) Большое время жизни носителей заряда. В случае высокой степени рекомбинации при движении носителей заряда к электродам снижается полный собранный заряд, что приводит к ухудшению энергетического разрешения.
2.) Большая ширина запрещенной зоны (для усиления радиационной стойкости).
3.) Малое значение энергии для создания одной пары носителей заряда. Чем меньше значение энергии, тем больше носителей заряда может быть в объеме, соответственно, больше сигнал, снимаемый с камеры.
4.) Высокий атомный номер.
5.) Большая подвижность электронов и дырок. Чем больше подвижность носителей, тем меньше времени требуется для их сбора, что улучшает временное разрешение детектора.
6.) Большое удельное электрическое сопротивление (для уменьшения темнового тока).
Однако, в настоящее время невозможно вырастить кристалл, обладающий идеальной периодической кристаллической структурой. В процессе роста, в результате даже небольших отклонений от расчетов, или же по причине изменения внешних условий, таких как температура, давление, в кристалле образуются дефекты, которые способны изменять свойства кристалла, описанные выше.
1.3 Структуры на основе GaAs
Арсенид галлия, как детекторный материал, обладает очень важным свойством, а именно возможностью изменения его электрофизических параметров с помощью легирования примесными атомами. В основном GaAs легируют мелкими примесями, что позволяет изменять в полупроводнике тип проводимости и концентрацию основных носителей. Также арсенид галлия легируют примесями, образующими глубокие энергетические уровни, что дает возможность воздействовать на диффузионную длину носителей, удельное электрическое сопротивление и регулировать степень компенсации. Введение легирующих добавок влияет на состояние собственных точечных дефектов в кристаллах, на особенности поведения примесей, что приводит к расширению возможностей управляемого воздействия на свойства полупроводникового материала и детекторных структур на его основе [1].
В основном, для детекторов используются монокристаллы GaAs, выращенные методом Чохральского. Но при таком способе выращивания кристалл имеет малые величины времени жизни носителей заряда и удельной глубины проникновения электрического поля в материал. Сложный полупроводник GaAs является неоднородным. Нарушая стехиометрию, в кристалле образуются собственные точечные дефекты. Малые значения величин времени жизни носителей заряда и удельной глубины проникновения электрического поля в материал обусловлены присутствием в материале глубоких центров EL2.
EL2-центры - ловушки для электронов, представляющие глубокий донорный комплекс , с энергией ионизации 0,8 эВ от края зоны проводимости. Центр EL2 определяет электрические параметры материала, обеспечивая саму возможность получения нелегированного полуизолирующего GaAs при условии:
, (1.1)
где - концентрация центров EL2, а , - суммарные концентрации акцепторных и донорных центров (примесных и дефектных), более мелких, чем EL2.
EL2 центры в состоянии имеют огромное сечение захвата электронов (порядка), ограничивая время жизни электронов, что существенно сказывается на снижение дрейфовой длины электронов и обуславливает низкую эффективность сбора заряда в детекторах.
Таким образом, полупроводниковые детекторы на основе GaAs имеют ряд недостатков, сдерживающих их применение. Поэтому для эффективной работы детектора необходимо снизить концентрацию центров [3].
1.4 Компенсация GaAs хромом
Одним из способов понижения концентрации - центров является их заполнение электронами в равновесном состоянии: +e. Данный метод можно использовать, если в процессе выращивания арсенид галлия легируется мелкими донорами () с концентрацией с последующей перекомпенсацией глубокой акцепторной примесью Cr.
Рисунок 1.9 - Диаграмма энергетических зон компенсации GaAs хромом [3]
В технологии создания детекторов на основе «ростового» арсенида галлия, компенсированного хромом, лежит легирование исходного электронного GaAs специально введенной примесью Cr до концентрации [4].
1.5 Дефекты в кристаллах
Любой реальный кристалл содержит отклонения от регулярного расположения частиц в пространстве. Такие отклонения называют дефектами структуры. Их качество и количество определяется природой кристалла, а также условиями роста.
Присутствие дефектов в кристаллах оказывают негативное влияние на характеристики электронных приборов, воздействуют на пластичность и прочность, снижают эффективность сбора заряда, что в свою очередь является одной из важнейших характеристик, определяющих работу детектора. Плотности дислокаций и примеси могут изменять электросопротивление металлов на несколько порядков. Точечные дефекты влияют на электропроводность. Пластичность и прочность кристаллов, в основном, определяются примесными атомами. Безусловно, дефекты также могут изменять внешний облик кристалла [5].
Классификация дефектов по размерному признаку.
В реальных кристаллах дефекты можно разделить на химические примеси, нарушения стехиометрии состава и дефекты кристаллической решетки.
Дефекты классифицируют по размерному признаку:
1.) Нульмерные или точечные дефекты - размеры таких дефектов во всех трех направлениях соизмеримы с размерами атомов. Они состоят из одного атома, если это атом примеси или дефектной позиции, если отсутствуют примесные атомы.
2.) Линейные дефекты - характеризуются нарушением линейной последовательности узлов решетки, вдоль которой обрывается периодичность структуры. Размеры в двух направлениях соизмеримы с размерами атомов, а в одном с размерами кристалла.
3.) Поверхностные дефекты представляют собой ошибки в наложении слоев атомов, а также границы, которые отделяют различные области идеальной периодической структуры кристалла. Размеры в одном направлении соизмеримы с размерами атомов, а в двух с размерами кристалла.
4.) Объёмные дефекты имеют во всех трёх направлениях сравнительно большие размеры, соизмеримые с размерами кристалла [6].
Классификация дефектов по типу.
1.) Точечные дефекты можно разделить на собственные и примесные. Собственные дефекты возникают в процессе роста кристалла. К такому типу относятся вакансии, междоузельные атомы, дефекты Шоттки и пары по Френкелю. Концентрация точечных дефектов достигает максимума в точке плавления и уменьшается с понижением температуры. Недавние эксперименты по спектроскопии времени жизни позитронов на пластически деформированном нелегированном полуизолирующем GaAs показали, что вакансии, перемещающиеся при 450 ° C, превращаются в пустоты с радиусами ? 5 нм при плотностях -, что соответствует общей концентрации вакансий - [7].
Вакансия - это узел решетки, который не занят атомом. В результате образования вакансии атомы, соседствующие с дефектом, перемещаются, вследствие чего решетка становится напряженной. Для кристаллов с чисто ионной связью вакансии могут быть двух видов: анионные и катионные. Если в месте вакансии кристалла располагается положительный ион, то такая вакансия называется катионной, если отрицательный - анионной. Чаще всего в кристалле присутствуют и катионные, и анионные вакансии, соответствующие стехиометрии. Пара таких вакансий носит название дефекта Шоттки [8]. Вакансия в кристаллической решетке показана на рисунке 1.2
Рисунок 1.2 Вакансия в кристалле [8]
Атом в междоузлии является дефектом, противоположным вакансии. Такие атомы представляют собой избыточные, расположенные между регулярными узлами решетки. Их можно разделить на примесные атомы внедрения (размещение атома примеси в межузельной позиции), замещения (размещение атома примеси в узле решетки, если его размер больше основного атома), а также атомы, которые покинули свое расположение в кристалле с образованием вакансии. Атомы замещения и вакансии могут располагаться в каждом узле решетки, в то время как атомы внедрения занимают такие микропоры, где для них достаточно свободного пространства. Атомы замещения и внедрения представлены на рисунке 1.3
Рисунок 1.3 Атом внедрения (а) и атом замещения (б) [8]
В результате тепловых флуктуаций атом может преодолеть энергетический барьер и перейти в междоузлие. Таким образом, образуется сразу два точечных дефекта - вакансия и межузельный атом. Такая пара называется дефектом Френкеля.
2.) Линейные дефекты. Данный вид дефектов имеет большую протяженность нарушения периодичности в одном направлении, тогда как периодичность в двух других направлениях чаще всего не превышает параметров кристаллической решетки. Главными линейными дефектами являются краевая и винтовая дислокации, возникающие при нарушении расположения атомных плоскостей. В последнее время стало очевидным, что неоднородное распределение дислокаций оказывает выраженное влияние на однородность полевых транзисторов. Поэтому были предприняты большие усилия для уменьшения плотности дислокаций и улучшения электрической однородности [9].
При краевой дислокации в кристалле образуется лишняя атомная полуплоскость. Край полуплоскости соответствует линии дислокации. Дислокация может быть положительной, если плоскость введена сверху, в обратном случае дислокация является отрицательной. Краевая дислокация изображена на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 Схема краевой дислокации [9]
Винтовую дислокацию можно определить, как сдвиг одной части кристалла относительно другой, вследствие чего образуется ступенька для спирального роста. Такую дислокацию можно представить, как спираль на поверхности. Винтовая дислокация изображена на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 Схема винтовой дислокации [9]
Для определения несоответствия идеальной кристаллической решетки с деформированной используется вектор Бюргерса. Контур в кристаллической решетке, проведенный от атома к атому таким образом, чтобы получилась замкнутая петля, называется контуром Бюргерса. Если в кристалле присутствует дислокация, то контур оказывается незамкнутым. Вектор Бюргерса дислокации замыкает контур Бюргерса. В случае краевой дислокации вектор перпендикулярен дислокационной оси, а при винтовой - параллелен.
Рисунок 1.6 Контур Бюргерса в совершенном кристалле (а) и кристалле, имеющий линейный дефект (б) [9]
Внутри кристалла дислокации не обрываются, но могут выходить на поверхность. Также дислокации могут образовывать замкнутые петли, или расщепляться на другие дислокации.
Дислокации окружены полем упругих напряжений: при краевой - растяжение или сжатие, при винтовой - сдвиговые напряжения. Плотность дислокаций определяется их числом, пересекающих один квадратный сантиметр данной поверхности. Обычно плотность порядка 10- . Концентрацию дислокаций можно уменьшить, понизив температуру кристалла, вследствие чего дислокации перераспределяются и уменьшаются. Такой метод носит название «отжиг». Но данный метод может не дать должного результата, если в кристалле находятся примеси, которые, в свою очередь, взаимодействуют с дислокациями, снижая их подвижность.
Причиной образования дислокаций может служить дефект установки для выращивания кристаллов, заключающийся в колебании температуры, скорости роста кристалла, механической вибрации.
Колебания условий роста приводят к термическим и механическим напряжениям, к которым очень чувствительны кристаллические зародыши. При деформации зародышей в кристалле возникают дислокации.
3.) Поверхностные дефекты нарушают правильные периодичность и ориентировки соседних областей в кристаллической решетке кристалла.
К такому типу дефектов можно отнести границы раздела, а именно: межфазные и внутрифазные, дефект упаковки и саму поверхность кристалла.
Внутрифазные границы раздела - это поверхности контакта различно ориентированных областей кристаллической решетки одной и той же фазы. В зависимости от угла разориентировки можно выделить малоугловые и высокоугловые границы раздела.
Границы областей, находящиеся в разном фазовом состоянии, называются межфазными границами.
Рисунок 1.7 Границы зерен: высокоугловой границы (а) и малоугловой границы (б) [9]
Дефект упаковки возникает при нарушении последовательности слоев плотнейшей упаковки кристалла. Например, для кубической плотнейшей упаковки ABCABCABCABC… дефектом слойности является упаковка: ABCABABABC.
Рисунок 1.8 Дефект упаковки в ГПУ и ГЦК структурах [9
]
4.) Трехмерные дефекты - нарушения структуры, включают в себя поры, пустоты, включения другой фазы.
Поры - это объемные пустоты макроскопических размеров в кристаллической решетке, скопления вакансий.
Включения второй фазы -- это частицы макроскопических размеров, состав которых отличается от состава основного вещества [9].
1.6 Влияние дефектов на физические свойства кристаллов
В настоящее время невозможно получить кристалл с идеальной структурой и свойствами, так как чужеродные молекулы, даже в очень малом количестве, существенно влияют на рост. Сторонние вещества меняют внешнюю форму кристалла, а также нарушают кристаллическую решетку. Таким образом, изменяются многие физические свойства в растущем кристалле.
Любой разлад регулярности в расположении атомов является дефектом. Многие свойства кристалла зависят от его дефектной структуры, в том числе от размера самого дефекта.
К примеру, при наличии дефекта строения, прочность кристалла на сдвиг снижается на несколько порядков в сравнении с идеальным кристаллом. Однако, при увеличении дефектов строения, с помощью легирования или методом искажения кристаллической решетки, прочность материала, наоборот, увеличивается [9].
Дислокации влияют на спектры поглощения, спектры люминесценции, рассеяние света в кристалле, могут изменять электропроводность, теплопроводность, сегнетоэлектрические свойства, магнитные свойства. При скоплении дислокаций образуются внутренние напряжения.
Трехмерные дефекты так же, как и дислокации, влияют на прочность, электрические, оптические и магнитные свойства кристаллов
Кроме того, дефекты в кристаллах участвуют в процессах диффузии, от которой зависит скорость протекания химических реакций, а также ионная проводимость кристаллов. При помощи легирования становится возможным создание образца с различным типом проводимости, что является необходимым для образования некоторых полупроводниковых элементов [9].
Таким образом, в любом кристалле могут присутствовать все виды дефектов с различной концентрацией. Необходимо найти способы обнаружения дефектов, определение их типа и возможные методы устранения.
1.7 Оптическое поглощение
Собственное поглощение определяется межзонными переходами электронов из заполненной зоны (валентная зона) в свободную (зона проводимости). Такое поглощение может наблюдаться от ИК до рентгеновской области спектра, в зависимости от энергетического расстояния между этими зонами. Минимальная энергия фотонов, при которой начинается собственное поглощение в идеальных кристаллах, определяется шириной запрещенной зоны ( полупроводника, то есть минимальным энергетическим расстоянием между валентной зоной и зоной проводимости. Область , где ћщ ?, называется краем собственного поглощения. Именно эта область дает информацию об энергетических состояниях электронов вблизи потолка валентой зоны и дна зоны проводимости [10]. Форма края собственного поглощения определяется особенностями структуры энергетических зон материала. В кристаллах с прямой структурой энергетических зон край собственного поглощения определяется прямыми оптическими переходами, которые происходят, когда потолку валентной зоны и дну зоны проводимости соответствует одинаковый волновой вектор, как изображено на рисунке 1.10
Рисунок 1.10 - Прямые переходы при собственном поглощении света [10]
Коэффициент поглощения для прямозонных полупроводников с разрешенными оптическими переходами вычисляется по формуле:
= (1.2)
Следующим видом поглощения в полупроводниках является решеточное поглощение, обусловленное взаимодействием излучения с колебательным движением кристаллической решетки. Энергия фотона передается решетке, увеличивая ее колебания. То есть, уничтожение фотона приводит к рождению новой квазичастицы - фонона. Энергия электронов при этом в адиабатическом приближении остается неизменной.
Если в кристалле имеются свободные носители заряда (электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне), то можно считать, что они образуют электронный газ, тогда поглощение электромагнитной энергии такими носителями можно рассматривать, пользуясь в первом приближении классическими соотношениями для электронного газа. Коэффициент поглощения на свободных носителях монотонно возрастает при увеличении длины волны ( ). Для поглощения фотона свободный носитель должен перейти из одного разрешенного состояния g в другое v. В пределах одной долины такой переход может быть только непрямым, как показано на рисунке 1.11
Рисунок 1.11 Электронный переход, ответственный за оптическое поглощение свободными носителями заряда [10]
Таким образом, для его осуществления необходимо рассеяние квазиимпульса, то есть участие в процессе поглощения третьей частицы, которой могут быть фононы или примеси. Абсолютно свободные носители заряда в идеальной кристаллической решетке не могли бы поглощать электромагнитную волну. Поэтому коэффициент поглощения на свободных носителях заряда зависит от механизма рассеяния.
Создание идеального кристалла невозможно, так как в нем всегда присутствуют различные примеси. Процессы оптического поглощения с участием примесей довольно разнообразны. Это могут быть переходы носителей заряда из локализованного примесного состояния в одну из разрешенных зон, либо в другое локализованное состояние. В первом случае происходит генерация свободных носителей заряда одного знака и спектр поглощения имеет вид широкой полосы. При переходе из одного локализованного состояния на другое свободных носителей заряда не возникает, и спектр поглощения имеет вид узких линий. Также при оптическом поглощении могут образовываться экситоны, связанные на примесных центрах. Движение экситонов не создает электрического тока, так как перемещается не электрон, а только возбужденное состояние атома. Экситон представляет собой совместное движение электрона и дырки, связанных кулоновскими силами и может поступательно перемещаться по всему кристаллу. В спектре поглощения экситонные линии лежат справа от основной полосы, так как на образование экситона требуется меньше энергии, чем на его ионизацию. Таким образом, можно выделить следующие процессы, приводящие к примесному поглощению в твердых телах:
1.) Фотоионизация примесей
2.) Фотовозбуждение примесей
3.) Фотонейтрализация примесей
4.) Фотогенерация связанных экситонов
5.) Возбуждение локализованных колебаний примесных атомов
Электронные переходы в случае примесного поглощения, приведенные в пунктах (1-5), изображены на энергетической диаграмме рисунке 1.12
Рисунок 1.12 Электронные переходы в случае примесного поглощения. 1,1' - фотоионизация; 2,2' - фотовозбуждение; 3,3' - фотонейтрализация мелких примесей; 4,4' - фотоионизация и фотонейтрализация глубокого центра; 5 - внутрицентровые переходы; 6 - фотогенерация связанного экситона. [10]
Фотоионизация мелких примесей обусловлена переходом носителя заряда из связанного состояния в свободное при поглощении фотона (1,1' на рисунке 1.12). Такой переход становится возможным, когда энергия фотона больше энергии связи электрона (дырки) с донором (акцептором), то есть больше или . До взаимодействия с фотоном примесный атом был нейтральным. После взаимодействия происходит переход носителя заряда в свободную зону, в этом случае можно говорить, что примесь ионизована. Область примесного поглощения сдвигается в ИК - область. Спектр поглощения при таком процессе будет зависеть от электронной структуры примесного состояния и структурой свободной зоны, в которую осуществляется переход, также в спектре могут присутствовать отдельные полосы, связанные с возбуждением примесных атомов. Энергия, необходимая для фотоионизации, должна быть равна или [11].
Процессы фотоионизации и фотовозбуждения мелких примесей в полупроводниках будут проявляться только при низких температурах, то есть когда KT « ( и примеси не ионизованы.
Процесс, при котором осуществляются переходы электронов из валентной зоны на уровни ионизованных доноров вблизи дна зоны проводимости или с уровней ионизованных акцепторов в зону проводимости, называется фотонейтрализацией (3 и 3' на рисунке 1.12). Если примесный центр ионизован, например, за счет одновременного легирования донорами и акцепторами, то такие переходы могут наблюдаться.
Немаловажную роль в поглощении света полупроводниками играют внутрицентровые переходы (переход 5 на рисунке 1.12). Они аналогичны процессам фотовозбуждения мелких водородоподобных центров.
Процесс поглощения, связанный с генерацией экситона, связанного на дефекте, называется поглощением на связанных экситонах (переход 6 на рисунке 1.12).
Процесс, связанный с возбуждением колебаний примесного атома, является поглощением на локальных колебаниях примеси. Такое поглощение наблюдается в области энергии фотонов близких к энергии колебаний решетки [11].
1.8 Поглощение излучения глубокими примесями
Данный вид поглощения определяется переходами электронов с локализованных состояний в разрешенные зоны, то есть примесь-зона или зона-примесь (4 и 4' на рисунке 1.12). Однако, в отличие от мелких примесей, располагающихся в полупроводнике вблизи дна зоны проводимости (донорная примесь) или потолка валентной зоны (акцепторная примесь), глубокие примеси занимают место рядом с серединой запрещенной зоны полупроводника. Возмущающий потенциал для глубоких центров локализован вблизи примеси. Примесное поглощение в данном случае проявляется в виде широких бесструктурных полос, простирающихся от энергий фотонов, соответствующих энергии ионизации примеси до края собственного поглощения [12].
Глубокие примеси из-за сильной пространственной локализации заряда обычно сильно взаимодействуют с колебаниями решетки и с локальными колебаниями центра. Поэтому при рассмотрении оптических переходов с участием таких примесей необходимо учитывать электрон-фононное взаимодействие, которое может заметно влиять на спектр поглощения, особенно в области длинноволнового края [13].
Для глубоких центров, сильно взаимодействующих с колебаниями решетки, наблюдается различие в оптической и термической энергиях активации. Оптическая энергия активации всегда больше термической.
1.9 Выводы к литературному обзору
На основании обзора литературных данных по оптическим свойствам полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения на основе GaAs:Cr, а также дефектов, присутствующих в данном материале, можно сделать следующий вывод: присутствие дефектов в кристалле значительно снижают важнейшие характеристики детектора, такие как время жизни носителей заряда и эффективность сбора заряда. В результате чего создание приборов на основе таких детекторов является нецелесообразным.
В связи с этим целью данной работы является измерение оптических характеристик пластин GaAs:Cr, определение концентрации хрома и установка взаимосвязи коэффициента поглощения с концентрацией и распределением хрома.
Для достижения цели будут решаться следующие задачи:
1. Отбор материала с дефектами и без.
2. Расчет коэффициента поглощения с помощью спектров пропускания.
3. Оценка концентрации хрома по калибровочной кривой.
4. Установка связи между концентрацией и распределением хрома в материале с дефектами.
2. Измерение поглощения оптического излучения в арсениде галлия (методика эксперимента)
2.1 Отбор образцов с дефектами
С помощью микроскопа МБС в ИК диапазоне (950 нм) и компьютера необходимо рассмотреть и отобрать образцы GaAs:Cr, имеющие дефекты. Образец закрепляется в держатель и устанавливается напротив микроскопа, на мониторе изображается структура материала. Передвигая образец по диаметру, необходимо пронаблюдать и выделить области с дефектами, которые имеют шарообразный вид.
Рисунок 2.1 Блок-схема установки для отбора образцов с дефектами. 1-кассета с исследуемыми образцами; 2 - микроскоп; 3 - компьютер;
2.2 Измерение спектров пропускания
Для исследования спектров пропускания в монохроматическом свете использовался спектрометр Cary 60. Коэффициент пропускания определяется, как отношение интенсивности прошедшего через образец света к интенсивности падающего:
T = (2.1)
Блок схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 Блок - схема установки для измерения спектров пропускания. 1- кассета с исследуемыми образцами
2 - спектрометр; 3 - компьютер;
В качестве приемника излучения используются 2 кремниевых диода. С приемника сигнал поступает на компьютер, на котором регистрируются полученные значения.
2.3 Расчет коэффициента поглощения
Экспериментально измеряется спектр пропускания T(ћн). Используя формулу:
T = (2.2)
где R - коэффициент отражения; б - коэффициент поглощения; Т - коэффициент пропускания; d - толщина образца;
которая верна в случае, если можно пренебречь интерференционными эффектами. По известным значениям T, R - коэффициента отражения и d - толщины образца можно получить выражение для вычисления коэффициента поглощения:
б = ? ln (2.3)
2.4 Оценка концентрации хрома
Для определения концентрации хрома можно использовать калибровочную кривую, которая представляет собой зависимость концентрации хрома от коэффициента поглощения для определенной энергии фотонов. Для GaAs:Cr будет использоваться кривая, полученная для фотонов с энергией hн ? 1.2 эВ , так как при данной энергии фотонов наблюдается относительный максимум поглощения. Калибровочная кривая, полученная таким образом представлена на рисунке 1.13
Рисунок 2.2 Зависимость коэффициента поглощения от концентрации хрома
Из кривой видно, что между коэффициентом поглощения и концентрацией хрома существует линейная зависимость.
3. Определение концентрации хрома и его распределение в GaAs
(Экспериментальные результаты)
3.1 Изображения структуры исследуемых образцов
С помощью микроскопа МБС в ИК диапазоне (950 нм) и компьютера были изучены и отобраны образцы GaAs:Cr, имеющие дефекты. Полученные изображения некоторых дефектных участков, а также образца, не содержащего дефектов, представлены на рисунках 3.1, 3.2.
Рисунок 3.1 Образец GaAs:Cr без дефектов
Рисунок 3.2 Образец GaAs:Cr с дефектами
3.2 Измерение коэффициента пропускания GaAs:Cr
Коэффициент пропускания образцов GaAs:Cr определялся на спектрометре Cary 60 на длине волны 1033 нм. Пластины закреплялись в держатель и устанавливались в спектрометр между источником излучения и приемником. Коэффициент пропускания определяли по двум диагоналям образцов с шагом 1мм.
3.3 Спектры поглощения GaAs:Cr
По известным значениям коэффициентов пропускания исследуемых пластин, а также с помощью формулы 2.3 для расчета коэффициента поглощения, в программе Origin были построены спектры поглощения GaAs:Cr.
Рисунок 3.1 Спектр поглощения образца GaAs:Cr № 61567026
Рисунок 3.2 Спектр поглощения образца GaAs:Cr № 61567026
Рисунок 3.3 Спектр поглощения образца GaAs:Cr № H3295106
Рисунок 3.4 Спектр поглощения образца GaAs:Cr № H3295106
Рисунок 3.5 Спектр поглощения образца GaAs:Cr № H3295N78
Рисунок 3.6 Спектр поглощения образца GaAs:Cr № H3295N78
Из графиков видно, что на распределении коэффициента поглощения по координате, наблюдается максимумы и минимумы. Причинами полученных скачков могут служить дефекты, связанные с неравномерным распределением хрома по образцу при диффузии, либо с перераспределением мышьяка в подрешетке галлия при диффузии хрома в пластины.
3.4 Оценка концентрации хрома и его распределение в GaAs:Cr
Используя калибровочную кривую и распределение коэффициента поглощения по образцам, были построены графики зависимости коэффициента поглощения и концентрации хрома. Из графиков распределения концентрации видно, что на образцах присутствуют участки, где имеется большое отклонение от среднего значения концентрации.
Рисунок 3.7 Зависимость концентрации хрома от координаты для образца № 61567026
Рисунок 3.8 Зависимость концентрации хрома от координаты для образца № 61567026
Рисунок 3.9 Зависимость концентрации хрома от координаты для образца № H3295106
Рисунок 3.10 Зависимость концентрации хрома от координаты для образца № H3295106
Рисунок 3.11 Зависимость концентрации хрома от координаты для образца № H3295N78
Рисунок 3.11 Зависимость концентрации хрома от координаты для образца № H3295N78
Заключение
В последнее время наблюдается значительный рост использования и изучения материалов микро- и -наноэлектроники. Вследствие чего, необходимы новые технологии создания, а также улучшения качества исходных материалов, на основе которых создается множество полупроводниковых приборов. В данной работе был составлен обзор различных видов дефектов полупроводниковых кристаллов, а также способы их обнаружения. На основе изученных литературных источников можно сделать вывод, что наличие дефектов негативно сказывается на таких важнейших характеристиках, как время жизни носителей заряда, удельная глубина проникновения электрического поля в материал, эффективность сбора заряда, что, в свою очередь, вызывает некорректную работу приборов, созданных на основе такого материала. Кроме того, дефекты могут изменять геометрическую форму кристаллов.
В обзоре рассмотрены виды оптического поглощения в полупроводниках. Были измерены спектры оптического поглощения для образцов GaAs:Cr, содержащих дефекты. Исходя из графиков, можно сказать, что коэффициент поглощения в местах дефектов отклоняется от нормального значения.
С помощью калибровочной кривой, которая представляет зависимость концентрации хрома от коэффициента поглощения, и данных по распределению коэффициента поглощения по пластинам GaAs:Cr, была проведена оценка концентрации хрома и его распределения в высокоомных образцах арсенида галлия. Таким образом, выяснено, что наличие дефектов в материале обусловлено неравномерным распределением хрома в кристаллической решетке.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Толбанов О. П. Детекторы ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия // Вестн. Том. Гос-ного ун-та. Серия «Физика». - 2005. - № 285. - С.155-163.
2. Бонч-Бруевич Л.В. - Физика полупроводников / Л.В. Бонч-Бруевич, С. Калашников. - М.: Наука, 1972. - 670 с.
3. Морозова В. А. О концентрации центров EL2 в монокристаллах GaAs, выращенных из расплавов различного состава. / В.А. Морозова [и др.] // Вестник Московского университета. - 2001. Т. 3., № 3. - С. 66-70.
4. Ayzenshtat G.I. GaAs structures for X-ray imaging detectors / G. I. Ayzenshtat [идр.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2001. - Vol. 466, № 1. - P. 25-32.
5. Козлова О. Г. «Рост и морфология кристаллов», Изд-во Московского Университета, 1972, 304 с.
6. Урусов В.С., Таусон В.Л., Акимов В.В. «Геохимия твердого тела», М.: Изд-во ГЕОС,1997.
7. D. J. Stirland, in Microscopy of Semiconducting Materials, edited by A. G. Cullis and N. J.
8. Бюрен Х. Г. ван, Дефекты в кристаллах, пер. с англ., М., 1962
9. P. Hiith and J. Lothe, Theory of Dislocations (McGraw-Hill, New York, 1968).
10. Верещагин И.К. Введение в оптоэлектронику / И.К. Верещагин, Л.А. Косяченко, С.М. Кокин. - М.: Высш. шк., 1991. - 191 с.
11. Горлов А.И. Исследование влияния условий компенсации арсенида галлия хромом на оптические свойства: дис. / А.И.Горлов. - М.,2005. - 60 с.
12. Петрова Л.Г., Потапов M.А., Чудина О.В. Электротехнические материалы: Учебное пособие / МАДИ (ГТУ). - М., 2008. - 198 с.
13. Long, Inst. Phys. Conf. Ser. No. 117 (Institute of Physics, Bristol, 1991), p. 327. Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Металлургические свойства арсенида галлия - химического соединения галлия и мышьяка. Полупроводниковые приборы на его основе. Выращивание кристаллов, направленная кристаллизация. Проведение зонной плавки дополнительной очистки и получения монокристалла.
курсовая работа [458,7 K], добавлен 01.10.2009Методы получения монокристаллов. Структурные характеристики материала. Эпитаксиальные методы выращивания слоев GaAs. Особенности процесса молекулярно-лучевой эпитаксии. Строение, физические свойства пленок арсенида галлия и его основное применение.
презентация [2,8 M], добавлен 26.10.2014Подготовка монохроматора к работе. Градуировка монохроматора. Наблюдение сплошного спектра излучения и спектров поглощения. Измерение длины волны излучения лазера. Исследование неизвестного спектра.
лабораторная работа [191,0 K], добавлен 13.03.2007Зависимость оптической плотности от концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя. Ознакомление с устройством и принципом работы спектрального прибора, его назначение; определение плотности и концентрации вещества на спектрофотометре.
лабораторная работа [34,1 K], добавлен 05.05.2011Теория атомно-абсорбционных измерений: излучение и поглощения света, понятие линии поглощения и коэффициента поглощения, контур линии поглощения. Принцип работы лазера. Описание работы гелий-неонового лазера. Лазеры на органических красителях.
реферат [392,9 K], добавлен 03.10.2007Методы измерения показателей преломлений и коэффициентов дисперсии оптического стекла. Измерение предельного угла выхода. Оптическая схема интерферометра ИТР-1. Измерение оптической однородности, коэффициента светопоглощения, двойного лучепреломления.
реферат [950,0 K], добавлен 17.11.2015Квантовая точка как наноразмерная частица проводника или полупроводника. Сканирующая электронная микрофотография наноструктур различного размера из арсенида галлия. Люминисценция кристаллов селенида кадмия. Перспективы применения наноэлектронного лазера.
презентация [864,5 K], добавлен 24.10.2013Применение фотоколориметрии в биологии, медицине, фармации. Природа и основные характеристики оптического излучения, закономерности поглощения света веществом. Понятие об оптической плотности, светопропускании, светопоглощении. Схема фотометра КФК-3.
методичка [374,7 K], добавлен 30.04.2014Магнитооптические и оптические свойства редкоземельных гранатов - галлатов и алюминатов. Спектр оптического поглощения параматнитного граната. Поведение полевых зависимостей зеемановского расщепления линий поглощения. Анализ результатов исследования.
статья [344,3 K], добавлен 22.06.2015Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Радиационное дефектообразование в ZnO. Расчет радиационных характеристик движущегося протона и концентрации наведенных дефектов с помощью программы SRIM. Концентрации дефектов в ZnO по спектрам поглощения.
отчет по практике [2,3 M], добавлен 15.01.2014Измерение интенсивности излучения ниобата лития по времени при различных температурах. Основные функции и возможности прибора для нагревания кристаллов, собранного на базе ПИД-регулятора ОВЕН ТРМ101, настройка прибора, инструкция по пользованию им.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 31.05.2014Измерение удельной активности цезия в образцах природной среды. Физико-химические свойства элемента. Загрязнение почв цезием, поведение в атмосфере. Формы нахождения радионуклидов в почве и их влияние на миграцию. Обнаружение ионизирующих излучений.
реферат [173,9 K], добавлен 14.05.2014Средства регистрации и количественных измерений световой энергии. Тепловые и фотонные приемники оптического излучения: полупроводниковые болометры, термоэлементы, фоторезисторы, фото- и светодиоды; параметры, характеризующие их свойства и возможности.
презентация [5,3 M], добавлен 07.06.2013Оценка влияния атмосферной термической неоднородности на атомное поглощение электромагнитного излучения. Основные сведения о спектроскопии. Эффекты Зеемана и Штарка. Профиль атомного поглощения в условиях градиента температуры. Канал передачи данных.
дипломная работа [610,6 K], добавлен 21.04.2016Общие сведения об измерительных источниках оптического излучения, исследование их затухания. Основные требования к техническим характеристикам измерителей оптической мощности. Принцип действия и конструкция лазерных диодов, их сравнительный анализ.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 09.01.2014Виды переходов между энергетическими уровнями в квантовых системах. Переходы с излучением и поглощением, их вероятность. Коэффициент поглощения, влияние насыщения на форму контура линии поглощения. Релаксационные переходы, уширение спектральных линий.
контрольная работа [583,0 K], добавлен 20.08.2015Физическая природа поглощения и люминесценции. Состав стекла, легированного висмутом, и спектры поглощения. Структурирование висмутовых стекол с помощью фемтосекундного лазера. Исследование температурной зависимости спектрального коэффициента поглощения.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 14.01.2014Механизмы поглощения энергии излучения в полупроводниках. Принцип действия полупроводниковых фотоприемников. Характеристики и параметры фотоприемников. Темновое сопротивление, чувствительность, спектральная характеристика, охлаждаемые фотодатчики.
контрольная работа [836,3 K], добавлен 29.08.2013Оптические свойства полупроводников. Механизмы поглощения света и его виды. Методы определения коэффициента поглощения. Пример расчета спектральной зависимости коэффициента поглощения селективно поглощающего покрытия в видимой и ИК части спектра.
реферат [1,2 M], добавлен 01.12.2010Порядок и главные правила измерения величин I0 и Iфон с заданной статистической погрешностью. Определение излучения исследуемого радиоактивного изотопа. Направления и перспективы устранения различных систематических погрешностей в данном эксперименте.
лабораторная работа [149,1 K], добавлен 01.12.2014