Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 150
Скачиваний: 3
424 Глава IS. Модуляция отражения
зон вблизи поверхности полупроводников п- и p-типа может иметь разные знаки, то пики в дифференциальном спектре отражения могут иметь противоположные полярности в материалах с разным типом проводимости.
Идеальная ситуация, когда измерения производятся в услови ях плоских зон, может быть получена, если к полупроводнику приложить постоянное напряжение, подобранное таким образом, чтобы поверхностный потенциал был равен нулю. В том случае, если зоны вблизи поверхности «выпрямлены», сигнал электроотра жения проходит через минимум [11].
2. Оптическая модуляция отражения
Если зоны изогнуты, то величину поверхностного потенциала можно менять, создавая вблизи поверхности большую концентра цию носителей. Носители могут быть генерированы при оптиче ском возбуждении вторым модулированным пучком сильно погло щаемого света. Оптическая инжекция выпрямляет зону, уменьшая таким образом поверхностный потенциал. Следовательно, макси мальная величина модулированного сигнала зависит от первона
чального изгиба |
зон, |
который в свою очередь сильно |
зависит |
от окружающей |
среды. |
Этот оптический метод [21, 22], |
иногда |
называемый «фотоотражением», обладает несколько меньшей чув ствительностью, чем электроотражеиие (минимальное значение AR/R Ä ; ІО-4); преимущество его состоит в том, что отпадает необходимость в применении электродов. При использовании этого метода возможно также независимое изменение температуры и состава окружающей среды.
Для того чтобы избежать искажений в спектре отражения за счет модулирующего света, первый пучок света (зондирующий) создается монохроматором, а отраженный пучок попадает в спек трометр; сканирование спектра обоими приборами производится синхронно. Таким образом, при настройке приборов на одну и ту же длину волны величина фона, связанная со вторым модулиро ванным пучком, уменьшается.
3, Катодоотражение
Отметим, что поскольку высокая концентрация электронно дырочных пар может создаваться при бомбардировке быстрыми электронами, то поверхностный потенциал можно модулировать также электронным пучком. Следовательно, электронную бомбар дировку можно также использовать для модуляции отражения полупроводника [23]; этот метод можно назвать «катодоотражением». Однако, как мы видели в § 3 гл. 11, возбуждение электрон ным пучком не является эффективным методом генерации элек
426 Глава IS. Модуляция отражения
Это дает возможность получить информацию о свойствах симмет рии кристалла в различных критических точках.
Ыа фиг. 18.6 изображен моиокристаллическин стержень крем ния, соединенный с кварцевым преобразователем. Стержень выре зан вдоль направления [НО], поскольку эта ось параллельна трем главным кристаллографическим плоскостям (111), (НО) и (100). Таким образом, можно исследовать относительное изменение отра жения от различных поверхностей.
Хотя в спектре электроотражешш проще получить резкую структуру, метод пьезоотражения приводит к результатам совер шенно иного типа. Пьезоотражеиие дает производную спектра отражения по энергии фотона; напряжение изменяет ширину запрещенной зоны без заметного изменения распределения состоя ний в зоиах. С другой стороны, электроотражение дает изменения в распределении плотности состояний, индуцированные полем (эффект Келдыша — Франца).
5. Термоотражение
Тонкий образец полупроводника обладает малой тепловой инер цией. Поэтому его температуру можно периодически модулировать с низкой частотой (-•—■100 Гц). Быстрый нагрев можно осуществить, пропуская через образец ток пли помещая тонкий кристалл на малопнерцпониый нагреватель [25, 26].
Край зоны смещается с температурой, вызывая изменение энергии критических точек. Однако, поскольку различные кри тические точки обладают разными температурными коэффициента ми, структура спектра отражения будет определяться как комби нированной плотностью состояний, так и различием в темпера турных коэффициентах в каждой критической точке.
В отличие от ранее рассмотренных способов модуляции отра жения, когда свойства полупроводника менялись вдоль определен ного направления (поля или механического напряжения), в мето де термоотражения изменения являются изотропными.6
6. Модуляция длины волны
'Модуляция длины волны представляет собой простейшую схе му модуляции. Ее можно осуществить либо путем колебания выходной щели монохроматора в поперечном направлении 127], либо путем колебания зеркала, стоящего перед щелью, что приво дит к тому же результату [28]. Однако методом модуляции длины волны можно получить только производную статического спектра отражения, тогда как при модуляции отражения модули руется некоторый внутренний параметр, например комбинирован-
§ 3. Некоторые результаты |
427 |
ная плотность состояний. Можно думать поэтому, что использова ние нескольких схем модуляции при исследовании одного и того же образца даст взаимно дополняющие результаты.
§ 3. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На фиг. 18.7 показан пример структуры, которую можно полу чить на германии методом электроотражения. Пик 0,798 эВ наблю дается при энергии, несколько меньшей чем ширина зоны для
Ф и г . 1817. Зависимость относительного изменения коэффициента отраже ния ДR /R от энергии фотона [29].
Отрицательный знак ДЯ/Я соответствует уменьшению коэффициента отражения, вызван ному положительной полуволной модулирующего переменного поля. Величина трех пиков, отмеченных звездочкой, в 10 раз превышает указанную на фигуре.
прямых переходов. Пик с гораздо меньшей интенсивностью при 1,09 эВ соответствует прямым переходам из отщепленной валент ной подзоны Ѵ3. Пики 2,109 и 2,322 эВ приписываются переходам в точке Л (направление (111 )) из подзон Fx и Ѵ3 соответствен но, расстояние между которыми в этой точке зоны Бриллюэна соста вляет 0,2 эВ. Считается, что структура между 3 и 4 эВ связана с квадруплетным переходом Г25— Г15. Специальное исследование показало, что первый пик электроотражения германия зависит от окружающей среды и постоянного напряжения, приложенного к образцу одновременно с модулирующим полем [29]. Отметим, что большинство ранних данных (полученных до 1969 г.), возмож но, нуждается в пересмотре с учетом неоднородности электриче ского поля. На фиг. 18.8 показано влияние окружающей среды на отражение CdS в области края собственного поглощения. В дан
428 |
Глава 18. Модуляция отражения |
ном |
случае модуляция создавалась оптическим возбуждением |
(фотоотражение); поверхностный потенциал изменялся между величиной, определяемой окружающей средой, и меньшей вели чиной, получаемой в результате образования фото-э.д.с. на поверх ностном барьере.
Символы, которыми отмечены различные особенности струк туры электроотражения GaAs, показанной на фиг. 18.9 [31],
Ф и г . 18.8. Зависимость отражения, модулированного светом, от энергии фотона для гексагонального CdS при комнатной температуре в различных газовых средах [30].
Направление распространения света параллельно с-оси.
позволяют сопоставить эту структуру с соответствующими пере ходами на зонной диаграмме (фиг. 18.10). Все эти пики смещаются при изменении температуры; их интенсивности находятся в той или иной нелинейной зависимости от амплитуды модулирующего поля [32]. Пик с наименьшей энергией 1,38 эВ (на 30 мэВ меньше, чем ширина запрещенной зоны при комнатной температуре) при писывается примесному уровню, вероятно, акцепторному. Пик 1,42 эВ соответствует прямым межзонным переходам. В области 1,77 эВ имеется очень похожий пик, соответствующий переходам из отщепленной валентной подзоны (Е 0 + Д0). Другая серия пиков наблюдается при Ег и Ег + Ах; эти пики соответствуют переходам Д зв — А1с из подзон ТД и У2 соответственно. Температурная зави-
103âR/K
Ф и г. 18.9. Спектр электроотражения GaAs я-типа при комнатной темпе ратуре [31].
Постоянное напряжение равно .1,5 В; амплитуда переменного модулирующего напряження составляет 2,4 В.
430 |
Глава 18. Модуляция отражения |
симость всех этпх пиков, показанная на фиг. 18.11, может быть сопоставлена с известной температурной зависимостью ширины запрещенной зоны, полученной из исследованпя поглощения. Помимо относительных температурных зависимостей энергий различных экстремумов, данные, приведенные иа фиг. 18.11, позво ляют получить величину спин-орбитального расщепления валент-
Ф и г. 18.11. Зависимость от температуры положения пиков электроотра жения.
Трп квадрата, соединенные штриховой пинией, указывают значения ширины запре щенной зоны, полученные из данных по поглощению [33]. Отрицательные температур ные коэффициенты даны справа в единицах 1 ■10—* эВ/К [32].
ной зоны в некоторых точках зоны Бриллюэна. Так, Д0 (в точке Г) = = 0,348 ± 0,002 эВ и Ax (в точке А) = 0,232 ± 0,002 эВ [32].
Основное различие между зонными структурами GaAs и GaP состоит в том, что в GaP минимум Гх зоны проводимости располо жен выше минимума Х І7 т. е. GaP представляет собой полупровод ник с непрямыми переходами. Поэтому GaAs и GaP обладают (несмотря на различные энергетические расстояния между зонами