Горячий фотоэффект в поверхностно-барьерных структурах на основе арсенида и фосфида галлия Бланк, Татьяна Владимировна

Введение к работе

Актуальность работы.

Поверхностно-барьерные структуры на основе полупроводников А³В⁵ (в частности, арсенида и фосфида галлия) в настоящее время занимают прочное место в полупроводниковой электронике наряду с р-п-структурами. По сравнению с р-п-структурами они имеют ряд достоинств: более высокое быстродействие, так как ток обусловлен переносом основных носителей заряда; менее резкий спад фоточувствительности в коротковолновой части спектра, так как слой объемного заряда лежит у поверхности полупроводника и поверхностная рекомбинация менее существенна; лучший теплообмен, так как область, где выделяется наибольшее тепло при работе прибора (слой объемного заряда), находится непосредственно у металла, Этими особенностями поверхностно-барьерных структур определяется использование приборов на их основе в полупроводниковой электронике, причем одним из главных применений являются приемники коротковолнового (ультрафиолетового) и видимого излучения.

Принцип работы таких приемников основан на горячем фотоэффекте, то есть фотоэффекте, соответствующем коротковолновой области собственного поглощения полупроводника, при которой кинетическая энергия фотоэлектронов значительно (в несколько раз) превосходит ширину запрещенной зоны полупроводника. Горячий фотоэффект представляет собой фундаментальную физическую проблему, которой в настоящее время занимаются крупнейшие физические центры мира (Corning Glass Works, USA; Chance-Pilkington Optical, UK; Schott and Gen, Germany; Hamamatsu Corp., Japan). В России эта исследования проводятся, прежде всего, в Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе РАН. Однако механизм горячего фотоэффекта пока не установлен. Существующие модели, объясняющие потери фотоэлектронов при горячем фотоэффекте поверхностной рекомбинацией, диффузией термализованных электронов или транспортом горячих фотоэлектронов, не соответствуют экспериментальным данным. Поэтому выяснение механизма фотоэлектропреобразования при горячем фотоэффекте является актуальным, позволит обогатить знания об энергетическом строении полупроводников группы А³В⁵ и конструировать более эффективные приемники коротковолнового (ультрафиолетового) излучения.

Цель и задачи работы.

Целью данной работы является экспериментальное исследование механизма горячего фотоэффекта в поверхностно-барьерных структурах на основе арсенида и фосфида галлия. В работе решались следующие задачи:

1. Установление температурных зависимостей квантовой

эффективности фотоэлектропреобразования для поверхностно-барьерных структур на основе прямозонного (GaAs) и непрямозонного (GaP) полупроводников в широком интервале энергий падающих фотонов;

1. Установление зависимостей квантовой эффективности фотоэлектропреобразования от электрического поля в слое объёмного заряда для GaP и GaAs поверхностно-барьерных структур в широком интервале температур;

2. Установление температурных зависимостей квантовой эффективности фотоэлектропреобразования р-п-структур на основе Si и GaAs и сравнение результатов с подобными зависимостями для поверхностно-барьерных структур;

3. Анализ полученных закономерностей с целью определения механизма горячего фотоэффекта в поверхностно-барьерных структурах на основе GaP и GaAs.

Объекты исследований.

Объектами исследований являлись: поверхностно-барьерные структуры на основе арсенида галлия, поверхностно-барьерные структуры на основе фосфида галлия, р-п-структуры на основе кремния и р-п-структуры на основе арсенида галлия.

Поверхностно-барьерные структуры на основе арсенида галлия Ni-n-GaAs создавались на сильно легированной подложке n-GaAs с концентрацией электронов /)=10 см (300К); на одной стороне подложки был выращен методом жидкофазнои эпитаксии слабо легированный слой n-GaAs (л=10¹⁵см'³) толщиной =10мкм. На этот слой был нанесён химическим осаждением никелевый полупроницаемый для света барьерный контакт, а на обратную сторону подложки - омический-контакт. Толщина структуры с^200мкм, площадь освещаемой поверхности 5=0.0бсм².

Поверхностно-барьерные структуры на основе фосфида галлия Au-n-GaP создавались на пластине n-GaP с концентрацией электронов />=10 см (ЗООК), выращенной методом Чохральского. На одной стороне пластины вплавлением индия был создан омический контакт, на другой стороне-химическим осаждением золота полупроницаемый для света барьерный контакт. Толщина структуры cWOOmkm, площадь освещаемой поверхности 5=0.2см².

Кремниевые р-п-структуры создавались на подложке n-Si:P с ориентацией (100) и удельным сопротивлением 20 Ом-см путем диффузии бора на глубину =30 нм из газовой фазы. Омические контакты были изготовлены на основе алюминия. Площадь освещаемой поверхности 5=0.5см².

Исследуемые GaAs p-n-структуры создавались на пластине GaAs, которая была получена методом MOS-гидридной эпитаксии при пониженном давлении в горизонтальном реакторе. Слои GaAs п- и р- типов были изготовлены путем легирования и имели толщины І.бмкм и 0.4мкм и

концентрации носителей заряда л=10¹⁵см'³ и р=10¹⁹см'³ (ЗООК), соответственно. Площадь освещаемой поверхности 5=12.5 мм².

Результаты работы

1. Разработана экспериментальная методика, позволяющая исследовать"" температурные зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования поверхностно-барьерных и р-п-структур в широком интервале энергий падающих фотонов (1-бэВ) и в широком температурном диапазоне (77-400К).

2.Разработана экспериментальная методика, позволяющая
исследовать зависимость квантовой эффективности

фотоэлектропреобразования различных структур от электрического поля в слое объемного заряда (при приложении внешнего напряжения) при различных энергиях падающих фотонов и температурах.

3.Определены температурные зависимости квантовой

эффективности фотоэлектропреобразования GaAs и GaP поверхностно-барьерных структур.

4.0пределены зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования от электрического поля в слое объёмного заряда (при изменении приложенного напряжения) для GaP и GaAs поверхностно-барьерных структур.

Б.Определены температурные зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования р-п - структур на основе кремния и арсенида галлия.

6.На основе сравнительного анализа полученных закономерностей предложена модель, объясняющая зависимость квантовой эффективности фотоэлектропреобразования для GaP и GaAs поверхностно-барьерных структур от температуры и электрического поля в слое объемного заряда (модель флуктуационных ловушек).

7.Предложен механизм, объясняющий коротковолновый спад квантовой эффективности фотоэлектропреобразования (экситонная модель).

Основные положения, выносимые на защиту

Положение 1 (о температурной зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования поверхностно-барьерных структур).

С ростом температуры квантовая эффективность

фотоэлектропреобразования поверхностно-барьерных структур на основе GaP и GaAs возрастает; температурный рост квантовой эффективности тем слабее, чем выше энергия фотонов; зависимость квантовой эффективности от температуры стремится к насыщению при высоких температурах (7>300К) и при высоких энергиях фотонов (Лк>3.4эВ); зависимость квантовой эффективности фотоэлектропреобразования от температуры

' 5

для GaAs-crpytcryp существенно более сильная, чем для GaP-структур.

Положение 2 (о зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования поверхностно-барьерных структур от электрического поля).

С ростом электрического поля в слое объемного заряда квантовая эффективность фотоэлектропреобразования поверхностно-барьерных структур на основе GaP и GaAs возрастает; при высоких значениях электрического поля (приложенное обратное напряжение более 5В) эта зависимость квантовой эффективности стремится к насыщению.

Положение 3 (о температурной зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования р-n структур).

Квантовая эффективность фотоэлектропреобразования для р-п-структур на основе Si и р-п-структур на основе GaAs практически не зависит от температуры в области собственного поглощения полупроводника (интервал энергий фотонов 1.4-5.2эВ для Si структур и 1.8-5.2эВ для GaAs структур): температурное изменение квантовой эффективности не превышает 0.01%/С.

Положение 4 (о модели флуктуационных ловушек).

Процесс фотоэлектропреобразования в поверхностно-барьерных структурах, помимо генерации светом электронно-дырочных пар и разделения их полем объемного заряда, обусловлен захватом носителей заряда на флуктуационные ловушки, связанные с приповерхностными несовершенствами; при увеличении температуры происходит высвобождение носителей заряда из ловушек, что и вызывает рост квантовой эффективности фотоэлектропреобразования; при увеличении электрического поля в слое объемного заряда (при приложении внешнего напряжения) происходит уменьшение энергии локализации электронно-дырочной пары на флуктуационной ловушке, что также вызывает рост квантовой эффективности фотоэлектропреобразования; в р-n-структурах поверхностные несовершенства не оказывают влияния на процесс фотоэлектропреобразования, так как слой объемного заряда находится в толще полупроводника.

Положение 5 (о коротковолновой фоточувствительности поверхностно - барьерных структур).

Факт уменьшения коротковолновой квантовой эффективности фотоэлектропреобразования GaAs и GaP поверхностно - барьерных структур с ростом энергии падающих фотонов хорошо согласуется с выводами экситонной модели; зоны Брюллюэна GaAs и GaP имеют области (ширина запрещенной зоны в этих областях соответствует энергиям коротковолнового фотоэффекта), в которых зона проводимости и валентная зона практически параллельны друг другу, поэтому возникающие в этих областях горячие электроны и дырки движутся в одном направлении с близкими скоростями и могут связываться в горячие экситоны, которые из-за большой массы слабо диссоциируют в контактном поле и способны пролететь слой объемного заряда и рекомбинировать в металле или квазинейтральной области полупроводника, таким образом, они не участвуют в фототоке и не дают вклада в квантовую

эффективность фотоэлектропреобразования.

Научная новизна

1.Разработана^ экспериментальная методика, позволяющая исследовать в ультрафиолетовой области спектра температурные зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования различных структур с потенциальным барьером и зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования от электрического поля в слое объемного заряда.

2.Впервые установлены зависимости коротковолновой квантовой эффективности фотоэлектропреобразования GaAs и GaP поверхностно-барьерных структур от температуры в широком диапазоне (77-400К).

З.Впервые установлены зависимости коротковолновой квантовой эффективности фотоэлектропреобразования GaP и GaAs поверхностно-барьерныу структур от электрического поля в слое объёмного заряда.

4.Предложена модель, объясняющая температурную и полевую
зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования
(модель флуктуационных ловушек) и модель, объясняющая
коротковолновый спад квантовой эффективности

фотоэлектропреобразования (экситонная модель) для GaP и GaAs поверхностно-барьерных структур.

Практическая н научная ценность работы

Разработанная экспериментальная методика, позволяющая
исследовать зависимости квантовой эффективности

фотоэлектропреобразования от температуры в интервале 77-360К и от электрического поля в слое объемного заряда, в широком интервале энергий падающих фотонов (1-6 эВ), может использоваться для определения температурной и полевой стабильности фотоприемников ультрафиолетового излучения на основе m-s-и р-п-структур.

Зависимость квантовой эффективности фотоэлектропреобразования от температуры позволяет определить температурные границы применимости ультрафиолетовых фотоприемников; а зависимость квантовой эффективности фотоэлектропреобразования от электрического поля (при приложении внешнего напряжения) позволяет определить оптимальный режим работы таких устройств; это позволяет повысить эффективность ультрафиолетовых фотоприемников.

Научную ценность имеют предложенные в данной работе модели:
модель флуктуационных ловушек, объясняющую зависимость квантовой
эффективности фотоэлектропреобразования GaP и GaAs поверхностно-
барьерных структур от температуры, и экситонная модель, объясняющая
коротковолновый спад квантовой эффективности

фотоэлектропреобразования; эти модели хорошо согласуются друг с другом и вносят существенный вклад в понимание механизма

фотоэлектропреобразования в поверхностно-барьерных структурах.

Апробация работы

Результаты работы опубликованы в ведущих полупроводниковых журналах «Физика и техника полупроводников» и «Journal of Physics: Condensed Matter» и докладывались на международных конференциях: 8* European Symposium on semiconductor detectors, (Schloss Elman, Germany, June, 1998 года), 2^nd International Workshop on Radiation Imaging Detectors (Freiburg, Germany, July 2000), на конференции, посвященной 20-летию кафедры Оптоэлектроники СПбГЭТУ, (Санкт-Петербург, май 1997) и семинарах Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН.

Публикации.

Результаты работы представлены в 12 публикациях, список которых представлен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, состоящего из 101 наименования, снабжена списками рисунков и условных обозначений. Общий объем диссертации составляет 103 страницы машинописного текста, включая 31 рисунок.

Похожие диссертации на Горячий фотоэффект в поверхностно-барьерных структурах на основе арсенида и фосфида галлия

Температурная зависимость теплоемкости твердых растворов системы арсенид галлия - фосфид индия - арсенид индия в области 5 - 300 К. Новиков Владимир Васильевич

Исследование влияния примесей переходных элементов на фотоэлектрические и оптические свойства фосфида и арсенида галлияАтаев, Патышакулы

Люминесценция арсенида и фосфида галлия, содержащих ионно-имплантированные примеси переходных элементов Ушаков Виктор Валентинович

Фотоэлектронные свойства реальной поверхности арсенида галлия и фосфида индияБайдусь, Николай Владимирович

Исследование фосфида индия, арсенида галлия и их твердых растворов методами фото- и электроотраженияАхмед Абдел Моез Абдел Рахман Езз

Образование и отжиг радиационных дефектов в арсениде галлия и фосфиде индияПещев, Владимир Викторович

Влияние радиационных воздействий на излучательные и электрические характеристики фосфида индия и арсенида галлияТерлецкий, Андрей Иванович

Диффузионные структуры на основе арсенида галлия, легированного Fe и CrПрудаев Илья Анатольевич

Исследование возможности управления электрическими характеристиками МДП-структур на основе арсенида галлияПанин, Алексей Викторович

Газовая чувствительность поверхностно-барьерных структур на основе кремния, арсенида галлия и сульфида кадмия с сверхтонкими пленками титана и никеляБомк, Олег Иосифович