Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературных данных по пленкам и гетероструктуре 10
1.1. Теоретические основы гетеропереходов 10
1.1.1. Резкие анизотипные гетеропереходы 10
а) Диффузионная модель 11
б) Эмиссионная модель 14
в) Эмиссионно-рекомбинационная модель 17
1.1.2. Резкие изотипные гетеропереходы 17
а) Эмиссионная модель 18
б) Модель двойного Шоттки-диода 21
в) Туннельная модель 25
1.2. Методы получения пленок 27
1.2.1. Вакуумное осаждение 27
1.2.2. Метод Векшинского 28
1.2.3. Метод трех температур 28
1.2.4. Метод дискретного испарения 30
1.2.5. Перекристаллизация 35
1.3.Методы получения гетероструктуры 36
1.3.1. Выращивание из раствора-расплава 37
1.3.2. Химический метод 38
1.3.3. Химический газотранспортный метод 39
1.3.4. Особенности приготовления гетероструктуры 41
1 АЭлектрофизические свойства гетероструктуры 43
1.4.1. Вольт-емкостные характеристики гетероструктуры 43
1.4.2. Вольт-амперные характеристики гетероструктуры 46
Глава II. Получение, электрические и термоэлектрические свойства гетероструктуры n-InSb-SiO 2 -p-Si 48
2.1. Приготовление образцов и их структурные особенности 48
2.1.1. Методика получения гетероструктуры n-InSb-Si02 -p-Si... 48
2.1.2. Структурные особенности образцов 53
2.2. Электрические свойства компенсированных пленок n-InSb 59
2.3. Определение электрических параметров макродефектов в перекристаллизованных пленках 60
2.4. Характер гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si и глубина залегания ловушек 61
2.5. Аномальная термоэдс на гетероструктуре n-InSb-Si02 -p-Si 68
Глава III. Оптические и фотоэлектрические свойства гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si 77
3.1.Методы исследования оптических и фотоэлектрических свойств гетероструктуры n-InSb-Si02 -p-Si 77
3.2. Исследование темновых и световых В АХ гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si 79
3.3.Зонная энергетическая диаграмма гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si 91
3.4. Оптическая память гетероструктуры n-InSb-SiO 2 -p-Si 93
3.5. Оптическая память в поликристаллических пленках n-InSb, особенности оптической памяти 101
Глава IV. Практическое применение гетероструктуры n-InSb-SiO 2 -p-Si 105
4.1.Термоэлектрогенератор 105
4.2. Элемент оптической памяти 106
4.3. Модулятор инфракрасного и микроволнового излучения 107
Выводы 109
Литература
- Диффузионная модель
- Методика получения гетероструктуры n-InSb-Si02 -p-Si...
- Исследование темновых и световых В АХ гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si
- Модулятор инфракрасного и микроволнового излучения
Введение к работе
Первоначально применение полупроводниковых пленок отличалось известным эмпиризмом, так как началось задолго до того, как появилась теория полупроводников, способная их объяснить. Открытие американскими физиками Д. Бардином и В. Браттейном в 1948г. транзисторного эффекта вызвало у физиков и радиоинженеров всего мира необычайный интерес. Эта работа и последовавшее затем создание р-п-переходов в монокристаллах германия и их теории стимулировали лавинное нарастание исследований по физике и технологии полупроводников, что в конечном счете привело к технической революции в области радиоэлектроники и радиотехники, значение которой, по-видимому, ничуть не меньше, чем открытие ядерной энергии для энергетики.
Все дальнейшее развитие полупроводниковой электроники шло по пути исследования монокристаллических структур на основе германия, кремния и в последнее время полупроводниковых соединений элементов третьей и пятой групп периодической системы АШВК с различным распределением примесей по типу и концентрации.
Улучшение свойств приборов шло главным образом по пути совершенствования методов образования р-п-переходов и использования новых материалов. Замена германия кремнием позволила поднять рабочую температуру приборов и создать высоковольтные диоды и тиристоры.
Изучение электрических, оптических и других физических свойств пленок элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений позволило установить ряд особенностей электронных процессов в тонких пленках. Эти особенности обусловлены влиянием многих факторов, приводящих к существенному различию свойств тонкой пленки и массивного кристалла. К таким факторам следует отнести толщину пленки (размерные эффекты), состояние поверхности, фазовый состав, структуру, род, количество дефектов и другие. Наряду с многочисленными исследованиями тонких слоев элементарных полупроводников значительное внимание уделяется работам по
физике и технологии пленок более сложных объектов - бинарных, тройных и других полупроводниковых материалов. Развитие физики тонких пленок и пленочного материаловедения стимулируется расширением круга задач, решаемых микроэлектроникой. Это приводит к тому, что прогресс в области микроминиатюризации электронной аппаратуры все теснее связывают с получением тонких слоев полупроводников группы А//;ВК, нитритов, селенидов, оксидов и других.
В последнее время получены впечатляющие результаты для коротковолновых источников излучения на основе селенидов А "В" и нитридов A//7N. Использование гетероструктурных концепций и методов роста, которые были разработаны для квантовых ям и сверхрешеток на А'" Ву, в большой степени определило успех этих исследований. Естественная и наиболее предсказуемая тенденция - применение гетероструктурных концепций и технологических методов к новым материалам. Среди данных материалов соединения элементов 3 и 5 групп и их твердые растворы представляют особый интерес. Они технологичны, характеризуются высокими значениями подвижностеи электронов и дырок, широким диапазоном величины запрещенной зоны, могут быть легированы до высоких концентраций акцепторов и доноров. Этими и другими ценными свойствами объясняется широкое использование полупроводников А.'"ЪУ в электронной технике, в частности при создании различных полупроводниковых приборов. Так, к примеру, на основе полупроводников А;//Вк, классические гетероструктуры, квантовые ямы и сверхрешетки настолько совершенны, что уже используются многие из их уникальных свойств, а структуры с квантовыми точками подразумевают новые материальные системы, способные перекрывать новые диапазоны энергетического спектра.
Один из представителей данного класса - антимонид индия отличается минимальной среди соединении А Вк шириной запрещенной зоны, равной 0,164 эВ при Т=300 К, наибольшей величиной подвижности электронов, достигающей 78000 см2/(В-с) при комнатной температуре и на порядок
выше при температуре жидкого азота. Эффективная масса электрона составляет всего 0,014 т0.
Контактирующая пара InSb-Si имеет значительное различие в температурных коэффициентах линейного расширения, теплопроводности, постоянных кристаллической решетки, показателях преломления и других. Это обстоятельство при использовании известных технологических приемов получения тонких пленок всегда приводит в процессе роста слоя к образованию многочисленных микро- и макродефектов. Поэтому перед технологами стоит задача отыскать такие технологические приемы, которые смогут максимально снизить количество образующихся дефектов или же получить бездефектные слои.
Вместе с тем, наличие макродефектов (неоднородностей) открывает
возможности для проявления новых интересных эффектов в пленках,
например, таких как аномальный эффект Холла и отрицательная
и фотопроводимость.
Особенно широко исследовались полупроводниковые кристаллы и пленки антимонида индия в шестидесятые и семидесятые годы прошлого столетия. Обобщение наиболее существенных результатов, полученных в нашей стране и за рубежом при изучении свойств и практического применения пленок антимонида индия и тонкопленочных структур на их основе, было сделано в монографии [1].
В настоящее время в связи с возрождением элементной базы
предприятий электронной промышленности потребуются дополнительные
разработки новых технологий полупроводниковых материалов для создания
отечественных приборов различного назначения. Использование
і гетероструктуры n-InSb-SiO 2 -p-Si представляет значительный интерес в связи
с тем, что антимонид индия обладает необычайно интересными гальваномагнитными и оптическими свойствами, что позволяет создать тонкопленочные приборы, способные работать в условиях действия
различных внешних факторов и решать целый ряд народнохозяйственных задач.
Разработки технологических методов получения тонких пленок n-InSb и гетероструктур с целью получения слоев со структурой и свойствами, приближающимися к свойствам массивного материала, ведутся уже в течение трех десятилетий. Однако достижение этой цели ограничивалось толщиной слоя, родом подложки, особенностями условий роста при различных технологических приемах.
Вместе с тем оказалось, что метод дискретного испарения и последующая термическая перекристаллизация наиболее оптимальны для получения гетероструктур n-InSb-Si02-p-Si со свойствами, близкими к монокристаллам, и что таким путем получилась структура с аномальными электрическими, гальваномагнитными, фотоэлектрическими свойствами, составляющими основу создания новых полупроводниковых приборов.
Цели и задачи исследования. Целью данного исследования является получение пленок n-InSb на кремниевых подложках с естественным окисным слоем методом дискретного испарения в вакууме с последующей термической перекристаллизацией для создания гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si, исследование ее электрических, термоэлектрических и фотоэлектрических свойств, оценка механизма токопрохождения в гетероструктуре и возможность создания новых приборов на ее основе.
В соответствии с этой целью в работе решаются следующие задачи: Получение гетероструктуры n-InSb-SiO 2 -p-Si методом дискретного испарения кристаллического порошка n-InSb на подложки из окисленного кремния Si02 -p-Si с последующей термической перекристаллизацией. Исследование структуры и состава полученных слоев. Исследование вольтфарадных характеристик с целью определения типа гетероструктуры и глубины залегания поверхностного примесного уровня в p-Si.
Исследование температурной зависимости термоэдс гетероструктуры п-
InSb-Si02-p-Si для образцов, полученных при различной температуре
подложки.
Исследование особенностей механизма токопрохождения в
гетероструктуре n-InSb-Si02 -p-Si.
Изучение явления оптической памяти на данной гетероструктуре из
исследований темновых и световых ВАХ.
Показать возможность создания на основе исследований гетероструктуры
n-InSb-Si02-p-Si приборов с параметрами и характеристиками,
превышающими известные аналоги.
Объект и методы исследования. Объектом исследования в данной работе является гетероструктура n-InSb-Si02-p-Si, полученная методом дискретного испарения кристаллического порошка n-InSb на кремниевые подложки с естественным окисным слоем с последующей термической перекристаллизацией.
Научная новизна полученных в работе экспериментальных результатов состоит в следующем:
Впервые получен гетеропереход n-InSb-Si02-p-Si методом дискретного испарения с последующей термической перекристаллизацией слоя n-InSb на подложке Si02 -p-Si.
Определены значения энергии активации акцепторных уровней в p-Si, на основе исследования вольтфарадных характеристик гетероструктуры п-InSb-SiOz -p-Si, равные ДЕ=0,18-0,24эВ.
Установлено, что удельная термоэдс гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si принимает аномально высокие значения (а~50мВ/К) в широком диапазоне температур (77-340К).
Из исследования вольтамперных характеристик гетероструктуры n-InSb-Si02 -p-Si определено, что в диапазоне напряжений 0-6В наблюдается
туннельно-рекомбинационный механизм токопрохождения, а при
напряжениях более 6В - туннельный механизм. 5. Установленно, что на образцах, полученных при температуре подложки
~400С, наблюдается эффект оптической памяти, который при Т=77К
составляет 40%.
Практическая значимость. Полученные результаты исследования эффекта оптической памяти на гетероструктуре n-InSb-Si02-p-Si использованы при разработке элемента оптической памяти, на что получен патент на изобретение №2207638 и могут быть использованы при разработке микротермоэлектрогенератора, модулятора инфракрасного и микроволнового излучения.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Технология получения гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si методом
дискретного испарения в вакууме n-InSb на кремниевые подложки с
естественным окисным слоем с последующей термической
перекристаллизацией.
В исследованных интервалах напряжений механизм токопрохождения в гетероструктуре n-InSb-SiO 2 -p-Si является тунельнорекомбинационным при напряжении 4-6В и тунельным при напряжении более 6В.
Высокие значения термоэдс на гетероструктуре n-InSb-Si02-p-Si, которые в зависимости от температуры подложки достигают «~50 мВ/К
Существование оптической памяти в исследуемой гетероструктуре n-InSb-Si02 -p-Si, которая достигает более 40% при температуре 77К.
Диффузионная модель
Гетеропереход в общем случае определяется как граница раздела между двумя различными веществами. В физике полупроводников обычно используется частный вид гетеропереход - переход между двумя различными монокристаллическими полупроводниковыми материалами. Такие гетеропереходы можно классифицировать как резкие или плавные в зависимости от того, на каком расстоянии от границы раздела происходит переход от одного материала к другому. В первом случае переход осуществляется в пределах нескольких межатомных расстояний ( 1 мкм), а во втором - размеры перехода имеют порядок нескольких диффузионных длин.
Другая классификация, которая часто используется в литературе, делит гетеропереходы по типу проводимости на каждой стороне перехода. Если два рассматриваемых полупроводника имеют одинаковые типы проводимости, то переход называется изотипным гетеропереходом, в противном случае он называется анизотипным гетеропереходом. Первым теоретически проанализировал эти комбинации Губанов [2-4]. Однако исследование гетеропереходов началось только после того, как Кремер [5] высказал предположение о том, что анизотипные гетеропереходы могут иметь значительно более высокую эффективность инжекции по сравнению с гомопереходами. Первые анизотипные и изотипные гетеропереходы были изготовлены Андерсоном [6] в 1960 г. Он также предложил [7] более детальную модель для построения энергетических зон вблизи границы раздела двух полупроводников. С тех пор многими авторами были предложены модели различных типов гетеропереходов, а их применимость была проверена экспериментально.
Гетеропереходы этого типа, включающие в себя п - р- и р - п-гетеропереходы, являются, подобно п - р- и р - п-гомопереходам, устройствами с неосновными носителями тока. В отличие от модели Шокли для гомопереходов [8] ни одна из моделей гетеропереходов, предложенных различными авторами, не способна объяснить все физические явления в них. Это связано с тем, что в гетеропереходах свойства границы раздела сильно изменяются от материала к материалу и в значительной степени зависят от метода изготовления. Существующие модели анизотипных гетеропереходов, по существу, могут рассматриваться как обобщение общепринятой модели гомопереходов. а)Диффузионная модель.
В этой модели, впервые развитой Андерсоном [6-7] и позднее использованной другими, пренебрегается влиянием диполей состояний на границе раздела. Типичная диаграмма энергетических зон двух изолированных полупроводников р- и п-типов и диаграмма резкого р - п-гетероперехода после приведения полупроводников в тесный контакт в условиях равновесия показана на рис. 1. Диаграмма содержит «пичок» и «провал» на краях зоны проводимости вблизи границы раздела и соответствует случаю Х\ X Это один из многих случаев, рассмотренных Ван Рювеном [9]. Предполагается, что два полупроводника имеют различную ширину запрещенной зоны Е g, различную диэлектрическую проницаемость є, различную работу выхода р и различное электронное сродство %.
Электронное сродство и работа выхода полупроводника определяются как энергии, необходимые для удаления электрона соответственно со дна зоны проводимости Ес и уровня Ферми EF за пределы материала (т.е. на уровень вакуума или на расстояние от поверхности, больше радиуса действия сил изображения, но меньше размеров образца). Энергию потолка валентной зоны обозначают Е,,. Индексы 1 и 2 относятся к полупроводникам р-и n-типа. Из рис. 1 видно, что разрыв в зоне проводимости (АЕС) равен разности энергий электронного сродства двух полупроводников. В таком роде гетероперехода обедненные слои образуются на каждой стороне границы раздела, и поскольку в этой модели не учитываются состояния на границе раздела, то обычные заряды этих слоев противоположны по знаку и равны по величине.
В этой модели Андерсон предполагает, что вследствие разрывов краев зон на границе раздела диффузионный ток почти полностью обусловлен электронами или дырками. Для данного р-п-гетероперехода, доминирующими носителями заряда будут электроны, так как барьер для электронов значительно меньше, чем для дырок.
Методика получения гетероструктуры n-InSb-Si02 -p-Si...
Для получения пленок гетероструктуры использовалась вакуумная установка УВН-4, в которой можно было получать вакуум порядка 10"5 мм. рт. ст. Для напыления пленок антимонида индия различного типа проводимости методом дискретного испарения можно применить порошок, изготовленный путем размельчения монокристаллов антимонида индия с дырочной и электронной проводимостью [26]. При температуре жидкого азота исходные кристаллы имели подвижность дырок Лр=860 см /(В-с) при концентрации примесей п« 1.2-10 см" и подвижность электронов \хп =55000 см /(В-с) при концентрации примесей п=2-10 см". В качестве подложек использовали кремниевые пластины толщиной 0,2-0,3 мм и диаметром порядка 60 мм. Поверхность кремниевых подложек обработана с чистотой, необходимой для осуществления высокой степени адгезии напыляемого слоя с материалом подложки. Известно, что кремний и антимонид индия обладают мало отличающимися температурными коэффициентами расширения в области температур от комнатной до 450С, одинаковой адгезией друг к другу в этой области температур. Поэтому кремниевая подложка является подходящим материалом по своим физическим свойствам для использования ее в качестве носителя слоя InSb. Вместе с тем, Si сам по себе известен как перспективный материал для электронной техники, который находит широкое применение в различных приборах, поэтому его использование в виде подложки является интересным и перспективным для изучения свойств пары InSb-Si и разработки приборов на их основе.
В камере напыления данной установки были смонтированы все элементы, необходимые для получения пленок InSb методом дискретного испарения, как описано в работе [44]. Первоначально пленки InSb получались методом дискретного испарения на подложки из диоксида кремния, причем температура подложки поддерживалась постоянной. Перед напылением кремниевые подложки продувались потоком воздуха и помещались в камеру для напыления. После получения высокого вакуума 2-10"5мм. рт. ст. на установке УВН-4 устанавливалось в течение 15 минут необходимое напряжение на подогревателе подложки для получения требуемой температуры нагревателя. Напыление осуществлялось при температурах подложки 300С, 350С, 400С. Процесс испарения кристаллического порошка длился 15-20 секунд, что позволяло получать слои толщиной 1-2 мкм. Высокая температура подложки обеспечивает высокую степень адгезии слоя InSb и совершенствование его структуры. Повышение температуры подложки приводит к росту кристаллов за счет увеличения подвижности атомных зародышей и образованию ориентированной в плоскости подложки кристаллической структуры. На таких кремниевых подложках, как правило, получаются текстурированные слои InSb, которые обладают свойствами, приближающимися к свойствам массивного материала. При более низких температурах, меньших 100 С, слои InSb не имеют хорошей адгезии с Si и легко счищаются с подложки. Такие слои, как известно, не обладают свойствами кристаллов InSb и не пригодны для практического использования.
В результате индицирования электронограмм установлено, что в пленках присутствуют кристаллики кубической и гексагональной модификации, содержащие большое количество дефектов упаковки. Размеры кристалликов в сильной степени зависели от температуры подложки и толщины слоя и достигали 1...5 мкм.
Пленки, полученные из материала n-типа, всегда обладали электронной проводимостью (независимо от температуры подложки), пленки, полученные из материала р-типа, - дырочной проводимостью лишь в том случае, если температура подложки при напылении не превышала 300...350С. При более высокой Тк происходило образование пленок с электронной проводимостью, что объясняется возрастанием подвижности электронов в крупнокристаллических пленках. Максимальные значения подвижностей электронов и дырок при комнатной температуре составили 1.9-104 и 660 см2/(В-с) соответственно.
Дальнейшие исследования позволили определить оптимальные условия выращивания крупнокристаллических слоев антимонида индия с высокой подвижностью носителей [30]. Пленки были получены на подложках из окисленного кремния при соблюдении следующих режимов напыления: температура испарителя Ти=1100С, температура подложки Тк=300...450С, скорость подачи гранулированного порошка в испаритель Юмг/мин, размер гранул испаряемого материала 150...200 мкм. При таких условиях были получены стехиометрические пленки этого соединения n-типа толщиной d=l, 0...4,0 мкм. Структура пленок изучалась с помощью электронографического, рентгеноструктурного и металлографического анализов.
При низкой температуре конденсации Тк=300С на электронограммах наблюдаются сплошные кольца, свидетельствующие о поликристаллической структуре пленок, при этом размеры зерен не превышают /3 0.1 мкм. По мере увеличения температуры подложки одновременно с ростом размеров зерен улучшается и кристаллическая структура пленок. При Тк=450С слои состоят из крупных кристаллитов, средний размер которых близок к толщине пленки. На электронограммах от таких пленок видны достаточно четкие точечные рефлексы, характерные для мозаичных монокристаллов, у которых плоскость [111] параллельна плоскости подложки (рис 3).
Исследование темновых и световых В АХ гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si
Учет состояний на границе раздела изменяет величину плотности фототока короткого замыкания анизотипного гетероперехода, которая в отсутствие этих состояний равна 1Л. Поскольку большинство гетеропереходных структур содержит много состояний и ловушек на границе раздела, область вблизи границы раздела действует как область с очень малым временем жизни или как «квазиметаллическая» прослойка [91, 92, 93] которая делит переход на два Шоттки-перехода в широкозонном и узкозонном материалах. Доннелли и Милнсом [91] была предложена модель накопления неосновных фотоносителей, позволяющая качественно оценить плотность фототока короткого замыкания и фотонапряжения холостого хода в таких гетеропереходах. Рассматривая эквивалентную схему р-п-гетероперехода и считая, что материал р-типа имеет меньшую ширину запрещенной зоны, они получили выражение для плотности тока короткого замыкания 1КЗ и напряжения холостого хода V в приближении малых сигналов I«=I«+- -/?I«, (3-І) V =I,1(r,+r2)+ 5l,2r2, (3.2) где предполагается, что вольт-амперная характеристика Шоттки-диода 1 в широкозонном материале в отсутствие освещения имеет вид I, =1 Si [ехр(А, V,) 1], а Шоттки-диода 2 в узкозонном материале - вид 12 =152 [ехр(А 2V2)-l]; r,=l/A1Isl;r2=l/A2IS2; J3 - параметр, который учитывает, что рекомбинация, связанная с состояниями на границе раздела, происходит с конечной скоростью. В этих выражениях 1Д1 и 1Д2 - фототоки, генерируемые соответственно в широкозонном и узкозонном материалах, которые в приближении малых сигналов можно описать уравнениями (3.1) и (3.2).
Одним из наиболее важных фотоэлектрических свойств гетеропереходов является спектральная зависимость фотоотклика -зависимость фототока короткого замыкания (или напряжения холостого хода), приходящегося на один фотон, от длины волны или энергии падающих фотонов. В приближении малых сигналов фототок короткого замыкания в анизотипных гетеропереходах прямо пропорционален напряжению холостого хода. Поэтому спектр фотоотклика не зависит от способа измерения (т.е. измеряется ли спектральная зависимость 1Ю или V ).
Для получения гетероструктуры n-InSb-Si02-p-Si использовались кремниевые пластины р-типа проводимости с концентрацией примесей 1015 см-3 со слоем двуокиси кремния Si02 толщиной 1...2нм. Пленки антимонида индия n-типа проводимости получались методом дискретного испарения в вакууме 10"5 мм рт.ст. на подложках из двуокиси кремния при температурах 300, 350, 400С. Толщина пленок была 1...2 мкм, концентрация носителей заряда (1...5)1017 см"3 как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого азота. Пленки после напыления были поликристаллическими и имели гладкую зеркальную поверхность, причем в зависимости от температуры подложки их цвет менялся в отраженном свете от светло-голубого (Т=300С) до коричневого (Т=400С).
Слои n-InSb имели высокую адгезию к поверхности двуокиси кремния. На слой n-InSb напылялся индий для получения омического контакта. К нему и кремнию припаивались эвтектическим сплавом InSn медные проволочки для измерения тока и напряжения.
При изучении фотоэлектрических характеристик белый свет освещенностью 2000лк падал только на напыленный слой n-InSb . Гетероструктура n-InSb-Si02-p-Si имеет значительное выпрямление, причем пропускному направлению соответствует отрицательная полярность внешнего смещения на слое n-InSb.
На рис. 24(а, б) представлены ВАХ для образцов №1, полученных при температуре подложки 400 С. Из графика видно, что прямые ветви ВАХ при комнатной температуре, как в темновом, так и в световом режиме, имеют обычный экспоненциальный рост. Обратным характеристикам свойственно незначительное выпрямление, но они показывают большую фоточувствительность материала. Остаточная фотопроводимость (оптическая память) после освещения имеет величину порядка 20% от светового. Темновые и световые характеристики снимались через 3 с после выключения освещения и через 10 мин.
При температуре жидкого азота прямые ВАХ также имеют обычный экспоненциальный рост. У обратных ВАХ наблюдается значительное выпрямление. Однако, остаточная фотопроводимость после освещения имеет величину порядка 40%, что в два раза превышает значение, полученное для ВАХ при комнатной температуре.
На рис. 25 (а, б) показаны ВАХ образцов серии №2, полученных при температуре подложки 350 С. Характеристики также снимались в прямом и обратном направлении в диапазоне +15В при комнатной температуре и температуре жидкого азота. Исследования показали, что при комнатной температуре прямые ветви ВАХ также имеют обычный экспоненциальный рост, как при темновом, так и при световом режиме. Обратным характеристикам свойственно значительное выпрямление. При значении напряжения -6В значение тока составляет 5мА. Для образцов серии №1 при данном напряжении ток составлял 0,75мА. Из графика можно сделать вывод о большой фоточувствительности материала. Эффект оптической памяти имеет величину порядка 20% от светового значения.
Модулятор инфракрасного и микроволнового излучения
Описанные эффекты обусловлены, по-видимому, наличием глубоких поверхностных уровней в области объемного заряда исследуемой гетеростуктуры. Согласно [108], носители тока, освобожденные под действием света с этих уровней, могут дать вклад в проводимость, сохраняющийся достаточно долго. Это происходит вследствие того, что рекомбинации препятствует потенциальный барьер, увеличивающийся по мере захвата электронов на поверхностные состояния. При этом, в отличие от однородного полупроводника, у которого потенциальный барьер вызван только зарядом на поверхностных состояниях, в случае гетероструктуры он увеличивается дополнительно за счет разности работ выхода контактирующих материалов. В силу этой причины явление памяти в гетероструктуре выражено более ярко.
Эти результаты показывают, что гетероструктура n-InSb-Si02-p-Si может быть использована в качестве элемента оптической памяти. Наличие согласованных спектральных характеристик при изготовлении источника света и фотоприемника из одного и того же материала открывает хорошие перспективы их применения в оптоэлектронике, а в дальнейшем - и интегральной оптике.
Из рис. 34 видно, что каждый новый световой импульс попадающий на гетероструктуру, увеличивает ток остаточной проводимости, т.е. исследуемая гетероструктура суммирует поступающую на ее вход информацию. Как показано выше, ток остаточной проводимости обусловлен неравновесными носителями, исчезновение которых затруднено из-за наличия рекомбинационного барьера. Каждый последующий световой импульс увеличивает концентрацию неравновесных носителей и, следовательно, ток остаточной проводимости. Очевидно, рост концентрации пространственно разделенных носителей будет продолжаться до некоторого максимального значения тока остаточной проводимости, так как разделение носителей создает электрические поля, которые компенсируют поля, образованные неоднородностями. Благодаря этому амплитуда потенциального барьера и, следовательно, величины Ег, Ed будут уменьшаться, что облегчит рекомбинацию разделенных носителей. В результате установившегося динамического равновесия определяется максимально возможная величина остаточного тока. В нашем случае она на 3-4 порядка превышала значение темнового тока.
Таким образом, меняя интенсивность освещения, можно переводить образец в любое состояние, находящееся между темновым током и максимальным током остаточной проводимости, и гетероструктуру n-InSb-Si02 -p-Si можно использовать как оптоэлектрическую ячейку памяти, способную не только запоминать сигналы, но и суммировать их. Кроме того, особенностью данной ячейки является возможность регистрировать сигналы без приложения внешнего напряжения, которое необходимо лишь при считывании информации; ячейка может регистрировать оптическую информацию, лежащую в пределах спектральной фоточувствительности материалов, образующих гетероструктуру.
Сравнивая функциональные возможности данного элемента оптической памяти с другими известными приборами этого типа, можно отметить его высокую чувствительность в инфракрасной области спектра (эффект оптической памяти -40%).
Первые результаты исследования оптической памяти в поликристаллических пленках антимонида индия n-типа проводимости представлены в [109]. Явление оптической памяти в поликристаллических пленках n-InSb было исследовано при температуре жидкого азота. При этой температуре в слоях наблюдается отрицательная фотопроводимость [108].
При стационарном освещении интегральным светом ток падает от темнового значения 1гдо Icg. После снятия возбуждения ток растет до некоторого значения 1„ (ток памяти). Коэффициент памяти сс= \п1\т принимает значения -0,9 и приближается к 1 при увеличении напряжения на образце. Релаксация от I „ до І т происходит в течение 103 с.
Эффект оптической памяти обусловлен наличием глубоких потенциальных уровней в области объемного заряда исследуемой пленки. Носители тока, освобожденные под действием света с этих уровней, могут резко повысить проводимость, сохраняющуюся достаточно долго. Это происходит вследствие того, что рекомбинации носителей препятствует потенциальный барьер, увеличивающийся по мере захвата электронов на поверхностные состояния.
Для пленок, выращенных на подложках из окисленного кремния при температуре -400С коэффициент оптической памяти как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого азота при напряжениях до 7В составлял 0,25 при времени релаксации оптической памяти 1 минуты. Для мелкокристаллических пленок, выращенных при температуре подложки 300"С, коэффициент оптической памяти составлял -0,1-0,15, а время релаксации 50с.
