Исследование зависимости спектров фотопроводимости CdS от направления сканирования спектра

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», № 4, 2014

удк 535.343.2 А. С. Батырев [A. S. Batyrev],

Р. А. Бисенгалиев [R. A. Bisengaliev], Н. К. Шивидов [N. K. Shividov], М. О. Тагиров [M. O. Tagirov]

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СПЕКТРОВ ФОТОПРОВОДИМОСТИ CdS ОТ НАПРАВЛЕНИЯ СКАНИРОВАНИЯ СПЕКТРА*

Investigation of cds photoconductivity spectra dependence from the direction of spectrum scanning

Исследованы спектры низкотемпературной (77К) фотопроводимости кристаллов CdS в области края поглощения в зависимости от направления сканирования длины волны возбуждающего света. Показано, что наблюдаемый гистерезис спектральной зависимости фотопроводимости полупроводника может быть обусловлен оптической перезарядкой r-центра - глубокого компенсированного собственно-дефектного акцептора, ассоциированного с мелким донором.

Ключевые слова: фотопроводимость, кристаллы CdS, направление сканирования, гистерезис, инфракрасная подсветка, собственные дефекты.

The low-temperature (77 K) photoconductivity spectra of CdS crystals has been investigated in the absorption edge region vs the scanning direction of the excitation light wavelength. It is shown that the observed hysteresis of semiconductor photoconductivity spectral dependence can be due to the optical recharge of r-center - the deep compensated acceptor associated with the shallow donor.

Key words: photoconductivity, CdS crystals, scanning direction, hysteresis, infrared illumination, own defects.

Согласно литературным данным форма спектральной кривой краевой фотопроводимости (ФП) полупроводника может зависеть от направления измерения спектра в шкале длин волн (см., например, [13]), однако детальная интерпретация этого явления в настоящее время отсутствует. В связи с этим мы предприняли исследование его природы в «чистых» (специально не легированных) кристаллах CdS, спектры ФП которых при Т = 77 К обнаруживали тонкую (экситонную) структуру в виде

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 14-0231807) и Минобрнауки РФ (проект № 2642 государственного задания вузам в сфере научной деятельности).

максимумов (кристаллы 1-й группы [4]) или минимумов (кристаллы 2-й группы [4]) фототока на резонансных частотах возбуждения экситонов.

Исследовались спектры краевой ФП CdS при температуре кипения жидкого азота в отсутствие и при наличии подсветки инфракрасным (ИК) светом в зависимости от направления сканирования длины волны возбуждающего света Ав. Спектры ФП регистрировались в режиме непрерывного фотовозбуждения в геометрии Е А С, к А С (Е - электрический, к - волновой вектор световой волны, С - гексагональная ось кристалла) на установке, собранной на базе монохроматора МДР - 3. В ряде случаев регистрация спектров ФП осуществлялась на автоматизированной (управляемой компьютером) установке на базе монохроматора МДР - 41 с дискретной разверткой спектра. Исследованные образцы представляли собой тонкие (толщиной 10-200 мкм) монокристаллические пластинки CdS, выращенные из газовой фазы методом Фрерихса, либо методом пересублимации в потоке инертного газа, с площадью больших граней пластинок порядка нескольких мм2. Электрические контакты к образцам были получены путем нанесения на поверхность образца 1п - Ga пасты. Во всех опытах спектральное разрешение было не хуже 8 А, при этом величина приложенного к образцу тянущего (измерительного) напряжения не превышала 100 В. В качестве источника тянущего поля использовался источник питания постоянного тока типа Б5 - 50, а в качестве усилителей фототока - электрометрические усилители У5 - 9 и В7 - 30.

На рис. 1 приведены спектры ФП кристалла CdS 1-й группы, а на рис. 2 - 2-й группы, снятые при сканировании спектра сначала от длинных волн к коротким (сплошные кривые), а затем от коротких волн к длинным (пунктирные кривые) в отсутствие (а) и при наличии (б) подсветки кристалла инфракрасным излучением, выделяемым светофильтром ИКС-1 из сплошного спектра излучения лампы накаливания. Из рисунков 1а и 2а видно, что форма спектра ФП полупроводника в значительной мере определяется направлением сканирования Хв. Эффект зависимости спектра ФП от направления сканирования Ав практически полностью пропадает при ИК подсветке кристалла (рис. 1б и рис. 2б).

Анализ полученных экспериментальных данных дает основание заключить, что наблюдаемый в CdS гистерезис спектральной зависимости фототока (спектральный гистерезис) связан с существенным вкладом в краевую ФП полупроводника оптических переходов с участием собственно-дефектных центров.

Действительно, ИК подсветка кристалла CdS приводит к «выключению» так называемых г-центров фоточувствительности, представляющих

№4, 2014

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Исследование зависимости спектров фотопроводимости CdS.

9

465 470 475 480 405 490 495 500 505 465 470 475 480 485 490 495 500

Рисунок 1. Спектры краевой фотопроводимости кристалла CdS 1-й группы

(образец К-68-75-ЗМ) в отсутствие (а) и при наличии (б) подсветки инфракрасным светом, снятые при сканировании спектра в направлении убывания (сплошные кривые), а затем возрастания (пунктирные кривые) длины волны возбуждающего света. Т = 77 К, Е ± С, к ± С. Тянущее напряжение ит = 20 В. Здесь и на рис. 2 А, В, С - экситонная структура, соответствующая трем подзонам валентной зоны, расщепленной кристаллическим полем и спин-орбитальным взаимодействием; ДМ12, ДМ1 - область «примесных» максимумов ДМ1 и ДМ2 [4].

собой двукратно ионизованные вакансии кадмия (У2-ш), и, как следствие, к сильному сокращению времени жизни свободных электронов, генерируемых за счет фототермических и термооптических переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости с участием мелких доноров и акцепторов, соответственно [4, 5]. В результате при ИК подсветке резко уменьшается парциальный вклад мелких «примесных» центров в краевую ФП полупроводника [5].

Подавление вклада мелких центров в ФП полупроводника под действием ИК подсветки и одновременное с этим исчезновение спектрального гистерезиса (рис. 1, б и рис. 2, б) приводят к однозначному выводу о связи последнего с мелкими «примесными» состояниями. Поскольку спектральный гистерезис в той или иной мере наблюдается практически во всех исследованных «чистых» образцах CdS, полученных из разных источников, можно предположить, что мелкими «примесными» состояниями, ответственными за этот эффект, являются собственные дефекты кристаллической решетки типа межузельных атомов и вакансий кадмия и серы (С^, Sl, Уы, У8).

Рисунок 2. Спектры краевой фотопроводимости кристалла CdS 2-й группы

(образец К-Е-1) в отсутствие (а) и при наличии (б) подсветки инфракрасным светом, снятые при сканировании спектра в направлении убывания (сплошные кривые), а затем возрастания (пунктирные кривые) длины волны возбуждающего света. Т = 77 К, Е ± С, к ± С. Тянущее напряжение ит = 2 В.

Мы полагаем, что зависимость формы спектра ФП CdS от направления сканирования 1в может быть обусловлена перезарядкой нейтральных донорно-акцепторных пар (У82+ - Усс12-)0 и/или (Cdl2+- Уы2-)0 в процессе записи спектра (наличие таких донорно-акцепторных пар характерно для кристаллов CdS [6]). При этом мы предполагаем, что в формирование спектра краевой ФП CdS дают вклад фототермические переходы с участием донорных компонентов пар - двукратно ионизованных вакансий серы (У82+) и/или межузельных атомов кадмия (Cdl2+).

При записи спектра ФП в направлении от длинных волн к коротким фототермический переход осуществляется через уровень основного состояния двукратно ионизованного донора Д2+ (У82+, Cdl2+), сильно возмущенный полем акцепторного компонента пары А2- (Уса2) и вследствие этого лежащий непосредственно вблизи дна зоны проводимости. Запись спектра ФП приводит к перезарядке Уса2- в результате захвата дырок, возникающих при фототермических переходах электронов из валентной зоны в зону проводимости через уровни Д2+ (рис. 3б).

Из сказанного следует, что изменение направления сканирования спектра с убывающей Ав на возрастающую приведет к уменьшению фоточувствительности в области экситонных и межзонных переходов и ее возрастанию в «примесной» близкраевой области спектра, что и наблюда-

№4, 2014

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Исследование зависимости спектров фотопроводимости CdS.

11

Рисунок 3. Схема уровней энергии собственно-дефектной донорно-акцептор-

ной пары и фототермических переходов в CdS до (а) и после (б) перезарядки акцепторного компонента пары в результате захвата неравновесной дырки (обозначения см. в тексте).

ется в эксперименте (рис. 1а и рис. 2а). Таким образом, причиной гистерезиса спектральной зависимости ФП CdS может быть эффект перезарядки собственно-дефектных донорно-акцепторных пар в процессе регистрации спектра ФП, приводящий к изменениям в системе мелких донорных уровней в запрещенной зоне полупроводника.

Следует отметить, что существенный вклад мелких «примесных» состояний в краевую ФП кристаллов CdS, приводящий к спектральному гистерезису, обусловлен большим временем жизни электронов, рожденных с участием этих состояний. Оно существенно превышает время жизни неравновесных электронов, генерируемых посредством экситонных и межзонных переходов. Это обстоятельство позволяет дискриминировать вклад мелких «примесных» центров в краевую ФП полупроводника путем модуляции фотовозбуждения с достаточно высокой частотой f >1/т, где т-время жизни «примесных» электронов [7]. Проведенные нами измерения спектров модулированного возбуждения ФП CdS подтвердили связь наблюдаемого спектрального гистерезиса с вкладом в краевую ФП полупроводника мелких «примесных» состояний: при переходе от стационарного возбуждения к модулированному эффект исчезает.

В заключение заметим, что обесструктуривание спектра низкотемпературной краевой ФП CdS может происходить не только в результате экранирования электрон-дырочного взаимодействия [8], но и за счет вклада в его формирование переходов с участием «мелких» центров (ср. сплошные кривые на рис. 2).

ЛИТЕРАТУРА 1. Гаплевская С.П., Завертанная Л.а, Рвачев A.Л., Тищенко Е.И. ФТП 6, 2, 385 (1969).

2. Агекян В. Ф., Погарев С. В. // ФТП 18, 6, 1000 (1984).

3. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Лиджиев Б.С., Новиков Б.В., Сумь-янова Е.В., Алжеев В.М. // Тр. V междунар. конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии». Ульяновск, УлГУ, 2003, с. 118.

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

5. Батырев А.С., Батырев Э.Д., Бисенгалиев Р.А., Новиков Б.В., Анбу-шинов B.C. ФТТ 41, 7, 1181 (1999).

6. Ермолович И.Б., Матвиевская Г.И., Пекарь Г.С., Шейнкман М.К. УФЖ 18, 5, 732 (1973).

7. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Новиков Б.В., Тагиров М.О. ФТП 47, 9, 1165(2013).

8. Батырев А.С., Бисенгалиев Р.А., Новиков Б.В. ФТТ 55, 4, 639 (2013).

ОБ АВТОРАХ Батырев А.С., кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой экспериментальной и общей физики Калмыцкого государственного университета. Адрес: 358000, Республика Калмыкия, г. Элиста, уч. корп. №3, каб. 220. Тел. 8 (4722) 38992. E-mail: asbatyrev@mail.ru

Бисенгалиев Р.А., кандидат физико-математических наук, доцент кафедры экспериментальной и общей физики Калмыцкого государственного университета. Адрес: 358000, Республика Калмыкия, г. Элиста, уч. корп. №3, каб. 220. Телефон 8 (4722) 38992. E-mail: task99@mail.ru

Шивидов Н.К., инженер кафедры экспериментальной и общей физики Калмыцкого государственного университета. Адрес: Республика Калмыкия, г. Элиста, уч. корп. №3, каб. 220. Тел. 8 (4722) 38992. Тагиров М. О., ассистент кафедры экспериментальной и общей физики Калмыцкого государственного университета. Адрес: 358000, Республика Калмыкия, г. Элиста, уч. корп. №3, каб. 220. Телефон 8 (4722) 38992. E-mail: ic14@bk.ru

Batirev A.S., Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Experimental and General Physics Kalmyk State University. Address: 358000, Republic of Kalmykia, Elista, uch. Bldg. №3, cab. 220. Phone: 8 (4722) 38992. E-mail: asbatyrev@mail.ru

Bisengaliev R.A., Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Experimental and General Physics Kalmyk State University. Address: 358000, Republic of Kalmykia, Elista, uch. Bldg. №3, cab. 220. Tele-background: 8 (4722) 38992. Email: task99@mail.ru

Shividov N.K., engineer of the Department of Experimental and General Physics Kalmyk State University. Address: 358000, Republic of Kalmykia, Elista, uch. Bldg. №3, cab. 220. Phone: 8 (4722) 38992. Tahirov M.O., Assistant of the Department of Experimental and General Physics Kalmyk State University. Address: 358000, Republic of Kalmykia, Elista, uch. Bldg. №3, cab. 220. Phone: 8 (4722) 38992. E-mail: ic14@bk.ru