Введение к работе
Актуальность темы: В течение последних десятилетий интенсивное исследование полупроводников A3B5, их соединений и гетероструктур привели к бурному развитию
оптоэлектроники и созданию широкого класса полупроводниковых приборов, включая светодиоды, лазеры, фотодетекторы, транзисторы, солнечные элементы и др. Перспективными для экологического мониторинга являются приборы ближнего и среднего
ИК-диапазона (1-5 мкм) на основе InAs, InP, InSb, GaSb и их твердых растворов,
поскольку в этом диапазоне лежат полосы поглощения основных природных и промышленных газов. Поиски путей улучшения параметров таких приборов и расширения
их функциональных возможностей требуют детального изучения фундаментальных
процессов рекомбинации и переноса носителей, исследования электрических
и фотоэлектрических явлений в кристаллах и гетероструктурах. И хотя исследованию
материалов и гетероструктур на основе полупроводников A3B5, а также структур
на основе Si посвящено значительное число работ, однако целый ряд физических явлений, связанных с протеканием тока через гетерограницу и границу металл-полупроводник,
механизмы рекомбинации носителей, изучение поведения носителей под воздействием света и электрического поля, контактных явлений на интерфейсе и других оставался
в значительной степени слабо изученным. Эти исследования важны как для улучшения параметров существующих оптоэлектронных приборов, так и для создания новых типов сенсоров.
В последние годы в связи с проблемой глобального потепления основное внимание мирового научного сообщества обращено к поискам альтернативных источников энергии, при этом возник стойкий интерес к развитию водородной энергетики.
Важность этой проблемы была отмечена в 2006 г. в Столетнем Меморандуме,
обращенном к главам ведущих держав (Великобритания, Германия, Италия, Канада,
Россия, США, Франция) и подписанном ведущими учеными и специалистами в области водородной энергетики [1]. Меморандум призывает эти страны обратить серьезное
внимание на развитие и поддержку водородной энергетики и включение ее в свои рабочие программы. В этом плане важными представляется разработка топливных элементов, проблема транспортировки и хранения водорода, а также создание различного типа
сенсоров водорода и водородосодержащих газов, способных регистрировать как утечки водорода, так и обеспечить безопасность окружающей среды.
В рамках настоящей работы существенное внимание было уделено также поискам новых методов регистрации водорода и водородосодержащих газов, что и явилось одним из побудительных мотивов для постановки данной работы. Для этой цели были детально исследованы электрические и фотоэлектрические явления и механизмы в структурах
и диодах Шоттки на основе полупроводников A3B5 и кремния, в том числе с палладиевыми контактами. Это позволило не только изучить фундаментальные физические процессы на интерфейсе сложных гетероструктур и диодов Шоттки и обнаружить ряд новых
эффектов, но и предложить новый чувствительный фотоэлектрический метод регистрации водорода. Исследование влияния факторов окружающей среды на механизм переноса темновых и световых носителей в диодных структурах представляло интерес не только
в отношении стабильности электрических и фотоэлектрических характеристик,
но и выявление их потенциальных возможностей с целью создания новых типов приборов и устройств. На основе данного комплексного исследования был предложен новый
фотоэлектрический метод детектирования водорода и водородосодержащих газов, а также созданы экспериментальные макеты оптоэлектронных сенсоров на основе фотодиодов
и светодиодов полупроводников A3B5 для экологического мониторинга и охраны
окружающей среды.
Все вышеперечисленное и определило актуальность темы и обусловило постановку данной диссертационной работы.
Целью работы являлись фундаментальные исследования,
электрических, рекомбинационных и фотоэлектрических явлений в кристаллах и диодных структурах на основе полупроводников A3B5 и кремния и применение их для создания
на их основе сенсоров нового типа для задач водородной энергетики и охраны
окружающей среды.
Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:
проведения исследований электрических свойств полученных структур и механизмов протекания тока на гетерограницах структур различного типа;
экспериментальных исследований фотоэлектрических и рекомбинационных свойств кристаллических и диодных структур на основе InAs и InAsSbP в зависимости
от концентрации носителей и температуры;
разработки технологии структур металл-полупроводник на основе p-InAs, n(p)-InP, InGaAs, a также Si с использованием в качестве контактов диодов Шоттки Au и Pd,
а также создания гибридных структур диод Шоттки – изотипный гетеропереход;
исследования фотоэлектрических явлений в гетероструктурах и диодах Шоттки
на основе полупроводников A3B5 и Si с палладиевыми контактами, в том числе, в зависимости от влияния окружающей среды (водорода и влажности);
исследования потенциальных возможностей прикладных применений результатов научных исследований для создания сенсоров водорода и водородосодержащих газов,
а также оптоэлектронных сенсоров.
Объекты и методы исследования
Объектами исследований являлись кристаллы и гетероструктуры соединений A3B5 InAs, InP, InAsSbP, а также сложные структуры на основе Si-SiO2 и пористого кремния
с палладиевыми контактами. В работе применялись комплексные методы исследования электрических, рекомбинационных и фотоэлектрических характеристик, а также методики исследования влияния водорода и влажности на параметры исследуемых структур.
Это позволило изучать детали физических процессов в исследуемых системах. Объектами исследования являлись также макеты фотоэлектрических и оптоэлектронных сенсоров
водорода, водородосодержащих газов и влажности, созданных на основе изученных
материалов и структур.
Научная новизна работы
Состоит в обнаружении и исследовании новых физических эффектов. Проведены комплексные экспериментальные и теоретические исследования фотоэлектрических
и рекомбинационных явлений и механизма протекания тока в кристаллах и сложных
гетероструктурах с барьерами Шоттки на основе полупроводников A3B5 и Si.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
обнаружено, что сильное изменение фотоэдс в атмосфере водорода
в структурах на основе InP, InGaAs, Si с палладиевым контактом, превышающее
на один-два порядка изменение темнового тока, связано с увеличением или понижением высоты барьера диода Шоттки, что важно для практических применений,
установлено, что изменение фотоэдс в атмосфере водорода в структурах
Pd-SiO2-n(p)Si с туннельно-тонкими слоями SiO2 составляет 2-3 порядка величины
и на 2 порядка превышает изменение темнового тока. Фотоэдс изменяется главным
образом из-за изменения высоты барьера вследствие перезарядки на границе Pd-SiO2,
установлено, что изменение фотоэдс в диодных структурах с палладиевым
контактом на основе n-InP и n-InGaAs существенно выше, чем изменение электрических характеристик (прямого или обратного тока), что принципиально важно для создания
сенсоров водорода с использованием фотоэффекта,
определены времена жизни носителей зарядов для процессов межзонной
излучательной и безызлучательной рекомбинации, связанные с переходом носителей
в зону проводимости (CHCC процесс) или в спин-орбитально отщепленную валентную зону (CHSH) для объемных материалов InAs и твердых растворов InAsSbP,
установлено, что в эпитаксиальных структурах InAsSbP c p-n переходом механизм токопереноса обусловлен двумя составляющими: при низких температурах – рекомбинацией в области объемного заряда, а при высоких (T>200 K) – диффузией носителей,
определены параметры оптимизации обнаружительной способности фотодиодных структур на основе InAs. Проведен расчет произведения R0A в зависимости от температуры и концентрации носителей в плавных и резких p-n переходах,
в диодах Шоттки Au-p-InAs определена высота барьера B и установлена
ее зависимость от концентрации носителей и температуры,
разработаны основные элементы технологии создания гетероструктур на основе n(p)-InP, InGaAs, Si и диодов Шоттки с палладиевыми контактами,
показано, что механизм токопереноса в сложных диодных структурах на основе
n- и p-InP с промежуточными слоями (n-InP-n-In2O3-P2O5-Pd) обусловлен туннелированием носителей через барьер Шоттки и глубокие центры,
показано, что в диодных структурах на основе пористого кремния Pd-porSi
темновой ток обусловлен двойной инжекцией. Обнаружены большие времена релаксации фотоэдс при воздействии водорода, которые могут быть использованы в топливных
микроэлементах и электронных элементах памяти.
Научная и практическая значимость работы
Научная и практическая значимость работы обусловлена тем, что совокупность
полученных в ней результатов представляет собой решение ряда проблем, важных
как в фундаментальном, так и в практическом отношении. В фундаментальном плане
проведены комплексные исследования электрических, рекомбинационных и фотоэлектрических свойств в полупроводниках A3B5 и Si и гетероструктурах на их основе. Детально изучен механизм токопереноса в диодах Шоттки и сложных гетероструктурах на основе соединений A3B5 и Si. Впервые изучено влияние палладиевых контактов на фотоэлектрические свойства исследуемых структур, что привело к новым практическим применениям. Наши исследования диодных структур на основе полупроводников A3B5 и кремния
впервые выявили общую закономерность, состоящую в том, что изменение фотоэдс
во всех изученных структурах с палладиевым контактом в газовой смеси с водородом
на порядок больше, чем изменение электрических характеристик (прямого и обратного токов). Это позволило предложить новый чувствительный фотоэлектрический метод
регистрации водорода и водородосодержащих газов.
В работе предложен также новый физический подход к расширению
функциональных возможностей полупроводниковых приборов, в том числе, созданию сенсоров двойного и тройного назначения. Предложены сенсоры водорода, влажности
и водородосодержащих соединений нового типа на основе фотовольтаического эффекта
в сложных гетероструктурах и диодах Шоттки с палладиевыми контактами, перспективные для решения задач водородной энергетики. Разработаны также экспериментальные оптоэлектронные портативные сенсоры метана и оригинальный анализатор содержания воды в нефти. Результаты исследований могут быть использованы также при разработке оптоэлектронных приборов для задач экологического мониторинга, медицины и других применений.
Научные положения, выносимые на защиту
-
В объемных кристаллах InAs время жизни неравновесных носителей при высоких температурах T300 K и больших концентрациях носителей (n0, p0>1016 см-3)
лимитировано Оже-рекомбинацией, при этом преобладает процесс с переносом
дырки в спин-орбитально отщепленную зону (CHSH процесс). При низких
концентрациях носителей (n0,p0<1015 см-3) доминирует межзонная излучательная рекомбинация. -
В эпитаксиальных структурах с p-n переходом на основе твердых растворов InAsSbP токи через переход в области прямых смещений определяются двумя составляющими: при низких температурах (T<200 K) и малых смещениях – рекомбинацией носителей в области пространственного заряда. При высоких температурах (T>200 K) существенным становится вклад диффузионной компоненты, обусловленный рекомбинацией носителей в нейтральной области.
-
Механизм протекания тока в диодах Шоттки Au-p-InAs определяется генерацией-рекомбинацией при концентрации носителей p=1016-1017 см-3, а при низких концентрациях – туннелированием через глубокие центры.
-
Впервые обнаруженное сильное изменение фотоэдс в атмосфере водорода
в структурах палладий-полупроводник (InP, InGaAs, GaP, Si), превышающее
на один-два порядка изменение темнового тока, происходит. главным образом,
за счет изменения высоты барьера диода Шоттки (увеличение или понижение),
что может быть использовано для детектирования водорода. -
Усиление фототока при обратном смещении в структурах на основе Pb-SiO2-n-Si
с туннельно-тонким слоем диэлектрика обусловлено увеличением туннельного тока между металлом и полупроводником вследствие наличия сильного электрического поля в области пространственного заряда (E>104 В/см). -
Перенос тока в диодах Шоттки на основе пористого кремния Pd-por-Si обусловлен двойной инжекцией электронов из подложки n-Si через гетерограницу в пористый слой и дырок через барьер Шоттки. Долговременная релаксация фотоэдс
и темнового тока при воздействии водорода (до 10-15 мин) обусловлена перезарядкой глубоких уровней в слое пористого кремния. Этот эффект может быть использован в устройствах памяти и накопления водорода в микротопливных элементах. -
Предложен новый тип фотоэлектрических сенсоров водорода и водородосодержащих соединений, использующих изменение фотоэдс в диодах Шоттки и гетероструктурах на основе полупроводников A3B5 и Si.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы были доложены на 2ом Международном Форуме по Нанотехнологиям RUSSNANOTECH, Москва 6-8 октября 2009 г.; 16th Int. Conference IMECO–TC2, Prague, Czech. Rep., 25-27 August, 2008; Международной конференции
SPIE-Europe “Optical Sensors and Applications”, Czech. Rep., Prague, 2007; Первой и Второй Российских конференциях по водородной энергетике, Санкт-Петербург, 2004 и 2005 гг.; XVI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, 2000; 2nd Intern. Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, Slovakia, Smolenice, 1998; Международной конференции Infrared
Spaceborn, Remote Sensing V, Boston, USA, 1997; Научно-технических конференциях
командно-инженерного училища (ВАКИУ), Казань, 1984, 1987, 1995, 1996 и 1997 гг.;
Всесоюзной конференции «Фотоэлектрические явления в полупроводниках», Ашхабад, Туркмения, 1991 г., а также на научных семинарах Физико-Технического института им. А.Ф. Иоффе РАН и кафедры физики Казанского филиала Санкт-Петербургского
артиллерийского университета; Всесоюзной конференции «Тройные полупроводники
и их применение», Кишинев, 1984. Результаты работы как в целом, так и отдельные
ее части докладывались также на семинарах и научно–технических совещаниях
на кафедре общей физики в Казанском инженерном училище им. М.Н. Чистякова
и на семинарах в Физико–Техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской Академии Наук.
Публикации
Список публикаций автора по теме диссертации, включающий 36 печатных работ
в рецензируемых изданиях, 22 публикации в материалах научно-технических сборников и научных конференций и 1 монографию, приведен в конце диссертации.
Структура и объем работы
Похожие диссертации на Электрические и фотоэлектрические явления в гетероструктурах и диодах Шоттки на основе полупроводников A3B5 и кремния и их применение в сенсорах водорода
