Постановка задачи исследования

В данной работе была поставлена задача исследовать зависимость спектров фотоэдс от концентрации поверхностных дефектов (плотности дислокаций) в полупроводниках GaAs, легированных Te. Для выполнения поставленной задачи необходимо выполнить следущие пункты:

1. Подобрать режим травления для выявления дефектов GaAs n-типа
2. Провести оценку плотности дислокаций в отдельных (10 -15) точках образцов;
3. Построить гистограмму распределения плотности дослокаций по поверхности образцов
4. Оценить среднюю плотность дислокаций в образцах и однородность распределения дефектов по поверхности образцов.
5. Получить полупрозрачный слой металл на поверхности образцов путем вакуумного напыления на нее Au или Cu, либо путем механического нанесения на последнюю In-Ga пасты.
6. Снять фотоэлектрические спектры кристаллов
7. Исследовать зависимость фотоэлектрических спектров (фотоэдс от l) GaAs от концентрации поверхностных дефектов.
8.  

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Оценка концентрации поверхностных дефектов (плотности дислокаций)

Как известно поверхностные дефекты играют существенную роль в формировании спектров фотоэдс (ФЭДС), которые формируются на запирающем контакте металл-полупроводник. При этом сведений о влиянии таких поверхностных дефектов, как дислокации, на выпрямляющий контакт Cu-GaAs  в литературе практически не встречается. Поэтому в данной работе предпринята попытка исследовать зависимость спектров ФЭДС от концентрации поверхностных дефектов (плотности дислокаций) на поверхности GaAs  n-типа, легированного Te (n~10¹⁶см^-3). Для выявления дислокаций использовалось травление. Условия травления и травители для всех кристаллов были идентичны. Использовались травители №1 и №4 таблицы №1. Из множества (~20-ти) протравленнных образцов были отобраны 3 образца, наиболее различающиеся между собой по плотности дислокаций. Отбор производился на основе подсчета ямок травления с помощью металлографического микроскопа МИМ-7 в разных частях образцов. Оценка плотности дислокаций в отдельных 10-ти точках образца осуществлялась при помощи формулы N_g  = n^*/S. Гистограммы распределения плотности дислокаций в зависимости от положения изучаемых точек представлены на рис.1,2,3. Видно, что дислокации на поверхности образцов распределены неравномерно. В качестве параметра, характеризующего плотность дислокаций, принималось среднее значение плотности дислокаций.

Исследование фотоэлектрических спектров

С целью изучения роли поверхностных дислокаций  в фотоэлектрических процессах протекающих в GaAs, в настоящей работе исследованы спектры ФЭДС поверхностно-барьерных структур Cu-n-GaAs при Т=300К.

Поверхностно-структурные контакты были получены напылением тонких полупрозрачных слоев (около 10 нм) меди на поверхности образцов GaAs n-типа, легированных Te (N_д~10¹⁶ см^-3) в вакууме при давлении остаточных газов ~10^-5мм.рт.ст.. Спектральное распределение ФЭДС измерялось на установке, собранной на базе монохроматора МДР-3 с дифракционной решеткой 600 штр/мм с обратной линейной дисперсией 2 нм/мм в вентильном режиме. Измерение постоянной ФЭДС производилось высокочувствительным цифровым вольтметром В7-30 при комнатной температуре с использованием красного светофильтра ( КС-10 ) в пределах длин волн от 750 нм до 960 нм. Исследование зависимости фотоэлектрических спектров (зависимость фотоэдс от длины падающего света) от концентрации поверхностных дефектов (плотности дислокаций) проводилось в области собственного и примесного поглощения. Величина измеряемого фотоответа для исследуемых кристаллов лежала в пределах от 0,3В до  –1В. Автоматическая запись спектра осуществлялась на ленте самописца КСП-4. В качестве источника света использовалась лета накаливания СИ-300У. Зондирующий свет с выхода монохроматора падал на выпрямляющий контакт со стороны полупрозрачного металлического слоя. На рис.4 приведены спектры ФЭДС для 3-х образцов с различной концентрацией поверхностных дефектов (плотностью дислокаций). Во всех случаях ФЭДС претерпевает резкий спад вблизи края собственного поглощения при l ~ 880нм. В кристалле №1 с наименьшей плотностью дислокаций (Ng~0,7*10³ см^-2,кривая 1) за краем поглощения при hn<E_g, в отличие от двух других, имеется особенность в виде выступа. По видимому, она обусловлена фотовозбуждением электронов валентной зоны на донорные уровни с последующим термическим переходом в валентную зону. Маловероятным представляется иной известный эффект [12,14], связанный с фотоэмиссией электронов из металла в полупроводник, т.к. в этом случае величина сигнала была бы по величине на 2-3 порядка меньше сигнала, соответствующего зонным переходам. В данном случае оба сигнала имеют величину одного порядка. Кроме того, энергетическая протяженность выступа для структуры Cu-GaAs должна быть порядка 0,9 эВ[14], [12, стр.340]. В нашем же случае эта величина меньше на порядок (~0,09 эВ). Характерной особенностью спектрального распределения фотоответа двух других образцов (кривые2 и 3 на рис.4) является изменение знака ФЭДС в области hn<E_g. Очевидно, это следует связать с влиянием поверхностных дислокаций на формирование спектров ФЭДС, т.к. величена сигнала растет по модулю с ростом плотности этих дефектов.

Согласно предлагаемой нами модели, эффект изменения знака ФЭДС обусловлен дислокациями, которые, как известно, соответствуют краям лишних атомных полуплоскостей (рис.5). В окрестности дислокации существуют механические напряжения сжатия и растяжения, приводящие к локальному изменению ширины запрещенной зоны, обусловленному деформационным потенциалом[12, стр.19]. Причем со стороны сжатия происходит расширениеE_g, а со стороны растяжения – сужение с резким скачком значения ширины запрещенной зоны на самой дислокации.

В области собственного поглощения фотоответ обусловлен возбуждением электронно-дырочной пары непосредственно вблизи контакта, т.к. из-за большого коэффициента поглощения в этой спектральной области глубина проникновения света в полупроводник невелика. Рожденные в результате поглощения собственные носители дают вклад в ФЭДС, возникающую на контакте при освещении за счет разделения неравновесных электронов и дырок приконтактным изгибом зон. При этом полярность ФЭДС положительна со стороны металла. В этом процессе решающую роль должны играть бездефектные участки поверхности полупроводника. За краем же поглощения при hn<E_g возрастает глубина проникновения света в полупроводник. При этом в процессах поглощения возрастает роль областей в окрестностях дислокаций, где имеет место локальное сужение ширины запрещенной зоны. При hn<E_g собственное поглощение возможно только вблизи таких центров. Как видно из рис.6, изгиб зон таков, что неравновесные электроны и дырки должны устремляться в сторону дислокации, к поверхности. При этом вклад электронов, обладающих большей подвижностью по сравнению с дырками, должен быть заметно выше. Электроны, туннелируя сквозь контактный потенциальный барьер, устремляются к поверхности, приводя к изменению знака ФЭДС.

По спектральной ширине фотоответа в области отрицательных фотоэдс, можно произвести оценку величены деформационного потенциала, составляющую порядка 0,05 – 0,1 В.