Академия наук республики узбекистан

3.4. Фотоэлектрические и люминесцентные свойства твердого раствора
Как известно, фотоэлектрические свойства полупроводниковых материалов являются одними из ключевых для их применения в оптоэлектронике. В связи с этим нами исследованы фотоэлектрические свойства новых гетеропереходов , полученных впервые нами выращиванием эпитаксиальных слоев из твердых растворов на подложках Si.
Фотоэлектрические свойства полученных структур изучались как в фотовольтическом, так и в фотодиодном режиме при температуре 300 К. Освещение осуществлялось со стороны твердого раствора.
Для измерения фото - ЭДС подготовлены образцы двух типов, у одного из которых, часть поверхностного слоя удалена химическим травлением. Таким образом, фактически измерялась ЭДС в и структурах. Результаты измерения представлены на рис. 3.7. Видно, что в образцах первого типа (кривая 1) чувствительность охватывает интервал энергий 1-1.7 eV, тогда как в структурах она расширена до 2.3 eV (кривая 2).

Рис.3.7. Фоточувствительность структур.

Как видно, спектральная чувствительность образцов второго типа существенно выше, чем у первых. Надо отметить, что результаты этих измерений согласуются с результатами теоретических расчетов коэффициента погашения исследуемого материала. Область фото-чувствительности твердого раствора , приведенная на рис. 3.7 соответствует области собственного поглощения материала (левый максимум в рис 4.5, f, g) в спектре .

Как известно [102], люминесцентный анализ является мощным инструментом для определения качества полупроводниковых материалов.
Люминесцентные характеристики позволяют контролировать степень стехиометрии и чистоты материалов, степень однородности распределения примесей и дефектов по объему материала и др.
Преимуществом люминесцентных методов перед другими методами является их безконтактность, которая не приводит к разрушению образцов.
Как известно, существуют следующие виды люминесценции в полупроводниках:
- примесная люминесценция;
- экситонная люминесценция;
- внутрицентровая люминесценция;
- донорно-акцепторная люминесценция;
Образцы полученных твердых растворов подвергалась люминесцентным исследованиям.
Сканирование образцов осуществлялось по поверхности эпитаксиальных слоев. Измерения осуществлялись на установке КСВУ – 23. Оптическая накачка поверхности слоев при температуре осуществлялась ртутной лампой. При этом на поверхности эпитаксиальных слоев обнаружены люминесцентные свечения цветом от красного до зеленного цвета в зависимости от образца. Мы исследовали спектральную зависимость фотолюминесценции, полученную от поверхности эпитаксиальных структур при температуре 77К. При этом краевая полоса излучения соответствовала ширине запрещенной зоны фосфида индия, что свидетельствует о том, что поверхность эпитаксиального слоя является по составу (рис. 3.8.).

Рис.3.8. Спектральная зависимость ФЛ при 77 К, полученная с поверхности структур.

Оценка ширины запрещенной зоны твердого раствора произведена нами исследованием максимума излучения фотолюминесценции (ФЛ) эпитаксиальных слоев. Фотолюминесценция возбуждалась сканированием поверхности исследуемого образца световым зондом, длина волны которого составляла 0.6328 мкм. Для измерения ширины запрещенной зоны на образцах постепенно удалялись поверхности пленки. При этом разрешающая способность по толщине без учета диффузии составляла 0.5 мкм. Таким образом, измерено распределение положения максимума собственной полосы ФЛ вдоль направления роста, которое дает зависимость ширины запрещенной зоны от толщины эпитаксиального слоя (Рис. 3.9). С другой стороны, имея зависимость распределения компонентов твердого раствора от толщины слоя (рис. 3.2), можно построить зависимость ширины запрещенной зоны от состава (Рис. 3.10). Как видно, ширина запрещенной зоны Ge и InP (x=0.0, x=1.0) соответствует литературным данным, а E_g для составов х=0.75 и х=0.5 соответственно равна 0.68 ЭВ и 0.69 эВ.

Рис. 3.9. Спектры фотолюминесценции от шлифованных поверхностей твердого раствора (при T=77 K, x- мольная доля Ge. : 1. x=0.0, 2. x=0.10, 3. x=0.15, 4. x=0.20, 5. x= 0.22, 6. x= 0.25, 7. x=0.5).

Рис 3.10. Зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора от состава ( ). (1-эксперимент, 2- литературные данные).

Как видно из рис 3.10, зависимость ширины запрещенной зоны E_g от состава является нелинейной и непараболической. Данная зависимость имеет минимальное значение около состава х=0.75. Кроме того, в области данного состава твердого раствора резко меняется коэффициент погашения материала. Мы предполагаем, что причиной такого поведения зависимости ширины запрещенной зоны от состава является фазовый переход в кристаллической структуре материала при данном составе.

Вероятно, около х=0.75 в твердом растворе происходит упорядоченный - неупорядоченный фазовый переход, отмеченный в работе [6].
Как известно кристаллическая решетка InP является структурой цинковой обманки, в то время как решетка германия представляет алмазную структуру.
Обе решетки (цинковая обманка и алмаз) являются кубически объемно – центрированными решетками с двумя базовыми атомами [6]. Однако решетка цинковой обманки является менее симметричной, чем решетка алмаза, благодаря существованию отдельных мест анионов и катионов, а алмазная решетка германия является номинальной структурой, в которой анионы и катионы являются одними и теми же атомами.
Как известно, номинальная решетка цинковой обманки заполняется в твердом растворе двумя различными путями (рис 3.11 a-d). Богатый InP раствор является упорядоченной фазой цинковой обманки (рис 3.11 a), где все атомы InP (темные крутки) занимают номинальные места In а все атомы P -номинальные места фосфора. Атомы же Ge могут располагаться как на местах атомов индия, так и на местах атомов фосфора.
В разупорядоченной фазе (рис 3.11 с), являющейся стабильной фазой германия, существует “антисайты” и “сайты” атомов на номинальной решетке цинковой обманки, т.е. атомы In, находясь в своих номинальных местах, также занимают места атомов P. А некоторые атомы фосфора также занимают места атомов индия.
С такой точки зрения структура алмаза (рис 3.11 b) является упорядоченной, т.е. нет различия между месторасположениями атомов In и P. Вероятно из-за такого упорядоченно - разупорядоченного фазового перехода и меняются электронные свойства твердого раствора .