Динамика процессов разрядки ловушечных центров в кремнии, легированном фосфором и золотом, и высокофоточувствительных фоторефрактивных соединениях со структурой силленита тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, доктор физико-математических наук Чмырев, Виктор Иванович

• Чмырев, Виктор Иванович
• доктор физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Чмырев, Виктор Иванович

Введение.

1. Кинетические дифференциальные уравнения термостимулированных токов и индуцированной примесной фотопроводимости ловушечных центров.

1.1. Численное решение дифференциальных уравнений кинетики термостимулированных токов.

1.2. Численное решение дифференциальных уравнений кинетики индуцированной примесной фотопроводимости.

2. Приближения медленного и быстрого перезахватов.

2.1. Медленный перезахват для произвольного закона нагрева.

2.2. Быстрый перезахват для произвольного закона нагрева.

3. Линейный нагрев.

3.1. Линейный закон нагрева для медленного перезахвата.

3.2. Линейный закон нагрева для быстрого перезахвата.

3.3. Ожидаемые следствия теоретического анализа кинетических уравнений ТСТ для линейного нагрева.

4. Линейный закон нагрева до температурного плато с выдержкой до полной разрядки.

4.1. Медленный перезахват для линейного нагрева с температурным плато.

4.2. Быстрый перезахват для линейного нагрева с температурным плато.

5. Экспоненциальный закон нагрева.

5.1. Медленный перезахват для экспоненциального нагрева.

5.2. Быстрый перезахват для экспоненциального нагрева.

6. Релаксация избыточной проводимости на температурном плато за счет теплового и светового темпа генерации.

6.1. Контроль зарядового состояния ловушек в процессе релаксации термостимулированной проводимости на температурном плато и оценка концентрации примесных ловушек.

6.2. Релаксационные кривые концентрации свободных носителей на температурном плато при наличии светового импульса.

7. Фотоэлектрические и термостимулированные явления в Si<P, Au>.

7.1. Методика эксперимента.

7.2. Результаты и их обсуждение.

7.3. Релаксация ТСТ на плато. Опытные данные и их обработка.

8. Фотопроводящие и оптические свойства легированных монокристаллов со структурой силленита Bi|2Me02o (Me-Ge, Si, Ti).

8.1. Получение монокристаллы со структурой силленита. Приготовление образцов и экспериментальные методики.

8.2. Фотоэлектрические свойства Bii2Ge02o.

8.3. Фоточувствительные свойства титаната висмута, легированного цинком.

8.4. Фоточувствительные свойства титаната висмута, легированного ванадием.

8.5. Влияние легирования медью на фоточувствительные и оптические свойства титаната висмута.

8.6. Оптические и фотоэлектрические свойства Bii2Ti02o:P.

8.7. Оптические, фотоэлектрические и электрооптические свойства Bii2Si02o, легированного Cd и Mo.

8.8. Эмиссионные и фотоэмиссионные свойства монокристаллов Bii2Si02o легированных Cd и Мо.

8.9. Пространственные неоднородности в распределениях примесей и электрического поля в Bi)2Ge02o.

8.10. Влияние поверхности на фотопроводящие свойства силленитов.

8.10.1. Влияние химической полировки на фотопроводимость Bii2Si02o.

8.10.2. Индуцированная примесная фотопроводимость.

8.10.3. Пьезозарядовый и оптозарядовый эффекты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика процессов разрядки ловушечных центров в кремнии, легированном фосфором и золотом, и высокофоточувствительных фоторефрактивных соединениях со структурой силленита»

Актуальность темы. Получение совершенных кристаллов с высокими фоточувствительными свойствами является основой современной оптоэлектроники. Ничтожные концентрации примесей порядка Ю10 см"3 и менее могут существенно изменить термоэлектрические и фоточувствительные свойства полупроводника. Легирование определенной примесью и неконтролируемая примесь создают в запрещенной зоне полупроводника энергетический спектр глубоких ловушек, каждая из которых имеет своё поперечное сечение захвата фотона и электрона, зарядовое состояние, энергию активации, эффективную массу зарядоносителя. Всё это отражается на форме кривых фотопроводимости (ФП) и термостимулированной проводимости (ТСП), положении и величине характерных пиков. Однако извлечь информацию о параметрах ловушек из этих кривых не просто. Об этом свидетельствует огромное число работ по теории и эксперименту этих явлений, характеризуемых приближенным анализом дифференциальных уравнений кинетики, их описывающих. Развитие вычислительной техники привело к появлению работ, в которых дифференциальные уравнения решаются численно, что является огромным шагом вперед, поскольку нет необходимости делать какие-либо приближения. Однако пока не появились работы, в которых были бы проведены систематические исследования влияния параметров на функциональные зависимости ФП и ТСП. Нет полноценного анализа всех физических следствий, представляемых исследователю с помощью численного моделирования, помогающего лучше понять физику ловушечного центра, необходимого для целенаправленного поиска новых фоточувствительных материалов для практических целей. С этой точки зрения перспективны, во-первых, широко распространенный кремний, легирование которого фосфором и золотом с последующей термообработкой позволяет получать материал с высокой фоточувствительностью. Во-вторых, можно отметить перспективность материалов со структурой силленита (В112МО20 М = Si, Ge, Ti), прежде всего, как высоко фоточувствительных сред, фоточувствительность которых целенаправленным легированием легко изменить и в сторону увеличения, и уменьшения. Так, к примеру, с ростом концентрации фосфора в монокристаллах титаната висмута фотопроводимость в области спектра 2,3-2,6 эВ увеличивается на 3-4 порядка, появляется фоточувствительность в ИК-области спектра, что приемлемо в пространственно-временных модуляторах света (ПВМС), поскольку электрооптические свойства не меняются. С другой стороны, с увеличением степени легирования кадмием и молибденом силиката висмута происходит гашение фоточувствительности почти на пять порядков и просветление кристаллов при сохранении их электрооптических свойств, что можно использовать в широкоапертурных модуляторах света. Перспективны монокристаллы титаната висмута, легированные ванадием в малых концентрациях (порядка 0,01 мас.%). Высокая фоточувствительность этих кристаллов и долговременная спектральная память позволяют применить их в современных фотографических процессах. Этому также способствуют присущие силленитам фотоэлектретный эффект и индуцированная примесная фотопроводимость. Поэтому определение основных характеристик ловушечных центров, энергий активаций фоточувствительных уровней, спектральных зависимостей фотопроводимости, коэффициента поглощения и влияние примесей на фотопроводимость и термостимулированную проводимость является актуальной задачей науки и практики.

Цель исследования состояла в выявлении закономерностей динамики процессов разрядки ловушечных центров широкозонных полупроводников для прогнозирования фото- и термоэлектрических свойств и контролируемого их изменения путем легирования определенной примесью.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- исследование явлений ФП и ТСП с помощью численного моделирования и натурного эксперимента, что позволило всесторонне проанализировать следствия конкретного эксперимента и предложить конкретные схемы опытов по оценке влияния различных факторов на экспериментальные разрядные зависимости концентраций свободных носителей;

- определение материальных параметров полупроводника по релаксационным концентрациям свободных носителей;

- сравнение выводов, следующих из численного эксперимента кинетики термостимулированных токов, с экспериментальными данными, полученными на кремнии, легированном фосфором и золотом;

- поиск новых фоточувствительных материалов для практических целей на основе легированных широкозонных полупроводников со структурой силленита. Определение их основных характеристик: энергий активаций фоточувствительных уровней, спектральных зависимостей фотопроводимости, коэффициента поглощения и электрооптического модуля, а также, исследование взаимодействия электрооптических, пьезоэлектрических и фотопроводящих эффектов.

Научная новизна. Впервые проведен подробный анализ дифференциальных уравнений кинетики ФП и ТСП на основе созданного комплекса программ математической модели примесного ловушечного центра. Комплекс позволяет получать следствия решений кинетических уравнений ТСП для произвольного закона нагрева: линейного, экспоненциального, с температурным плато и пр. Показано, что нагрев с плато имеет преимущество перед прочими: позволяет определить энергии активации примесных ловушечных центров, концентрацию заряженных примесей в процессе разрядки, их полную концентрацию по кривым разрядки на температурном плато. Экспериментально доказана на кремнии, легированном фосфором и золотом, необходимость селективного фотовозбуждения при зарядке ловушек для обнаружения электронных и дырочных ловушек.

Обнаружена высокая фоточувствительность широкозонных полупроводников со структурой силленита, начиная с инфракрасной области спектра и до ультрафиолетовой, которая легированием существенно расширяется в дальнюю ИК-область (до 3 мкм). С другой стороны, легированием можно полностью подавить фоточувствительность, что необходимо для использования в широкоаппертурных модуляторах света. Обнаружена долговременная спектральная память. В В^веОго открыты два эффекта влияния света на пьезоэлектрический эффект и асимметрия спектральной зависимости фотозаряда при освещении образца с разных сторон.

Практическая и научная ценность: Комплекс программ, реализующих модель примесного ловушечного центра в широкозонных полупроводниках, может использоваться в практике исследований ТСП и ФП для обработки результатов экспериментов по обнаружению малых концентраций электрически активных примесей и определению их параметров. Высокая фоточувствительность широкозонных полупроводников со структурой силленита может быть использована в ПВМС. Длительные релаксации и спектральная память фотопроводимости, обнаруженные в титанате висмута, легированном ванадием, могут быть использованы в электрофотографии и оптоэлектронике (А.С. №1433085 от 22.07.1988). Гашение фоточувствительности на пять порядков и просветление кристаллов Bii2Si02o, легированных 50 мас.% Bi24CdMo04o, при сохранении их электрооптических свойств, можно использовать в широкоапертурных модуляторах света (А.С. №4856815/26, от. 22.08.91). Изменение типа проводимости с п - для чистого Bii2Si02o, на р - для легированных кристаллов Bii2Si02o:Bi24CdMo04o, можно использовать для создания р-n перехода. Обнаруженный эффект влияния света на пьезоэффект в германате висмута может быть использован для разработки оригинальных пьезооптических датчиков. Оптозарядовый эффект может быть использован в практике исследований фотопроводников для установления типа основных фотоносителей и для разработки чувствительных оптических датчиков.

Основные положения, выносимые на защиту:

- феноменологическая модель примесного ловушечного центра, основанная на исследовании кинетики фотопроводящих и термостимулированных явлений в широкозонных полупроводниках, включающая созданный комплекс программ, аналитически (приближенно) и численно решающий нелинейные дифференциальные уравнения, описывающие разрядные пики ТСТ и ФП;

- предсказание эффекта появления более высокоэнергетического пика ранее низкоэнергетического за счет большей эффективной массы или за счет большего поперечного сечения захвата для двух ловушечных центров с близкими энергиями активации;

- способ нагрева с температурным плато, позволяющий определить уровни энергии, концентрацию заряженных примесей в процессе разрядки и полную концентрацию ловушек по кривым релаксации свободных носителей для общего процесса разрядки;

- необходимость селективного фотовозбуждения при зарядке ловушек, которое позволяет обнаружить электронные и дырочные ловушки, что экспериментально доказано на кремнии, легированном фосфором и золотом;

- методика «очистка сверху» - очистка низкотемпературного пика ТСП от последующих, высокотемпературных;

- изучение фотопроводящих, оптических и электрооптических свойств выращенных по методу Чохральского монокристаллов Bii2Ge02o, Bii2Ti02o, Bij2Ti02o легированного металлом в концентрации (мас.%): Zn 0,009 - 0,15; V 0,14 - 0,46; Р 0,007 - 0,19; Си 0,1, 0,25, 0,27, 0,3; Bi12SiO20; Bi12SiO20, легированных 1, 1,5, 10, 16, 18, 33, 50 мас.% Bi24CdMoO40;

- механизм изменения фоточувствительности Bii2TiO20:Zn, заключающийся в том, что цинк в монокристалле титаната висмута встраивается в тетраэдрические позиции, уменьшая число вакансий по титану, ответственных за фоточувствительность и изменяя условия рекомбинации вследствие компенсирующего механизма, в результате чего, в диапазоне 2 - 4 эВ спектральная зависимость фоточувствительности титаната висмута, легированного цинком 0,009 мас.%, выше фоточувствительности исходного монокристалла, для 0,014, 0,035, 0,15 мас.% - ниже;

- обнаруженное экспоненциальное падение фоточувствительности монокристаллов BiJ2Ti02o:V при увеличении концентрации ванадия в диапазоне 0,14 - 0,33 мас.%, указывает на компенсационный механизм фотопроводимости и смещение уровня Ферми к середине зоны;

- механизм высокой фоточувствительности монокристаллов Bii2Ti02o:P в видимой и ближней ИК областях спектра объясняется тем, что фосфор вносит донорные уровни. С ростом концентрации фосфора происходит компенсация акцепторной примеси, в результате чего меняются процессы рекомбинации: до некоторой пиковой концентрации это приводит к росту фотопроводимости; с дальнейшим ростом концентрации фосфора фотопроводимость проявляет тенденцию экспоненциального падения, что объясняется движением уровня Ферми к середине зоны;

- доказательство того, что чистый силикат висмута имеет n-тип проводимости и его работа выхода равна 4,3 эВ, в то время как, все легированные монокристаллы Bii2Si02o:Bi24CdMo04o имеют р-тип проводимости и их работа выхода увеличивается с увеличением степени легирования и составляет величину: 5,2; 5,1; 5,4; 5,7; 6,3 эВ соответственно для концентраций: 1; 1,5; 10; 16; 18 мас.% Bi24CdMo04o;

- гашение фоточувствительности на пять порядков с увеличением степени легирования монокристаллов Bii2Si02o:Bi24CdMo040 объясняется движением уровня Ферми к потолку валентной зоны со сменой типа носителей - с электронного, для чистого силиката висмута, на дырочный, для легированных кадмием и молибденом монокристаллов, с соответствующим изменением характера рекомбинационных процессов;

- эффект различной спектральной зависимости величины пьезомодуля в Bii2Ge02o (его наблюдаемое увеличение или уменьшение) при освещении образца с разных сторон, объясняемый взаимодействием объёмных зарядов, возникающих за счет фотопроводимости, с поляризационными пьезозарядами, возникающими при сжатии образца;

- эффект различной спектральной зависимости фотозаряда в цепи образец-гальванометр при освещении с разных сторон образца германата висмута, обусловленный различной концентрацией фотоэлектронов за счет различной концентрации фотоактивных уровней у контактов.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 44 печатных работах и двух авторских свидетельствах на изобретения.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных и российских конференциях: 4 Всесоюзное совещание по высокотемпературной химии силикатов и окислов, Ленинград, 1974; 3 Всесоюзная конференция по физико-химическим основам технологии сегнетоэлектрических и родственных материалов, Звенигород, 1988; 2 Всесоюзная конференция «Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезоэлектрических материалов», Москва, 1984; VIII Межреспубликанская конференция молодых ученых АН КиргССР, Фрунзе, 1986; Научно-практическая конференция «Висмутовые соединения и материалы», Коктебель-Челябинск, 1992; XII Conference on Solid State Crystals-Materials Science and Applications, Zakopane, Poland, 1996; XVI Менделеевский Съезд по общей и прикладной химии, Санкт-Петербург, Россия, 1998; XVI International

Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, Russia, 1998; Международная конференция по росту и физике кристаллов посвященная памяти М.П.Шаскольской, Москва, 1998; VI Международная конференция «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение», г. Александров, 2003 г.; Вторая Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика - 21 века», посвященная памяти М.П.Шаскольской, Москва, 2003 г.; XI Национальная конференция по росту кристаллов, Москва, 2004; ежегодные конференции МИФИ и ИОНХ РАН.

Личный вклад автора заключается в постановке цели, задач исследования, их анализе и решении, интерпретации теоретических и экспериментальных данных, следующих из созданной им феноменологической модели примесного ловушечного центра, основывающейся на кинетике фотопроводящих и термостимулированных явлений в широкозонных полупроводниках.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения, списка литературы из 97 наименований. Она изложена на 235 страницах, содержит!6 таблиц и 99 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Чмырев, Виктор Иванович

Основные результаты и выводы работы следующие: 1. Аналитически и методом численного эксперимента всесторонне исследована математическая модель примесного ловушечного центра в широкозонных полупроводниках, описываемая нелинейными дифференциальными уравнениями кинетики разрядки свободных и захваченных ловушкой (связанных) зарядов. Создан комплекс программ, численно решены дифференциальные уравнения кинетики при произвольных значениях параметров ловушек. 1.2. Показано в случае линейного нагрева: более скоростной пик объемлет менее скоростной; пик безусловно сдвигается с ростом Et, уменьшением ш* и St. при выполнении условий как быстрого так и медленного перезахватов; увеличение начального заполнения п^ сдвигает пик ТСТ в область низких температур, а увеличение концентрации ловушек Nt и времени рекомбинации тг сдвигают его в область высоких температур для быстрого перезахвата не влияя на его положение при медленном перезахвате;

1.3. Предсказана инверсия по энергии вследствие различия эффективных масс или поперечных сечений захвата двух ловушечных уровней - возможно на опыте появление высокоэнергетического пика большей эффективной массы или большим поперечным сечением захвата ранее низкоэнергетического.

1.4. Для общего случая релаксации на плато при условии малого заполнения ловушек получены аналитические формулы: для определения энергии активации уровня; для определения концентрации заряженных ловушек в процессе разрядки; для оценки концентрации ловушечных уровней.

1.5. Показано, методом численного эксперимента ИПФ, что при некоторой критической интенсивности светового импульса разрядка уровня идет столь быстро, что конечная концентрация свободных носителей ниже темнового уровня разрядки при одинаковых временах разрядки.

2. Изучены термостимулированные токи в кремнии легированном фосфором и золотом после зарядки ловушечных уровней светом с различной энергией квантов: С помощью комплекс программ выделены и обработаны три пика ТСП порожденных тремя ловушками. Одна ловушка является дырочной с глубиной залегания 0.42 эВ и сечением захвата 3.2-10"13 см2, две другие - электронные: глубиной 0.26 и 0.35 эВ с сечением захвата 8.4-10"17 и 3.5-10"15 см2, соответственно;

2.1. Развита методика очистки низкотемпературного пика ТСП от последующих высокотемпературных - выдержка фиксированное время предварительно заряженных ловушек при температуре разрядки нижнего по энергии пика, фиксация промежуточной (неполная разрядка нижнего пика) кривой ТСП и последующее вычитание её из исходной кривой ТСП есть точный образ нижнего пика;

3 Изучены фотопроводящие, оптические и электрооптические свойства выращенных по методу Чохральского монокристаллов Bi]2Ge02o, Bi)2Ti02o, Bii2Ti02o легированного металлом в концентрации (масс.%): Zn 0,009 - 0,15; V 0,14 - 0,46; Р 0,007 - 0,19; Си 0,1, 0,25,0,27, 03; Bi12SiO20; Bi12Si020 легированных 1, 1,5, 10,16,18, 33, 50 масс.% Bi24CdMo04o.

3.1. Установлена красная граница фотопроводимости при 0.75 эВ германата висмута в изученном интервале энергий (0.1-2.5) эВ; определены энергии залегания примесей 0.75, 1.3, 2.3 эВ; обнаружен фотоэлектретный эффект, обусловленный гетерозарядом; методом локальной ФП установлено, что поле и примесь по длине образцов распределены неоднородно в пределах 20%;

3.2. Спектральная зависимость коэффициента поглощения титаната висмута, легированного оксидом цинка с увеличением концентрации Zn от 0,009 до 0,15 масс.% сдвигается в область высоких энергий при hv > 2,3 эВ (поглощение уменьшается). Спектральная зависимость фоточувствительности в диапазоне 2 -4 эВ для концентрации 0,009 масс.% выше фоточувствительности исходного монокристалла, для 0,014, 0,035, 0,15 масс.% - ниже. Предложен механизм изменения фоточувствительности Bii2Ti02o ПРИ легировании Zn, заключающийся в том, что цинк в монокристалле титаната висмута встраивается в тетраэдрические позиции, уменьшая число вакансий по титану ответственных за фоточувствительность. В целом по сравненению с чистым монокристаллом изменяются условия рекомбинации вследствие компенсирующего механизма.

3.3. Фоточувствительность легированных ванадием (0,14-0,46 мас.%) монокристаллов титаната висмута на 1-2 порядка выше в области длин волн А,>530 нм, чем у чистого монокристалла. Обнаружены долговременные релаксации фототока для малых концентраций лигатуры. Введено понятие квазистацинарная фотопроводимость, позволившее снять спектральные характеристики долговременных фототока. Определены характерные примесные уровни обусловливающие фоточувствительность: 1,64, 1,72, 1,92, 2,2, 2,38, 2,48, 2,60, 2,75, 2,88, 2,95, 3,11, 3,75 эВ. Наблюдаемое экспоненциальное падение фоточувствительности при повышении концентрации V в Bi2Ti02o, начиная с самой малой, объясняется предположительным движением уровня Ферми к середине запрещенной зоны с соответствующим уменьшением концентрации фотоносителей;

3.4. Спектральные зависимости коэффициента поглощения монокристаллов Bii2Ti02o:Cu для концентраций 0,1, 0,25, 0,27, 03 масс.% Си с увеличением концентрации меди сдвигаются вверх относительно спектра поглощения чистого монокристалла (коэффициент поглощения возрастает). В тоже время фотопроводимость падает с увеличением концентрации Си, что возможно обусловлено механизмом компенсации, сдвигом уровня Ферми к потолку валентной зоны вплоть до изменения типа проводимости с электронного для чистого титаната висмута на дырочный для Bi]2Ti02o:Cu. Фотопроводимость у конца кристалла приблизительно в пять раз ниже таковой у его начала, что говорит об увеличении концентрации меди вследствие коэффициента сегрегации примеси меньшего единицы.

3.5. Фоточувствительность монокристаллов Bij2Ti02o:P в интервале концентраций фосфора 0,007-Ю, 19 масс.% при увеличении степени легирования в области, примыкающей к краю собственного поглощения, увеличивается на 1-2 порядка, в области плеча увеличивается на 3-4 порядка, появляется фоточувствительность в ИК-области спектра. Предполагается, что фосфор вносит донорные уровни, очуствляющие кристалл в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. С ростом концентрации фосфора происходит компенсация акцепторной примеси, в результате чего меняются процессы рекомбинации: до некоторой пиковой концентрации это приводит к росту фотопроводимости; с дальнейшим ростом концентрации фосфора фотопроводимость проявляет тенденцию экспоненциального падения, что объясняется движением уровня Ферми к середине зоны;

3.6. Обнаружено, что с увеличением степени легирования до 50 масс.% Bi24CdMo04o в монокристаллах Bij2Si02o легированных 1, 1,5, 10, 16, 18, 33, 50 масс.% Bi24CdMo04o происходит гашение фоточувствительности почти на пять порядков и просветление кристаллов при сохранении их электрооптических свойств. Величины электрооптического модуля и электрооптической эффективности легированных образцов Bii2Si02o'.Bi24CdMo04o при А,=543 нм

3 11 составили, соответственно: Г41=(4,3±0,3) пм/В, Г41П0 = (7,7±0,6)-10" м/В. Доказано, что чистый силикат висмута имеет n-тип проводимости и его работа выхода равна 4,3 эВ в то время как все легированные монокристаллы имеют р-тип проводимости и их работа выхода увеличивается с увеличением степени легирования и составляет величину: 5,2; 5,1; 5,4; 5,7; 6,3 эВ соответственно для концентраций: 1; 1,5; 10; 16; 18 масс.% Bi24CdMo040. Таким образом, получено доказательство, высказанного ранее предположения, что гашение фотопроводимости с увеличением степени легирования в силленитах обусловлено движением уровня Ферми к середине запрещенной зоны со сменой типа носителей электронного на дырочный

3.7. Обнаружена область низкой фоточувствительности при Я=0,41-0,43 мкм, сравнимая по величине с фоточувствительностью красной области спектра: 0,60,63 мкм, химически полированных образцов Bii2Si02o, что может быть использовано для считывания информации в ПВМС двумя лучами.

3.8. Обнаружена ИПФ кристаллов титаната висмута легированного оксидами кадмия, кальция, галлия в области спектра 550 - 900 нм, обусловленная поляризационными зарядами, захваченными глубокими уровнями примесных ловушек после облучения синим светом.

3.9. Обнаружен оптопьезозарядовый эффект в монокристаллах германата висмута, заключающийся в изменении величины пьезомодуля под действием света, обусловленный взаимодействием поляризационных зарядов наведенных при прямом пьезоэффекте и фотопроводящими свойствами образца.

3.10. Обнаружен оптозарядовый эффект в образцах монокристалла германата висмута, заключающийся в том, что освещение образца германата висмута с различных сторон дает различные зависимости заряда протекшего по цепи: «образец-гальванометр» от длины волны падающего света.

228

9. Заключение и выводы.

Таким образом, нами всесторонне исследована модель примесного ловушечного центра в широкозонных полупроводниках применительно к кинетике термостимулированных и фотоэлектрических явлений. Создан комплекс программ, обслуживающих модель ловушки, на основе численного решения дифференциальных уравнений кинетики при произвольных значениях параметров ловушек и произвольной зависимости температуры от времени. Это позволило рассмотреть влияние на релаксационные кривые свободных и захваченных ловушкой (связанных) зарядов всевозможных параметров, описывающих ловушки. Что, в свою очередь, позволило грамотно планировать опыты, задавая инструментальные параметры с учетом известных материальных. Исследования фотопроводящих и термостимулированных явлений в кремнии легированном фосфором и золотом с применением разработанного нами комплекса программ, обслуживающего модель примесного ловушечного центра, подтвердили основные положения теории и позволили разобраться со сложным явлением термостимулированной проводимости в этом материале.

Отметим перспективность материалов со структурой силленита прежде всего как высоко фоточувствительных сред. Причем их фоточувствительность легко можно изменить легированием и в сторону увеличения, и уменьшения. Так, к примеру, с ростом концентрации фосфора в монокристаллах титаната висмута фотопроводимость в области примыкающей к краю собственного поглощения увеличивается на 1-2 порядка, в области плеча увеличивается на 3-4 порядка, появляется фоточувствительность в ИК области спектра, что приемлемо в ПВМС, поскольку электрооптические свойства не меняются. С другой стороны с увеличением степени легирования кадмием и молибденом силиката висмута происходит гашение фоточувствительности почти на пять порядков и просветление кристаллов при сохранении их электрооптических свойств, что можно использовать в широкоапертурных модуляторах света. Перспективны на наш взгляд фоточувствительные свойства монокристаллов титаната висмута легированные ванадием в малых концентрациях (порядка 0,01). Здесь обнаружен столь долговременной процесс релаксации фотопроводимости к максимуму, что сам максимум не удалось наблюдать. Пришлось вводить понятие квазистационарной фотопроводимости для характеристики фоточувствительности таких сред. Высокая фоточувствительность этих кристаллов и долговременная память позволяют применить их в современных фотографических процессах. Присущие силленитам фотоэлектретный эффект и индуцированная примесная фотопроводимость также способствуют этому.

Отметим как важное наблюдение изменение типа проводимости с п - для чистого силиката висмута на р - для легированного кадмием и молибденом. То есть, здесь мы уже можем говорить о р-n переходе в традиционном понимании этого понятия. Однако отметим, что для качественного р-n перехода необходимы более совершенные монокристаллы со структурой силленита. Интересны опыты по влиянию света на пьезоэлектрический эффект не только с научной точки зрения, но и возможными применениями на практике. Оптозарядовые явления присущи образцу с асимметричными контактами. Хотя этот эффект был обнаружен случайно, несомненны перспективы его практического применеия. Несомненно, на этом пути нас ждут удивительные открытия и заманчивые перспективы практических применений этих удивительных кристаллов.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Чмырев, Виктор Иванович, 2006 год

1. Haering R.R., Adams E.N., Theory and Application of Thermally Stimulated Current in Photoconductors, Phys. Rev., 1960, v.l 17, №2, p.451-454.

2. П.С. Киреев, Физика полупроводников, "Высшая школа", Москва, 1969, 592с.

3. Чмырёв В.И., Дудкина Т.Д., Скориков В.М., Зуев В.В., Петровский А.Н., Быковский Ю.А., Ларина Э.В. Термостимулированные и фотоэлектрические свойства кремния, легированного золотом // Неорган. Материалы, 1997, т.ЗЗ, №9, с.1041—1053.

4. О.Б. Арушунян, С.Ф. Залеткин, "Численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений на Фортране", М., Изд. МГУ, 1990, 336с.

5. Ю.П. Боглаев, "Вычислительная математика и программирование", М., "Высшая школа", 1990, 544с.

6. Форсайт Дж., и др., "Машинные методы математических вычислений", М.: Мир, 1980.

7. Grossweiner L.I. A Note on the Analysis of First-Order Glow Curves // J. Appl. Phys., 1953, v.24, №10, p.1306-1307.

8. Nicholas K.H. and Woods J. The evaluation of electron trapping parameters from conductivity glow curves in cadmium sulphide // Brit. J. Appl. Phys., 1964, vol. 15, p.783-794.

9. Elkomoss S.G., Samimi M., Hage-Ali M., and Siffert P. Accurate Evaluations of Thermally Stimulated Current and Defect Parameters for CdTe Crystals // J. Appl. Phys. 1985, vol. 57, no. 12, pp. 5313-5319.

10. Смирнов В.И. Курс высшей математики. М.: Наука, 1967, с.230.

11. Милне А., Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. "Мир", Москва, 1997, с.562.

12. В.Н.Вертопрахов, Е.Г.Сальман, Термостимулированные токи в неорганических веществах, "Наука", Новосибирск, 1979, с.336.

13. Ю.А.Гороховатский, Г.А.Бордовский. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков, "Наука", Москва, 1991, 248 с.

14. Чмырев В.И. Расчет одиночного пика термостимулированной проводимости в приближениях слабого и сильного перезахвата // Неорган. Материалы, 1999, т.35, №10, с. 1159-1160.

15. Чмырев В.И., Скориков В.М., Ларина Э.В., Зуев В.В. Анализ дифференциальных уравнений для термостимулированных токов в полупроводниках при произвольном нагреве. // Неорган, материалы. 2001. Т.37. №3. С.292-297.

16. Скориков В.М., Чмырев В.И., Ларина Э.В., Зуев В.В., Григорьев В.В., Кирюхин А.Д. Термостимулированные токи в Si(P, Au) при экспоненциальном нагреве. // Неорган, материалы. 2001. Т.37. №9. С.1067-1073.

17. Чмырёв В.И., Скориков В.М., Быковский Ю.А., Зуев В.В., Кирюхин А.Д., Григорьев В.В., Ларина Э.В. Фотоэлектрические и термостимулированные свойства Si(P, Au) // Неорган. Материалы, 1999, т.35, №10, с. 1031-1041.

18. Киселев А.И., Краснов М.Л., Макаренко Г.И., Сборник задач по обыкновенным дифференциальным уравнениям.«Высшая школа», Москва, 1967, с.ЗИ.

19. Скориков В.М., Чмырев В.И., Ларина Э.В., Зуев В.В. Анализ кинетических уравнений для термостимулированных токов в полупроводниках Si(P, Au). // Неорган, материалы. 2001. Т.37. №9. С. 1055-1066.

20. Рыбкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках // Москва: Физматгиз, 1963, с.496.

21. Скориков В.М., Чмырёв В.И., Чумаевский Н.А., Байсымаков М.А., Волков В.В. Определение концентрации ванадия в монокристаллах титаната висмута и ее связь с оптическими свойствами и фотопроводимостью. // Высокочистые вещества, 1990, №1, с.218-227.

22. Laug D.V. Complex nature of gold-related levels in silicon // Phys. Rev. B, 1980, v.22, №7, p.3917-3921.

23. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников // Москва: Наука, 1977, с.672.

24. Feinleib L, Oliver D. S. Reusable optical image storage and processing device//Appl. Opt. 1972. V. 11. № 12. P. 2752—2759.

25. Nisenson P., Iwasa S. Real time optical processing with Bi.2Si02o PROM//Appl. Opt. 1972. V. 11. № 12. P. 2760—2767.

26. Петров M. П., Хоменко А. В., Красинькова M. В. и др. Преобразователь изображений ПРИЗ и его применение в системах оптической обработки информации//ЖТФ. 1981. Т. 51. № 7. С. 1422—1432.

27. Захаров И.С. Пространственно-временные модуляторы света. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1983, с.264.

28. Peltier М., Micheron F. Volum hologram recording and charge transfer process in Bi12Si020 and Bi,2GeO20//J. Appl. Phys. 1977. V. 48. № 9. P. 3683—3690.

29. Копылов Ю. JI., Кравченко В. В., Куча В. В. Оптические и фотоэлектрические свойства легированных монокристаллов В1128Ю2о//Микроэлектроника. 1982. Т. П. Вып. 5.С. 477—479.

30. Grabmaier В. С., Oberchmid R. Properties of pure and doped Bii2Ge02o and Bi,2SiO20 crystals//Phys. status solidi(a). 1986. V. 96. № 1. P. 199—210.

31. Кацавец H. И., Леонов E. И., Муминов И., Орлов Б. М. Фотопроводимость легированных монокристаллов Bii2Ti02o и твердых растворов Bii2SixTiix02o //Письма в ЖТФ, 1984. Т. 10. Вып. 15. С. 932—936.

32. Байсымаков М. А., Волков В. В., Скориков В. М., Чмырев В. И. Фотопроводимость легированных монокристаллов титаната висмута//Тез. докл. VIII Межресп. конф. молодых ученых АН КиргССР. Фрунзе. 1986. С. 183—185.

33. Скориков В.М. Химия оксидных соединений-пьезоэлектриков. Автореферат диссерт. док. хим. наук. ИОНХ РАН, Москва, 1985.

34. Волков В.В. Синтез и физико-химические исследования кристаллов титаната висмута. Автореферат диссерт. канд. хим. Наук. ИОНХ РАН, Москва, 1988.

35. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука. 1977. С. 368.

36. Efendiev Sh. М., Bagiev V. Е., Zeinally A. Ch. et al. Optical prope properties of Bi,2TiO20 single crystals//Phys. status solidi(a). 1981. V. 63. № 1. P. K19—K22.

37. Чмырев В.И. Скориков В.М. Электрооптические явления в германате и силикате висмута // Изв. АН. СССР. Неорган, материалы. 1983. Т. 19. № 2.С. 289 -294.

38. Чмырев В.И. Пьезоэлектрические, электрооптические и электрогирационныеэффекты в соединениях со структурой типа силленита. Автореферат дис.канд.ф,-м. наук. МИФИ, Москва 1983.

39. Чмырев В.И. Скориков В.М. Анализ эллипса поляризации методом Сенармона при изменении разности фаз в пределах 0.2я //Измерительная техника 1999, T.l 1, с22-25.

40. Быковский Ю.А., Зуев В.В., Кирюхин А.Д., Скориков В.М., Чмырев В.И. Фотоэлектрические свойства BiI2GeO20 //ФИТ, 1978, Т.22, №10, с.2004-2007.

41. Lauer R.B. Thermally stimulated Currents and Luminescence in Bii2Si02o and Bi.2Ge02o //J. Appl. Phys., 1971, V.42, N5, P.2147-2149.

42. Роуз А. Основы теории фотопроводимости, «Мир», М., 1966. С.192.

43. Иванов IO.JI., Рывкин С.М. Фотоэлектретный эффект в кремнии. ФТТ, 1963, Т.5, в.12, с.3541 3544.

44. Скориков В. М., Чмырев В. И., Байсымаков М. А., Волков В.В., Каргин 10. Ф. Фоточувствительные свойства титаната висмута, легированного цинком. // Неорган, материалы. 1988. Т. 24. № 11. С. 1869-1873.

45. Douglas G. G., Zitter R. N. Transport processes of photoinduced carriers in bismuth germanium oxide (Bi12GeO20)//J. Appl. Phys. 1968. V. 39. № 4. P. 2133—2135.

46. Hou S. L., Lauer R. В., Aldrich R. E. Transport processes of photoinduced carriers in Bii2Si020//J. Appl. Phys. 1973. V. 44. № 6. P. 2652—2658.

47. Авраменко В. П., Кудзин А. Ю., Соколянский Г. X. Фотопроводимость монокристаллов германо- и силикосилленита//ФТТ. 1984. Т. 26. Вып. 2. С. 485— 489.

48. Гудаев О. А., Детиненко В. А., Малиновский В. К. Энергетический спектр и природа глубоких уровней в кристаллах германата висмута//ФТТ. 1981. Т. 23. Вып. 1.С. 195—201.

49. Александров К. С., Анистратов А. Т., Грехов Ю. Н. и др. Оптические свойства монокристаллов Bii2Ge02o, легированных алюминием и бором //Автометрия.1980. № l.C. 99—101.

50. Abrahams S. C., Jamieson P. В., Bernstein I. L. Crystal structure of piezoelectric bismuth germanium oxide Bi12Ge020//J. Chem. Phys. 1967. V. 47. № 10 P. 4034-4041.

51. Скориков B.M., Чмырев В.И., Егорышева A.B. Волков B.B. Оптические и электрооптические свойства высокосовершенных монокристаллов титаната висмута (Bii2Ti02o) // Высокочистые вещества. 1989. №2. с.72-75.

52. Aldrich R. Е., Нои S. L., Harwill М. L. Electrical and Optical Properties of Bi12SiO20//J. Appl. Phys. 1971. V. 42. № l.P. 493.

53. Ramachandran G. N., Ramaseshan S. Magneto-Optic Rotation in Birefringent Media-Application of the Poincare Sphere.- J. Opt. Soc. Amer., 1952, v. 42. №1, p. 49.

54. Fox A.J., Bruton Т. M. Electro-optic effects in the optically active compounds BiI2TiO20 and Bi40Ga2 063 //Appl. Phys. Lett. 1975. V. 27. № 6. P. 360-362.

55. Волков В. В., Каргин Ю. Ф., Хомич А. В., Перов П.И., Скориков В.М. Исследование состояние ванадия в кристаллах Bii2Ti02o.//HeopraH, материалы. 1989. Т№ 5. С. 827-829.

56. Betsch R.J., White W.B. // Vibrational spectra of bismuth oxide and the sillenite-structure bismuth oxide derivatives. // Spectrochim. Acta. 1978. V. 34A. P.505-514.

57. Зарецкий Ю. Г., Курбатов Г. А., Прокофьев В. В., Уханов Ю.И., Шмарцев Ю.В. Сравнение спектров комбинационного рассеяния света Bii2Si02o, Bii2Ge02o и Bii2Ti02o /// Оптика и спектроскопия. 1983. Т. 54. Вып. 3. С. 569-571.

58. Хомич А.В., Ермаков М. Г., Перов П. И., Куча В.В. Двухфононное ИК-поглощение в кристаллах силленитов// Журн. прикл. спектроскопии.1984. Т. 40. №3. С. 387-393.

59. Березкин В.И. Оптические и термические переходы в силикате висмута // ФТТ. 1983. Т. 25. № 2.С. 490 494.

60. Иванов IO.JI., Рывкин С.М. Оптическая перезарядка примесных центров и кинетика примесной фотопроводимости. //ФТТ. 1962. Т. 4. В. 6. С. 1482.

61. Скориков В.М., Чмырев В.И., Егорышева А.В., Волков В.В. Влияние легирования Си на фотоэлектрические свойства монокристаллов Bi.2 ТЮ2о-// Высокочистые вещества. 1991. № 2. С. 81 87.

62. Павлов JI. П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М.: Высш. шк., 1975. С. 141.

63. Федоров П. И. Методы получения веществ высокой степени чистоты. М.: Тр. МИХМ, 1981. С. 6.

64. Хомич А. В., Волков В. В., Каргин Ю. Ф., Перов П.И., Скориков В.М. Оптические свойства легированных фосфором кристаллов титаната висмута. // Неорган, материалы. 1989. Т.25, № 4. С. 642-644.

65. Чмырев В.И., Скориков В.М., Цисарь И.В., Васильев А.Я., Каргин Ю.Ф., Дудкина Т.Д. Оптические, фотоэлектрические и электрооптические свойства монокристаллов Bii2Si02o, легированных Cd и Мо // Высокочистые вещества. 1991. №2. С. 88-92.

66. Панченко Т. В., Кудзин А. Ю., Костюк В. X. Влияние легирования на свойства монокристаллов Bii2Si02o // Неорган, материалы. 1983. Т. 19. № 7. С. 1144-1147.

67. Кизелъ В.А., Бурков В.И., Красилов Ю.И., Козлова Н.Л., Сафронов Г.М., Батог

68. B.Н. О гиротропии кристаллов типа силленит. //Оптика и спектроскопия. 1973. Т. 34. №6. С. 1165-1171.

69. Леонов Е. И., Щербаков А. Г. Локальные колебания примеси ванадия в кристаллах со структурой силленита // Физика твердого тела. 1986. Т. 28. Вып. 3.1. C. 916-918.

70. Давыдов С. Ю., Леонов Е. И. К расчету диэлектрических и пьезоэлектрических характеристик кристаллов со структурой силленита // ФТТ. 1986. Т. 28. №6. С. 1742-1747.

71. Гудаев ОЛ , Гусев В А. Пауль Э.Э. Индуцированное светом перераспределение полей в силленитах (Bii2Si02o, Bi12Ge02o) // ФТП. 1986. Т. 28. №4. С. 1110-1114.

72. Чмырев В.И., Цисарь И.В., Скориков В.М., Васильев А.Я. Измерение контактной разности потенциалов монокристаллов Bi.2 Si02o методом Кельвина.// Неорганические материалы. 1993. Т.29. №2. С. 262-269.

73. Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов. М.: Наука. 1965. 448 с.

74. Thomson W. (Lord Kelvin). Contact Electricity of Metals//Philos. Mag. 1898. V.46. P. 82-120.

75. Ашкрофт H., Мермин Н. Физика твердого тела.М.: Мир, 1979. Т. 1.400с.

76. Безоке К., Брегер С. Зонд Кельвина с пьезоэлектрическим приводом для измерения КРП // Приб. для науч. исслед. 1976. № 7. С. 50 53.

77. Baikie I.D., Venderbosch Е. Analysis of Stray Capacitance in the Kelvin Method // Rev. Sci. Instrum. 1994. V. 62. N. 3. P. 725 735.

78. Фоменко B.C., Поднерняева И.А. Эмиссионные и адсорбционные свойства веществ и материалов. М.: Атомиздат, 1975. 320 с.

79. Павлов Л.П Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М.:Высшая школа, 1975. 208 с.

80. Lassabatere L., Palau J.M. Study of the GaAs-Au and Si-Si02 Interface Formation by the Kelvin Method //J.Vac. Sci. Technol. 1983. V. 2, N. 3. P. 540 545.

81. Гудаев ОЛ., Гусев ВЛ., Детиненко ВЛ. и др.Уровни энергии в запрещенной зоне кристаллов //Автометрия. 1981. № 5. С 38 47.

82. Oberschmid R. Conductivity Instability and Polarization Effects of Bii2(Ge, Si)02o Single-Crystal Samples //Phys. status solidi A. 1985. V. 89. P. 657 671.

83. Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1961. 462 с.

84. Шкловский Б. И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979. 416 с.

85. Шик А.Я. Статистика носителей и термические релаксации в неоднородных полупроводниках //ЖЭТФ. 1976. Т. 71. № 69. С. 1159-1165.

86. Шейкман М.К., Шик А.Я. Долговременные релаксации и остаточная проводимость в полупроводниках // ФТП. 1976. Т. 10. № 2. С.209-233.

87. Адирович Э. И., Аронов Д. А., Книгин П. И., Королев Ю.С. Эксклюзия в компенсированных полупроводниках с глубокими примесными уровнями // ФТП. Т. 8. № 12. С. 2405-2412.

88. Скориков В.М., Дудкина Т.Д., Чмырёв В.И., Зуев В.В., Кирюхин А.Д. Пространственные неоднородности распределения примесей и электрического поля в высокоомных кристаллах Si<Au,W>, Bij2Ge02o, CdS. // Неорг. материалы, 2003, т. 39, N3, с. 263-275.

89. Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерения параметров полупроводниковыхматериалов. М.: Металлургия, 1970.429 с.

90. Байсымаков М.А., Скориков В.М., Чмырёв В.И., Ларина Э.В. Особенности проводимости в Bij2Si02o после химической полировки. // Неорг. материалы, 2002, т. 38, N9, с. 1120-1121.

91. Скориков В. М., Тарасова Л. С. Химическое травление монокристаллов Bii2Ge02o и Bi12SiO20.// Неорг. материалы, 1996, т. 32, N4, с. 464-468.

92. Чмырев В.И., Скориков В.М., Ермаков Г.А. Оптопьезозарядовые явления в монокристаллах Bi12GeO20. ФТТ, 1980, с.3164-3166.

93. Чмырев В.И., Скориков В.М., Субботин М.И. Исследование пьезоэлектрического эффекта монокристаллов Bii2Ge02o, Bi12Si02o и В^гТЮго Неорг. Мат. 1983, Т.19, №2, с.269-273.

94. Чмырев В.И., Скориков В.М., Ермаков Г.А. Взаимодействие пьезоэлектрических зарядов с зарядами неравновесных фотоносителей в монокристаллах В^СеОго- Неорг. Мат. 1981, Т.17, №6, с.1049-1052.

95. Глозман И.А Пьезокерамика, М.: Энергия, 1967, с.272.

96. Рябцев С.В., Тутов Е.А., Лукин А.В., Шапошник А.В. Исследование механизмов сенсибилизации допированных газовых сенсоров. Сенсоры, 2001, №1, с.26-30.

97. Butendeich R. and. Ruppel W. Photovoltage at the Metal-CdS Schottky Contact. -Phys. Stat. Sol. (a), 1978, v.49, № 10, p.169-175.