Спосіб визначення фотоактивних центрів в кристалічних матеріалах

Винахід відноситься до напівпровідникового матеріалознавства і може також використовуватись в напівпровідниковому приладобудуванні. Відомий спосіб визначення енергетичного положення центрів Е і в кристалічних матеріалах (А. Милнс. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках, М.:Мир, 1977, 562с.), в основу якого покладено вимірювання електричного струму через досліджуваний зразок в залежності від часу. Температура зразка збільшується пропорційно часу. Недоліками цього способу є необхідність попередньої електричної поляризації зразка та поступового збільшення його температури, що призводить до суттєвих втрат часу на визначення Е і різних центрів. Найбільш близьким за технічним змістом є спосіб визначення фотоактивних центрів в кристалічних матеріалах (Applied Physics Letters - November 25, 2002 - Volume 81, Issue 22, pp.4195-4197), в основу якого покладено вимірювання приросту ефективних значень діелектричної проникності діелектричних втрат De " еф De 'еф та коефіцієнта , зумовленого дією на зразок монохроматичного фотозбудження. Довжину хвилі De 'еф (l) - De " (l ) еф в комплексній площині. фотозбудження l , плавно змінюють, потім будують залежності Недоліки цього способу пов'язані з використанням лише планарної схеми розміщення електродів на досліджуваному зразку. При цьому на результати вимірювань суттєво впливають приповерхні центри та приповерхній потенціал. Отже існує неоднозначність визначення природи фотоактивних центрів та їх енергетичного положення вказаним способом. Крім того, у вказаному способі відсутнє однозначне визначення граничної довжини хвилі l і , яка використовується при розрахунках енергетичного положення фотоактивних центрів. Зокрема, запропоноване у прототипі визначення l і , як довжини хвилі, при якій спостерігається злом De 'еф (l) - De " (l ) еф не можна використовувати при досліджені деяких кристалів, наприклад ZnSe, для залежності яких типові дугоподібні ділянки цієї залежності. В основу винаходу покладено задачу розширення функціональних можливостей відомого способу шляхом: а) врахування впливу приповерхневих центрів та приповерхневого потенціалу, б) однозначного визначення граничних значень довжини світла, яка використовується при розрахунках енергетичного положення фотоактивних центрів, по мінімальному значенню радіуса кривизни ділянок діаграми De 'еф (l) - De " (l ) еф ; в) визначення відношення добутків концентрації фотоактивних центрів на площу перетину їх фотоіонізації nisi ån s i i та г) визначення інтегративного добутку i для центрів всіх типів в зразку. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення фото активних центрів шляхом вимірювання ефективної діелектричної проникності та коефіцієнта діелектричних втрат в залежності від довжини світла вимірювання послідовно виконують при планарній та об'ємній схемі розміщення електродів на зразку, будують De 'еф (l) - De " (l ) еф та порівнюють їх для вказаних схем розміщення електродів на зразку, відповідні діаграми визначають поверхневу чи об'ємну природу мають центри, що зумовлюють ділянки діаграми; визначають значення довжини хвилі l і яким відповідають мінімуми радіусу кривизни діаграми. Кожному з l і ставлять у , h ×c l i , що зумовлює зміну зарядового стану фотоактивного центру. відповідність енергію кванта світла Починаючи з короткохвилевої ділянки, визначають відношення довжин ділянок li/li+1, якому відповідає відношення добутків концентрацій ni на площу перетину si центрів з сусідніми значеннями енергії фотоіонізації. Вимірюють Ei ån s i i площу діаграми. Ця площа є інтегративною мірою добутку i для центрів всіх типів при застосованій інтенсивності фотозбудження. Порівнюючи s з таким же параметром зразка - еталона, визнають інтегративну міру добутку nisi для всіх типів центрів досліджуваного зразка. На відміну від відомого способу, обраного за прототип, в запропонованому способі визначення фотоактивних центрів вимірювання ефективної діелектричної проникності та коефіцієнта діелектричних втрат в залежності від довжини світла l виконують послідовно при планарній та об'ємній схемі розміщення електродів на зразку. Завдячуючи цьому, порівняння діаграми De 'еф (l) - De " (l ) еф для різних схем розміщення електродів забезпечує визначення того, об'ємну чи поверхневу природу мають фотоактивні центри. Визначення довжини хвилі світла l і , якій ставлять у відповідність енергію кванта світла, що зумовлює зміну зарядового стану фотоактивного центру, здійснюють по мінімуму радіуси кривизни вказаної діаграми. Відмінність пропонуємого способу визначення фотоактивних центрів полягає також в використанні відносної довжини окремої ділянки діаграми De 'еф (l) - De " (l ) еф , як міри добутку концентрації фотоактивних центрів на площу перетину їх фотоіонізації і ån s i i використанні площі вказаної діаграми як інтегративного добутку На фігурах зображено: i для центрів всіх типів. Фіг.1 - блок схема пристрою для визначення фотоактивних центрів. Де: 1 - джерело світла, 2 - конденсор, 3 монохроматор, 4 - електричний екран, 5 - електроди, розміщені на зразку за планарною схемою, 6 - зразок, 7 ізолятор, 8 - високочутливий міст змінного струму. Фіг.2. Об'ємна схема розміщення електродів на досліджуваному зразку (позначення ті ж, що на фіг.1). De 'еф (l) - De " (l ) еф Фіг.3. Діаграма . Табл.1. Сукупність граничних довжин хвиль l і та добутків nisi, ділянок діаграми, зображеної на фіг.3. Спосіб здійснюється при кімнатній температурі та нормальному атмосферному тиску за допомогою установки, блок-схема якої зображена на фіг.1. При цьому світло від джерела 1 послідовно проходить крізь конденсор 2, та монохроматор 3, падаючи на вільну від електродів 5 поверхню зразка 6. Останній знаходиться у електричному контакті з електродами, що з'єднані з прецизійним мостом змінного струму 8. Екран 4 забезпечує захист сигналу вимірювань від зовнішніх електричних впливів. Ізолятор 7 забезпечує електричну ізоляцію зразка та електродів від екрану. Розміщення електродів 5 на зразку 6 та напрямок розповсюдження світла при об'ємній схемі фотозбудження зразка показані на фіг.2. Для визначення того, поверхневу чи об'ємну природу мають фотоактивні центри при одночасному розширенні класу досліджуваних матеріалів в способі за п.1 виконуються такі операції: а) зразок 6 розміщують на ізолятор 7, що в свою чергу знаходиться в екрані; б) на зразок розміщують електроди 5 по планарній схемі; в) встановлюють на монохроматорі 3 довжину світла з області нечутливості зразка; г) вмикають джерело світла 1 та міст змінного струму 8; д) визначають темнові значення ефективної діелектричної проникності втрат De 'еф та коефіцієнта діелектричних De " еф ; е) плавно змінюють довжину хвилі світла l в бік області фоточутливості, визначають сукупність значень De 'еф (l ) та De " (l ) еф , що відповідає всій області фоточутливості зразка; ж) будують діаграму De 'еф (l) - De " (l ) еф в комплексній площині фіг.3; з) визначають значення довжини хвилі l і , що відповідають мінімальним значенням кривизни діаграми; і) розміщують електроди на зразку та спрямовують на нього світло згідно об'ємної схеми фотозбудження; й) повторюють операції в) - з); потім к) порівнюючи сукупності l і для поверхневої та об'ємної схем фотозбудження зразка, визначають ті l і , що є спільними для обох сукупностей, а тому мають об'ємну природу; всі інші пов'язані з впливом поверхні. Для визначення відносного добутку концентрації фотоактивних центрів певного типу ni на площу перерізу їх De 'еф (l) - De " (l ) еф li,i+1, що обмежені фотоіонізації si в способі по п.1 вимірюють довжини окремих ділянок діаграми l і та l і+1 . Відношення добутків n s для сусідніх ділянок визначають як відношення їх довжин, довжинами хвилі i i li -1,i ni si = ni +1si +1 l i,i+1 . тобто Для визначення відносного інтегративного добутку концентрації ni на площу перетину фотоіонізації центрів ån s i i всіх типів i ån s в способі по п.1 вимірюють площу s діаграми De 'еф (l) - De " (l ) еф . Відносний інтегративний i i добуток i визначають через відношення s до аналогічного параметра еталонного зразка, тобто s/sет. Таблиця 817,3 826,4 l, нм li,відн.од. 67 47 li/l,відн.од. 0,0566 0,0397 847,7 131 0,11 869,2 882 904,4 193 94 83 0,163 0,079 0,07 917,2 39 0,033 930 44 0,037 954 1132,3 1162,8 Кінець 112 248 51 75 0,0946 0,209 0,043 0,063