Тема: Исследование процессов релаксации неравновесных носителей заряда в арсениде галлия

Параметры неравновесных носителей заряда в арсениде галлия являются важными для работы приборов на его основе. Для некоторых приборов, например, фотопроводящих дипольных антенн или ключей Остона, необходимо малое время жизни, которые в некоторых арсенид-галлиевых структурах может достигать 200-500 фс. Наоборот, для арсенид-галлиевых детекторов рентгеновского излучения необходимы структуры с большим временем жизни неравновесных носителей заряда, которое может достигать сотен наносекунд. Для управления, а том числе времени жизни неравновесных носителей заряда, применяются соответствующие технологии модифицирования свойств арсенида галлия (легирование из расплава, диффузионное легирование, температурные обработки и др.). В этой связи представляют интерес исследования механизмов релаксации носителей заряда, в том числе определение параметров дефектов (ловушек), таких как сечения захвата, концентрация, энергетические положения для материалов с различной предысторией. При этом имеется практический интерес в создании надежных методов контроля свойств полупроводникового материала, который будет использоваться для изготовления устройств. Одной из перспективных методик для определения времени жизни неравновесных носителей заряда является техника «накачка-зонд», в которой после возбуждения в образце неравновесной концентрации носителей заряда с помощью короткого лазерного импульса высокой интенсивности осуществляется зондирование пропускания терагерцовым излучением с определенными задержками по времени. Временное разрешение метода может быть менее 100 фс.
В настоящей работе решается задача, связанная с исследованием возможности применения метода терагерцовой pump-probe спектроскопии для определения свойств арсенида галлия, легированного хромом (GaAs:Cr), являющегося основой для создания детекторов рентгеновского излучения. Наряду с экспериментальными задачами по реализации схемы измерения и непосредственного их выполнения будут решаться задачи, связанные с обработкой и моделированием экспериментальных зависимостей коэффициента пропускания и расчетами на их основе времен жизни неравновесных носителей заряда. Имеются сложности, связанные с возможной зависимостью процессов от интенсивности накачки (возможно и длины волны) и сопоставлением с данными измерений другими методами, например, связанными с измерением эффективности сбора заряда.
Настоящая работа направлена на решение указанных выше проблем. Успешное выполнение работы будет иметь практическое значение и применение для контроля пластин исходного материала при создании детекторов рентгеновского излучения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. При уровнях концентрации неравновесных носителей заряда в GaAs:Cr, генерируемых при фотовозбуждении образца фемтосекундными лазерными импульсами на центральной длине волны вблизи 800 нм и обеспечивающих достаточное для проведения измерений ослабление терагерцового луча в методе «накачка-зонд», существенный вклад в величину эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда дают механизмы Оже-рекомбинации, которые являются преобладающими при концентрациях носителей заряда выше 5’1017¬5-1018 см-3.
2. Метод терагерцовой спектроскопии «накачка-зонд» при исследованиях процессов релаксации неравновесных носителей заряда в GaAs:Cr позволяет оценить уровень эффективного времени жизни, характерного для невысоких (менее 1016 см-3) концентраций неравновесных носителей заряда и обусловленного рекомбинацией Шокли-Рида.
Основные результаты диссертации были представлены на конференции: Российская конференция и школа молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники, «Исследование времени жизни неравновесных носителей заряда в GaAs:Cr методом терагерцовой pump-probe спектроскопии», Россия.

Купить

В результате выполненной работы проведено исследование временной динамики процессов релаксации неравновесной концентрации носителей заряда в полупроводниковых кристаллах GaAs, LT-GaAs и GaAs:Cr методом терагерцовой pump-probe спектроскопии. Проведен анализ полученных экспериментальных данных в рамках модели с учетом поверхностной и объемной рекомбинации Шокли-Рида, излучательной рекомбинации, Оже-рекомбинации «зона-зона» и Оже-рекомбинации через ловушки. Установлено, что при уровнях концентрации неравновесных носителей заряда, возникающих в проведённых экспериментах, с возбуждением образца излучением с длительностью импульса 35 фс, энергией в импульсе 0,26 мДж на центральной длине волны 791 нм, существенное влияние оказывают механизмы Оже-рекомбинации, которые приводят к релаксации неравновесной концентрации носителей заряда в полупроводниковых кристаллах GaAs:Cr за характерные времена порядка 500 пс и меньше. Механизмы Оже-рекомбинации вносят решающий вклад в скорость рекомбинации неравновесных носителей заряда при уровнях инжекции выше 5’1017-5’1018 см-3. При более низких концентрациях основным механизмом рекомбинации является рекомбинация Шокли-Рида. Для большинства образцов GaAs:Cr характерные времена жизни, обусловленные рекомбинацией Шокли-Рида, составляют 1,5 нс. Полученные значения коэффициентов Оже-рекомбинации b и c на уровне 5-10-10 см3/с и 2-10-30 см6/с согласуются с полученными ранее для GaAs по измерения кинетики релаксации фотолюминесценции.
Надежность методики измерения и анализа данных была проверена путем исследования образов с заведомо низким временем жизни неравновесных носителей заряда (LT-GaAs), а также GaAs с EL2-центрами. Для таких образцов получены результаты, сопоставимые с известными данными,
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о возможности применения метода терагерцовой pump-probe спектроскопии для определения времени жизни в полупроводниковых кристаллах GaAs:Cr, предназначенных для изготовления приборов с требуемым низким (фотопроводящие дипольные антенны для генерации терагерцового излучения) и высоким (детекторы ионизирующих изучений) временем жизни неравновесных носителей заряда.

Купить