Особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра
An experimental study has beencarried out on the spectral dependence of the relaxation time of surface monopolar photoconductivity in the structures of macroporous silicon, with strong surface absorption of light, while the absorption coefficient varied in the range 2.37?103–3?105 cm–1, and the abso...
Saved in:
| Date: | 2020 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/543 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543918740471808 |
|---|---|
| author | Karas, N. I. Karachevtseva, L. A. Onyshchenko, V. F. |
| author_facet | Karas, N. I. Karachevtseva, L. A. Onyshchenko, V. F. |
| author_sort | Karas, N. I. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-06-29T10:02:32Z |
| description | An experimental study has beencarried out on the spectral dependence of the relaxation time of surface monopolar photoconductivity in the structures of macroporous silicon, with strong surface absorption of light, while the absorption coefficient varied in the range 2.37?103–3?105 cm–1, and the absorption depth from 0.03 ?m to 4.22 ?m. Visible LEDs 0.38–0.62 µm were used for the studies: ultraviolet, violet, blue, green, yellow, orange and red. Structures of macroporous silicon were formed on n-type silicon with orientation [100] and specific resistivity of 4.5 ??cm using photoelectrochemical etching. The macropores had a diameter of Dp = 3.5 ?m, a depth of hp = 80 ?m and a concentration of Np = 3.5?106 cm–2. In the structures of macroporous silicon, a "slow" relaxation of monopolar photoconductivity was experimentally observed. It has been found that the relaxation time of monopolar photoconductivity is dependent on the wavelength of the illumination and varieds in the range of 15.5–42 s in the visible range of 0.38–0.62 ?m. Moreover, the dependence of the photoconductivity relaxation time on the illumination wavelength had a minimum relaxation time of 15.5 s when illuminated by green light with a wavelength of 0.5215 ?m. The reason for the dependence of the relaxation time of the monopolar photoconductivity on the wavelength is the competition of the processes of recombination and trapping of the main charge carriers on the so-called "slow" surface levels. The dominance of the recombination or trapping process is influenced by the characteristics of local centers, the surface conditions, the surface bending of the Ys zones, which determines the surface monopolar photoconductivity and its relaxation. In the long-wavelength region of the spectrum, the decrease in the photoconductivity relaxation time from 42 s to 15.5 s is explained by the dominance of the trapping process of the main charge carriers at "slow" surface levels, which are localized within 1 nm of the silicon surface in the SiOx transition layer. In the short-wavelength region of the spectrum, the slow increase in the photoconductivity relaxation time from 15.5 to 23.7 s is explained by the fact that the trapping of the main charge carriers in the "slow" surface states, which are localized in SiO2 and have a longer photoconductivity relaxation time, begins to influence the photoconductivity relaxation time. The level of sticking gradually turns into the level of slow recombination with a large absorption coefficient, reaching values of 3?105cm–1. The photoconductivity relaxation associated with surface levels changes with a change in the wavelength of illumination, which causes a change in the absorption coefficient, absorption depth, and surface bending of the Ys zones. Due to this, a spectral dependence was observed of the relaxation time of surface photoconductivity in the structure of macroporous silicon. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:57Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-543 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-07-22T19:33:57Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-5432022-06-29T10:02:32Z Peculiarities of surface photoconductivity relaxation in the structures of macroporous silicon in the visible spectrum Особенность релаксации поверхностной фотопроводимости в структурах макропористого кремния в видимой области спектра Особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра Karas, N. I. Karachevtseva, L. A. Onyshchenko, V. F. relaxation photoconductivity macroporous silicon minimum relaxation time релаксація довжина хвилі освітлення фотопровідність макропористий кремній мінімальний час релаксації релаксация фотопроводимость макропористый кремний минимальное время релаксации An experimental study has beencarried out on the spectral dependence of the relaxation time of surface monopolar photoconductivity in the structures of macroporous silicon, with strong surface absorption of light, while the absorption coefficient varied in the range 2.37?103–3?105 cm–1, and the absorption depth from 0.03 ?m to 4.22 ?m. Visible LEDs 0.38–0.62 µm were used for the studies: ultraviolet, violet, blue, green, yellow, orange and red. Structures of macroporous silicon were formed on n-type silicon with orientation [100] and specific resistivity of 4.5 ??cm using photoelectrochemical etching. The macropores had a diameter of Dp = 3.5 ?m, a depth of hp = 80 ?m and a concentration of Np = 3.5?106 cm–2. In the structures of macroporous silicon, a "slow" relaxation of monopolar photoconductivity was experimentally observed. It has been found that the relaxation time of monopolar photoconductivity is dependent on the wavelength of the illumination and varieds in the range of 15.5–42 s in the visible range of 0.38–0.62 ?m. Moreover, the dependence of the photoconductivity relaxation time on the illumination wavelength had a minimum relaxation time of 15.5 s when illuminated by green light with a wavelength of 0.5215 ?m. The reason for the dependence of the relaxation time of the monopolar photoconductivity on the wavelength is the competition of the processes of recombination and trapping of the main charge carriers on the so-called "slow" surface levels. The dominance of the recombination or trapping process is influenced by the characteristics of local centers, the surface conditions, the surface bending of the Ys zones, which determines the surface monopolar photoconductivity and its relaxation. In the long-wavelength region of the spectrum, the decrease in the photoconductivity relaxation time from 42 s to 15.5 s is explained by the dominance of the trapping process of the main charge carriers at "slow" surface levels, which are localized within 1 nm of the silicon surface in the SiOx transition layer. In the short-wavelength region of the spectrum, the slow increase in the photoconductivity relaxation time from 15.5 to 23.7 s is explained by the fact that the trapping of the main charge carriers in the "slow" surface states, which are localized in SiO2 and have a longer photoconductivity relaxation time, begins to influence the photoconductivity relaxation time. The level of sticking gradually turns into the level of slow recombination with a large absorption coefficient, reaching values of 3?105cm–1. The photoconductivity relaxation associated with surface levels changes with a change in the wavelength of illumination, which causes a change in the absorption coefficient, absorption depth, and surface bending of the Ys zones. Due to this, a spectral dependence was observed of the relaxation time of surface photoconductivity in the structure of macroporous silicon. В работе проведены результаты экспериментального исследования спектральной зависимости времени релаксации поверхностной монополярной фотопроводимости в структурах макропористого кремния. Исследование проводилось при сильном поверхностном поглощении света, при этом коэффициент поглощения изменялся в диапазоне 2.37?103–3?105 см–1, а глубина поглощения от 0.03 до 4.22 мкм. Для исследований были использованы светодиоды видимой области спектра 0.38–0.62 мкм: ультрафиолетовый, фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Структуры макропористого кремния формировались на кремнии n-типа с ориентацией [100] и удельным сопротивлением 4.5 Ом?см фотоэлектрохимическим травлением. Макропоры имели диаметр Dp = 3.5 мкм, глубину hp = 80 мкм и концентрацию Np = 3.5?106 см–2. В структурах макропористого кремния экспериментально наблюдалась «медленная» релаксация монополярной фотопроводимости. Установлено, что время релаксации монополярной фотопроводимости зависело от длины волны освещения, и в видимой области спектра 0.38–0.62 мкм изменялось в диапазоне 15.5–42 с. Причем, зависимость времени релаксации фотопроводимости от длины волны освещения имела минимум времени релаксации 15.5 с при освещении зеленым светом с длиной волны 0.5215 мкм. Причиной зависимости времени релаксации монополярной фотопроводимости от длины волны является конкуренция процессов рекомбинации и прилипания на «медленных» поверхностных уровнях основных носителей заряда. Доминирование процесса рекомбинации или прилипания обусловлено характеристиками локальных центров, условиями на поверхности, поверхностным изгибом зон Ys, что и определяет поверхностную монополярную фотопроводимость и ее релаксацию. В длинноволновой области спектра уменьшение времени релаксации фотопроводимости от 42 до 15.5 с объясняется доминированием процесса прилипания основных носителей заряда на «медленных» поверхностных уровнях, которые локализованы в пределах 1 нм от поверхности кремния в переходном слое SiOx. В коротковолновой области спектра медленное увеличение времени релаксации фотопроводимости с 15.5 до 23.7 с объясняется тем, что на время релаксации фотопроводимости начинает влиять прилипание основных носителей заряда на «медленных» поверхностных состояниях, которые локализованы в SiO2 и имеют большое время релаксации фотопроводимости. Уровень прилипания постепенно превращается в уровень замедленной рекомбинации при большом коэффициенте поглощения, достигающем значения 3?105 см–1. Релаксация фотопроводимости, связанная с поверхностными уровнями, обусловливается длиной волны освещения, что вызывает изменение коэффициента поглощения, глубины поглощения и поверхностного изгиба зон Ys. Благодаря этому наблюдалась спектральная зависимость времени релаксации поверхностной фотопроводимости в структуре макропористого кремния. 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 Dp = 3.5 мкм, глибину hp = 80 мкм і концентрацію Np = 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 Ys, 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 SiOx. 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 Ys. Завдяки цьому спостерігалась спектральна залежність часу релаксації поверхневої фотопровідності в структурі макропористого кремнію. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2020-05-27 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/543 10.15407/hftp11.02.228 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 11 No. 2 (2020): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 228-234 Химия, физика и технология поверхности; Том 11 № 2 (2020): Химия, физика и технология поверхности; 228-234 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 11 № 2 (2020): Хімія, фізика та технологія поверхні; 228-234 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp11.02 uk https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/543/546 Copyright (c) 2020 N. I. Karas, L. A. Karachevtseva, V. F. Onyshchenko |
| spellingShingle | релаксація довжина хвилі освітлення фотопровідність макропористий кремній мінімальний час релаксації Karas, N. I. Karachevtseva, L. A. Onyshchenko, V. F. Особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра |
| title | Особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра |
| title_alt | Peculiarities of surface photoconductivity relaxation in the structures of macroporous silicon in the visible spectrum Особенность релаксации поверхностной фотопроводимости в структурах макропористого кремния в видимой области спектра |
| title_full | Особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра |
| title_fullStr | Особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра |
| title_full_unstemmed | Особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра |
| title_short | Особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра |
| title_sort | особливість релаксації поверхневої фотопровідності в структурах макропористого кремнію у видимій області спектра |
| topic | релаксація довжина хвилі освітлення фотопровідність макропористий кремній мінімальний час релаксації |
| topic_facet | relaxation photoconductivity macroporous silicon minimum relaxation time релаксація довжина хвилі освітлення фотопровідність макропористий кремній мінімальний час релаксації релаксация фотопроводимость макропористый кремний минимальное время релаксации |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/543 |
| work_keys_str_mv | AT karasni peculiaritiesofsurfacephotoconductivityrelaxationinthestructuresofmacroporoussiliconinthevisiblespectrum AT karachevtsevala peculiaritiesofsurfacephotoconductivityrelaxationinthestructuresofmacroporoussiliconinthevisiblespectrum AT onyshchenkovf peculiaritiesofsurfacephotoconductivityrelaxationinthestructuresofmacroporoussiliconinthevisiblespectrum AT karasni osobennostʹrelaksaciipoverhnostnojfotoprovodimostivstrukturahmakroporistogokremniâvvidimojoblastispektra AT karachevtsevala osobennostʹrelaksaciipoverhnostnojfotoprovodimostivstrukturahmakroporistogokremniâvvidimojoblastispektra AT onyshchenkovf osobennostʹrelaksaciipoverhnostnojfotoprovodimostivstrukturahmakroporistogokremniâvvidimojoblastispektra AT karasni osoblivístʹrelaksacíípoverhnevoífotoprovídnostívstrukturahmakroporistogokremníûuvidimíjoblastíspektra AT karachevtsevala osoblivístʹrelaksacíípoverhnevoífotoprovídnostívstrukturahmakroporistogokremníûuvidimíjoblastíspektra AT onyshchenkovf osoblivístʹrelaksacíípoverhnevoífotoprovídnostívstrukturahmakroporistogokremníûuvidimíjoblastíspektra |