半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)

祖母的光導(dǎo)率是指由于光照而改變祖母的電導(dǎo)率。這種變化可以是電導(dǎo)率的增加或降低。這種光導(dǎo)率現(xiàn)象提供了研究板材素的各種方法。光導(dǎo)效應(yīng)也是廣泛應(yīng)用于半電光應(yīng)用的物理基礎(chǔ)，如輻射的測量、電導(dǎo)率能量的轉(zhuǎn)化等。因此，它引起了人們的注意。這是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。1半光譜法1.1本征光電導(dǎo)導(dǎo)致光電導(dǎo)現(xiàn)象的基本物理過程是光激發(fā)在半導(dǎo)體中產(chǎn)生自由載流子.一種簡單的情況是,半導(dǎo)體材料吸收光子后使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶,因而在導(dǎo)帶產(chǎn)生可以自由移動(dòng)的電子,并在價(jià)帶留下可以自由移動(dòng)的空穴,它們引起可遷移載流子濃度的提高,進(jìn)而引起光電導(dǎo)信號(hào),這種情況常稱為本征光電導(dǎo).對摻雜半導(dǎo)體,除上述本征效應(yīng)外,由于光的激發(fā)還可以產(chǎn)生電子從禁帶中的施主束縛態(tài)激發(fā)到導(dǎo)帶和空穴從受主束縛態(tài)激發(fā)到價(jià)帶的躍遷,使得束縛在雜質(zhì)上的電子或空穴從束縛狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可遷移狀態(tài),引起光電導(dǎo)信號(hào),這就是兩種形式的雜質(zhì)光電導(dǎo).在限制結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料中,比如二維超晶格量子阱材料,電子在不同導(dǎo)帶子帶間或空穴在不同價(jià)帶子帶間的躍遷也可以引起光電導(dǎo)現(xiàn)象.所以,光電導(dǎo)現(xiàn)象可以按照它們所涉及的物理過程分類.若按載流子的產(chǎn)生或激發(fā)過程分類,則可以分為帶間激發(fā)、非本征激發(fā)、局域雜質(zhì)態(tài)的光熱電離激發(fā)、帶內(nèi)激發(fā)和激子吸收激發(fā)等.這些情況如圖1所示.1.2光電導(dǎo)響應(yīng)譜圖的繪制考慮光電導(dǎo)測量的一般情況.如圖2,一半導(dǎo)體樣品,無光照時(shí)的電阻為RS,串聯(lián)一偏置電阻RL及直流電源R0.如果入射光照射在樣品表面,則樣品的電導(dǎo)率將增加,其電阻從RS變到Rs+△RS(△R通常為負(fù)值).負(fù)載電阻RL兩端的電勢差將從增加到.通常的情況是ΔRS<<RS,這樣RL兩端的交流電勢差就是:在傅里葉變換光譜儀中,入射光信號(hào)經(jīng)邁克爾遜干涉儀的調(diào)制后成為交變光信號(hào),從而光電導(dǎo)樣品兩端的輸出也是交流變化的信號(hào).將此信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后再饋入計(jì)算機(jī)作傅里葉變換,即可得到樣品的光電導(dǎo)響應(yīng)譜圖.2深級(jí)數(shù)dct下面結(jié)合作者的研究領(lǐng)域,舉例介紹光電導(dǎo)光譜在半導(dǎo)體及其微結(jié)構(gòu)研究上的一些應(yīng)用.這些應(yīng)用包括:(1)GaAs中淺雜質(zhì)的光熱電離光譜;(2)ZnCdTe中深能級(jí)的光電導(dǎo)譜;(3)GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器的光電流譜;(4)自由電子激光誘導(dǎo)Hg1-xCdxTe中雙光子光電導(dǎo);按載流子的產(chǎn)生和激發(fā)過程來分,(1)和(2)屬于局域雜質(zhì)態(tài)光電導(dǎo)光譜,(3)和(4)是本征光電導(dǎo)光譜.按研究對象來分,(1)、(2)和(4)都屬于半導(dǎo)體體材料,(3)則是半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)光電子器件.從入射光強(qiáng)的大小來看,(1)、(2)和(3)是線性過程,(4)屬于雙光子誘導(dǎo)非線性過程.2.1其他光電導(dǎo)譜隨著材料生長及有關(guān)提純技術(shù)的發(fā)展,目前已經(jīng)能夠得到雜質(zhì)濃度很低的單晶,為了確定高純單晶生長中可能的雜質(zhì)來源,以便進(jìn)一步改進(jìn)生長技術(shù),就必須對這些材料中的雜質(zhì)進(jìn)行鑒定,此時(shí)吸收譜已經(jīng)無能為力,而光電導(dǎo)譜和光熱電離譜便是在高純半導(dǎo)體中測定純度及確定殘留施主和受主濃度最為有用的特性鑒定技術(shù)之一.因?yàn)樗央妼W(xué)方法的高靈敏度優(yōu)點(diǎn)和傅里葉變換光譜的高分辨率,大光通量及多頻道優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合為一體.1964年Lifshitz和Nad在測量Ge的光電導(dǎo)譜時(shí)首先發(fā)現(xiàn)在淺能級(jí)閾值能量以下還有一些尖峰訊號(hào),并將其歸因于光熱電離過程對光電導(dǎo)的貢獻(xiàn).以施主為例,其基本原理如圖3所示,這是一個(gè)二步過程.首先,施主電子吸收能量適當(dāng)?shù)募t外光子后,它就從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài),此時(shí),這個(gè)電子還是束縛的,然后它通過吸收聲子從激發(fā)態(tài)躍遷到導(dǎo)帶,從而對光電導(dǎo)產(chǎn)生貢獻(xiàn).對于受主,情況完全和施主類似,即受主束縛空穴吸收光子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)然后通過吸收聲子熱激發(fā)到價(jià)帶.圖4為分子束外延(MBE)生長GaAs薄膜的光電導(dǎo)光譜圖.標(biāo)記為G線(135.4cm-1)、D線(168.6cm-1)和C線(183.7cm-1)的光電導(dǎo)響應(yīng)峰,它們分別對應(yīng)Be雜質(zhì)受主空穴從偶宇稱基態(tài)1s3/2(Γ8)吸收遠(yuǎn)紅外光子到三個(gè)奇宇稱束縛激發(fā)態(tài)p3/2(Γ8)、2p5/2(Γ8)和2p5/2(Γ7)的躍遷,這些處在激發(fā)態(tài)的空穴通過吸收聲子躍遷到價(jià)帶成為對電導(dǎo)有貢獻(xiàn)的載流子,此即所謂的光熱電離過程.2.2光紅外光導(dǎo)譜的特性我們應(yīng)用紅外光電導(dǎo)譜的方法,研究Zn0.04Cd0.96Te的深能級(jí)特性.所用碲鋅鎘單晶采用布里奇曼法生長,Hall測量表明樣品為p型,載流子濃度和遷移率分別為3.054×1014cm-3和43cm2·V-1·s-1.樣品的高純高阻特性意味著缺陷態(tài)很難用通常的吸收光譜方法檢測,但卻適合于光電導(dǎo)的測量.圖5與圖6為樣品從從4.2K到165K不同溫度下的光電導(dǎo)譜.從圖中可以看出,存在三個(gè)明顯的響應(yīng)峰,它們分別位于0.11～0.40eV、0.41～0.71eV和0.72～0.94eV.由于它們表現(xiàn)出明顯的光譜峰特征而不是光譜帶特性,可以推斷它們來源于二個(gè)有一定展寬的能級(jí)之間的躍遷.因?yàn)槿绻蔷钟虻哪芗?jí)向?qū)Щ騼r(jià)帶這樣的擴(kuò)展態(tài)躍遷,應(yīng)形成臺(tái)階式光譜帶特征.但由于觀察到的躍遷對應(yīng)著光電導(dǎo)變化,并且在4.2K的低溫下也存在,因此激發(fā)態(tài)應(yīng)是與連續(xù)能量態(tài)處于共振狀態(tài),即位于導(dǎo)帶或價(jià)帶之中.結(jié)合光熒光光譜和相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),我們指認(rèn)出了光電導(dǎo)譜上到了位于0.24eV、0.34eV、0.38eV、0.47eV、0.55eV和0.80eV等處6個(gè)與深能級(jí)關(guān)聯(lián)的光電導(dǎo)峰,這些峰與已有研究確定的深能級(jí)位置和它們起源的關(guān)聯(lián)性如表1所示.紅外光電導(dǎo)譜清晰地給出了深能級(jí)間的光躍遷特性,并顯示了紅外光電導(dǎo)譜也是一種對深能級(jí)研究的有效手段.2.3器件的光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)我們應(yīng)用紅外光電導(dǎo)方法研究量子阱導(dǎo)帶子帶間躍遷形成的光電流譜特性,所選用的研究對象是超長波GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器.GaAs/AlGaAs多量子阱紅外探測器具有材料熱穩(wěn)定性和均勻性較好,響應(yīng)波長易控制,響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn),因而成為新一代熱門的焦平面(FPA)器件.器件所用樣品為MBE生長在半絕緣GaAs襯底上的GaAs/AlGaAs多量子阱,周期數(shù)為30.其中的每一個(gè)GaAs勢阱寬度約為6.6nm,阱中摻以濃度為5×1017cm-3的Si雜質(zhì).AlGaAs勢壘寬度為60nm,其Al組份為0.15.圖7為探測器在4.2K溫度下的光電流光譜,可見光電流光譜是由2個(gè)峰現(xiàn)成的,它們可以由高斯線形很好地組合而成.其主峰位于678cm-1,高能段還有一小峰位于867cm-1,比主峰高189cm-1,主峰與高能峰的強(qiáng)度之比約為4.6,高能段的線寬為137cm-1比主峰的線寬大23cm-1.如果我們關(guān)注一下高能峰的起峰能量與主峰的峰位之間關(guān)系,也可發(fā)現(xiàn)高能峰的起峰位置在主峰峰位高能側(cè)約40cm-1.2個(gè)峰之間表現(xiàn)出的這些基本差異特征在定性上正是基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)躍遷E01同基態(tài)與第三激發(fā)態(tài)以及更高激發(fā)態(tài)間躍遷E03行為之間的差異.當(dāng)我們加大器件的偏置電壓時(shí),發(fā)現(xiàn)其峰位均發(fā)生紅移.圖8給出了由有效質(zhì)量理論計(jì)算得到的超長波量子阱探測器在不同偏置電壓下的基態(tài)E0向第一激發(fā)態(tài)E1躍遷的理論曲線(實(shí)線)和實(shí)驗(yàn)上獲得的結(jié)果(圓點(diǎn)).2.4雙光子吸收的光電導(dǎo)響應(yīng)前述的光電導(dǎo)譜研究中,我們所采用的光源是普通的硅碳棒或高壓汞燈,因而所激發(fā)的都是單光子線性過程.本節(jié)我們采用功率密度極高的自由電子激光(FEL)作光源,研究Hg1-xCdxTe材料中雙光子光電導(dǎo)非線性響應(yīng)特性.實(shí)驗(yàn)所用Hg1-xCdxTe樣品合金組份為x=0.25,77K時(shí)的載流子濃度、Hall遷移率分別為n=3.0×1014cm-3,μ=9.0×104cm2·V-1·s-1.用硅碳棒作光源,樣品單光子光電導(dǎo)響應(yīng)完全消失的響應(yīng)波長為8.2微米.作為對雙光子吸收(TPA)過程的研究,對77K低溫杜瓦內(nèi)的樣品,我們用波長λ=9.94微米的自由電子激光照射.此時(shí)由于光子能量已明顯小于禁帶寬度,不存在帶間躍遷和帶尾態(tài)相關(guān)躍遷的單光子過程.然而,在FEL宏脈沖強(qiáng)度為幾十KW·cm-2直到MW·cm-2量級(jí)的范圍內(nèi),樣品上偏壓為3V、6V和9V時(shí)都測得了明顯的電壓響應(yīng),如圖9所示.這是是來自于雙光子吸收誘導(dǎo)的非線性光電導(dǎo)信號(hào).從圖中可以看出,開始階段響應(yīng)信號(hào)正比于接近光強(qiáng)的二次方的速率增長,隨后由于光生自由載流子的吸收的增加,增長速率下降,最終達(dá)到飽和.理論分析表明,TPA誘導(dǎo)的光電導(dǎo)信號(hào)表達(dá)為:上式中代表光電導(dǎo)信號(hào)的強(qiáng)度,是決定于材料中電子基本光電特性的常數(shù),表示光強(qiáng).應(yīng)用上式我們對雙光子誘發(fā)的光電導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行了擬合,擬合結(jié)果如圖2.4.1中實(shí)線所示,由各種形狀的點(diǎn)表示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線吻合良好.3利用光電導(dǎo)譜方法對幾種具有重要應(yīng)用價(jià)值的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)的研究光電導(dǎo)光譜是研究半導(dǎo)體材料及其微結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)束縛載流子和自由載流子性質(zhì)的強(qiáng)有力的光譜手段,它具有比通常吸收光譜高得多得靈敏度.結(jié)合作者的研究領(lǐng)域,本文具體介紹了利