Spektroskopia optyczna głębokich poziomów – jedna pułapka

Metoda spektroskopii optycznej głębokich poziomów DLOS (ang. Deep Level

Optical Spectroscopy), wprowadzona przez A. Chantre’a i in. [19], opiera się równieŜ

na badaniu stałej czasowej zmiany pojemności, ale w tym przypadku tę stałą czasową wyznacza się z przyrostu pojemności w chwili początkowej, tuŜ po oświetleniu prób-ki. Ponadto w metodzie tej stosuje się zwykle wielokrotny pomiar w celu zwiększenia dokładności pomiaru, podobnie jak w metodzie DLTS.

W zaleŜności od tego, jaki jest stan wyjściowy, czy pułapki są zapełnione elektro-nami czy puste, metoda DLOS umoŜliwia wyznaczenie optycznego przekroju czynne-go dla elektronów lub dziur.

Jak wynika ze wzoru (64), zmiana pojemności w krótkim czasie tuŜ po włączeniu

światła jest proporcjonalna do zmiany stanu obsadzenia pułapki. Po spełnieniu załoŜe-nia, Ŝe temperatura jest dostatecznie niska i moŜna pominąć emisję termiczną z puła-pek (e_n =e^o_n oraz e_p =e^o_p) oraz jeśli wyjściowo wszystkie pułapki są zapełnione elek-tronami, tzn. Ŝe w chwili t = 0 nT (0) = NT, wzór (67) moŜna przybliŜyć następującym równaniem  T _t e_n^oN_T dt dn − = ≈0 (104)

W wyniku uwzględnienia relacji (104), a następnie wzoru (92a), otrzymujemy ze wzoru (64) Φ N N e dt dn dt dC o n T T o n t T t_≈0 ≅− _≈0 ≅ = σ (105)

Znając Φ, moŜemy obliczyć optyczny przekrój czynny, wyznaczając współczyn-nik nachylenia prostej najlepiej dopasowanej do zmiany pojemności, natychmiast po włączeniu światła.

Analogicznie, jeśli wyjściowo wszystkie pułapki są puste, nT (0 ) = 0, otrzymamy z równania (67) T o p t T e N dt dn = ≈0 (106)

i wówczas zmiana pojemności będzie proporcjonalna do szybkości emisji dziur

Φ N N e dt dn dt dC _o p T T o p t T t_≈0 ≅− _≈0≅− =− σ (107)

Istotą metody DLOS, zaproponowanej przez Chantre’a i Bois’a, są róŜne rozwią-zania umoŜliwiające realizację wybranego stanu wyjściowego. W zaleŜności od

spo-Wybrane metody pomiarowe stosowane do badania centrów DX 69

sobu zapewnienia określonych warunków początkowych te rozwiązania stanowią podstawę metody elektrycznego, termicznego lub optycznego DLOS. W tabeli 2. przedstawiono sekwencję impulsów napięciowych, sposób oświetlenia próbki oraz odpowiedź pojemnościową złącza na te sekwencje impulsów napięciowych i świa-tło kaŜdej z tych metod [19]. W przedostatnim wierszu tabeli 2. podano temperatu-rę, w jakiej jest wykonywany pomiar, a w ostatnim – która wielkość fizyczna jest parametrem. PoniŜej opisano kaŜdą z metod, przy załoŜeniu, Ŝe badany jest kontakt metal–półprzewodnik.

Najczęściej stosowana jest metoda tzw. elektrycznego DLOS. Złącze jest polary-zowane sekwencją impulsów, jak w zwykłym DLTS. W niskiej temperaturze, w jakiej moŜna pominąć emisję termiczną z pułapek, stan wyjściowy, odpowiadający całkowi-temu zapełnieniu elektronami, uzyskujemy, depolaryzując złącze uprzednio spolary-zowane stałym napięciem w kierunku zaporowym. Jednocześnie złącze jest oświetlane

światłem monochromatycznym. Po wyłączeniu impulsu zapełniającego pułapki, na skutek fotojonizacji, elektrony zostają przeniesione z pułapek do pasma przewodnic-twa. Pojemność złącza rośnie. Ta zmiana pojemności, zgodnie ze wzorem (105), jest zaleŜna od przekroju optycznego na pułapkowanie elektronów.

Stan wyjściowy odpowiadający pustym pułapkom moŜna zapewnić za pomocą ter-micznego DLOS: pomiar odbywa się w temperaturze dostatecznie wysokiej, aby opróŜnić pułapki poprzez proces emisji termicznej. Zwykle w temperaturze bliskiej 300 K poziomy pułapkowe, znajdujące się w górnej połowie przerwy wzbronionej, są pozbawione elektronów. Złącze, spolaryzowane stałym napięciem w kierunku zapo-rowym, jest oświetlane impulsami o energii hν > Eg – ET, w wyniku czego następuje emisja dziur z poziomu pułapkowego do pasma walencyjnego. Spadek pojemności, zgodnie ze wzorem (107) (z ubytkiem dziur z obszaru zuboŜonego wiąŜe się spadek ładunku dodatniego i spadek pojemności złącza), jest wówczas miarą optycznego przekroju czynnego dla dziur.

RóŜny stan wyjściowy moŜna takŜe otrzymać przez wstępne oświetlanie próbki fotonami o określonej energii. Jest to tzw. optyczny DLOS. W pomiarach optycz-nego DLOS, podobnie jak i podczas pomiarów termiczoptycz-nego DLOS, złącze jest laryzowane napięciem w kierunku zaporowym. Metoda ta jest stosowana do po-ziomów, które znajdują się z dala od środka przerwy wzbronionej. Wstępnie złącze oświetla się fotonami o odpowiedniej energii, tak aby zapełnić pułapki elektrona- mi lub dziurami. Na przykład jeśli poziom pułapkowy znajduje się bliŜej pasma walencyjnego, to moŜna go zapełniać elektronami za pomocą impulsów światła o energii fotonów równej odległości poziomu od pasma walencyjnego i moŜna wy-znaczyć przekrój optyczny na fotojonizację elektronów, po wstępnym zaś oświetle-niu fotonami o energii równej odległości do pasma przewodnictwa – przekrój optyczny na fotojonizację dziur. Prostokątne impulsy światła jonizują pułapki i obserwuje się zmianę pojemności. Ta zmiana pojemności w chwili początkowej po włączeniu impulsu światła jest miarą optycznego przekroju czynnego dla elek-tronów lub dla dziur.

Tabela 2. Napięcie polaryzujące złącze Schottky’ego, strumień światła, pojemność złącza oraz temperatura podczas pomiarów elektrycznego,

temperaturowego oraz optycznego DLOS

Przedstawiona metoda stała się bardzo popularna od chwili jej zastosowania przez Chantre’a i in. [19] do wyznaczenia optycznego przekroju czynnego defektów zwią-zanych z O oraz Cr w GaAs. Później była wielokrotnie stosowana przez wielu auto-rów, m.in. do wyznaczania optycznego przekroju defektów w n–ZnSe [59], w dia-mencie: B [191], GaN:Mn [83], SrTiO3 [34], CdTe:V [13,195], oraz Cd1–xZnxTe:V [113, 194], a takŜe Cd1–xZnxTe:Ti [193]. Stosowano ją takŜe do centrów DX, które wyindukowano ciśnieniem w GaAs:Si [105], centrów DX w AlxGa1–xAs:Si [55]. Ze względu na to, Ŝe w przypadku centrów DX w niskiej temperaturze obserwuje się trwałe fotoefekty, zamiast sekwencji impulsów stosowano pojedynczy pomiar, tak jak w metodzie ICTS, z tym Ŝe w analizie wyników uwzględniano początkowy przyrost pojemności, zgodnie ze wzorami (105) i (107), a nie stałą czasową zmiany

Wybrane metody pomiarowe stosowane do badania centrów DX 71

pojemności. Powtórny pomiar wykonywano dopiero po podgrzaniu próbki powyŜej temperatury, w jakiej obserwowano zanik trwałych fotoefektów, i ponownym ochłodzeniu.

W niektórych pracach wyznaczano przekrój czynny obiema metodami, tzn. ze sta-łej czasowej kinetyki pojemności (równanie (102)) albo metodą początkowego przy-rostu pojemności. Nie zauwaŜono znaczących róŜnic między przekrojami optycznymi wyznaczonymi przy zastosowaniu obydwu podejść [55].

5.3.4. Spektroskopia optyczna głębokich poziomów (DLOS )