Исследование глубоких центров захвата и рекомбинации неравновесных носителей заряда в детекторах

Время жизни носителей и, соответственно, их транспортные характеристики - параметр μτ,в большой степени определяются спектром глубоких уровней в запрещенной зоне. В частности, многократный захват на ловушки с последующим термическим выбросом существенно замедляет транспорт носителей заряда, как показано на рисунке 4.23 [52].

Рисунок 4.23. Кинетика сбора носителей заряда [52]

Одним из важнейших требований к детекторному материалу является его большое удельное сопротивление. При этом измерение спектра глубоких уровней стандартными емкостными методами (РСГУ, адмиттанс-спектроскопия) становится невозможным. В связи с этим возникает необходимость в использовании других способов получения информации о глубоких уровнях в запрещенной зоне, основанных на измерении тока, а не емкости.

Наиболее простым способом оценить концентрацию и глубину залегания ловушек можно измерением термостимулированного тока (TCT). Однако в этом методе часто очень трудно достаточно точно измерить параметры ловушек: простые способы, основанные на измерении

температуры пика, дают слишком большую ошибку из-за неопределенности сечения захвата, измерение глубины залегания по энергии активации начального участка пика TCT работает только в случае одиночного пика.

Более точные методы определения параметров ловушек с помощью этого метода (например, зависимости максимума пика от скорости нагрева и другие) требуют проведения многократных измерений спектров TCT, что увеличивает затраты, делая этот простой метод определения спектров ловушек слишком сложным. Чтобы исключить перечисленные проблемы используется метод токовой релаксационной спектроскопии глубоких уровней (ТРСГУ), в котором измеряется температурная зависимость релаксации тока после заполнения ловушек импульсом света.

В предположении, что в запрещенной зоне имеется только одна ловушка, пренебрегая повторным захватом (предполагается, что после термической эмиссии носитель заряда рекомбинирует), релаксацию тока после заполнения ловушки импульсом света можно записать в виде:

где В - константа, зависящая от электрического поля и геометрии образца; р_п(Р) - подвижность электронов (дырок); τ_fl(_p)- время жизни электронов (дырок); е„_(р) -скорость эмиссии электронов (дырок) с уровня; n_t- плотность заполненных светом ловушек.

Рисунок 4.24. Схема эксперимента по определению типа ловушек носителей заряда

Спектры ТРСГУ представляют собой температурные зависимости

с фиксированным соотношением t₁∕t₂(равным, например, 1/10).

При низких температурах термическая генерация мала, релаксация фототока очень медленна имало. При высоких температурах

релаксация практически заканчивается к моменту времени t₁.При совпадении времени эмиссии носителя с ловушки с временным окном τ = в спектре ТРСГУ наблюдается пик.

Скорость термической эмиссии с ловушки іможет быть записана в виде

93

где E₁и σ_i,соответственно: энергия термической ионизации и сечение захвата /-ловушки, А - коэффициент, зависящий от плотности состояний и эффективной массы, то есть от материала и типа ловушки (электронная или дырочная).

Последнее уравнение может быть переписано в виде:

При изменении временного окна температура такого пика сдвигается, энергетическое положение ловушек (расстояние до соответствующей разрешенной зоны) и их сечение захвата можно определить из зависимости

В [54] исследовалось влияние многократного повторного захвата носителей на ловушки. Показано, что даже в этом случае метод ТРСГУ правильно определяет энергии термической активации ловушек. Однако, если повторным захватом носителей нельзя пренебречь (если произведение концентрации пустых ловушек на их сечение захвата больше произведения концентрации центров рекомбинации на их сечение захвата), сечение захвата, определяемое методом ТРСГУ, может быть существенно занижено.

Описание методики измерения и исследуемых образцов.

Блок-схема установки для измерения ТРСГУ и температурных зависимостей тока (кроме измерений спектров глубоких уровней на всех образцах были измерены температурные зависимости проводимости) представлена на рисунке 4.25.

Измерения проводились в азотном криостате фирмы Oxford Instruments при температурах 85-400 К. Ток и релаксации тока измерялись пикоамперметром НР4140 с встроенным блоком питания. Диапазон измеряемых токов: 10'¹³-10'²A. Диапазон напряжений встроенного в пикоамперметр блока питания: ±100 В. Для измерений ТРСГУ в качестве источника света были использованы светодиоды с длинами волн 660 нм, 470 нм или 365 нм.

Рисунок 4.25. Блок-схема разработанной установки для измерения спектров ТРСГУ. 1 - платиновый резистор, 2 - нагреватель, ПК - персональный компьютер

Для исследования глубоких центров захвата и рекомбинации неравновесных носителей заряда были отобраны CdTe и CdZnTe детекторы, краткие характеристики которых приведены в таблице 4.11. Кристаллы CdZnTe выращивались с помощью модифицированного метода зонной плавки - THM («Redlen») и модифицированным методом Бриджмена - HPBM (ОАО «Гиредмет»), Кристаллы CdTe выращивались методом зонной плавки THM («Acrorad») и с помощью метода Бриджмена (ОАО «Гиредмет»), Образцы имели структуру «металл-полупроводник-металл» (MHM) с сформированными Au или Pt (на детекторах «Acrorad») контактами. Образцы №4 и №5 были изготовлены из одного планарного детектора размером 10?10?5 мм, образец № 3 был изготовлен из планарного детектора размером 10?5?3 мм. На этих образцах осуществлялась дополнительная шлифовка, полировка и химическая обработка.

Таблица 4.11. Образцы детекторов для исследования центров захвата и рекомбинации

4.4.5.