Влияние лазерного облучения на спектры фотопроводимости кристаллов CdS

ББК В379.23

УДК 621.315.592:772.932

А.С. Батырев, Р.А. Бисенгалиев, Н.К. Шивидов

ВЛИЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА СПЕКТРЫ ФОТОПРОВОДИМОСТИ КРИСТАЛЛОВ CdS

Аннотация: Исследовано влияние облучения сильнопоглощаемым лазерным излучением на спектры краевой фотопроводимости монокристаллов CdS при комнатной температуре. Обнаружен индуцируемый лазерным облучением спектрально-неоднородный рост фоточувствительности полупроводника с преобладанием эффекта в «примесной» краевой области спектра на длине волны X ~ 510 нм. Наблюдаемый эффект связывается с нагревом полупроводника лазерным излучением и, как следствие, ростом концентрации мелких донорных центров за счет термостимулированного распада приповерхностных нанокластеров из избыточных атомов кадмия (S-центров быстрой рекомбинации).

Ключевые слова: спектр фотопроводимости, фоточувствительность, полупроводник, лазерное облучение, термостимулированный распад, лазерный нагрев, центры быстрой рекомбинации.

Batyrev A.S., Bisengaliev R.A., Shividov N.K.

THE INFLUENCE OF LASER IRRADIATION ON PHOTOCONDUCTIVITY SPECTRA OF CdS CRYSTALS

Annotation: The article describes investigation of the influence of irradiation by strong absorbed laser radiation on spectra of edge photoconductivity of CdS single crystals at the room temperature. It has been found out that laser irradiation leads to the spectral -nonhomogeneous growth of semiconductor photosensitivity with predominance of the effect in the “impurity" edge range of spectrum at the wavelength X ~ 510 nm. The effect being observed is associated with heating semiconductor by laser radiation and as a consequence with the increase in concentration of shallow donor centers due to the thermostimulated decay of the near-surface nanoclusters from the excess Cd atoms (fast recombination S-centers).

Key words:photoconductivity spectrum, photosensitivity, semiconductor, laser irradiation, thermostimulated decay, laser heating, fast recombination centers.

Процессы образования и распада собственно-дефектных ассоциатов (кластеров) оказывают существенное влияние на электрические, оптические и фотоэлектрические свойства полупроводниковых кристаллов [1-5]. Одним из простых методов управления этими процессами является термическая обработка образца, характеризуемая режимом его нагрева, выдержки при заданной температуре и охлаждения и определяемая в зависимости от параметров режима термообработки как отжиг или закалка (см., например, [6]). Очевидно, что термообработку можно осуществлять и с помощью сильно поглощаемого лазерного излучения достаточно высокой интенсивности.

В данной работе исследовано влияние локального лазерного нагрева на спектры фотопроводимости (ФП) «чистых» (специально не легированных) кристаллов CdS

при комнатной температуре в спектральном интервале 490-540 нм, соответствующем краю поглощения и его непосредственной окрестности.1

1. Методика эксперимента и результаты

Исследованные кристаллы представляли собой монокристаллические пластинки с гексагональной осью C в плоскости поверхности образца, выращенные из газовой фазы методом Фрерихса или методом пересублимации в потоке инертного газа. Электрические контакты к образцам были получены путем нанесения на поверхность образца индий-галлиевой пасты. Локальное термическое воздействие на образец осуществлялось его облучением излучением полупроводникового лазера непрерывного действия мощностью 100 мВт и длиной волны генерации 405 нм. Продолжительность облучения полупроводника лазерным излучением варьировалась от единиц до нескольких десятков секунд.

Спектры краевой ФП регистрировались in situ непосредственно .после облучения в режиме непрерывного фотовозбуждения в геометрии E ± C, к ± C (E - электрический, к - волновой вектор световой волны). Регистрация спектров осуществлялась путем их записи на ленте самопишущего потенциометра КСП - 4, подключенного через делитель к выходу электрометрического усилителя У5 - 9, на вход которого поступал регистрируемый сигнал. ФП возбуждалась излучением, выделяемым монохроматором МДР-3 из сплошного спектра ленточной лампы накаливания типа СИ-10-300у. Во всех опытах спектральное разрешение было не хуже 10 А, при этом величина приложенного к образцу тянущего (измерительного) напряжения не превышала 100 В. В качестве источника тянущего поля использовался источник питания постоянного тока Б5 - 50.

На рис. 1 представлены спектры краевой ФП одного из исследованных образцов кристаллов CdS в зависимости от продолжительности облучения лазерным излучением. Как видно из рисунка, спектр ФП исследованного образца CdS в исходном (до облучения) состоянии характеризуется кривой с максимумом на длине волны 1 ~ 517 нм, фоточувствительность (ФЧ) в котором, примерно, на порядок превышает ФЧ в коротковолновой (собственной) области спектра 1 < 500 нм (кривая 1). Непродолжительное (несколько десятков секунд) облучение образца лазерным излучением приводит к спектрально-неоднородному росту его ФЧ с сильным преобладанием эффекта на коротковолновом спаде этого максимума. В результате после непродолжительного воздействия лазерным излучением спектр краевой ФП образца приобретает вид кривой с селективным максимумом на длине волны 1 ~ 510 нм, интенсивность которого более чем на порядок превышает интенсивность максимума 1517 нм в исходном спектре (кривая 2). Дальнейшее воздействие лазерным излучением приводит к росту этого максимума, одновременно заметно возрастает ФЧ в собственной области спектра.

После длительного (порядка сотен секунд) облучения образца лазерным излучением его спектр краевой ФП характеризуется кривой с доминирующим максимумом 1510 нм в «примесной» области спектра и участком сравнительно медленного спада фототока с уменьшением 1 в собственной области спектра, при этом ФЧ в максимуме 1510 нм почти на два порядка превышает ФЧ в исходном максимуме 1517 нм (см. кривые 1 и 3).

1 ФП, наблюдаемую в этом спектральном интервале, мы будем называть краевой, различая при этом собственную (коротковолновую) краевую ФП, обусловленную межзонными и экситонными переходами, и «примесную» (длинноволновую) краевую ФП, возбуждаемую фототермическими и термооптическими межзонными переходами электронов через уровни мелких центров [ 7 ] (см. также [ 8 ]).

Длина волны, нм

Рис. 1. Спектры краевой ФП кристалла CdS, измеренные до (кривая 1) и после облучения лазерным излучением продолжительностью 20 с (кривая 2) и 240 с (кривая 3).

t,c

Рис. 2. Зависимость интегральной

фоточувствительности SD1 образца CdS от продолжительности облучения t.

На рис. 2 приведена зависимость интегральной фоточувствительности 8Д1 (площади под спектральной кривой фототока) от продолжительности 1 облучения лазерным излучением образца CdS, спектры которого приведены на рис. 1. Из рис. 2 видно, что SД1(t) возрастает с ростом 1, стремясь к насыщению при больших её значениях.

В ряде образцов CdS воздействие интенсивного лазерного излучения приводило к уменьшению ФЧ в краевой области спектра (рис. 3). Спектры ФП этих образцов подобны спектрам ФП образцов CdS, подвергнутых длительному воздействию лазерного излучения, как по форме, так и по спектральному положению наблюдаемых в них особенностей (ср. кривую 1 на рис. 3 с кривой 3 на рис. 1). Эти образцы, как и образцы, подвергнутые длительному лазерному облучению, обладают высокой ФЧ в краевой области спектра, сосредоточенной, в основном, в «примесной» полосе фототока с максимумом при 1 ~ 510 нм (см. рис. 1 и 3). Интегральная ФЧ этих образцов в зависимости от продолжительности облучения приведена на рис. 4. Из этого рисунка видно, что в этих образцах SД1 с ростом продолжительности облучения быстро спадает до насыщения при больших 1.

Отметим, что наблюдаемые в спектрах ФП эффекты лазерного облучения носят необратимый характер: спектры ФП облученных образцов, измеренные по истечении нескольких месяцев после облучения существенно не отличались от спектров ФП, измеренных непосредственно после облучения. Это свидетельствует об ионном (атомном) характере процессов, ответственных за эти эффекты.

480 490 500 510 520 530 540

Длина волны, нм

Рис. 3. Спектры краевой ФП кристалла CdS, измеренные до (кривая 1) и после облучения лазерным излучением продолжительностью 20 с (кривая 2) и 110 с (кривая 3).

Рис. 4. Зависимость интегральной

фоточувствительности Эм образца CdS от продолжительности облучения 1

1 с

2. Обсуждение результатов

Исследованию влияния термической обработки в вакууме и на воздухе на спектральное распределение ФП кристаллов CdS посвящено значительное число работ (см., например, [6,9-12]). Полученные в них результаты свидетельствуют о высокой чувствительности спектров ФП CdS к термообработке. Установлено, что закалка (нагрев образца до определенной температуры с последующим быстрым его охлаждением) приводит к спектрально-неоднородному очувствлению полупроводника с существенным преобладанием эффекта в «примесной» краевой области спектра [12]. Согласно [6, 12] этот эффект связан с ростом концентрации мелких доноров под действием закалки.

Воздействие сильнопоглощаемого лазерного излучения высокой плотности приводит к значительному росту температуры кристалла полупроводника1. Вследствие больших значений коэффициента поглощения лазерного излучения кристаллом полупроводника наиболее сильный рост температуры происходит в его тонком приповерхностном слое, где высока концентрация Э-центров быстрой рекомбинации - нанокластеров из междоузельных атомов кадмия ^^[11]. Отсюда следует, что облучение CdS сильно поглощаемым лазерным излучением высокой плотности может приводить к росту ФЧ полупроводника за счет термостимулированного распада приповерхностных

1 Оценка температуры облучаемого образца CdS по спектрам пропускания и непосредственно с использованием хромель-алюмелевой термопары показала, что при облучении лазерным излучением с длиной волны 405 нм и мощностью 100 мВт она может достигать значений, существенно превышающих 200 °С.

S-центров быстрой рекомбинации с образованием «изолированных» мелких донорных центров - Cdj. Это объясняет наблюдаемый в эксперименте эффект очувствления кристаллов CdS под действием интенсивного коротковолнового лазерного излучения (рис. 1 и 2).

В кристаллах с высокой концентрацией приповерхностных «изолированных» донорных центров типа Cdi и, следовательно, низкой концентрацией приповерхностных S-центров воздействие интенсивного коротковолнового лазерного излучения может привести к испарению атомов кадмия и, соответственно, к уменьшению концентрации мелких донорных уровней в запрещенной зоне полупроводника, связанных с Cd;, а также обогащающего изгиба зон вблизи его поверхности. Этим, на наш взгляд, и объясняется наблюдаемое в ряде кристаллов CdS падение ФЧ как в максимуме фототока 1510 нм, так и в собственной области 1 < 500 нм под действием лазерного облучения (рис. 3 и 4) [7, 13].

Заключение

Исследовано влияние облучения сильнопоглощаемым интенсивным лазерным излучением на спектры краевой фотопроводимости кристаллов CdS при комнатной температуре. Установлено, что такое воздействие на полупроводник может приводить к росту его ФЧ с преобладанием эффекта в «примесной» краевой области спектра. Наблюдаемый эффект лазерной термосенсибилизации полупроводника обусловлен распадом приповерхностных нанокластеров из междоузельных атомов кадмия (S-центров быстрой рекомбинации) с образованием мелких донорных центров. Он может быть использован в практических целях как метод повышения фоточувствительности фотоприемников на основе кристаллов CdS.

Список литература

1. Вавилов B.C., Кив А.Е., Ниязова О.Р. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках. Наука, М., 1981, 368 с.

2. Акимова И.В., Козловский В.И., Коростелин Ю.В. и др. Тр. ФИАН. 1987, т. 177, C. 142-171.

3. Насибов А.С., Печенов А.Н., Решетов В.И. Тр. ФИАН. 1991, т.202, с. 68-88.

4. Булярский С.В., Фистуль В.И. Термодинамика и кинетика взаимодействующих дефектов в полупроводниках. Наука, М., 1997, 352 с.

5. Логинов Ю.Ю., Браун П. Д., Дюроуз К. Закономерности образования структурных дефектов в полупроводниках А2В6. Логос, М., 2003, 304 с.

6. Батырев А.С., Бисенгалиев Р. А., Лиджиев Б.С. и др. Сб. «Актуальные проблемы современной физики и математики». Элиста, Изд-во КалмГУ 2011, с. 61-66.

7. Батырев А.С., Бисенгалиев РА., Тагиров М.О. Вестник Калмыцкого университета. 2012, № 4 (16), с. 42-47.

8. Киселев В.А., Новиков Б.В., Чередниченко А.Е. Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников. СПб.: СПбГУ, 2003, 244 с.

9. Гросс Е.Ф., Новиков Б.В. ФТТ, 1959, т.1, в.3, с. 357 - 362.

10. Bragagnolo J.A., Boer K.W. Phys. Stat. Sol.(a). 1974, Vol.21, P.291-302.

11. Bragagnolo J.A., Wright C., B oer K.W. Phys. Stat. Sol.(a). 1974, Vol.24, P.147-158.

12. Батырев А.С., Бисенгалиев РА., Лиджиев Б.С., Сумьянова Е.В. ЖТФ, 2013, т. 83, в.9, с. 15-19.

13. Батырев А.С., Бисенгалиев Р. А., Жукова Н.В., Новиков Б.В., Читыров Э.И. ФТТ, 2003, т. 45, в. 11, с. 1961-1967.