Комплекс для измерений влияния света на спектры времен электрической дипольной релаксации в полупроводниках

Полезная модель относится к устройствам для исследования свойств полупроводниковых пленок, в том числе использующихся для создания солнечных батарей, детекторов излучений и устройств памяти. Более конкретно она относится к устройствам для изучения спектров времен электрической дипольной релаксации в полупроводниках, в т.ч. для определения положения донорно-акцепторных уровней энергии, создаваемых дефектами структуры полупроводников.
x
1-x
2
2-δ
2-x
x
1-y
y
4
В последнее время приобретают популярность тонкопленочные солнечные батареи на основе CdTe, CuInGaSe (CIGS) или CuZnSn(SSe) (CZTS,Se). Преимущество данных материалов состоит в том, что для эффективного поглощения солнечного света достаточно пленки толщиной всего несколько микрон, тогда как при использовании кристаллического кремния необходим слой около 200 мкм. Однако КПД создаваемых в настоящее время батарей заметно ниже теоретически возможного. Это обусловлено недостаточной исследованностью ряда полупроводниковых материалов, что в свою очередь, связано с несовершенством техники, используемой для исследования их свойств.
Обычно для исследования положения уровней используют оптическую спектроскопию, катодолюминесценцию и температурные зависимости электропроводности и фотопроводимости. Несмотря на широкое использование этих методов, они имеют определенные ограничения. Первый метод позволяет получать прямые сведения лишь о процессе поглощения света, применение второго ограничено излучательными процессами, методы, основанные на измерениях температурных зависимостей электропроводности, эффективны лишь в узком интервале значений энергий донорно-акцепторных уровней.
Другой подход - исследование влияния света на распределение времен электрической дипольной релаксации. Данный метод позволяет исследовать не только процессы генерации и рекомбинации свободных носителей тока, связанные с примесными уровнями в полупроводниках, но и процессы релаксации, обусловленные рождением под действием света и гибелью электрических диполей.
Предлагаемая нами полезная модель представляет собой комплекс для измерений, позволяющем получать данные о влиянии света и температуры на спектры времен электрической дипольной релаксации в полупроводниках в широком диапазоне длин волн, частот электрического поля и температур.
«Фотодиэлектрический эффект», как явление увеличения под действием света электрической емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, впервые наблюдался Гуденном и Полем в 1920 году. Первые исследования и попытки объяснения природы эффекта происходили главным образом на порошках типа ZnS, ZnO или CdS в 50-х годах прошлого столетия. Некоторые данные были получены также и для монокристаллов [Roux J., Journ. phys. et rad., 15, 176 (1954).]. Величина эффекта неодинакова и изменяется в пределах от двукратного или трехкратного увеличения диэлектрической постоянной для ZnS до 7-100-кратного увеличения ее для ZnO [Roux J., Compt. Rend., 236, 2492 (1953).]. Введение примесей, которые отравляют люминесценцию фосфоров ZnS, ослабляет также и фотодиэлектрический эффект [Roux J., Journ. phys. et rad., 813 (1956).].
Известны измерители импеданса подобные [http://potentiostat.ru/product/%d0%bf%d0%be%d1%82%d0%b5%d0%bd%d1%86%d0%b8%d0%be%d1%81%d1%82%d0%b0%d1%82-%d1%80-40%d1%85-%d1%81-%d0%bc%d0%be%d0%b4%d1%83%d0%bb%d0%b5%d0%bc-%d0%b8%d0%b7%d0%bc%d0%b5%d1%80%d0%b5%d0%bd%d0%b8%d1%8f-%d1%8d.
Измеритель импеданса состоит из модуля частотного анализатора, встроенного в потенциостат, тестового эквивалента и соединительных кабелей. Данный прибор позволяет исследовать только электропроводность, емкость и тангенс угла диэлектрических потерь изучаемого образца в темноте. В них не предусмотрена возможность исследовать процессы релаксации, вызванные действием света.
Наиболее близким техническим решением предлагаемой полезной модели является фотоэлектрический спектрометр, описанный в [https://www.fotonowy.pl/products/photoelectric-spectrometer/?lang=en].
Известное устройство состоит из потенциостата, измерителя интенсивности света и монохроматора. Данный прибор позволяет изучать электронные уровни в полупроводниках, однако, поскольку он работает на постоянном токе, также, как и импедансометры, не позволяют получать данные о процессах релаксации, вызванных действием света. Кроме того, ввиду отсутствия блока стабилизации температуры, при помощи таких приборов невозможно исследовать температурные зависимости фотопроводимости.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющего получать данные о влиянии света и температуры на спектры времен электрической дипольной релаксации в полупроводниках в широком диапазоне длин волн, частот электрического поля и температур.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого комплекса для измерений, представленного на фиг. 1, где:
1 - монохроматор, λ=0,22÷2,50 мкм
св.
2 - источник света (ксеноновая лампа) с источником питания, Р=1000 Вт
-3
5
3а - электрический конвертер, диапазон частот электрического поля f=10÷10 Гц
-3
3б - усилитель, диапазон частот электрического поля f=10÷10 Гц
4 - система контроля температуры, 77÷620 K с точностью до 0,01 K
5 - измерительная ячейка
6 - компьютер с управляющей платой
Более подробно измерительная ячейка 5 представлена на фиг. 2:
5а - крепежный винт
5б - исследуемый образец
5в - диэлектрическая подложка (носитель образца)
5г - патрубок подвода азота
5д - патрубок вывода азота
5е - крепежная пружина
5ж - верхний контакт
5з - нижний контакт
5и - электрические клеммы
Для поддержания постоянной температуры с высокой точностью, ячейка имеет двойные вакуумные стенки.
В данной ячейке для создания требуемой рабочей температуры от системы контроля температуры 4 (фиг. 1) непрерывно через патрубок 5г (фиг. 2) подается нагретый необходимым образом азот, выходящий через патрубок 5д (фиг. 2). Особенностью нашего комплекса является подвод света от монохроматора на образец через струю азота, выходящую через патрубок 5д (фиг. 2).
Преимуществами комплекса для измерений влияния света на спектры времен электрической дипольной релаксации в полупроводниках перед описанными выше аналогами являются:
а.) использование широкого диапазона длин волн (нами использован монохроматор ЗМР-3, 1 на фиг. 1) с возможностью варьирования интенсивности освещения (лампа ДКСШ-1000, 2 на фиг. 1),
-3
5
б.) применение диапазона частот электрического поля ν=10÷10 Гц (могут быть использованы конверторы разных фирм, нами использован конвертер Novocontrol + усилитель Stanford Systems SR810 DSP, 3 на фиг. 1),
в.) температурный диапазон 77÷620 K с точностью до 0,01 K (использована система Novocontrol Qudro, 4 на фиг. 1).
Все это одновременно позволять не только исследовать фотопроводимость пленок, но и изучать времена релаксации.
Для исследования характеристик образец на диэлектрической подложке (обычно, стекло) с напыленными электрическими контактами помещается в измерительную ячейку и закрепляют посредствам крепежного винта 5а (фиг. 2) и пружины 5е (фиг. 2). Его контакты 5ж (фиг. 2) и 5з (фиг. 2) подключаются к клеммам ячейки 5и (фиг. 2). Образец ориентируют таким образом, чтобы его тыльная сторона была направлена в сторону патрубка 5д (фиг. 2). После подключения к ячейке контактных кабелей, при помощи монохроматора устанавливают необходимую длину волны излучения. После этого посредствам компьютера с управляющей платой задают необходимый диапазон частот и температур и проводят запись спектров. Далее проводят обработку полученных данных с использованием математического аппарата.
Применение заявляемой полезной модели иллюстрируется, но никак не ограничивается следующим примером.
Пример 1. Исследование спектров времен диэлектрической релаксации в пленках CdS.
Для исследования на стеклянные подложки наносили слой CdS методом пиролиза аэрозоля, медные контакты наносили методом вакуумного напыления. После этого образец закреплялся в ячейке, как показано на фиг. 2.
-3
5
Далее при фиксированной температуре Т=20°С в диапазоне частот 10-10 Гц на основании измерения фазового сдвига получали сведения об импедансе. При этом на образец подавался монохроматический свет с λ=370, 520, 620 и 960 нм.
Исходя из полученной зависимости фазового сдвига от частоты приложенного электрического поля были построены частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости ε*. В данном примере для анализа данных использовалось программное обеспечение Novocontrol WinFit 2.9, однако возможно использование любого другого аналогичного.
Исходя из соотношения
и
Были построены спектры времен релаксации (фиг. 3.) при различных длинах волн (1 - λ=370 нм, 2 - λ=520 нм, 3 - λ=620 нм, 4 - λ=960 нм, 5 - в темноте)
Из спектров видно, что с увеличением длины волны света от 370 до 960 нм происходило смещение максимумов в сторону высоких времен релаксации. При длинах волн больше 960 нм один максимум в спектре G(τ) исчезал, а второй смещался к темновому значению.
Таким образом, предложенный нами комплекс для измерений в отличие от аналогов позволяет изучать не только электронные уровни в полупроводниках, но и исследовать времена релаксации при воздействии освещения.