Effect of an electric field on photoconductivity in p-GaSe single crystals.pdf Введение Относящийся к классу полупроводниковых соединений АIIIBVI со слоистой структурой моноселенид галлия (GaSe) [1] является одним из перспективных материалов для оптоэлектроники в видимом и ИК-диапазонах. Это вызывает интерес к изучению воздействия различных факторов на его фотопроводимость. В представленной работе исследовано влияние электрического поля на собственную фотопроводимость монокристаллов р-GaSe. 1. Экспериментальная часть 1.1. Материалы Изучаемые образцы срезались из различных частей крупных нелегированных, а также легированных редкоземельными элементами (РЗЭ) - диспрозием (Dy) и эрбием (Еr) - монокристаллических слитков p-GaSe, выращенных методом Бриджмена. При Т ≥ 250 К величина темнового удельного сопротивления (ρт) для всех исследуемых кристаллов оказывается почти одинаковой (при 300 К составляет ~ 5•103-104 Ом•см). Начиная примерно с Т = 250 К, при понижении температуры ρт для различных образцов постепенно увеличивается. При Т = 77 К его значение (ρт0) составляет ~ 3•104-107 и ~ 104-108 Ом∙см в различных образцах нелегированных и легированных РЗЭ кристаллов соответственно. Величина ρт зависит также от NРЗЭ и свое максимальное значение получает при NРЗЭ ≈ 5•10-4 ат. % [2]. Образцы имели форму плоскопараллельной пластинки с толщиной 0.1- 0.3 мм в направлении оси С и поперечными размерами по плоскости естественных слоев кристалла (2.0-3.0)(3.0-5.0) мм. Материалами электрических (токовых) контактов, расположенных на двух противоположных торцах или поверхностях образца, служили индий, олово или же серебряная паста. При всех измерениях световой поток (Ф) был направлен перпендикулярно, а электрическое поле (Е) в зависимости от требований эксперимента - вдоль или перпендикулярно к естественным слоям кристалла. Адгезия и омичность электрических контактов контролировались при помощи ВАХ, снятой на характерографе. 1.2. Методы исследования При помощи экспериментальной установки, собранной на базе монохроматора типа МДР-12 [3], методом стационарной фотопроводимости [4] в области температур Т = 77-300 К, напряженности электрического поля Е ≈ 2•101-2.5∙103 В/см, длин волн λ = 0.30-1.00 мкм и интенсивности света Фс ≈ 5100-5102 Лк фиксировались основные характеристики фотопроводимости (фототока) в исследуемых образцах. 2. Результаты и их обсуждение Установлено, что в области Т  250 К во всех исследуемых образцах, а также в образцах нелегированных с ρт0  4•104 Ом•см и легированных с NРЗЭ ≥ 10-2 ат. % монокристаллов p-GaSe при Т  250 К фотопроводимость удовлетворительно подчиняется теории фотопроводимости в пространственно-однородных кристаллических полупроводниках с уровнями прилипания, захвата и рекомбинации в запрещенной зоне [4]. При напряженностях электрического поля E  Ei с ростом ρт0 максимум (λм) (рис. 1, кривая 1) и красная граница (λкр) (рис. 1, кривая 2) спектра фотопроводимости смещаются в сторону более длинных волн света. При этом наблюдается также заметная зависимость положения максимума λм (рис. 1, кривая 1) и красной границы λкр (рис. 1, кривая 2) спектра фотопроводимости от содержания введенной примеси в легированных РЗЭ монокристаллах p-GaSe. С ростом значения содержания введенной примеси, сначала (при NРЗЭ ≤ 5•10-4 ат. %) максимум (рис. 1, кривая 3) и красная граница (рис. 1, кривая 4) спектра смещаются в сторону более длинных волн света, а затем (при NРЗЭ  5•10-4 ат. %) с ростом NРЗЭ они меняют свои положения в обратную сторону и при NРЗЭ = = 10-1 ат. % совпадают с имеющим место в нелегированных кристаллах с наименьшим значением ρт0. С повышением температуры зависимость спектра фотопроводимости от величин ρт0 и NРЗЭ резко ослабляется, при Т  250 К совсем исчезает. Рис. 1. Зависимость положения максимума (кр. 1, 3, 5 и 6) и длинноволновой границы (кр. 2, 4, 7 и 8) спектра собственной фотопроводимости от исходной величины темнового удельного сопротивления в нелегированных (кр. 1, 2, 5 и 7) и содержания введенной примеси в легированных РЗЭ (кр. 3, 4, 6 и 8) монокристаллах p-GaSe при различных напряженностях электрического поля. Т = 77 К; Фс/Фсм = = 210-1Е, В/см: кр. 1-4 - 6•101; кр. 5-8 - 2•103 Люкс-амперные характеристики (ЛАХ) фотопроводимости в образцах нелегированных монокристаллов p-GaSe с наименьшим значением ρТ0 состоят из последовательных участков (рис. 2, кривая 1) - линейного, сублинейного и участка квазинасыщения. В образцах нелегированных со значением ρт0 > 105 Ом•см и легированных РЗЭ c NРЗЭ < 10-2 ат. % монокристаллов при слабых освещенностях наблюдается участок степенной зависимости величины фототока (iфс) от интенсивности света (Фс) с показателем степени α  1 (рис. 2, кривые 2 и 3 соответственно). При этом значение α с ростом величины ρт0 плавно увеличивается примерно до 4-5 (рис. 3, кривая 1), а с ростом NРЗЭ меняется немонотонно и принимает свое максимальное значение (~ 6) при NРЗЭ = 5•10-4 ат. %, а минимальное (~ 1) - при NРЗЭ = 10-1 ат. % (рис. 3, кривая 2). Рис. 2. ЛАХ фотопроводимости в нелегированных (кр. 1, 2, 5) и легированных РЗЭ (кр. 3, 4, 6) монокристаллах p-GaSe при различных напряженностях электрического поля Е, В/см: кр. 1, 2, 3, 4 - 6•101; кр. 5, 6 - 2•103; ρт0, Ом∙см: кр. 1 - 4•104; кр. 2, 5 - 8•107; NРЗЭ, ат. %: кр. 1, 2, 5 - 0; кр. 3, 6 - 5•10-4; кр. 4- 10-1; Т = 77 К; λс = 0.56 мкм В образцах нелегированных с ρт0 > 105 Ом•см и легированных с NРЗЭ < 10-2 ат. % монокристаллов при Т  250 К и слабых освещенностях (когда ЛАХ фотопроводимости еще не выходит на участок квазинасыщения), при вызывающих заметную инжекцию напряженностях электрического поля (для различных образцов при температуре 77 К в темноте E  Ei ≈ 100-120 В/см) фотопроводимость приобретает специфические особенности. Характер и степень этих особенностей, помимо температуры, зависят от интенсивности света, напряженности электрического поля, исходного значения темнового удельного сопротивления, содержания введенной примеси. Pис. 3. Зависимость значения показателя степени (α) начального крутого участка ЛАХ фотопроводимости от исходной величины темнового удельного сопротивления в нелегированных (кр. 1 и 3) и содержания введенной примеси в легированных РЗЭ (кр. 2 и 4) монокристаллах p-GaSe при различных напряженностях электрического поля. Т = 77 К; λс = 0.56 мкм; Е, В/см: кр. 1, 2 - 6•101; кр. 3, 4 - 2•103 В образцах нелегированных монокристаллов p-GaSe с наименьшим значением ρт0 процессы релаксации фотопроводимости (установление стационарного значения и исчезновение фотопроводимости при включении и выключении воздействия света на исследуемый образец) имеют быстрый характер. C увеличением значения ρт0 процесс исчезновения фотопроводимости становится долговременно релаксирующим, при этом постоянная времени релаксации в течение этого процесса постепенно увеличивается (рис. 4, a, кривая 2). В образцах легированных РЗЭ монокристаллов с ростом NРЗЭ кинетика фотопроводимости сначала (при NРЗЭ ≤ 5•10-4 ат. %) (рис. 4, a, кривая 3) приближается к характерной для образцов нелегированных кристаллов с наибольшим (рис. 4, а, кривая 2), а далее (при NРЗЭ > 5•10-4 ат. %) (рис. 4, a, кривая 4) с наименьшим значением ρт0 (рис. 4, а, кривая 1). При напряженностях электрического поля, больших Еi, с увеличением Е положения максимума (рис. 1, кривые 5 и 6) и красной границы спектральной характеристики (рис. 1, кривые 7 и 8), а также ЛАХ фотопроводимости (рис. 2, кривая 5 и рис. 3, кривые 3 и 4) в образцах обеих групп (нелегированных и легированных РЗЭ) монокристаллов p-GaSe постепенно приближаются к характерному состоянию для нелегированных кристаллов с наименьшим ρт0. В образцах нелегированных монокристаллов с наименьшим значением ρТ0 кинетика фотопроводимости не зависит от напряженности электрического поля (рис. 4, а, б кривые 1). В образцах со значением ρт0 > 105 Ом•см нелегированных (рис. 4, а, б, кривые 2) и с содержанием введенной примеси NРЗЭ  5•10-4 ат. % (рис. 4, а, б, кривые 3) легированных монокристаллов при слабых освещенностях и Т  250 К под действием электрического поля с напряженностью Е  Еi скорость установления стационарного значения и исчезновения фотопроводимости увеличивается, а при NРЗЭ > 5•10-4 ат. % с ростом NРЗЭ ситуация постепенно приближается к имеющему место в нелегированных кристаллах с наименьшим значением ρт0 (рис. 4, а, б, кривые 4). В образцах нелегированных монокристаллов с исходным значением темнового удельного сопротивления ρт0 > 105 Ом•см и легированных с содержанием введенной примеси NРЗЭ  10-2 ат. % при электрических полях с напряженностью Е  Еi величина фотопроводимости заметно уменьшается относительно имеющего место при напряженностях электрического поля Е  Еi. Процесс релаксации фотопроводимости после выключения воздействия света значительно ускоряется - происходит электрическое стирание остаточной фотопроводимости (рис. 4, б, кривые 2 и 3). При рассмотренных условиях зависимость от химической природы введенной примеси, а также внутрицентровые примесные эффекты не наблюдаются. Обнаруживается лишь немонотонная зависимость основных параметров и характеристик фотопроводимости от содержания введенной примеси, при этом наибольшее влияние легирования на них имеет место при NРЗЭ ≈ 5•10-4 ат. %. Анализ полученных экспериментальных результатов показывает, что их можно объяснить на основе модели кристаллического полупроводника со случайными макроскопическими дефектами (СМД) [5] и различными уровнями прилипания, захвата, рекомбинации [4] с учетом осуществления при Е  Еi инжекции. Существующие в свободных энергетических зонах такого полупроводника рекомбинационные барьеры обусловливают долговременную релаксацию проводимости (остаточную фотопроводимость), а дрейфовые барьеры препятствуют дрейфу носителей заряда. В исходном состоянии, чем больше число и размеры дрейфовых барьеров в образце, тем выше будет и его темновое удельное сопротивление. При воздействии света проводимость такого полупроводника увеличивается как вследствие создания избыточной концентрации свободных носителей заряда [4], так и стирания дрейфовых барьеров [6]. При этом аналогично эффекту Франца - Келдыша [7] может возникнуть и облегченный туннелированием компонент фотопроводимости (Δiфс), который вызывает зависимость максимума и красной границы спектра фотопроводимости от ρт0 и NРЗЭ в образцах нелегированных и легированных монокристаллов соответственно. В таком двухбарьерном полупроводнике при низких температурах фотопроводимость состоит из концентрационного и дрейфового составляющих. В связи с тем, что зависимость высоты дрейфовых барьеров от освещенности имеет экспоненциальный характер [6], при определенных условиях дрейфовый компонент фотопроводимости может оказаться значительным, что и обусловливает появление начального крутого участка на кривых ЛАХ фотопроводимости. С повышением температуры и интенсивности света, с дальнейшим увеличением NРЗЭ (при NРЗЭ  5•10-4 ат. %) вследствие компенсации пространственного заряда СМД зарядами соответственно термических и фотогенерированных носителей, а также заряда ионов введенных примесей потенциальный рельеф свободных энергетических зон спрямляется - происходит стирание дрейфовых барьеров. При этом ситуация постепенно стабилизируется и приближается к соответствующему в образцах с наименьшим ρт0. В образцах легированных кристаллов с ростом NРЗЭ сначала (при NРЗЭ ≤ 5•10-4 ат. %) ионы введенных примесей, скапливаясь на СМД, увеличивают их влияние на фотопроводимость. При дальнейшем росте NРЗЭ (при NРЗЭ  5•10-4 ат. %) вследствие перекрытия областей пространственных зарядов соседних СМД [8] ослабляется их влияние на фотопроводимость. Рис. 4. Кинетика фотопроводимости в нелегированных (кр. 1 и 2) и легированных РЗЭ (кр. 3 и 4) монокристаллах p-GaSe при различных напряженностях электрического поля. Т = 77 К; Фс/Фсм = 0.2; λс = 0.56 мкм; ρт0, Ом∙см: кр. 1 - 4•104; кр. 2 - 8•107; NРЗЭ, ат. %: кр. 1, 2 - 0; кр. 3 - 5•10-4; кр. 4 - 10-1; Е, В/см: а - 60; б - 2•103 В образцах с наименьшим ρТ0 отсутствуют СМД (или же их влияние на электронные процессы совсем незначительно). Поэтому кинетика фотопроводимости в них определяется лишь взаимодействием свободных носителей заряда с различными уровнями прилипания, захвата, рекомбинации и носит быстрый характер. В образцах нелегированных с ρn0 > 105 Ом•см и легированных с NРЗЭ ≤ 5•10-4 ат. % монокристаллов на фотопроводимость сильнее влияют дрейфовые и рекомбинационные барьеры, что проявляется в медленно релаксирующем характере ее кинетики. Не исключается влияние легирования при NРЗЭ  5•10-4 ат. % на пространственную неоднородность исследуемых кристаллов и вследствие вхождения изовалентных РЗЭ атомов в существующие вакансии галлия. При этом усиливается ковалентная доля связи между слоями кристалла и происходит частичное «залечивание» их дефектности. Анализ полученных экспериментальных результатов свидетельствует о том, что обнаруженное при рассмотренных условиях влияние электрического поля на фотопроводимость в монокристаллах p-GaSe не обусловлено «эффектами сильного электрического поля» [7], а непосредственно связано с заполнением расположенных в запрещенной зоне этого полупроводника уровней захвата и компенсацией пространственного заряда существующих в исследуемых образцах случайных макроскопических дефектов инжектированными при воздействии электрического поля с напряженностью Е  Еi неравновесными свободными носителями заряда. Заключение При температурах Т  250 К, слабых освещенностях и создающих инжекцию свободных неравновесных носителей заряда напряженностях электрического поля: - фотопроводимость в образцах нелегированных, имеющих при 77 К темновое удельное сопротивление ρт0 > 105 Ом•см, и легированных РЗЭ с содержанием введенной примеси NРЗЭ < < 10-2 ат. % монокристаллов p-GaSe, помимо температуры, легирования, исходного значения темнового удельного сопротивления исследуемого образца, зависит также от напряженности электрического поля; - зависимость фотопроводимости в монокристаллах p-GaSe от напряженности электрического поля может быть объяснена в рамках модели кристаллического полупроводника со случайными макроскопическими дефектами, одновременно имеющего различные типы уровней прилипания, захвата и рекомбинации в запрещенной зоне; - влияние электрического поля на фотопроводимость в нелегированных с исходным значением темнового удельного сопротивления ρт0 > 105 Ом•см и легированных РЗЭ с содержанием введенной примеси NРЗЭ < 10-2 ат. % образцах монокристаллов p-GaSe не обусловлено «эффектами сильного электрического поля», а связано с заполнением существующих в запрещенной зоне этого полупроводника центров захвата и компенсацией пространственного заряда случайных макроскопических дефектов инжектированными свободными носителями; - ионы введенных примесей РЗЭ, скапливаясь на случайных макроскопических дефектах, сначала (при NРЗЭ ≤ 5•10-4 ат. %) увеличивают, а далее (при NРЗЭ  5•10-4 ат. %) из-за постепенного перекрытия областей пространственных зарядов соседних случайных макроскопических дефектов ослабляют влияние этих дефектов на фотопроводимость в монокристаллах p-GaSe, а также, занимая вакансии галлия, частично «залечивают» дефектность кристалла. В заключение авторы выражают искреннюю благодарность д.ф.-м.н., профессору С.Р. Фигаровой за обсуждение полученных результатов и предложенных объяснений, а также за ценные советы.

Скачать электронную версию публикации