Способ определения параметров каскадно возбуждаемых ловушек носителей зарядов в полупроводнике

Изобретение относится к физике полупроводников. Его применение при определении параметров каскадно возбуждаемых ловушек носителей зарядов в полупроводнике позволяет исследовать каскадно возбуждаемый тип ловушек в более широком классе полупроводниковых материалов, начиная с кристаллических и заканчивая органическими полупроводниками и нанокристаллами, и обеспечивает расширенные функциональные возможности за счет определения не только характеристик ловушек, но и энергетической плотности их состояний. В способе по изобретению: обеспечивают образец полупроводника, пропускающий не менее 20% излучения в диапазоне длин волн от 300 до 1500 нм; охлаждают образец до температуры не выше 100 K; нагревают охлажденный образец до температуры не менее 300 K со скоростью не более 5 К/с; пропускают через образец в процессе его охлаждения и последующего нагревания световой пучок со спектром, лежащим в пределах от 300-500 нм до 500-1500 нм и имеющим отношение интенсивностей в спектральных максимумах и минимумах не более 20; регистрируют спектр излучения, прошедшего через образец в процессе его охлаждения и последующего нагревания; находят спектр поглощения образца путем сравнения известного спектра светового пучка, пропущенного через этот образец, и зарегистрированного спектра излучения; определяют, по меньшей мере, наличие ловушек по изменениям спектра поглощения. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к физике полупроводников, а конкретно - к способу определения параметров каскадно возбуждаемых ловушек носителей зарядов в полупроводнике.

Уровень техники

В настоящее время известны различные способы, позволяющие исследовать ловушки носителей зарядов.

В авторском свидетельстве СССР №1385938 (опубл. 10.06.1996) описан способ определения параметров ловушек в полупроводниковых материалах, в котором на образец при двух значениях температуры подают пары импульсов напряжения, меняя интервал между импульсами. Данный способ позволяет установить параметры лишь одного типа ловушек в исследуемом материале, т.к. он применим только для монокристаллических низкоомных полупроводников (например, арсенида галлия), что определяется необходимостью измерения зависимостей переходного тока при подаче на образец импульсов напряжения. При этом на образец необходимо нанести электроды.

В патентах РФ №2399928 (опубл. 20.09.2010) и №2513651 (опубл. 20.04.2014) охарактеризованы способы детектирования ионизирующего излучения с помощью метода термически и оптически стимулированной люминесценции, возникающей в процессе опустошения ловушек и рекомбинации образованных в результате носителей. В этих документах описаны способы, в которых регистрируется интенсивность полос люминесценции при использовании ловушек с заранее известными характеристиками. Такой же тип ловушек использован и в заявке США №2010/0078559 (опубл. 01.04.2010), где раскрыт способ детектирования рентгеновских и гамма-лучей полупроводниковым детектором, стимулированным инфракрасным светом.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении решается задача разработки такого способа исследования ловушек носителей зарядов в полупроводнике, который преодолевал бы ограничения известных способов и позволял исследовать каскадно возбуждаемый тип ловушек в более широком классе полупроводниковых материалов, начиная с кристаллических и заканчивая органическими полупроводниками и нанокристаллами, и имел расширенные функциональные возможности за счет определения не только характеристик ловушек, но и энергетической плотности их состояний.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в настоящем изобретении предложен способ определения параметров каскадно возбуждаемых ловушек носителей зарядов в полупроводнике, заключающийся в том, что: обеспечивают образец полупроводника, пропускающий не менее 20% излучения в диапазоне длин волн от 300 до 1500 нм; охлаждают образец до температуры не выше 100 K; нагревают охлажденный образец до температуры не менее 300 K со скоростью не более 5 К/с; пропускают через образец в процессе его охлаждения и последующего нагревания световой пучок со спектром, лежащим в пределах от 300-500 нм до 500-1500 нм и имеющим отношение интенсивностей в спектральных максимумах и минимумах не более 20; регистрируют спектр излучения, прошедшего через образец в процессе его охлаждения и последующего нагревания; находят спектр поглощения образца путем сравнения известного спектра светового пучка, пропущенного через этот образец, и зарегистрированного спектра излучения; определяют по меньшей мере наличие ловушек по изменениям спектра поглощения.

Особенность данного способа состоит в том, что дополнительно могут определять параметры ловушек по изменениям спектра поглощения.

Другая особенность данного способа состоит в том, что образец могут помещать в криостат так, что угол между оптической осью светового пучка и нормалью к облучаемой поверхности образца отличен от 90°.

Еще одна особенность данного способа состоит в том, что световой пучок могут формировать путем коллимации и пространственной фильтрации излучения светового пучка.

Еще одна особенность данного способа состоит в том, что образец может быть выполнен в виде пластины или пленки из кристаллического либо органического низкомолекулярного или полимерного материала.

Еще одна особенность данного способа состоит в том, что образец может быть выполнен в виде пленки из нанокристаллов, микрокристаллов или порошков кристаллов с различными размерами частиц.

При этом образец может быть выполнен в виде пленки с органической или неорганической матрицей, в которую внедрены нанокристаллы, микрокристаллы или частицы порошков кристаллов.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, которые поясняют пример реализации способа по настоящему изобретению.

На Фиг. 1 представлена условная схема, поясняющая энергетические уровни полупроводника с каскадно возбуждаемыми ловушками.

На Фиг. 2 показана схема установки для реализации способа по настоящему изобретению.

На Фиг. 3 приведены температурные зависимости оптического поглощения, связанного с каскадно возбуждаемыми ловушками, на различных длинах волн в нанокристаллах CdSe.

Подробное описание изобретения

Известно, что в ряде полупроводниковых материалов имеются многозарядные каскадно возбуждаемые ловушки носителей зарядов (A.V. Katsaba et al. Density of Surface States in Colloidal CdSe Nanoplatelets. Semiconductors, 49 (2015), 1323-1326), которые далее по тексту именуются просто ловушками. Под каскадным возбуждением здесь следует понимать термически активированное возбуждение ловушки с захваченным носителем (уровень 3 на Фиг. 1) в некоторое промежуточное состояние (уровень 2), а затем оптически активированный выброс в зону проводимости (уровень 1). Отметим, что на Фиг. 1 обозначено: G - скорость оптического возбуждения, γ₀ - эффективная скорость рекомбинации (как излучательной, так и безызлучательной) носителей. Каскадное заполнение ловушек уровня 3 происходит через промежуточный уровень 2 со скоростями ƒ (с уровня 1 на уровень 2) и а (с уровня 2 на уровень 3). Каскадное возбуждение ловушек уровня 3 происходит в обратном порядке со скоростью термического возбуждения b (с уровня 3 на уровень 2) и оптического возбуждения g (с уровня 2 на уровень 1). Особенностью таких ловушек является отсутствие прямого оптического перехода с уровня 3 на уровень 1. Это означает, что такие ловушки нельзя выявить с помощью методики термо-стимулированной люминесценции, поскольку выброс в зону проводимости и дальнейшая рекомбинация зарядов требуют дополнительного оптического возбуждения, чтобы осуществить переход с уровня 2 на уровень 1. По тем же причинам невозможно установить наличие таких ловушек только при оптической стимуляции, так как переход с уровня 3 на уровень 2 является термически активированным и оптически пассивным.

Известные методы (описанные, например, в упомянутых патентах РФ №№2399928 и 2513651) характеризации каскадно возбуждаемых ловушек такого типа применяют термостимулированную люминесценцию с дополнительной подсветкой. Обычно такая подсветка выбирается длинноволновой (в красной и инфракрасной области спектра), чтобы не вносить вклад в межзонное поглощение и дополнительное запасание носителей в ловушках. Но такой метод позволяет выявить только долгоживущие ловушки, не имеющие механизмов безызлучательной релаксации, которая приводит к резкому уменьшению населенности ловушек и, стало быть, к существенному уменьшению чувствительности метода. Из-за этого невозможно установить абсолютные значения концентрации ловушек в полупроводнике по интенсивности сигнала термостимулированной люминесценции, поскольку часть носителей рекомбинировала безызлучательно еще до момента термической активации ловушек.

Способ по настоящему изобретению обходит эти недостатки. Возможная схема реализации данного способа приведена на Фиг. 2, где представлена схема соответствующей установки. На этой схеме показаны источник 1 белого света, испускающий световой пучок со спектром, лежащим в пределах от 300 нм до 1500 нм и имеющим отношение интенсивностей в спектральных максимумах и минимумах не более 20. Этот световой пучок проходит через коллимирующую линзу 2 и пространственный фильтр 3, после чего подается через соответствующее окно в криостат 4, внутри которого помещен образец 5, пропускающий не менее 20% излучения в указанном диапазоне длин волн. Этот образец 5 помещают в криостат 4 так, чтобы угол между оптической осью поступающего из пространственного фильтра 3 светового пучка и нормалью к облучаемой поверхности образца 5 был отличен от 90°. Прошедший через образец 5 световой пучок выходит из криостата 4, пропускается через другой пространственный фильтр 6 и фокусирующую линзу 7 и попадает на вход спектрометра 8 любого известного или разработанного в будущем типа.

В данном случае использование коллимирующей и фокусирующей линз 2 и 7 вместе с пространственными фильтрами 3 и 6 предпочтительно, т.к. позволяет избавиться от нежелательного сигнала люминесценции при регистрации спектров оптического поглощения. Еще большее подавление вклада люминесценции в регистрируемый сигнал (без уменьшения полезного сигнала и без искажения результатов) можно обеспечить, увеличивая расстояние от образца 5 до фокусирующей линзы 7.

Для реализации способа по настоящему изобретению образец 5 в криостате 4 охлаждают до температуры не выше 100 К. Затем охлажденный образец нагревают до температуры не менее 300 К со скоростью не более 5 К/с. И при охлаждении, и при нагреве через образец 5 пропускают световой пучок и регистрируют спектр прошедшего через образец 5 излучения. Спектр излучения, прошедшего через образец 5 в процессе его охлаждения и последующего нагревания, регистрируют, и по известному спектру испускания источника 1 находят спектр поглощения образца 5 путем сравнения известного спектра светового пучка, пропущенного через этот образец, и зарегистрированного спектрометром 8 спектра излучения. По изменениям найденного спектра поглощения определяют, по меньшей мере, наличие ловушек, поскольку изменение спектра оптического поглощения с ростом температуры является состоятельным критерием наличия ловушек такого типа.

Далее, по изменениям спектра оптического поглощения, измеренного спектрометром 8, дополнительно определяют следующие параметры выявленных ловушек.

По красной границе области дополнительного оптического поглощения, связанного с ловушками, можно установить глубину залегания выявленных ловушек.

По температурным зависимостям спектров поглощения можно определить энергии активации эмиссии носителей зарядов с ловушек с помощью методики, аналогично применяемой для анализа температурных зависимостей в методе термостимулированной люминесценции. Можно также найти плотность возбужденных состояний в таких ловушках, а при наличии ловушек с различными глубинами можно установить и распределение этих глубин.

На Фиг. 3 приведены температурные зависимости оптического поглощения, связанного с каскадно возбуждаемыми ловушками, на различных длинах волн в нанокристаллах CdSe. Эти графики фактически отражают населенность возбужденного состояния каскадно возбуждаемой ловушки (уровень 2 на Фиг. 1). Для дальнейшего определения энергии активации и плотности состояний применимы стандартные подходы к описанию термостимулированной люминесценции.

Используемый образец 5 может быть выполнен в виде пластины или пленки из кристаллического либо органического низкомолекулярного или полимерного материала. Но можно выполнить образец 5 и в виде пленки из нанокристаллов, микрокристаллов или порошков кристаллов с различными размерами частиц. В случае выполнения образца 5 в виде пленки с органической или неорганической матрицей в нее могут быть внедрены нанокристаллы, микрокристаллы или частицы порошков кристаллов.

Способ по настоящему изобретению не требует нанесения на образец 5 электродов. Преимуществом настоящего способа является возможность установления сразу большого количества каскадно возбуждаемых ловушек с различными энергиями. Еще одним преимуществом настоящего способа является регистрация спектров пропускания оптического излучения при постоянном оптическом возбуждении с помощью спектрометра с ПЗС-матрицей. Наличие постоянного оптического возбуждения позволяет избежать использования высокочувствительных детекторов излучения и дает возможность проследить динамику интенсивности спектров пропускания. Такая возможность позволяет не только выявить наличие нескольких типов ловушек, но также установить механизмы передачи носителей заряда между ловушками. Регистрация спектров оптического пропускания исследуемого образца 5 позволяет принципиально отделить два типа ловушек - опустошаемых только при оптическом или при одновременном оптическом и термическом возбуждении.

1. Способ определения параметров каскадно возбуждаемых ловушек носителей зарядов в полупроводнике, заключающийся в том, что:

- обеспечивают образец упомянутого полупроводника, пропускающий не менее 20% излучения в диапазоне длин волн от 300 до 1500 нм;

- охлаждают упомянутый образец до температуры не выше 100 К;

- нагревают охлажденный образец до температуры не менее 300 К со скоростью не более 5 К/с;

- пропускают через упомянутый образец в процессе его упомянутого охлаждения и последующего нагревания световой пучок со спектром, лежащим в пределах от 300-500 нм до 500-1500 нм и имеющим отношение интенсивностей в спектральных максимумах и минимумах не более 20;

- регистрируют спектр излучения, прошедшего через упомянутый образец в процессе его охлаждения и последующего нагревания;

- находят спектр поглощения упомянутого образца путем сравнения известного спектра светового пучка, пропущенного через этот образец, и зарегистрированного спектра излучения;

- определяют, по меньшей мере, наличие упомянутых ловушек по изменениям упомянутого спектра поглощения.

2. Способ по п. 1, в котором дополнительно определяют параметры упомянутых ловушек по упомянутым изменениям спектра поглощения.

3. Способ по п. 1, в котором помещают упомянутый образец в криостат так, что угол между оптической осью упомянутого светового пучка и нормалью к облучаемой поверхности упомянутого образца отличен от 90°.

4. Способ по п. 1 или 3, в котором упомянутый световой пучок формируют путем коллимации и пространственной фильтрации излучения упомянутого светового пучка.

5. Способ по п. 1, в котором упомянутый образец выполнен в виде пластины или пленки из кристаллического либо органического низкомолекулярного или полимерного материала.

6. Способ по п. 1, в котором упомянутый образец выполнен в виде пленки из нанокристаллов, микрокристаллов или порошков кристаллов с различными размерами частиц.

7. Способ по п. 6, в котором упомянутый образец выполнен в виде пленки с органической или неорганической матрицей, в которую внедрены упомянутые нанокристаллы, микрокристаллы или частицы порошков кристаллов.