Эффект поля. Расчёт эффективной подвижности носителей заряда (стр. 4 из 6)

где

– удельная емкость МДП конденсатора, не участвуют в проводимости, т.к. связаны на ловушках и не успевают перейти в зону проводимости при уменьшении напряжения V_g(t).

Процесс захвата инжектированных носителей на ловушки характеризуют также величины ∆σ_si(0) и наклон кривой инжекции

Отклонение ∆σ_si(0) от равновесного нулевого значения при действии периодического монополярного напряжения обусловлено захватом и накоплением инжектированных электронов на глубоких ловушках, с которых эмиссия в зону проводимости не успевает произойти на частоте измерения. Это приводит к увеличению исходного отрицательного заряда на ПС на величину

Производная

определяет подвижность в эффекте поля μ_F(1) Фактор захвата θ = μ_F /μ_nхарактеризует долю инжектированных электронов, которые участвуют в проводимости[4].

На частотах измерения ДЭП f << (2πτ)^-1и f >> (2πτ)^-1 гистерезис должен отсутствовать: на низких частотах - из-за того, что за время действия напряжения успевает завершиться процесс релаксации захваченных носителей, на высоких частотах - из-за отсутствия самого захвата. Такой квазистационарный режим измерения ДЭП обычно используется для определения изгиба зон по минимуму квазиповерхностной проводимости. Он применим к относительно узкозонным полупроводникам (Ge, Si), но в GaAs из-за большой ширины запрещенной зоны и высокой концентрации ПС, приводящей к закреплению уровня Ферми на поверхности, минимум квазиповерхностной проводимости обычно не наблюдается. В данной работе этот метод в условиях нестационарного ДЭП, т.е. при наличии гистерезиса, развивается для исследования процесса захвата инжектированных носителей в ГНС. Измерения ДЭП проводились на частоте f= 60 Гц.

Для получения дополнительной информации о релаксации эффекта поля исследовалась также частотная зависимость малосигнального ЭП в диапазоне частот 20-10⁶ Гц по методу. Этим методом также определялись подвижность μ_F(f) и фактор захвата

где

- подвижность в электронном поле на достаточно высокой частоте, когда захват отсутствует и

Частота f_1/2,на которой

,где - подвижность на низкой частоте при завершившемся захвате на ловушки, определяет время релаксации эффекта поля .

2.1.2 Экспериментальные результаты

Рассмотрим сначала особенности ДЭП в однородном (буферном) слое GaAs и влияние на ДЭП освещения слоя, которое уменьшает высоту поверхностного барьера. В темноте (рисунок 2.1.2.1, кривая 1) гистерезис ДЭП относительно мал (ΔV_gh < 10 В), а подвижность в эффекте поля (1) в начале кривой инжекции μ_F≈ 4500 см²/В∙с близка к значению холловской подвижности электронов и подвижности μ_Fв малосигнальном эффекте поля, которая не имеет дисперсии во всем диапазоне измерения частотной зависимости. Очевидно, на начальном участке кривой инжекции, когда напряжение V_g(t) мало, а скорость его изменения относительно велика, захвата инжектированных электронов на ПС практически не происходит, что объясняется большой высотой препятствующего захвату поверхностного барьера в GaAs (приблизительно 0.6 эВ).

Рисунок 2.1.2.1. Влияние освещения на ДЭП в однородном слое GaAs. Интенсивность освещения: 1 - в темноте, 2 -10%, 3 - 100%

Рисунок 2.1.2.2. Влияние встраивания слоя КТ на ДЭП. 1 - однородный слой GaAs. 2 - 5 - ГНС с КТ. Толщина покровного слоя d_c: кривая 2 соответствует 5 нм, 3 - 20 нм, 4 -100 нм, 5 - 300 нм.

Однако в установившемся режиме ДЭП некоторый захват электронов на ПС все же происходит. На это указывает уменьшение наклона на кривой инжекции и уширение петли гистерезиса при больших значениях V_g(t), а также ярко выраженный эффект накопления, который проявляется в значительном отрицательном значении Δσ_si(0). Уменьшение

и увеличение ΔV_gh связаны с относительно быстро релаксирующим захватом на ПС, а накопление - с медленно релаксирующим захватом. Оценка увеличения концентрации отрицательно заряженных ПС по эффекту накопления (2) дает ΔN_S = 8-10⁹ см^-2 . Это значение составляет около 1% от равновесной концентрации отрицательного заряда на ПС (N_s~ 10¹² см^-2), определяющего изгиб зон на реальной поверхности GaAs.

Даже слабое освещение слоя GaAsизлучением от лампы накаливания сильно увеличивает захват на ПС. При максимальной интенсивности освещения (рисунок 2.1.2.1, кривая 3) ДЭП становится очень мал: подвижность

уменьшается, а ширина петли гистерезиса увеличивается в 20-30 раз, и полностью исчезает эффект накопления. Это обусловлено значительным уменьшением высоты поверхностного барьера в результате возникновения поверхностной фотоэдс V_ф, зависимость которой от интенсивности освещения Lимеет вид: V_ф=(kT/q)ln(l+BL), где В - некоторая постоянная. При максимальной интенсивности освещения, как показали измерения фотоэдс, V_ф достигает 0.4-0.5 В, и, следовательно, высота поверхностного барьера уменьшается приблизительно до 0.2 эВ. Было установлено, что величина Δσ_si(0) уменьшается, а ΔV_ghувеличивается также пропорционально InL в диапазоне, по крайней мере, двух порядков изменения интенсивности. Это определенно свидетельствует о том, что захват и накопление электронов на ПС происходит в результате их термического заброса через поверхностный барьер.

Рисунок 2.1.2.2. показывает влияние встраивания слоя КТ и изменения его положения в области пространственного заряда на ДЭП. Чтобы не загромождать рисунок, кривые разнесены по вертикали, и поэтому положение точки Δσ_si(0) не связано с эффектом накопления, а задано произвольно. Видно, что встраивание слоя КТ по мере удаления его от поверхности приводит к закономерному уменьшению наклона кривой инжекции и к увеличению ширины петли гистерезиса (показана стрелкой на каждой кривой). Оба эффекта, очевидно, обусловлены снижением при увеличении d_cвысоты поверхностного барьера, препятствующего захвату электронов на локализованные состояния в слое КТ. Особенно ярко эти эффекты проявляются при d_c=300 нм (кривая 5), когда слой КТ встроен вблизи границы ОПЗ с квазинейтральной областью структуры и барьер практически исчезает. По сравнению с ДЭП в буферном слое (кривая 1) начальный наклон кривой 5 уменьшился почти в 5 раз, а ширина петли гистерезиса увеличилась почти в 30 раз.

Заметим, что на кривых ДЭП при d_c=300 нм практически исчезает эффект накопления, ярко выраженный в однородных слоях GaAs (как уже говорилось, на рисунке 2.1.2.2. это не отражено). Отсутствие эффекта накопления обусловлено тем, что из-за сильного захвата инжектированных электронов в слой КТ не остается свободных электронов для захвата на ПС, с которым связан эффект накопления. Интересно, что кривая 5 очень похожа на кривую ДЭП для однородного слоя GaAs при сильном освещении (рисунок 2.1.2.1, кривая 3), когда из-за уменьшения высоты поверхностного барьера сильно возрастает захват на ПС. В обоих случаях на частотной зависимости малосигнального эффекта μ_F(f) появляется ярко выраженная дисперсия на частоте f_1/2 ~ 1 кГц, которой соответствует время релаксации процесса захвата

секунды[4].

Оценка поверхностной концентрации центров захвата в слое КТ по ширине петли гистерезиса (2) дает для кривой 5 на рис. 4 Δn_s ≈ 1∙10¹¹ см^-2. Это значение определяет нижний предел концентрации центров захвата в слое КТ, т.к. по величине ΔV_ghопределяются только центры, из которых захваченные электроны не успевают перейти в зону проводимости при уменьшении напряжения V_gот амплитудного значения до значения ΔV_ghна частоте измерения ДЭП. Однако и это значение на порядок превышает поверхностную концентрацию КТ в исследованных структурах (0.5 – 1.5)∙10¹⁰ см^-2, определенную методом атомно-силовой микроскопии. Более полный учет центров захвата в слое КТ за все время инжекции дает оценка их концентрации по фактору захвата Q_mпри амплитудном значении V_g(t)=V_gaпо формуле