ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

У роботі наведено результати експериментального дослідження спектральної залежності часу релаксації поверхневої монополярної фотопровідності в структурах макропористого кремнію. Дослідження проводилося при сильному поверхневому поглинанні світла, при цьому коефіцієнт поглинання змінювався в діапазоні 2.37∙10³–3∙10⁵ см^–1, а глибина поглинання від 0.03 до 4.22 мкм. Для досліджень були використані світлодіоди видимої області спектра (0.38–0.62 мкм) ультрафіолетовий, фіолетовий, синій, зелений, жовтий, жовтогарячий і червоний. Структури макропористого кремнію формувалися на кремнії  n-типу з орієнтацією [100] і питомим опором 4.5 Ом∙см фотоелектрохімічним травленням. Макропори мали діаметр D_p = 3.5 мкм, глибину h_p = 80 мкм і концентрацію N_p = 3.5∙10⁶ см^-2. В структурах макропористого кремнію експериментально спостерігалася «повільна» релаксація монополярної фотопровідності. Виявлено, що час релаксації монополярної фотопровідності залежав від довжини хвилі освітлення, і у видимої області спектра змінювався в діапазоні 15.5–42 с. Залежність часу релаксації фотопровідності від довжини хвилі освітлення мала мінімум часу релаксації 15.5 с при освітленні зеленим світлом з довжиною хвилі 0.5215 мкм. Причиною залежності часу релаксації монополярної фотопровідності є конкуренція процесів рекомбінації та прилипання на «повільних» поверхневих рівнях основних носіїв заряду. Домінування процесу рекомбінації або прилипання обумовлено характеристиками локальних центрів, умовами на поверхні, поверхневим вигином зон Y_s, що і визначає поверхневу монополярну фотопровідність та її релаксацію. У довгохвильовій області спектра зменшення часу релаксації фотопровідності від 42 до 15.5 с пояснюється домінуванням процесу прилипання основних носіїв заряду на «повільних» поверхневих рівнях, які локалізовані в межах 1 нм від поверхні кремнію в перехідному шарі SiO_x. У короткохвильовій області спектра повільне збільшення часу релаксації фотопровідності з 15.5 до 23.7 с пояснюється тим, що на час релаксації фотопровідності починає впливати прилипання основних носіїв заряду на «повільних» поверхневих станах, що локалізовані в SiO₂ і мають великий час релаксації фотопровідності. Рівень прилипання поступово перетворюється на рівень сповільненої рекомбінації при великому коефіцієнті поглинання, що досягає значення 3∙10⁵ см^–1. Релаксація фотопровідності, пов’язана з поверхневими рівнями, обумовлюється довжиною хвилі освітлення, що викликає зміну коефіцієнта поглинання, глибини поглинання і поверхневого вигину зон Y_s. Завдяки цьому спостерігалась спектральна залежність часу релаксації поверхневої фотопровідності в структурі макропористого кремнію.

1. Karas' N.I., Parshin K.A. The effect of photoconductivity localization in macroporous silicon. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2016. 7(2): 246. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/hftp07.02.246

2. Konin K.P., Goltvyansky Yu.V., Karachevtseva L.A., Karas M.I., Morozovs'ka D.V. Photoconductivity of Macroporous and Nonporous Silicon with Ultra thin Oxide Layers. J. Electron. Mater. 2018. 47: 5105. https://doi.org/10.1007/s11664-018-6415-2

3. Karas' N.I., Onyshchenko V.F., Kalustova D.A., Cornaga V.I. "Slow" surface levels and relaxation of photoconductivity in the structures of macroporous silicon in the violet range of the optical spectrum. Optoelectronics and Semiconductor Technics. 2017. 52: 135. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/jopt.2017.52.135

4. Karas M.I. Negative photoconductivity in macroporous silicon structures. New Technol. 2010. 1(27): 118. [in Russian].

5. Karas M.I., Onyshchenko V.F. Monopolar photoconductivity of the inversion layer and "slow"-surface levels in the structures of macroporous and monocrystalline silicon in conditions of strong surface lightning. Optoelectronics and Semiconductor Technics. 2018. 53: 268. [in Russian]. https://doi.org/10.15407/jopt.2018.53.268

6. Onyshchenko V.F., Karas' M.I. Relaxation of photoconductivity in macroporous silicon. Optoelectronics and Semiconductor Technics. 2018. 53: 248. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/jopt.2018.53.248

7. Karachevtseva L.A., Karas' M.I., Onishchenko V.F., Sizov F.F. Enhancement of the photoconductivity in 2D photonic macroporous silicon structures. Photonic Crystal Materials and Devices II, Proc. SPIE. 2004. 5360: 381. https://doi.org/10.1117/12.530446

8. Lyashenko V.I., Litovchenko V.G., Stepko I.I., Striha V.I., Lyashenko L.V. Electronic phenomena on the surface of semiconductors. (Kyiv: Naukova Dumka, 1968). [in Russian].

9. Sachenko A.V., Snitko O.V. Photoeffects in presurface semiconductor layers. (Kyiv: Naukova Dumka, 1984). 232. [in Russian].

10. Onyshchenko V.F., Sachenko A.V., Karachevtseva L.A. Anomalous-sign photovoltage in macroporous silicon at photon energies comparable to that of indirect band-to-band transition. Ukr. J. Phys. 2009. 54(12): 1212.

11. Belous A.I., Soloduha V.A., Shvedov S.V. Space electronics. V. 2. (Moscow: Technosphere, 2015). [in Russian].

12. Gorshkov A.P., Tikhov S.V. Semiconductor Surface Physics. (Nizhny Novgorod: Nizhny Novgorod State University, 2013). [in Russian].

13. Litovchenko V.G., Lyashenko V.I. Adhesion of nonequilibrium charge carriers on Ge surface. Physics of the solid state. 1962. 4(8): 1985. [in Russian].

14. Litovchenko V.G., Gorban A.P., Kovbasyuk V.P. Investigation of the sticking effect of current photocarriers on a silicon surface. Physics of the solid state. 1965. 7(2): 565. [in Russian].

15. Green M.A. High Efficiency Silicon Solar Cells. (Switzerland: Trans. Tech. Publications, 1987). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/RC.10