ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ И СОБСТВЕННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ZnGeP2
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Физические свойства кристаллов нелинейной оптики 12
1.1 Понятие “Нелинейная оптика” 12
1.1.1 Нелинейная поляризация 12
1.1.2 Эффекты, связанные с поляризацией второго порядка 13
1.1.3 Условие фазового синхронизма 15
1.1.4 Параметрический генератор света 16
1.2 Нелинейные кристаллы 17
1.2.1 Основные характеристики нелинейных кристаллов 17
1.2.2 Свойства кристаллов ZnGeP2 20
1.2.3 Генерация THz излучения на кристалле ZnGeP2 23
1.2.4 Электрические и фотоэлектрические характеристики ZnGeP2 25
1.3 Свойства пленок Ga2O3 29
1.4 Выводы по Главе 1 и постановка задачи 32
2 Методика эксперимента 34
2.1 Изготовление образцов 34
2.1.1 Резка материала для подложек 34
2.1.2 Шлифовка и полировка пластин 36
2.1.3 Изготовление образцов Pt/ZnGeP2/In и структур
Pt Ga;O: Z.nGelM’l 38
2.2 Методика измерений электрических, фотоэлектрических и
оптических характеристик 40
3 Результаты эксперимента и их обсуждение 44
3.1 Оптические характеристики образцов ZnGeP2 44
3.1.1 Исследование образцов и в THz диапазоне 44
3.1.2 Исследование спектральных характеристик образцов
Ga2O3/ZnGeP2в видимом и ИК диапазонах 50
3.2 Температурные зависимости ВАХ контактов металл -
полупроводник Pt /ZnGeP2 53
3.3.1 ВФХ структур Pt/Ga2O3/ZnGeP2/Pt 56
3.3.2 Темновые характеристики структуры Ga2O3/ ZnGeP2 58
3.3.3 Влияние ультрафиолетового излучения на ВАХ структуры
Ga2O3/ZnGeP2 60
3.3.4 Влияние ИК излучения на характеристики структуры Ga2O3/ZnGeP2 63
3.4 Обсуждение полученных результатов 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 69
1 Физические свойства кристаллов нелинейной оптики 12
1.1 Понятие “Нелинейная оптика” 12
1.1.1 Нелинейная поляризация 12
1.1.2 Эффекты, связанные с поляризацией второго порядка 13
1.1.3 Условие фазового синхронизма 15
1.1.4 Параметрический генератор света 16
1.2 Нелинейные кристаллы 17
1.2.1 Основные характеристики нелинейных кристаллов 17
1.2.2 Свойства кристаллов ZnGeP2 20
1.2.3 Генерация THz излучения на кристалле ZnGeP2 23
1.2.4 Электрические и фотоэлектрические характеристики ZnGeP2 25
1.3 Свойства пленок Ga2O3 29
1.4 Выводы по Главе 1 и постановка задачи 32
2 Методика эксперимента 34
2.1 Изготовление образцов 34
2.1.1 Резка материала для подложек 34
2.1.2 Шлифовка и полировка пластин 36
2.1.3 Изготовление образцов Pt/ZnGeP2/In и структур
Pt Ga;O: Z.nGelM’l 38
2.2 Методика измерений электрических, фотоэлектрических и
оптических характеристик 40
3 Результаты эксперимента и их обсуждение 44
3.1 Оптические характеристики образцов ZnGeP2 44
3.1.1 Исследование образцов и в THz диапазоне 44
3.1.2 Исследование спектральных характеристик образцов
Ga2O3/ZnGeP2в видимом и ИК диапазонах 50
3.2 Температурные зависимости ВАХ контактов металл -
полупроводник Pt /ZnGeP2 53
3.3.1 ВФХ структур Pt/Ga2O3/ZnGeP2/Pt 56
3.3.2 Темновые характеристики структуры Ga2O3/ ZnGeP2 58
3.3.3 Влияние ультрафиолетового излучения на ВАХ структуры
Ga2O3/ZnGeP2 60
3.3.4 Влияние ИК излучения на характеристики структуры Ga2O3/ZnGeP2 63
3.4 Обсуждение полученных результатов 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 69
Актуальность выбранной темы: Открытие нелинейных оптических эффектов существенно расширило возможности лазерной техники: появились способы изменения частоты излучения (генерации гармоник), источники перестраиваемого по частоте излучения (параметрические генераторы), лазеры на основе вынужденного рассеяния и т. д. В основе большинства методов генерации ультракоротких лазерных импульсов лежат нелинейно - оптические явления, такие как нелинейная рефракция и поглощение; нелинейно-оптические методы широко применяются в научных исследованиях.
Вместе с тем, многие нелинейные эффекты в оптике (самофокусировка, фазовая модуляция, вынужденное рассеяние) являются крайне нежелательными, так как ограничивают эффективность лазерных систем. Это относится, прежде всего, к особо мощным лазерам, поскольку в них велика интенсивность излучения, а также к волоконно-оптическим линиям связи - в силу их большой длины даже малые нелинейные эффекты могут накапливаться [1].
Бурное развитие нелинейной оптики привело к появлению целого ряда нелинейных кристаллов, используемых для целей удвоения частоты, параметрической генерации, генерации суммарных и разностных частот [2]. Одним из таких нелинейных кристаллов является ZnGeP2, который в то же время является полупроводником. Данные кристаллы находят применение в качестве оптических излучателей, параметрических преобразователей и смесителей излучения ИК диапазона. Анализ ситуации в области исследования на базе литературных источников и научно¬исследовательских работ позволяет сделать заключение о недостаточной изученности применения данных кристаллов в THz области, которая на сегодняшний момент является перспективной.
Однако возможности применения данных кристаллов намного шире, чем применение в нелинейной оптике. Для расширения возможностей использования данных кристаллов необходимо исследовать поведение примесей и дефектов.
В последние годы значительное внимание уделяется созданию новых типов фотодетекторов (ФД) для УФ, ближнего инфракрасного диапазона с целью улучшения их параметров, снижения темновых токов, улучшения быстродействия и др.
В связи свыше сказанным, в данной работе представлены результаты измерения световых и темновых вольт - амперных характеристик структур на основе ZnGeP2; облучение материалов ZnGeP2фемтосекундным лазером и получение излучение ТГц диапазона.
Цель и задачи исследования: изучить влияние примесных атомов и собственных дефектов на электрические и фотоэлектрические характеристики кристаллов ZnGeP2, контактов Pt/ZnGeP2и структур Ga2O3/ZnGeP2; получить данные о поведении структур Ga2O3/ZnGeP2в THz диапазоне.
Объект и предмет исследования:Пластины ZnGeP2; структуры Pt/ZnGeP2/In и структуры Pt/Ga2O3/ZnGeP2/Pt.
Научная новизна исследования:впервые на базе материалов Ga2O3 и ZnGeP2были получены фотодетекторы, способные работать в фотовольтаическом режиме.
Достижение указанной цели осуществлялось посредством решения следующих задач:
Исследовано поведение примеси и температуры отжига кристаллов ZnGeP2. Показано что введение примеси магния, свинца, селена, олова, цинка приводит к уменьшению концентрации носителей заряда и снижению поглощения в THz диапазоне; эффект не зависит от температуры отжига (Тот) при варьировании Тот в интервале 650 -750 °С. При введении висмута, кальция, платины, сурьмы и аналогичные эффекты достигаются только при температуре отжига 650 0С и эффект нивелируется при температуре отжига 750 0С.
Для выполнения поставленных задач были использованы следующие методы:
1 - измерения температурных зависимостей вольт-амперных характеристик при помощи термостата фирмы Vobster и источника измерителя Keithley 2611.
2 - при исследовании фотоэлектрических характеристик в качестве источника УФ-излучения использовалась криптон-фторовая лампа VL-6, в качестве источника ИК излучения с длиной волны 808 и 1064 нм использовались лазеры с мощностью 500 и 100 мВт соответственно.
3 - эксперименты по исследованию оптических характеристик
плёнок Ga2O3 проводились с использованием двухканального спектрофотометра Shimadzu UV-3600 Plus.
4 - измерения пропускания и отражения в области 2000 - 13000 нм проводились с помощью ИК фурье-спектрометра ФТ-801.
5 - генерация терагерцового излучения методом оптического выпрямления в кристаллах ZnGeP2и измерения поглощения в терагерцовой области проводили с помощью титан-сапфирового лазера Mai Tai SP («Spectra Physics», США).
Практическая значимость работы:
Получены данные по влиянию примеси магния, свинца, селена, олова, цинка, а также висмута, кальция, платины, сурьмы на концентрацию носителей заряда и коэффициент поглощения кристаллов ZnGeP2в ИК области; установлены режимы отжига, включающие, длительность, газовую атмосферу и температуру, при которой достигается максимальный эффект.
Показана возможность использования структур Ga2O3/ZnGeP2в качестве детекторов УФ и ИК излучения, способных работать в фотовольтаическом режиме.
Положения, выносимые на защиту:
1. Независимо от температуры отжига (650 - 750) 0С введение магния, свинца, селена, олова, цинка снижает поглощение в интервале 150-1000 мкм на один - два порядка.
Легирование ZnGeP2висмутом, кальцием, платиной сурьмой обеспечивает снижение поглощения только после отжига при 650 0С в вакуумной среде и временем отжига 180 часов.
2. Структуры Ga2O3/ZnGeP2 обнаруживают свойства фотодетекторов способные работать в фотовольтаическом режиме в качестве детекторов в УФ и ИК диапазоне.
Апробация результатов исследования: Результаты полученные в данной работе были представлены на конференциях:
Mikhail M. Zinovev, Nikolay N. Yudin, Yelena V. Zhuravlyova, and Sergey N. Podzyvalov "Influence of ZnGeP2 volumetric defects on the spectral characteristics in THz range", Proc. SPIE 11582, Fourth International Conference on Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection, and Applications, 115821M (17 November 2020); https://doi.org/10.1117/12.2582490
Восемнадцатая всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов. Томск 5-7 мая 2021г. (Slunko E.S., Podzyvalov S.N., Zinoviev М.М., Yakovlev N.N. Generation of terahertz radiation in a ZnGeP2 single crystal);
Восемнадцатая всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов. Томск 5-7 мая 2021г. (Podzyvalov S.N., 9-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» АПР-2021 (Алкабакиби И., Дёмин В. В., Половцев И. Г., Зиновьев М. М., Подзывалов С. Н., Дорожкин К. В. Моделирование континуального поглощения монокристаллического ZnGeP2.)
Результаты проведенных исседований опубликованы в статьях:
Kalygina, V., Investigation of the Persistence Conductivity and Photoelectric Characteristics in Detectors with Interdigital Electrodes Based on 0- Ga2O3 . / V. Kalygina, A. Tsymbalov, A. Almaev, J. Petrova, S. Podzyvalov // Phys. Status Solidi B, 2022, - 259: - 2100341. https://doi.org/10.1002/pssb.202100341
Полученные в работе научные положения имеют научную ценность для развития нелинейной оптики, а также расширяют возможности применения данных кристаллов в современном приборостроении; увеличивают потенциал дальнейшего использования в THz оптике и повышения порога генерируемого сигнала и создадут основу для рекомендации применения исследуемых структур в качестве эффективного приёмника светового излучения.
Вместе с тем, многие нелинейные эффекты в оптике (самофокусировка, фазовая модуляция, вынужденное рассеяние) являются крайне нежелательными, так как ограничивают эффективность лазерных систем. Это относится, прежде всего, к особо мощным лазерам, поскольку в них велика интенсивность излучения, а также к волоконно-оптическим линиям связи - в силу их большой длины даже малые нелинейные эффекты могут накапливаться [1].
Бурное развитие нелинейной оптики привело к появлению целого ряда нелинейных кристаллов, используемых для целей удвоения частоты, параметрической генерации, генерации суммарных и разностных частот [2]. Одним из таких нелинейных кристаллов является ZnGeP2, который в то же время является полупроводником. Данные кристаллы находят применение в качестве оптических излучателей, параметрических преобразователей и смесителей излучения ИК диапазона. Анализ ситуации в области исследования на базе литературных источников и научно¬исследовательских работ позволяет сделать заключение о недостаточной изученности применения данных кристаллов в THz области, которая на сегодняшний момент является перспективной.
Однако возможности применения данных кристаллов намного шире, чем применение в нелинейной оптике. Для расширения возможностей использования данных кристаллов необходимо исследовать поведение примесей и дефектов.
В последние годы значительное внимание уделяется созданию новых типов фотодетекторов (ФД) для УФ, ближнего инфракрасного диапазона с целью улучшения их параметров, снижения темновых токов, улучшения быстродействия и др.
В связи свыше сказанным, в данной работе представлены результаты измерения световых и темновых вольт - амперных характеристик структур на основе ZnGeP2; облучение материалов ZnGeP2фемтосекундным лазером и получение излучение ТГц диапазона.
Цель и задачи исследования: изучить влияние примесных атомов и собственных дефектов на электрические и фотоэлектрические характеристики кристаллов ZnGeP2, контактов Pt/ZnGeP2и структур Ga2O3/ZnGeP2; получить данные о поведении структур Ga2O3/ZnGeP2в THz диапазоне.
Объект и предмет исследования:Пластины ZnGeP2; структуры Pt/ZnGeP2/In и структуры Pt/Ga2O3/ZnGeP2/Pt.
Научная новизна исследования:впервые на базе материалов Ga2O3 и ZnGeP2были получены фотодетекторы, способные работать в фотовольтаическом режиме.
Достижение указанной цели осуществлялось посредством решения следующих задач:
Исследовано поведение примеси и температуры отжига кристаллов ZnGeP2. Показано что введение примеси магния, свинца, селена, олова, цинка приводит к уменьшению концентрации носителей заряда и снижению поглощения в THz диапазоне; эффект не зависит от температуры отжига (Тот) при варьировании Тот в интервале 650 -750 °С. При введении висмута, кальция, платины, сурьмы и аналогичные эффекты достигаются только при температуре отжига 650 0С и эффект нивелируется при температуре отжига 750 0С.
Для выполнения поставленных задач были использованы следующие методы:
1 - измерения температурных зависимостей вольт-амперных характеристик при помощи термостата фирмы Vobster и источника измерителя Keithley 2611.
2 - при исследовании фотоэлектрических характеристик в качестве источника УФ-излучения использовалась криптон-фторовая лампа VL-6, в качестве источника ИК излучения с длиной волны 808 и 1064 нм использовались лазеры с мощностью 500 и 100 мВт соответственно.
3 - эксперименты по исследованию оптических характеристик
плёнок Ga2O3 проводились с использованием двухканального спектрофотометра Shimadzu UV-3600 Plus.
4 - измерения пропускания и отражения в области 2000 - 13000 нм проводились с помощью ИК фурье-спектрометра ФТ-801.
5 - генерация терагерцового излучения методом оптического выпрямления в кристаллах ZnGeP2и измерения поглощения в терагерцовой области проводили с помощью титан-сапфирового лазера Mai Tai SP («Spectra Physics», США).
Практическая значимость работы:
Получены данные по влиянию примеси магния, свинца, селена, олова, цинка, а также висмута, кальция, платины, сурьмы на концентрацию носителей заряда и коэффициент поглощения кристаллов ZnGeP2в ИК области; установлены режимы отжига, включающие, длительность, газовую атмосферу и температуру, при которой достигается максимальный эффект.
Показана возможность использования структур Ga2O3/ZnGeP2в качестве детекторов УФ и ИК излучения, способных работать в фотовольтаическом режиме.
Положения, выносимые на защиту:
1. Независимо от температуры отжига (650 - 750) 0С введение магния, свинца, селена, олова, цинка снижает поглощение в интервале 150-1000 мкм на один - два порядка.
Легирование ZnGeP2висмутом, кальцием, платиной сурьмой обеспечивает снижение поглощения только после отжига при 650 0С в вакуумной среде и временем отжига 180 часов.
2. Структуры Ga2O3/ZnGeP2 обнаруживают свойства фотодетекторов способные работать в фотовольтаическом режиме в качестве детекторов в УФ и ИК диапазоне.
Апробация результатов исследования: Результаты полученные в данной работе были представлены на конференциях:
Mikhail M. Zinovev, Nikolay N. Yudin, Yelena V. Zhuravlyova, and Sergey N. Podzyvalov "Influence of ZnGeP2 volumetric defects on the spectral characteristics in THz range", Proc. SPIE 11582, Fourth International Conference on Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection, and Applications, 115821M (17 November 2020); https://doi.org/10.1117/12.2582490
Восемнадцатая всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов. Томск 5-7 мая 2021г. (Slunko E.S., Podzyvalov S.N., Zinoviev М.М., Yakovlev N.N. Generation of terahertz radiation in a ZnGeP2 single crystal);
Восемнадцатая всероссийская конференция студенческих научно-исследовательских инкубаторов. Томск 5-7 мая 2021г. (Podzyvalov S.N., 9-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» АПР-2021 (Алкабакиби И., Дёмин В. В., Половцев И. Г., Зиновьев М. М., Подзывалов С. Н., Дорожкин К. В. Моделирование континуального поглощения монокристаллического ZnGeP2.)
Результаты проведенных исседований опубликованы в статьях:
Kalygina, V., Investigation of the Persistence Conductivity and Photoelectric Characteristics in Detectors with Interdigital Electrodes Based on 0- Ga2O3 . / V. Kalygina, A. Tsymbalov, A. Almaev, J. Petrova, S. Podzyvalov // Phys. Status Solidi B, 2022, - 259: - 2100341. https://doi.org/10.1002/pssb.202100341
Полученные в работе научные положения имеют научную ценность для развития нелинейной оптики, а также расширяют возможности применения данных кристаллов в современном приборостроении; увеличивают потенциал дальнейшего использования в THz оптике и повышения порога генерируемого сигнала и создадут основу для рекомендации применения исследуемых структур в качестве эффективного приёмника светового излучения.
Изучено влияние примесных атомов и собственных дефектов на электрические и фотоэлектрические характеристики кристаллов ZnGeP2, контактов Pt/ZnGeP2и структур Ga2O3/ZnGeP2; получены данные о поведении структур Ga2O3/ZnGeP2в THz диапазоне. Анализ проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. Легирование кристаллов ZnGeP2рядом элементов, включающих Mg, Se, Sn, Pt, Pb, Zn, Bi, Ca, Sb, приводит к уменьшению поглощения в интервале длин волн 150-1000 мкм на один - два порядка. Установлены режимы отжига легированных кристаллов, обеспечивающие максимальное снижение коэффициента поглощения в THz диапазоне.
2. Нанесение пленки Gа2O3 на поверхность ZnGeP2не приводит к существенным изменениям генерируемой мощности структур Ga2O3/ZnGeP2 по сравнению с монокристаллами ZnGeP2.
3. Структуры Ga2O3/ZGP обнаруживают свойства детекторов УФ излучения (X = 254 нм) и способны работать в фотовольтаическом режиме. Определены напряжения холостого хода и ток короткого замыкания при воздействии глубокого ультрафиолета.
4. Высокая плотность поверхностных состояний на границе Ga2O3/ZnGeP2и дефекты в контактируемых материалах определяют поведение электрических и фотоэлектрических характеристик структур при воздействии излучения ИК диапазона. Наличие высокой концентрации дефектов, как в оксиде, так и в тройном соединении подтверждается чувствительностью структур Ga2O3/ZnGeP2 к излучению с энергией значительно меньше ширины запрещенных зон обоих материалов и позволяет на их основе разрабатывать детекторы ИК излучения.
1. Легирование кристаллов ZnGeP2рядом элементов, включающих Mg, Se, Sn, Pt, Pb, Zn, Bi, Ca, Sb, приводит к уменьшению поглощения в интервале длин волн 150-1000 мкм на один - два порядка. Установлены режимы отжига легированных кристаллов, обеспечивающие максимальное снижение коэффициента поглощения в THz диапазоне.
2. Нанесение пленки Gа2O3 на поверхность ZnGeP2не приводит к существенным изменениям генерируемой мощности структур Ga2O3/ZnGeP2 по сравнению с монокристаллами ZnGeP2.
3. Структуры Ga2O3/ZGP обнаруживают свойства детекторов УФ излучения (X = 254 нм) и способны работать в фотовольтаическом режиме. Определены напряжения холостого хода и ток короткого замыкания при воздействии глубокого ультрафиолета.
4. Высокая плотность поверхностных состояний на границе Ga2O3/ZnGeP2и дефекты в контактируемых материалах определяют поведение электрических и фотоэлектрических характеристик структур при воздействии излучения ИК диапазона. Наличие высокой концентрации дефектов, как в оксиде, так и в тройном соединении подтверждается чувствительностью структур Ga2O3/ZnGeP2 к излучению с энергией значительно меньше ширины запрещенных зон обоих материалов и позволяет на их основе разрабатывать детекторы ИК излучения.