Главная  Усиленная люминесценция 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [ 38 ] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]


Рис. 7.3. Направления распространения стримеров:

а - в одной из трех эквивалентных плоскостей монокристалла CdS; б - в одной из двенадцати эквивалентных плоскостей ZnSe, составляющей угол ±6° с плоскостью 10). Стримеры пересекаются под углом 9... 10°

ТОЧКИ и ориентированных по направлениям распространения стримеров. Подобно оптическим и акустическим осям, звезда стримеров является одной из важнейших характеристик кристалла, взаимодействующего с электрическим полем.

В гексагональном CdS звезда стримеров состоит из 36 векторов, причем 18 реализуются при положительной полярности электрода и столько же при отрицательной. В монокристаллах ZnO, имеющих такую же кристаллическую решетку, реализовано только шесть эквивалентных стримерных разрядов подачей положительного напряжения на электрод и ни одного при отрицательном напряжении. Все шесть стримеров лежат в трех эквивалентных плоскостях (см. рис. 7.3, а) и составляют угол (94±1)° с осью С.

Характерно, что в гексагональных кристаллах нет стримеров в направлении оси С, а также в плоскости, перпендикулярной к оси С. Приведенная на рис. 7.2, б шестилучевая фигура является проекцией излучения стримерных разрядов на эту плоскость.

В кубических кристаллах стримеры возбуждаются при положительном и отрицательном напряжениях в сумме по 48 направлениям, лежащим в 12 эквивалентных плоскостях (см. рис. 7.3, б).

По реакции стримеров в сульфиде кадмия на тепловое и световое воздействия их можно классифицировать по трем типам: ё\, е, ёз, или с учетом знака напряжения и угла et{97°), ёг(85°); (133°), {47°); (43°), е(137°), где - углы между направлением распространения стримеров и осью С при комнатной температуре, индексы « + » и « -» указывают на полярность иглового электрода.

с повышением температуры от 77 до 530 К углы # изменяются в пределах 103...94°, #Г = 75...87°,

т. е. стримеры первого типа поворачиваются на 9... 12°, а в интервале температур 77...330 К коэффициенты поворота еще больше:

* 2,4.10-

=3,8-10 7K.

В то же время второй тип стримеров изменяет свое направление на 4°, а третий - на 3°. Наряду с изменением направлений происходит, начиная с некоторого значения Т, температурное гашение разрядов: они становятся более короткими и слабее светятся. Стримеры ег, как правило, всегда менее яркие, чем вз, начинают гаснуть в зависимости от качества образца при 370...420 К и полностью исчезают при Г> 530 К- Интенсивность второго типа стримеров также убывает, однако они полностью не гасятся. При высоких температурах наиболее яркими, иногда единственными, остаются стримеры вь Повышение напряжения на игловом электроде может восстановить свечение стримеров и третьего типа.

Стримеры всех типов по мере распространения по кристаллу теряют свою энергию, становятся более тонкими и менее яркими вплоть до полного исчезновения. При этом они могут скачкообразно изменять направление или разветвляться. Достигнув поверхности кристалла, стример отражается от нее по одному или нескольким направлениям, определяемым звездой стримеров, но не по закону «угол падения равен углу отражения».

Установлено, что скорость стримера повышается с ростом начального напряжения на электроде, а по мере распространения стримера его скорость уменьшается. В зависимости от напряжения слегка, в пределах 1...2°, изменяется и направление распространения разряда. Поэтому, строго говоря, стример распространяется не по прямой, а по дуге большого радиуса, поскольку напряжение на головке стримера, а следовательно, и его скорость со временем падают. При многократных ветвлениях в конечном итоге все типы стримеров переходят в тот тип, который обладает наименьшим порогом возбужде-



ния. При изменении полярности электрода стримеры и ёз поворачиваются примерно на 90° (см. рис. 7.3) и как бы обмениваются с точностью до 3...4° своими направлениями.

На основании изучения направлений распространения стримеров предложен простой и экспрессный метод определения ориентации полупроводниковых кристаллов. Он сводится к возбуждению стримеров и измерению углов между ними. Плоскости скола при этом находятся на основании визуальной оценки углов между стримерами. Например, в сульфиде кадмия наблюдаемые проекции углов между стримерами на плоскостях (1010) и (1210) соответственно равны 86...90° и 72...75°, что легко отличить без всяких приборов.

Зависимость локализации поверхностных стримеров от полярности напряжения. Зависимость поверхностного пробоя от полярности подаваемых импульсов поля наиболее наглядно иллюстрируется на примере поверхностных стримеров в сульфиде кадмия. Если пластинку вырезать перпендикулярно к направлению (0001), отшлифовать и обработать в химически полирующем травителе, то на одной ее стороне будут выступать атомы металла, кадмия (поверхность Л), а на другой - металлоида, серы (поверхность В). Независимо от расположения иглового электрода со стороны металла или металлоида, если подать на него положительное напряжение, то разряд «елочка» возникает только на поверхности В. И наоборот, при отрицательной полярности стримеры локализуются на поверхности А. Это позволило разработать новый простой и надежный способ определения полярности поверхностей кристаллов.

Тушение и стимуляция стримерных разрядов излучением. На опыте обнаружено явление тушение-стимуляция стримерных разрядов в полупроводниках. Стримерный разряд тушится подсветкой кристалла когерентным (лазеры) и некогерентным (лампы) излучением, энергия квантов которого может быть как больше, так и меньше ширины запрещенной зоны. Таким способом можно либо приостановить движение стримера в любой его точке, либо вовсе воспрепятствовать его появлению, если освещать весь кристалл или только вблизи игольчатого электрода.

На основе этого явления разработан малоинерционный способ управления излучением стримеров. В сульфиде

кадмия стример полиостью гасится при плотности мощности излучения 10... 100 кВтСм"" что на два-три порядка ниже порога разрушения кристалла. При меньших плотностях подсветки стримеры гасятся не полностью, и происходит модуляция яркости свечения. Степень модуляции интенсивности люминесценции Мл = - {Sn - Sn) /8°, где 8л и 5л - значения интенсивности люминесценции исходной и при подсветке соответственно, увеличивается с ростом мощности излучения. Эффект тушения обладает памятью, т. е. стример гасится в течение некоторого времени после подсветки. При комнатной температуре это время может достигать 10~ с и возрастает с понижением температуры. Временные графики М напоминают кривые спада фототока, обусловленного ионизацией примеси.

Если в исходном образце интенсивности и длина стримеров всех типов были одинаковы, то при подсветке в первую очередь гасятся стримеры ё\, затем ег. Наиболее устойчивыми к подсветке оказываются стримеры ез.

Тушение стримеров при подсветке можно объяснить уменьшением удельного сопротивления ниже порогового значения/ Однако механизм обнаруженной на опыте стимуляции стримерных разрядов излучением не получил однозначной интерпретации.

Стримерная люминесценция. Во всех полупроводниковых кристаллах, в которых возбуждался неполный электрический пробой, подробно изучена возникающая при этом люминесценция. Общая закономерность всех спектров стримерной люминесценции заключается в том, что они смещены в длинноволновую область по сравнению со спектрами однофотонной фотолюминесценции. Это смещение связано с тем, что при однофотонном возбуждении люминесцирует поверхностный слой, и излучение, выходя из кристалла, слабо поглощается. Стримерная люминесценция выходит из объема образца и фильтруется им. Поэтому спектры двухфотонной и стримерной люминесценции практически совпадают. Стримерная и фотолюминесценция отличаются способом возбуждения, механизм рекомбинации у них общий.

При совпадении спектров двухфотонной и стримерной люминесценции можно полагать, что в обоих случаях достигнут одинаковый уровень возбуждения и концентрации свободных носителей равны. Исходя из этого условия для сульфида кадмия получено л = 5-10 см~1




Рис. 7.4. Поперечное сечение светящегося трека стримера:

1 - центральная часть, где импульс поля "генерирует электроны и дырки;

2 - область, в которой свободные носители возникают в результате фотоионизации и диффузии из центральной части; 3 - область фото-возбуждеиия и вторичной люмииес-

В то же время в режиме генерации концентрация электронов, оцененная по удельной энергии излучения, равна примерно 10 см~1 Возможно, при генерации достигался более высокий уровень возбуждения. Следует также учитывать, что метод определения значения п, основанный на сравнении спектров стримерной и фотолюминесценции, должен давать систематически заниженные значения, если под п понимать концентрацию электронов в канале стримера.

Фактически стримерная люминесценция выходит из трех областей, находящихся на различных уровнях возбуждения. Наибольшая концентрация носителей будет в центральной части стримера, через которую проходит лавина электронов (рис. 7.4). К этой, сердцевинной, части примыкает область, где свободные носители появляются в результате фотоионизации и диффузии. Наконец, в области 3 происходят интенсивные процессы фотовозбуждения и вторичной люминесценции. Концентрация свободных носителей убывает при движении от оси стримера к периферии. Поэтому в спектре стримерной люминесценции непосредственно содержится информация о среднем значении величины п.

Из-за высокой концентрации свободных носителей в канале стримера возможно также сужение запрещенной зоны и соответствующее смещение полос люминесценции в длинноволновую область.

§ 7.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ СТРИМЕРНЫХ РАЗРЯДОВ

Кристаллографическая направленность. Накопленный значительный экспериментальный материал по свойствам стримерных разрядов в полупроводниках выдвигает

перед теорией ряд вопросов. Среди них ключевыми являются следующие: какие физические причины определяют кристаллографическую направленность стримеров? Каков основной механизм генерации свободных носителей в канале стримера? И, наконец, каким образом из практически изотропного объемного заряда, а иногда из хаоса коронного разряда возникает структура стримера, и почему она сохраняется в неизменном виде до полного прекращения разряда?

Единой теории, способной ответить на эти и некоторые другие вопросы, еще не создано. Однако высказанные идеи и проведенные расчеты по отдельным сторонам явления заслуживают серьезного внимания.

Кристаллографическая направленность искрового пробоя твердых тел была зафиксирована уже в 1887 г., и с тех пор в течение века не прекращаются попытки дать все новые и новые объяснения этой закономерности. В качестве причин направленности указывалось на анизотропию механической прочности кристаллов, анизотропию электропроводности, ударной ионизации, туннельного эффекта. Высказывались предположения, что направление пробоя определяется пространственным расположением анионов в кристалле, что разряд распространяется вдоль осей дислокации и т. д. Однако ни одна из указанных гипотез не выдержала экспериментальной проверки, хотя каждая из них как будто правильно указывала на несколько наблюдаемых направлений пробоя. Несостоятельность этих гипотез особенно стала очевидной после возбуждения стримеров в полупроводниках, где число возможных направлений доходит до 48 в одном кристалле (см. рис. 7.3).

Наибольшего внимания заслуживает идея Л. А. Чер-нозатонского (1983 г.) об акустоэлектронном механизме направленности неполного электрического пробоя кристаллов. Предполагается, что импульсное электрическое поле от иглового электрода возбуждает в кристалле вследствие электрострикции или пьезоэффекта упругие колебания - продольные и поперечные фононы, волновые векторы которых первоначально не имеют четко выделенных направлений. В дальнейшем из-за несовпадения значений групповой и фазовой скоростей в кристалле образуются интенсивные остронаправленные потоки или струи фононов, которые и задают направления электрического пробоя. Ямы электрического потенциала, обра-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [ 38 ] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

0.0013