О спектральной характеристике вторично-ионного фотоэффекта

УДК 621.382+530.21

А.Г. Роках, А.А. Сердобинцев, М.Д. Матасов, А.П. Кондратьев

О СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ ВТОРИЧНО-ИОННОГО

ФОТОЭФФЕКТА

Проведены предварительные исследования спектральных

характеристик вторично-ионного фотоэффекта (ВИФЭ), т.е.

зависимости выхода вторичных ионов из фоточувствительной полупроводниковой мишени от длины волны падающего света. Показано, что необходимость учета зависимости ВИФЭ от

освещенности усложняет эксперимент. С помощью сделанного ранее теоретического обобщения экспериментов проведен расчет

спектральной зависимости ВИФЭ.

A.G. Rokakh, A.A. Serdobintsev, M.D. Matasov, A.P. Kondratjev ABOUT SPECTRAL CHARACTERISTIC OF SECONDARY-ION PHOTOEFFECT

Preliminary researches of secondary-ion photo effect (SIPE) spectral characteristics are carried out here. In other words dependence between secondary ion yield and wavelength of incident light is firstly researched here.

The article demonstrates that such investigations are more complicated because of relation between SIPE and illumination intensity. The SIPE spectral characteristic calculation based on previously made theoretical generalization is carried out here as well.

Введение

Влияние освещения белым светом на выход вторичных ионов из высокоомной полупроводниковой мишени впервые наблюдался на фотопроводящих пленках CdS и CdS-PbS [1]. Это явление мы обозначили как вторично-ионный фотоэффект (ВИФЭ). Заметим, что ранее был известен только электронный внешний и внутренний фотоэффект, причем одной из его разновидностей является фотопроводимость. Важной

характеристикой любого вида фотоэффекта служит его спектральная характеристика. Но, в отличие от внутреннего (электронного) фотоэффекта, например фотопроводимости, для ВИФЭ изучение спектральной характеристики представляет определенные трудности, о х речь пойдет ниже.

Методика исследований

Изучение механизма вторично-ионного фотоэффекта производилось нами на установке вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС), созданной на базе масс-спектрометра МИ-13 05 [2]. Пучок ионов, представляющих собой положительно

заряженные ионы кислорода с энергией 4 кэВ, бомбардировал образец под углом 60° к нормали. Фокусирующая система установки позволяла получать пучок ионов диаметром 1 мм. Ток первичного пучка составлял 1-10 мкА, диапазон регистрируемых массовых чисел - от 1 до 240. Установка оснащена масс-анализатором с однородным магнитным полем секторного типа, разрешающая способность 300 единиц. Магнитное поле регистрируется датчиком Холла ПХЭ 606118А, для определения интенсивности освещения в камере образцов установлен фотодиод ФД-263. Освещение в ходе экспериментов осуществляется лампой накаливания мощностью 150 Вт, при этом освещенность исследуемого образца

изменяется от 0 до 1300 лк с помощью нейтральных светофильтров. Предварительный оценочный спектр ВИФЭ был получен с помощью стандартных цветных светофильтров, спектр пропускания которых показан на рис. 1.

Для получения спектра фотопроводимости исследуемых полупроводников СёБ-РЬБ использовались призменный двойной монохроматор ДМР-4 и галогенная лампа мощностью 100 Вт. Регистрировался ток через исследуемый фоторезистор, подключенный в поперечном режиме к стабилизированному источнику напряжения.

Экспериментальные результаты

В результате проведенных экспериментов было замечено, что выход ионов кадмия при освещении уменьшается (так называемый «нормальный» ВИФЭ, связанный с уменьшением электронной работы выхода при освещении и с повышенной нейтрализацией вышедших в вакуум положительных вторичных ионов), а свинца - как правило, увеличивается («аномальный» ВИФЭ) [1, 2]. В качестве объекта исследования использовались фотопроводящие поликристаллические пленки CdS-PbS [3].

Предварительные данные о спектральной зависимости ВИФЭ, полученные с помощью цветных светофильтров, приведены на рис. 2. На графике отмечены темновой (выкл.) и световой (вкл.) уровни выхода, а также выход вторичных ионов кадмия при освещении через цветные светофильтры (СЗС8, ЖЗС9, КС2, ИКС2). Как видно из графика, наибольшее влияние на выход вторичных ионов оказывает свет, прошедший через фильтр КС2, область пропускания которого начинается после 600 нм, т.е. в той части спектра, где фотопроводимость мала. Происходит это потому, что фильтр КС2 обладает высоким оптическим пропусканием в довольно широкой области спектра (см. рис. 1). Таким образом, интенсивность падающего на образец света в случае фильтра КС2 значительно выше, чем для других светофильтров. В результате при использовании цветных светофильтров для получения спектральной характеристики ВИФЭ мы сталкиваемся с серьезной проблемой, а именно с невозможностью однозначно разделить влияние интенсивности и спектрального состава падающего света на выход вторичных ионов.

Выкл.

Рис. 2. Профиль кадмия для образца СЬБ-РЬБ при освещении белым светом и через различные светофильтры

Следующим этапом исследований стало получение зависимости величины эффекта от интенсивности освещения. С помощью нейтральных светофильтров были проведены исследования

Рис. 1. Спектры пропускания цветных светофильтров

зависимости выхода положительных вторичных ионов кадмия от интенсивности освещения. В результате было установлено, что уменьшение выхода ионов кадмия практически прямо пропорционально освещенности. При максимальной освещенности уменьшение выхода составило 5-10%.

Для сопоставления с результатами масс-спектрометрических измерений были проведены исследования спектральных характеристик фотопроводимости исследуемых образцов. Типичная зависимость фоточувствительности исследуемого образца от длины волны падающего света представлена на рис. 3.

Обсуждение результатов

Согласно литературным данным [4], снижение работы выхода электронов приводит к увеличению вероятности туннелирования электронов с поверхности образца на внешние уровни распыленных ионов. В нашем случае работа выхода в образце снижается за счет повышения квазиуровня Ферми для электронов при освещении. Следовательно, для вторичных ионов повышается вероятность присоединения электрона в момент вылета из образца, что приводит к уменьшению доли положительных ионов и росту доли нейтральных атомов в суммарном выходе.

Очевидно, что для дальнейшего описания наблюдаемого явления необходимо перейти от термина «освещенность» к термину «изменение электронной работы выхода, вызванное освещенностью». Такой переход достаточно прост и возможен с помощью хорошо известных из физики полупроводников формул. Подробно данный вопрос рассмотрен в работе [5].

Длина волны, нм

Рис. 3. Спектральная зависимость фоточувствительности образцов СЬБ-РЬБ

Проведя отмеченные выше преобразования, приходим к графику, представленному на рис. 4. Этот график отражает зависимость относительного выхода вторичных ионов кадмия от изменения электронной работы выхода фотопроводника. К зависимости, построенной в таких координатах, можно применить выведенную ранее эмпирическую формулу [6]:

У+

— = ехр

У + ^

'о

ЛЛ

кТ0 - уЛЛ - в в р

Л

где У + - выход положительных вторичных ионов; У0+ - выход положительных вторичных

ионов в темноте, то есть при нулевом изменении электронной работы выхода; ЛЛ -изменение работы выхода; вр - характерный параметр системы, зависящий от энергии и угла эмиссии; к - постоянная Больцмана; у - параметр, определяющий уровень локального разогрева в узкозонных включениях (коэффициент локального разогрева); Т0 -

температура при нулевом изменении работы выхода, то есть в темноте. Пунктирной линией на рис. 4 показаны результаты аппроксимации экспериментальных данных с помощью формулы (1). Как видно из рисунка, результаты расчета хорошо согласуются с экспериментом.

Рис. 4. Зависимость относительного изменения выхода положительных вторичных ионов кадмия от изменения электронной работы выхода; точки - экспериментальные данные, пунктир - расчет по формуле

Проведенные исследования ясно говорят о сложном характере ВИФЭ. Экспериментальные данные свидетельствуют о существенном влиянии на выход вторичных ионов как интенсивности падающего света, так и его спектрального состава. К сожалению, попытки выяснить спектральную характеристику ВИФЭ экспериментальным путем сопряжены с серьезными трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью серьезной модернизации установки ВИМС. Поэтому в данной статье предпринимается попытка определить зависимость ВИФЭ от длины волны падающего света при помощи анализа и сопоставления существующих экспериментальных данных, а также расчетов по формуле (1).

На основании эмпирически полученной формулы (1) была теоретически рассчитана спектральная зависимость ВИФЭ. Зависимость относительного изменения выхода от длины волны рассчитывалась при помощи спектральной характеристики фототока (рис. 3), соответствующее изменение работы выхода АЛ определялось по формуле

АЛ(Х)\уА] = кТ 1п

1с

Затем полученные значения АА подставлялись в формулу (1), причем в расчете использовались различные уровни освещенности. Полученное в результате семейство кривых представлено на рис. 5.

Рис. 5. Теоретические зависимости относительного изменения выхода положительных вторичных ионов кадмия от длины волны падающего света при различных мощностях засветки

Интересной особенностью теоретически полученной спектральной зависимости ВИФЭ является наличие минимума относительного выхода ионов кадмия. Действительно, в случае спектральной чувствительности фотопроводника наблюдается максимум, свидетельствующий о наибольшем влиянии света. И наличие этого теоретического слабовыраженного минимума подтверждается также экспериментальным уменьшением выхода ионов кадмия, при освещении излучением широкой полосы.

Заключение

Таким образом, к настоящему времени возможно только теоретическое описание спектра ВИФЭ, основанное на полуэмпирической формуле (1), которая ранее была использована при описании зависимости ВИФЭ от интенсивности освещения. Полученный таким путём спектр ВИФЭ находится в качественном соответствии со спектром фотопроводимости.

Авторы выражают благодарность старшему научному сотруднику А.Г. Жукову за помощь в проведении измерений на масс-спектрометре.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 06-08-01609

ЛИТЕРАТУРА

1. Исследование особенностей ионного травления гетерофазных полупроводников при освещении белым светом / А.Г. Роках, С.В. Стецюра, А.Г. Жуков, А.А. Сердобинцев // Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29. Вып. 2. С. 23-29.

2. Rokakh A.G. Secondary-ion mass spectrometry of photosensitive heterophase semiconductor / A.G. Rokakh, A.G. Zhukov, S.V. Stetsura, A.A. Serdobintsev // Nuclear Instruments and Methods B. 2004. Vol. 226. Issue 4. P. 595-600.

3. Роках А.Г. Гетерогенный фотопроводник на основе CdS-PbS / А.Г. Роках, А.В. Кумаков, Н.В. Елагина // Физика и техника полупроводников. 1979. Т. 13. Вып. 4. С. 787789.

4. Yu M.L. Direct Evidence of Electron Tunneling on the Ionization of Sputtered Atoms / M.L. Yu, N.D. Lang // Physical Review Letters. 1983. Vol. 50. P. 127-130.

5. Зависимость скорости ионного распыления от изменения электронной работы выхода, вызванного освещением / А.Г. Роках, С.В. Стецюра, А.Г. Жуков, А. А. Сердобинцев // Письма в журнал технической физики. 2006. Т. 32. Вып. 1. С. 58-64.

6. Вторично-ионная масс-спектрометрия фотопроводящих мишеней / А. А. Сердобинцев, А.Г. Роках, С.В. Стецюра, А.Г. Жуков // Журнал технической физики. 2007. Т. 77. Вып. 11. С. 96-102.

Роках Александр Григорьевич -

доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Физика полупроводников» Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского

Сердобинцев Алексей Александрович -

кандидат физико-математических наук,

ассистент кафедры «Материаловедение, технология и управление качеством» Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского

Матасов Максим Дмитриевич -

студент кафедры «Физика полупроводников»

Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского

Кондратьев Алексей Павлович -

студент кафедры «Физика полупроводников»

Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского