Электрические и фотоэлектрические процессы в p-n, МОП фотопреобразовательных GaP, InP, AlSb в структурах Газаков, Овезуглы

Введение к работе

Актуальность теми. Развитие современной оптоэлектроники стимулирует проведение работ поразработке новых принципов построения фоточувствительных структур,поиску новых материалов и изучению их свойств. Б этом плане создания и исследования свойств го-MO-,гетеро- и МОП переходов и гетероваризонных структур на осно-ве Л' В , явилось важным этапом в развитии физики полупроводников и полупроводниковой оптоэлектроники. Однако,и в . настоящее время существует ряд фундаментальных и чисто технологических проблем,которые не позволяют наиболее полно использовать в Фо-топреобразователышх структурах такие перспективные .пирокозон-!шз материалы .А'В-, как ЄаР, ІпРсі AlSb. К такім проблемам относится создание и исследование 'Свойств структур металл-полупроводник с тонкім промежуточным окисным (диэлектрическим) слоем. Тонкий промежуточный слой в МОП структурах уменьшает., взаимодиф-Фузию между металлом и полупроводником, токи утечки и заряд под-вижных ионов.Кроме того, выполняя роль защитного покрытия и оптического окна.он . одновременно .позволяет регулировать высоту барьера. Актуальными являются и вопросы, связанные с изучением, и использованием влияния внешних воздействий на электрофизические и фотоэлектрические, свойства этих полупроводников к приборных структур (р-п.НОП) на их основе. Комплексное изучение вьсеуказаяных вопросов открывает перспективу для создания гомо- и МОП переходов на основе "щирокоэонных'; - полупроводников InP.AISb.GaP. обладающих наилучшим сочетанием физических свойств и удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям оптоэлектроники.

Следует также отметить.что хотя многие, вопросы.касаодаеся создания и .функционирования МОП структур', на основе Ge.Si.GaAs.yenenraa ресены, и ряд приборов: выпускается серійно, р-п и ИОЛ стрггауры InP, AlSb иБаР.в,э?'см плане, остаются мало изученными, такая информаши' вос/звю ^отсутствовала'- в 'откооекии ATSb. Недостаточно исследовались процессы диффузии.иехатгаиы то-копроходд'енип,влияние термического отжига в SaP и его. дкодяй* структурах. Не исследовались воаыохности реализация преимуществ собственных окислов InP.AISb.GaP при создании приборных струк-

тур на их основе..Эти сведения необходимы для уточнения фундаментальных . параметров кристаллов и их поверхностей,диодных структур,прогнозирования характеристик и выявления особенностей формирования р-п и МОП приборов на их основе.

Все ' вышеуказанные обстоятельства и обусловили актуальность темы диссертации.

Цель и задачи работы. Основной целью работы явилось выявление закономерностей токопрохоэдения и фотоэлектрических явлений в р-n и ЫОП структурах на основе , и разработкаофо-тоэлектрических приборов.-

Мя достимения поставленной цели необходимо было решить еле-" дующие задачи:

1. Провести экспериментальное и теоретическое исследование диф
фузионного процесса в кристаллах GaP, и разработать методику

получения гомопереходов на основе InP.SaP.

2. Исследовать влияние термической обработки исходных кристаллов
' баР на электрические и фотоэлектрические свойства ВаР и р-п

. переходов на его основе.

3. Разработать методику получения тонких слоев MSb на выбрашой
подло-жке.и исследовать их электрические и структурные свойс
тва. .

. 4. Изучить процессы .окисления InP.AlSb.uaP.n определить опти-, ыадьные режимы получения собственного и однородного окисного слоя, стабилизировать свойства окислов и создать МОП структуры на их основе.

1. Исследовать электрические и фотоэлектрические свойства р-п,МОП структур (в зависимости от гемпературы.чаетоты,электрического поля,светового потока,примесей,толщины и параметров окисла иеаду металлом и полупроводником я др.) и проанализировать ыеханизш токопереноса,в этих структурах.'

2. Определить основные электрофизические параметры р-п и ЫОП структур, на основе SaP, InP.AJSb if '.оценить перспективы щ практического исследования.'. ' '"'. . ^

При решеїши этих задач получен ряд новых реБультатов, основные из которых сформулированы в следующем эвде.'-':' /

Научная новизна..

Экспериментально обнаружила особенность диффузионного переноса вещества в легированных кристаллах GaP,которая объяснена на основе установленного фэноменолопиеского закона и соотношений взаимности нестационарной термодинамики необратимых процессов.'

Установлены рекимы отжига кристаллов GaP,приводящего к росту, фоточувствительности и смещению ее спектра в коротковолновую об- ' ласть для териообработанных образцов н для р-п структур па их основе. .' '

: - Определен характер зависимости механизмов токопрохоядения в
р-п переходах GaP, In? от конденсации Снекоторнх) мелких к глу
боких примести уровней. ". . ^: '.

При изучении зфІ»кта Ораица-Келдниа в GaP, In? идентифицирова-ны межзошше перехода,конкретизирована структура основных soft,определены фонояньге спектры соответствующих переходов . и уточнены их энергии.

Отработаны оптимальные рэклмы технологии получения однородных тонких слоев AISb,окисних слоев на G-зР зі собственного окисла па AlSb.InP.

Обнаружено расширение контура спектрашюга распределения фо-тоэде я высокая фоточувствительиость з коротковолновой области спектра МОП структур по ,сравнению с р-п переходами па основа InP.SaP в зависимости от толщины и свойств границ прс№!*уточкого окисного слоя. *

Выявлена оецилляторяая фоточувствительноегь ь области перехо-да Гщ—*? > ?$—*-%з ^{в Sap} .связанная, с испусканием Шн ТО фононов, соответственно. '

При ударной ионизации з сильном электрическом поле в полупроводниках в силу экспоненциального спада функции распределения, всегда появляется наинигший гозмокнкй порог ударной иоиизз-щш,величина которого близка к старіте запрещенной acini полупроводника. Если законы сохранения энергии и импульса сувествонно поднимают' порог прямой ударной ионизации,то ганиаапия-я электрическом поле идет ва счет непрямой ударной kohwumh обмчно с участием оптического или меялплинного ї»:»он>-

- Установлено, что в InP,распределение дырок в области больших энергий (порядка Ео) формируется sa счет их разгона электрическим полем'в подзоне с наименьшей эффективной массой,а их релаксация по энергии определяются деформационным взаимодействием с 'оптическими фононами,а не полярным,как считалось ранее.

-.Определены основные электрофизические параметры границ раздела М-InP и 1пдО_л- InP и установлены закономерности их изменения в зависимости от различных технологических и внешних факторов.

'- В БаР МОП структурах на границе раздела окисел-полупроводник обнаружены глубокие состояния с высокой плотностью и аномально большим сечением захвата,которые при небольших прямих смещениях определяют начальный участок ВЛХ.

' Научная и практическая ценность работы.

Проведенные исследования дали рзд новых важных научных результатов, приведших к понимании общих закономерностей протекания тока через GaP,InP.AISb диодные структури;показали взаимосвязь -механизма, токопрохождения со свойствами исходных материалов, и .собственных окислов, условиями термообработки и -внешними воздействиями;предложены соответствующие физические модели,оценены параметры структур;конкретизированы схеми основних межзон-них переходов, уточнену фононше спектры,выяснены механизмы пробоя и яр..

Практическая ценность полученных результатов состоит,с одной стороны, в их важности для более глубокого понимания процессов, протекаэдих в диодных структурах GaP, InP.AISb. С другой сторони, они позволили определить пути создания малошумящнх фотопри-емников и фотоэлементов с оптимальными параметрами на основе вышеперечисленных кристаллов.Практическая, ценность данной работа заключается в: ; "- -'/'/.

определении - . режимов получения , собственных ' окислов InP,AISb,6aP и МОП структур-.на их основе, со стабильными и управляемыми параметрами; ..-,.. ^: ' ''

установлении оптимальной ташданьг собственного окисла' InP для. создания преобразователей солнечной энергии па основе МОП структур;

решении комплекса технологических задач,связанных с изготовлением на основе AlSb МОП структур с параметрами,удовлетворяющими требованиям практического использования;

оценке параметров ІпР.баР її р-п структур на их основе как фотоприемников- в ближней инфракрасной,видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра,соответственно.Достигнутые величины пороговой чувствительности для лучших образцов: inP'v5,3 10" , БаРл.3.77 Ю~**н р-п структур из: InP-vlO"^-'?. Д0~ .GaP-v 4,4-10^ (Вт ГиГЩ при Т-300 К ;

рассмотрении характеристик гомо- и МОП - переходов как преобразователей солнечной энергии.Их КПД,в X..составляет для гомо-переходов из GaP - 4,InP - 16, InP МОЇ - 16, AlSb МОП'- 14 в условиях AM - 1,5;

исследовании зависимости КПД оюс^ид -галиевого фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии от интенсивности падающего излучения, при этом их КПД растет от 4 до 9Z;

создании и испытании в натурных условиях: фотоприемников и датчиков температуры на основе GaP; фотопреобразователей на основе InP МОП структур. Прзктіїческая ценность подтверждена актами об их использовании.

Данная работа выполнена в соответствии^-с планом научных исс
ледований Физико-технического института АН Туркменистана. Автор
диссертации бил научным руководителей ряда тем,а такте ответс
твенны;.! исполнителем отдельных разделов этих FC1P с номерами го-
сударственней" регистрации: CS0?,o451, 7104746", 730073СЗ,
73046083, -01840053572.- 01.37.004744. 01.90.0060294. Полученные
результаты внедрены в НПО "Солнце" АНТ я ТО НПО'"Квант", где ис
пользованы Gap высокотемпературные фотопряемиикп для определения
оптико энергетических и геометрических параметров концеятрируо-
цнх излучение' оптических систем;. . проведено испэтанга опытного
образца бесконтактного датчика температуры па осново фосфада
галлия в технологически процессе на Аагабатскоїі стекольном ком
бинате. '.'.-

Положения, выносимые на закит/: 1. Процесс диффузионного переноса цинка в однородно легировании» примесью теллура монокристаллах GaP характеризуется яалггютм

- в -двух стадий: (а) при временах диффузии t^to , где to~6,14 ч при Т- 1123 К, изотермический процесс следует закону Фика и (б) при временах диффузии t? to. глубина проникновения атомов zn в GaP линейно растет с ростом времени процесса.

2. Термообработка монокристаллов 6аР<Те> при температурах 1123 К и времени 24ч. сопровождается перестройкой ансамбля собственных точечных дефектов, вызывающей: (а) однородную компенсация проводимости GaP, (б) понихенке концентрации носителей заряда (злект-ронов) от 10 до 10 см при Т-300 К, и (в) повышение фоточув-'етвительности в 2-3 раза по отношению к исходному состоянию.

3. Фоточувствительность пряыоемещенных р-n переходов на GaP линейно увеличивается с ростом напряжения и опеделяетея взаимной компенсацией присутствующих в кристаллах дефектов,что момет быть использовано при управлении спектральным диапазоном фотопре-образоЕателей на основе фосфида галлия в области примесного и фундаментального поглощения.

4. 'Образование слоев собственных окислов толщиной 25-100 А на поверхности обеспечивает стабилизацию параметров НОТ! структур и может найти применение в.технологии создания фотопреобразователей на их основе для понижения температуры процесса, количества технологических" операций и применения поли-крйсталлнческих слоев. '

5. Оптимизация толщина термического слоя собственного окисла в InP и GaP обеспечивает понижения тока насыщения КОП структур до значений 10" А при Т-300 К, что на З-d порядка нихе.чеы в гомо-переход-л.

6. процессы токопрохождения в МОП структурах, на основе GaP.AISb и InP в основном,определяются термоэлетронной эмиссией,туннели-рованием через потенциальный.барьер собственный окисел-полупроводник и поверхностными состояниями, на границе раздела, тогда как начальный участок вольтампэрных характеристик обусловлен преобладающим вкладом .токов,ограниченных пространственным зарядом и проводимостью по примесишь.состоянием. '".. ' "

7. мш структуры на основе антшон'ида адюцннйя позволяют реализовать фоговататаичееш"і эффект в условиях 'освещения АЫ-1,5 и. характеризуются следующими параметрами: Uxx - 0,'9 В, ' 1кз - 16 m

- 9 -ет возможность избавиться от процессов деградации, что делает перспективним применение AlSb при разработке дешевых фотопреобразователей солнечной энергии.

Совокупность представленных научных положений и результатов может рассматриваться как перспективнее направление в физике и технике полупроводников.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации из-'. долины в отчетах по плановым темам, догаадывадисъ на 2 Всесоюзной нгучно технической конференции по фотометрии и ее мэтрогеп?-ческсму обеспечения , М.~ 1976г.; 2-4 Всесоюзній конференциях по физическим процессам в полупроводниковых гетер'оструктурах (Ашгабат 1978, Одесса 1982, Минск 198G гг.), 0,7,8 Международных совещаниях по Фотоэлектрическим' і оптическим явлениям в твердій телах (Варна, Болгария 1980.193J..198G годы); расширенном заседании научных секций ГКНТ СССР и АН СССР : Исследование физических принципов преобразования интенсивных потоков излучения ; Разработка ФЭП для работы с концентраторами,Ашгабат,Октябрь 1981 г.; 1,2,3 Всесоюзных конференциях по физическим основам надежности и деградації!! полупроводниковых приборов (Килинез1982,1980,1991. годы); Украинском республиканском симпозиуме "Полупроводниковые преобразователи солнечной энергии",Киев ,1982 г.; 4,5- республиканских '(Украина) конференциях "Физические проблеми МДП интегральной электроники", (Севастополь 1983 г..Драгсбыч 1987 г.); совместном заседании научного совета ГКНТ СССР по проблеме "Использования возобновляемых источников энергии в народней хозяйстве " и научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Изыскание новых путей использования солнечной энергии" Апгабат,Октябрь 1983 г.; 2-Всесоюзной конференцій "Возобнсвляекл'э источники энергии" Ереван 1985 г.; годичном общем собранн.» отделения Физико-технических и химических наук АН Туркменистана.Лигабат 1985 г.; Всесоюзной конференции "Физика и применения контакта металл-полупроводник", Киев 1987 г.;'' на..совместном нг-седании научных секции ГКНТ СССР "Использование возобновляем-^ даточникоэ энергии в народнта хозяйстве" ча АК СССР "Физические основы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии", Аагабат 1969 г.; на 1.2- Республиканских межвузовских яауч".чх конференциях

"Актуальные проблемы физики твердого тела.радиофизики и теплофизики "(Ашгабат 1991,1993 годы); 2-Всесоюэной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ашгабат 1991 г.; Научно-технической конференции АНТ; института Математики АНТ ; ТГУ іш. Ыагтымгуды "Дифференциальные уравнения и их приложения" Ашгабат 1993 г.; на семинарах лаборатории иогдела полупроводников it ївердотельной электроники физико-технического института АН Туркменистана.

Практические результаты исследования .вошедшие в диссертацию, отражены: в отчете НПО "Солнце" АНТ (по проблеме 0.01.08 постановлении ГКНТ СМ N226 от 19.05.197? г.] но теме: "Создать многоцелевую установку с регулируемой плотностью потока в фокальной и афокальной плоскостях для биологических и технологических исследований мощностью 30 Квт" , г.р.н. 780460, »га.и.В813438,Ашгабат 1979 г..стр. 71-76, 82-83; в экспресс информации ТУРКМЕННИИНТИ "Оптимизация параметров фасет ь схемах фасетних концентраторов", вып. 6.стр.5-9,Ашгабат 1979 г.; в журнале Техника N 8, сер. Гелиотехника, Изд. "Знание" М.-1383г., стр.бї.

' Публикации.. Основное содержание диссертационной работы нзло-Лййо более чей и ВО.опубликонашшх работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, іійсти разделов, вшашзния и списка литературы из 273 наименований литературных источников и изложена на 320 страницах. Содержи- 223 страниц ызяинописного текста, 133 рисунка, 28 таблиц. Рисунки и Фориулы пронумерованы по разделам , а литература-последовательно. . "