Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf

3. Электролитическое осаждение

При электролитическом осаждении полупроводник находится под отрицательным потенциалом по отношению к раствору. Бла­ годаря этому ионы металла могут осаждаться на поверхности полу­ проводника. Однако в отличие от электролитического травления электролитическое осаждение предъявляет жесткие требования

Ф п г. 16.11. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая, каким образом за счет внутреннего контактного потенциала работа выхода у р-поверхности оказывается большей, чем у /г-поверхности.

Ф и г. 16.12. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая, каким образом фотовольтаический эффект вызывает преимущественное осаждение на /t-об­ ласти.

к составу раствора. Поскольку осаждение зависит от проводимо­ сти, скорость процесса и, следовательно, геометрию нанесения слоя можно контролировать с помощью соответствующего освещения.

Если в полупроводнике имеется р — гс-переход, то процесс осаждения идет быстрее в //-области, поскольку потенциал ее ниже, как это видно на фиг. 16.11. Однако в //-области р — ?г-пе- рехода не всегда происходит осаждение [23]: если р — гс-переход освещается светом с энергией фотона, большей чем ширина запре­ щенной зоны, то благодаря фотовольтаическому эффекту р — 71-

переход оказывается включенным в прямом направлении. Переход,

390 Глава 16. Фотохимические эффекты

погруженный в электролит, будет закорочен этим электролитом. В этом процессе заряды должны пройти через два поверхностных

вблизи поверхности. Эта величина положительна, если край зоны проводимости удаляется от уровня Ферми. Аналогично определяет­ ся Yp, поверхностный барьер на p-области. Фотогенерация носите­ лей на поверхности уменьшает искривление зон, а следовательно, и величины Yn и Yp.

Очевидно, что, поскольку Y n + Y p < Ф Ь (Фь — высота барьера на р — ?г-переходе), большая часть фототока будет течь через поверхность. Обычный ток, текущий через электролит, идет от р- к н-области. В этом случае происходит избирательное травление р-областп и в зависимости от типа используемого электролита может иметь место осаждение иа ?г-области.

§ 3. ФОТОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В КРИСТАЛЛЕ

Воздействие света может способствовать смещению атомов в полупроводнике и изменению характера связей примесей, влияя таким образом на их химическую природу.

1. Фотостпмулпрованнын отжиг

Облучение полупроводника заряженными частицами с высо­ кой энергией, нейтронами или гамма-лучами, может вызывать смещенпе атомов из узлов в междоузлия. Таким путем образуются пары Френке­ ля, состоящие из атома в междоузлии и вакансии [24]. Такой дефект может исчезнуть врезультате диф­ фузии смещенного атома обратно к вакансии. Энер­ гия, требуемая для такого

движения, может быть сообщена атому теплом или светом. В слабо легированном германии я-типа термическое восстановление свойств наблюдается при 65 К. Процесс восстановления свойств контроли­ руется путем измерения эффекта Холла и электропроводности после различных оптических

it термических обработок. На фиг. 16.13 видно, что

на свету свойства восста­ навливаются при гораздо более низких температурах чем в темноте. Отжиг про­ исходит в основном, когда энергия фотона больше чем ширина запрещенной зоны (фиг. 16.14). Было обнаруже­ но, однако, что отжиг радиа­ ционных нарушений может иметь место и в том случае, когда вместо монохромати-

Ф и г. 16.14. Спектральная зави­ симость фотостпмулнрованного отжига при 30 К (в течение 10 мин)

[ 12] .

ческого излучения с hv > Е g используется широкая полоса ин­ фракрасного излучения с энергией фотонов в области h v < ^ E s. В последнем случае восстановление свойств можно получить даже при температуре 4,5 К.

Задача 1. На поверхности кристалла германия п-типа с концентрацией доноров 2 -ІО16 см-3 П і м ѳ і о т с я состояипя акцепторного типа с плотностью

1011 см-2. Диэлектрическая проницаемость равна 16. Воспользуйтесь уравне­ нием Пуассона для оппсанпя изгиба зон на поверхности.

Задача 2. Кристалл, описанный в задаче 1, погружен в раствор КОН и имеет положительный потенциал по отношению к электролиту. Пренебре­ гая изгибом зон, предположите, что при травлении кристалла требуются четыре дырки иа атом. Сколько времени надо травить кристалл при токе 1 А/см2 для того, чтобы удалить с поверхности слой толщиной 1 мкм? Какое долж­ но быть поле в кристалле, чтобы обеспечить требуемый ток? Обсудите, насколь­ ко ускорится процесс травления при освещении кристалла потоком света 1 мВт/см2 с энергией фотона 1,0 эВ.

В 1 см3 германия содержится 5 -ІО22 атомов. Собственная концентрация носителей при комнатной температуре равна 2,4 -ІО13 см-3. Другие данные, относящиеся к этой задаче, можно взять из приложения II.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тамм 11. Е. , Pliys. Zs. Sowjet., 1, 733 (1932).

2.Davison S. G., Levine J. D ., в книге Solid State Physics, 25, eds. F. Seitz and D. Turnbull, Academic Press, 1970. (Имеется перевод: Девисон С.,

10.Hnojevig IP, Ref. 71 by J. T. Law, Semiconductors, ed. Hannay, Reinhold, 1959, p. 702.

14.Becker G. E ., Gobeli G. TP., Journ. Chem. Phys., 38, 2942 (1963).

15.Chiaroiti G., Del Signore G., Nannarone S ., Phys. Rev. Lett., 21, 1170

(1968).

16.Kumagawa M ., Sunami H., Terasaki T., Nishizawa / ., Japan. Journ. Appl.

Phys., 7, 1332 (1968).

20.Turner D. R., в кнпге The Electrochemistry of Semiconductors, ed. P. J.

Holmes, Academic Press, 1962, p. 171.

21.Brattain TP. H., Garrett C. G. B., Bell Syst. Techn. Journ., 34, 129 (1955)

P. J. Holmes, Academic Press, 1962, p. 299.

24.Вавилов В. С., Действие пзлучешш на полупроводники, Фпзматгиз,

1963.

25 *Киселев В. Ф., Физические явления на поверхности полупроводников,

пзд-во «Наука», 1972.

26.*Ржанов А . В., Фпзпческпе явления на поверхности полупроводников,

пзд-во «Наука», 1972.

27*. Вавилов В. С., Ухин Н. А ., Радиационные эффекты в полупроводниках

п полупроводниковых приборах, М., Атомпздат, 1969.

Г Л А В А

ВЛИЯНИЕ ЛОВУШЕК НА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ

Ловушки представляют собой метастабильные состояния, кото­ рые захватывают электрон из состояния с более высокой энергией и удерживают его в течение продолжительного отрезка времени. Затем электрон освобождается, переходя опять в состояние с более высокой энергией, с которого в свою очередь он может перейти в состояние со значительно более низкой энергией, например на дырку в валентной зоне. Последний переход может быть как излучательным, так и безызлучательным. В случае излучательной рекомбинации процесс захвата обусловливает длительную фосфо­ ресценцию, или послесвечение, которое имеет место после прекра­ щения возбуждения. Ловушки также обусловливают медленное нарастание люминесценции и даже временные задержки, наблю­ даемые в лазерах.

§ 1. НАРАСТАНИЕ И СПАД ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

На начальном участке возбуждения носители начинают запол­ нять ловушки и потому не участвуют в люминесценции. После заполнения ловушек интенсивность люминесценции достигает

Ф и г . 17.1. Кривая нарастания люминесценции при наличии ловушек.

своего стационарного значения (фиг. 17.1). Следовательно, при очень низких температурах, когда отсутствует тепловое возбуж­ дение носителей с ловушек, площадь между кривой нарастания и стационарным значением люминесценции можно сопоставить с концентрацией ловушек. Рассмотрим ступенчатое возбуждение,

которое генерирует носители со скоростью I в объеме V активной области полупроводника, где в начальном состоянии ловушки пустые. Если кривая нарастания люминесценции описывается функцией L (t), то концентрация ловушек равна

где р — квантовая эффективность излучательной рекомбинации,

Очевидно, если температура повышается, ловушки могут опус­ тошаться путем термической активации. В этом случае кинетика заполнения ловушек становится более сложной. В простейшем же случае в принципе площадь между кривой нарастания люминесцен­ ции и стационарным или максимальным значением интенсивности люминесценции, экстраполированным к t = 0, пропорциональна концентрации ловушек.

В образце р-тнпа, если ловушки более мелкие, чем верхнее состояние для излучательной рекомбинации, захваченные электтроны будут медленно перетекать с центров захвата на радиацион­ ный уровень. Тогда после прекращения возбуждения спад интен­ сивности люминесценции определяется медленным освобождением захваченных ловушками электронов. Таким образом, скорость спада люминесценции является мерой времени жизни носителей на ловушках. С другой стороны, если ловушка расположена глуб­ же, чем верхнее состояние, участвующее в процессе излучательной рекомбинации, и температура достаточно мала для удержания электрона на ловушке, то люминесценция прекращается с оконча­ нием возбуждения. Для вещества »-типа приведенные выше аргу­ менты справедливы при захвате дырок, а глубина состояний в этом случае отсчитывается от вершины валентной зоны.

§ 2. ТЕРМОЛЮМИИЕСЦЕНЦИЯ

Когда кристалл возбуждается оптически (Ігѵ > Е g) или элек­ тронным пучком, может происходить заполнение глубоких лову­ шек. Те носители, которые были захвачены глубокими уровнями, остаются на ловушках после прекращения возбуждения. Захва­ ченные носители впоследствии могут быть возбуждены с ловушек или оптически (Et < hv < E g), или термически (Et — глубина уровня ловушки). Наиболее часто используется метод термической активации. Температура, при которой носители возбуждаются с ловушек, определяется глубиной уровня ловушки. Когда носи­ тели освобождаются из ловушек, они могут принимать участие в измеримых процессах, таких, как дрейф в электрическом поле (термостимулированный ток [1]) или излучательная рекомбинация