Неорганические материалы, 2021, T. 57, № 2, стр. 125-129

Влияние легирования Gd и Er и электрического поля на фотопроводимость монокристаллов р-GaSe

А. Ш. Абдинов 1, Р. Ф. Бабаева 2*

1 Бакинский государственный университет
AZ 1148 Баку, ул. З. Халилова, 23, Азербайджан

2 Азербайджанский государственный экономический университет (UNEC)
AZ 1001 Баку, ул. Истиглалийят, 6, Азербайджан

* E-mail: babayeva.rena@unec.edu.az

Поступила в редакцию 28.01.2020
После доработки 23.09.2020
Принята к публикации 28.09.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В диапазоне Т ≈ 77–300 К и напряженностей электрического поля 2 × 101Е ≤ 2.5 × 103 В/см исследована фотопроводимость монокристаллов p-GaSe, легированных редкоземельными элементами (РЗЭ) – гадолинием и эрбием, с содержанием введенной примеси 10–5NРЗЭ ≤ 10–1 ат. %. Установлено, что величина и характеристики фотопроводимости монокристаллов p-GaSe не зависят от химической природы введенной примеси, а с изменением NРЗЭ немонотонно меняются. Полученные результаты при NРЗЭ ≥ 10–2 ат. % во всей рассматриваемой области температур удовлетворительно подчиняются теории фотопроводимости пространственно однородных кристаллических полупроводников, а при NРЗЭ < 10–2 ат. % в области Т ≤ 250 К для их объяснения необходимо учитывать также наличие случайных макроскопических дефектов в исследуемом образце.

Ключевые слова: макроскопические дефекты, остаточная фотопроводимость, пространственный заряд, дрейфовые барьеры, рекомбинационные барьеры, центры захвата и рекомбинации

ВВЕДЕНИЕ

Слоистый полупроводник селенид галлия (р-GaSe) благодаря своим уникальным фотоэлектрическим свойствам является одним из перспективных материалов для оптоэлектроники. B ранних работах сообщалась о различных аспектах фотопроводимости этого полупроводника [14].

В данной работе с целью выявления новых особенностей фотоэлектрических свойств и возможностей практического применения монокристаллов р-GaSe экспериментально исследовано влияние легирования редкоземельными элементами (РЗЭ) – гадолинием и эрбием – и электрического поля на их фотопроводимость.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследуемые образцы вырезались из выращенных методом Бриджмена специально нелегированных и легированных РЗЭ с содержанием 10–5NРЗЭ ≤ 10–1 ат. % монокристаллических слитков p-GaSe. Концентрация РЗЭ в исследуемых образцах определялась по количеству введенного в шихту измельченного примесного материала. Соединение GaSe синтезировано совместным сплавлением металлического галлия и гранулированного селена чистотой 99.999% [5, 6].

Установлено, что величина темнового удельного сопротивления (ρт) для всех исследуемых образцов в области температур Т ≥ 250 К почти одинакова, при Т = 300 К составляет ρ300 ≈ 5 × × 103–104 Ом см, а с понижением температуры ниже 250 К постепенно увеличивается и при Т = = 77 К для различных образцов достигает ρ77 ≈ 3 × × 104–108 Ом см. В кристаллах p-GaSe〈РЗЭ〉 при Т < 250 К величина ρт также немонотонно зависит от NРЗЭ и достигает максимального значения при NРЗЭ ≈ 10–4–5 × 10–4 ат. % [5, 6]. Создаваемые путем припаивания на воздухе без флюса индиевые электрические контакты располагались на двух противоположенных плоскостях (001), а их омичность проверялась и контролировалась по ВАХ, снятой на характериографе.

Методом стационарной фотопроводимости [7] в диапазонах Т = 77–300 К, Е ≈ 2 × 101–2.5 × × 103 В/см, длины волны λ = 0.30–1.00 мкм и интенсивности света Ф ≈ 5–5 × 102 лк при помощи экспериментальной установки, собранной на базе монохроматора типа МДР-12 [8], снимались спектральное распределение (спектр), люкс-амперная характеристика (ЛАХ) и кинетика фотопроводимости изучаемых образцов. При всех проведенных измерениях падающий на образец пучок света был направлен перпендикулярно плоскости (001) кристалла.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Установлено, что при Т ≤ 250 К, освещенности Ф ≤ 35–40 лк и напряженности электрического поля, соответствующих линейному участку статической темновой ВАХ, величина (iФ = (iciт)/iт, где iс и iт – стационарные значения тока, протекающего через исследуемый образец при воздействии света и в темноте соответственно) и ход характеристик фотопроводимости всех исследуемых образцов с изменением температуры меняются, а от электрического поля не зависят. Величина и характеристики фотопроводимости зависят также от ρ77 и NРЗЭ в образцах с NРЗЭ = 0 и 0 < NРЗЭ ≤ 10–1 ат. % соответственно. Длины волн света, соответствующих максимуму (λmax) (рис. 1, кривая 1) и красной границе (λк) (рис. 1, кривая 2) спектра фотопроводимости в образцах нелегированных кристаллов (NРЗЭ = 0) с ростом ρ77 плавно увеличиваются. В образцах p-GaSe〈РЗЭ〉 с ростом NРЗЭ λmax и λк сначала (при NРЗЭ ≤ 5 × 10–4 ат. %) увеличиваются, далее (при NРЗЭ > 5 × 10–4 ат. %) постепенно уменьшаются и при NРЗЭ = 10–1 ат. % совпадают с таковыми в образцах нелегированных кристаллов с наименьшим ρ77 (рис. 1, кривые 3 и 4). С повышением температуры зависимости λmax и λк от ρ77 и NРЗЭ резко ослабевают и при Т > 250 К совсем исчезают.

Рис. 1.

Зависимости λmax (1, 3, 5 и 6) и λк спектра фотопроводимости (2, 4, 7 и 8) от ρ77 в нелегированных (1, 2, 5 и 7) и от NРЗЭ в легированных (3, 4, 6 и 8) кристаллах p-GaSe при различных значениях напряженности электрического поля: Т = 77 К; Е, В/см: 14 – 6 × 101; 58 – 2 × 103; λ = 0.56 мкм; Ф/Фmax = 2 × 10–1.

В отличие от нелегированных кристаллов с наименьшим ρ77 (рис. 2, кривая 1), в самом начале ЛАХ фотопроводимости нелегированных кристаллов с более высоким ρ77 (рис. 2, кривая 2) и легированных кристаллов с NРЗЭ < 10–2 ат. % (рис. 3, кривая 1) наблюдается участок со степенным характером iФ ~ Iγ с γ > 1. Значение γ с ростом ρ77 плавно увеличивается до ~4–5, а с ростом NРЗЭ меняется немонотонно и достигает максимального значения (~5–6) при 5 × 10–4 ат. % (рис. 2, кривая 4 и рис. 3, кривая 2). Кинетические кривые фотопроводимости состоят из начального быстрого и последующего замедленного (рис. 4, кривая 1) участков. Быстрый участок определяется временем жизни неравновесных носителей заряда (~10–6–10–5 с), а замедленный помимо Т зависит еще и от Ф. В образцах высокоомных нелегированных и легированных при NРЗЭ ≤ 10–2 ат. % кристаллов наблюдается также и остаточная фотопроводимость [9] (рис. 4, кривая 2). В образцах легированных кристаллов с ростом NРЗЭ кинетика фотопроводимости (рис. 4, кривые 3 и 4) при NРЗЭ ≤ 5 × 10–4 ат. % приближается к кинетике фотопроводимости, характерной для нелегированных кристаллов с наибольшим ρ77, а затем с ростом NРЗЭ до 10–1 ат. % – к кинетике фотопроводимости образцов нелегированных кристаллов с наименьшим ρ77.

Рис. 2.

ЛАХ фотопроводимости нелегированных (1, 2, 5) и легированных (3, 4, 6) кристаллов p-GaSe при различных значениях напряженности электрического поля: Т = 77 К; λ = 0.56 мкм; Е, В/см: 14 – 6 × 101; 5, 6 – 2 × 103; ρ77, Ом см: 1 – 4 × 104; 2, 5 – 8 × 107; NРЗЭ, ат. %: 1, 2, 5 – 0; 3, 6 – 5 × 10–4; 4 – 10–1.

Рис. 3.

Зависимости показателя степени (γ) в начальном участке ЛАХ фотопроводимости образцов нелегированных (1 и 3) и легированных (2 и 4) кристаллов p-GaSe от ρ77 (1, 3) и NРЗЭ (2, 4) при различных значениях напряженности электрического поля: Т = 77 К; λ = 0.56 мкм; Ф/Фmax = 0.2; Е, В/см: 1, 2 – 6 × 101; 34 – 2 × 103.

Рис. 4.

Кинетика фотопроводимости нелегированных и легированных кристаллов p-GaSe с различными ρ77 и NРЗЭ соответственно при различных значениях напряженности электрического поля: Т = 77 К; Е, В/см: 14 – 6 × 101; 5, 6 – 2 × 103; Ф/Фmax = 0.2; λ = 0.56 мкм; ρ77, Ом см: 1 – 4 × 104; 2, 5 – 8 × 107; NРЗЭ, ат. %: 125 – 0; 3, 6 – 5 × 10–4; 4 – 10–1.

При Т ≤ 250 К, освещенностях Ф ≤ 35–40 лк и напряженностях электрического поля, при которых наблюдается зависимость iт ~ Ur с r ≥ 2, c увеличением напряженности электрического поля λmax (рис. 1, кривые 5 и 6) и λк (рис. 1, кривые 7 и 8), а также ЛАХ (рис. 2, кривые 5 и 6 и рис. 3, кривые 3 и 4) и кинетика фотопроводимости (рис. 4, кривые 5 и 6) всех исследуемых образцов постепенно приближаются к соответствующим, независящим от Е, характеристикам для образцов нелегированных кристаллов с наименьшим ρ77 (рис. 1–4, кривые 1). В более высокоомных образцах нелегированных кристаллов и образцах кристаллов p‑GaSe〈РЗЭ〉 с NРЗЭ < 10–2 ат. % с ростом напряженности электрического поля скорость релаксации фотопроводимости увеличивается, а величина iФ уменьшается (рис. 4, кривые 5 и 6).

В образцах кристаллов p-GaSе〈РЗЭ〉 не наблюдаются внутрицентровые примесные эффекты и влияние химической природы введенной примеси на фотопроводимость, но обнаруживаются отличия воспроизводимости и стабильности фотоэлектрических характеристик кристаллов, легированных различными РЗЭ. Более воспроизводимые и стабильные характеристики наблюдаются в образцах p-GaSe〈Er〉 с NEr ≈ 10–1 ат. %.

Полученные экспериментальные результаты могут объясняться на основе модели кристаллического полупроводника, имеющего помимо различных типов уровней прилипания, захвата, рекомбинации [6] также и случайные макроскопические дефекты (СМД) [9, 10] с учетом значительной инжекции при высоких напряженностях электрического поля. Существующие в свободных зонах такого полупроводника рекомбинационные барьеры, препятствуя рекомбинации неравновесных носителей заряда, обусловливают долговременную релаксацию проводимости – остаточную фотопроводимость, а дрейфовые барьеры ограничивают проводимость образца. В исходном состоянии чем больше число и размеры дрейфовых барьеров в образце, тем больше значение его темнового удельного сопротивления. При воздействии света проводимость такого полупроводника увеличивается как за счет избыточной концентрации свободных носителей заряда, так и вследствие оптического спрямления дрейфовых барьеров [11].

Кроме этого, в результате туннелирования носителей, возбужденных светом с энергией (hν) меньше ширины запрещенной зоны (Eg), через рекомбинационные барьеры появляется дополнительный компонент фотопроводимости (ΔiФ). Значение ΔiФ может быть существенным из-за большого времени существования (до ~104–105 с) пространственно-разделенных при туннелировании электронно-дырочных пар. Естественно, что при приближении величины hν к значению Eg будет возрастать вклад ΔiФ в общую фотопроводимость. Поэтому при низких температурах λmax и λк в образцах нелегированных кристаллов с ростом ρ77 увеличиваются, а в образцах p-GaSе〈РЗЭ〉 с ростом NРЗЭ меняются немонотонно.

В связи с тем, что зависимость высоты дрейфовых барьеров от освещенности имеет экспоненциальный характер, при определенных условиях дрейфовый компонент фотопроводимости может оказаться значительным, о чем свидетельствует также обнаружение начального степенного участка с показателем степени γ > 1 на ЛАХ. С повышением Т и Ф, а также при NРЗЭ > 5 × 10–4 ат. % вследствие постепенной компенсации пространственного заряда СМД зарядами термических и фотогенерированных носителей, а также зарядом ионов введенных РЗЭ соответственно происходит спрямление дрейфовых барьеров. При этом ситуация постепенно стабилизируется и приближается к соответствующей в образцах нелегированных кристаллов с наименьшим ρ77. В образцах p-GaSe〈РЗЭ〉 ионы РЗЭ, скапливаясь на СМД под действием электрического поля, существующего на границе р+р-перехода, увеличивают размеры этих дефектов. Поэтому с ростом NРЗЭ влияние СМД на фотопроводимость при NРЗЭ ≤ 5 × 10–4 ат. % усиливается, а при NРЗЭ > 5 × 10–4 ат. % вследствие постепенного перекрытия областей пространственных зарядов соседних СМД [12] ослабляется. В образцах нелегированных кристаллов с наименьшим ρ77 СМД или отсутствуют, или их влияние на фотопроводимость незначительно, поэтому кинетика фотопроводимости определяется лишь взаимодействием носителей заряда со существующими в этих образцах центрами прилипания, захвата, рекомбинации [1, 13, 14] и имеет быстрорелаксирующий характер [7].

В высокоомных образцах нелегированных кристаллов и кристаллах p-GaSe〈РЗЭ〉 с NРЗЭ < < 10–2 ат. % влияние дрейфовых и рекомбинационных барьеров на фотопроводимость значительно, что проявляет себя в формировании долговременно-релаксирующих участков кинетических кривых. Не исключается и влияние легирования РЗЭ на образования СМД. При этом часть атомов трехвалентных примесей, входя в существующие вакансии трехвалентного галлия, частично “залечивают” дефектность кристалла. В результате этого разброс значений параметров и характеристик фотопроводимости образцов p-GaSe〈РЗЭ〉 уменьшается.

Обнаруженное при высоких напряженностях влияние электрического поля на фотопроводимость в кристаллах p-GaSe не обусловлено какими-то эффектами сильного электрического поля [15], а непосредственно связано с заполнением центров прилипания и захвата, а также с компенсацией пространственного заряда СМД избыточным зарядом инжектированных носителей. Вследствие этого происходит электрическое спрямление потенциального рельефа энергетических зон. В отличие от воздействия легирования РЗЭ этот процесс имеет обратимый характер и не является “залечивающим” фактором для кристаллов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе экспериментального исследования влияния легирования РЗЭ и электрического поля на фотопроводимость монокристаллов р-GaSe установлено, что

– зависимости величины и характеристик фотопроводимости монокристаллов этого полупроводника от легирования, удельного сопротивления образца, температуры, напряженности электрического поля при низких температурах (Т ≤ 250 К) и слабых освещенностях (Ф ≤ 35–40 Лк) могут объясняться помимо центров прилипания, захвата и рекомбинации также наличием случайных макроскопических дефектов в исследуемом образце;

– в формировании характеристик фотопроводимости в образцах нелегированных кристаллов p-GaSe с удельным сопротивлением ρ77 ≤ 104 Ом см и кристаллов p-GaSe〈РЗЭ〉 с NРЗЭ ≥ 10–2 ат. % при Т ≤ 250 К, Ф ≤ 35–40 Лк и напряженностях электрического поля, соответствующих линейному участку статической темновой ВАХ, доминируют лишь процессы взаимодействия носителей заряда с центрами прилипания, захвата и рекомбинации;

– влияние электрического поля, при котором темновой статический ток имеет степенной характер iт ~ Ur с r ≥ 2, на величину и характеристики фотопроводимости в высокоомных образцах нелегированных кристаллов и образцах p-GaSe〈РЗЭ〉 с NРЗЭ < 10–2 ат. % не обусловлено эффектами сильного электрического поля, а связано с обратимым электрическим спрямлением потенциального рельефа энергетических зон;

– в кристаллах p-GaSe〈РЗЭ〉 ионы введенной примеси, скапливаясь на СМД, увеличивают их размеры, и с ростом NРЗЭ влияние этих дефектов на фотопроводимость при NРЗЭ ≤ 5 × 10–4 ат. % усиливается, а при NРЗЭ > 5 × 10–4 ат. % из-за частичного перекрытия областей пространственных зарядов соседних СМД ослабляется;

– при NРЗЭ > 5 × 10–4 ат. % изовалентные РЗЭ атомы, входя в существующие вакансии галлия, а также усиливая ковалентную долю связи между соседними слоями, частично “залечивают” дефектность кристалла.

Список литературы

  1. Abdullaev G.B., Akhundov M.R., Akhundov G.A. Rectifying and Photoconductive Properties of p-GaSe Single Crystals // Phys. Status. Solidi, B. 1966. V. 16. № 1. P. 209–214.

  2. Ho C.H., Hsieh M.H., Wu C.C. Photoconductance and Photoresponse of Layer Compound Photodetectors in the UV-Visible Region // Rev. Sci. Instrum. 2006. V. 77. № 11. P. 113102.

  3. Jamshidi-Ghaleh K., Karimi M. Anisotropy of Photoconductivity and Nonlinear Effects in GaSe Monocrystals at High Optical Excitation // Opt. Commun. 2008. V. 281. № 22. P. 5561–5565.

  4. Leontie L., Evtodiev I., Nedeff V., Stamate M., Caraman M. Photoelectric Properties of Bi2O3/GaSe Heterojunctions // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. № 7. P. 071903.

  5. Абдинов А.Ш., Бабаева Р.Ф. Особенности кинетических коэффициентов монокристаллов слоистого полупроводника p-GaSe // Изв. вузов. Физика. 2018. Т. 61. № 9(729). С. 102–107.

  6. Абдинов А.Ш., Бабаева Р.Ф. Электролюминесценция монокристаллов p-GaSe〈РЗЭ〉 // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 4. С. 355–360.

  7. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Наука, 1963. 429 с.

  8. Абдинов А.Ш., Бабаева Р.Ф. Температурная зависимость фотопроводимости монокристаллов n-InSe // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 8. С. 806–812.

  9. Шик А.Я. Фотопроводимость случайно-неоднородных полупроводников // ЖЭТФ. 1972. Т. 15. С. 408–410.

  10. Kokh K.A., Atuchin V.V., Gavrilova T.A., Kozhukhov A., Maximovskiy E.A., Pokrovsky L.D., Tsygankova A.R., Saprykin A.I. Defects in GaSe Grown by Bridgman Method // J. Microsc. 2014. V. 256. № 3. P. 208–212.

  11. Кязым-заде А.Г., Панахов М.М., Тагиров В.И. Неравновесное световое спрямление зон в барьерах Шоттки на основе широкозонных полупроводников // Письма в ЖТФ. 1980. Т. 6. № 17. С. 1040–1044.

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

  13. Абдинов А.Ш., Гасанов Я.Г., Мамедов Ф.И. ВАХ высокоомных монокристаллов слоистых соединений А3В6 // ФТП. 1982. Т. 16. № 6. С. 993–998.

  14. Абдинов А.Ш., Мамедов В.К., Салаев Эль.Ю. Температурно-электрическая неустойчивость и низкочастотные колебания тока в монокристаллах селенида галлия // ФТП. 1980. Т. 14. № 4. С. 754–759.

  15. Воробьев Л.Е., Данилов С.Н., Ивченко Е.Л., Левинштейн М.Е., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах. Санкт-Петербург: Наука, 2000. 160 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.