Введение к работе
Актуальность темы. Одним из актуальных направлений твердотельной электроники, микро- и наноэлектроники является создание полупроводниковых гетероструктур - контактов двух различных по химическому составу и свойствам полупроводников. Научный интерес к этим объектам обусловлен, с одной стороны, их нетривиальными физическими свойствами, связанными со сложной упорядоченной структурой и взаимодействием на границе раздела, а с другой - перспективами использования для создания эффективных фотопреобразователей в ультрафиолетовой, видимой и дальней инфракрасной областях спектра, инжекционных лазеров и светодиодов[1, 2]. Кроме того, в последние годы в связи требованиями медицины, биологии, военной техники и проблемой "озоновой дыры" сформировалась ультрафиолетовая фотоэлектроника. Её особенностью является необходимость регистрировать слабые, но сильно влияющие на жизнедеятельность человека сигналы на фоне мощного видимого и инфракрасного излучения. Основу ультрафиолетовой электроники составляют структуры с потенциальными барьерами, созданными основе Si, GaP и широкозонных материалов ZnO и ZnS [3]. Анализ современного состояния в области критических направлений электронной техники указывает на то, что растет интерес к так называемой "экстремальной электронике", основу которой составляют приборы для эксплуатации в условиях высоких температур, радиации, агрессивных средах, в системах с повышенными значениями напряжений и плотностей тока. Естественным фактором, определяющим возможность развития данного направления, является использование в качестве материаловед-ческого базиса широкозонных материалов, в частности, соединений А2В6 [4, 5]. Однако, за исключением CdTe, все полупроводники соединений А2В6 обладают монополярной проводимостью: ZnS, ZnSe, CdS, CdSe - электронной, ZnTe - дырочной [6]. Поэтому получить p-n-переходы в этих материалах весьма затруднительно. Естественным разрешением этого вопроса является создание гетеропереходов.
Несмотря на обилие публикаций о выращивании кристаллов соединений А2В6, имеется сравнительно мало сведений об эпитаксиальном росте этих соединений из паровой фазы на подложки из других полупроводниковых соединений, а также об исследовании свойств полученных структур. Этим объясняется большой интерес исследователей к изучению гетеропереходов между полупроводниками А2В6 и А3В5.
В качестве объектов исследований были выбраны гетероструктуры на основе сульфида цинка и фосфида галлия.
3 1 «№.ИАЦИОИАЛЬИ«1 БИКЛИОТСКА 1
Цель работы. Определение режима эпитаксиального осаждения монокристаллических слоев ZnS в открытой системе в потоке водорода на подложки из GaP различной кристаллографической ориентации. Исследование электрофизических и фотоэлектрических свойств гетероструктур ZnS-GaP, а также установление особенностей переходной области и механизма прохождения тока через гетероструктуру ZnS-GaP и выяснение природы отрицательного сопротивления на вольтамперных характеристиках этих структур.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
подбирался режим эпитаксиального осаждения монокристаллических слоев ZnS в открытой системе в потоке чистого водорода на подложки из GaP, ориентированные по плоскостям (111) и (100);
проводились рентгеноструктурные и электронографические исследования слоев ZnS с целью подтверждения их монокристалличности и высокой степени совершенства;
исследовалось распределение химических элементов (Ga, Р, Zn, S) в области гетероперехода;
определялось энергетическое положение локальных уровней в пленках ZnS методами термовысвечивания, термостимулированного тока и по спектрам фотолюминесценции;
исследовались вольтамперные, вольтемкостные и спектральные характеристики гетероструктур в широком интервале температур;
исследовалось влияние легирования хлоридами металлов (ZnCl, А1С1) слоев ZnS на их электрофизические свойства.
Научная новизна работы:
показано, что возможно эпитаксиальное выращивание слоев сульфида цинка в потоке чистого водорода без применения специального агента. Выращенные слои ZnS имеют смешанную кубическую и гексагональную структуру с характерными дефектами типа двойников. Гексагональная фаза образуется при 650С. Растущие слои сульфида цинка имеют такую же ориентацию, что и подложка, и фигуры роста, зависящие от ориентации подложки;
установлено, что эпитаксиальные слои ZnS толщиной 5 мкм, полученные из нелегированного порошка сульфида цинка, высокоомны (р ~ 1012 Ом-см), с концентрацией свободных электронов порядка 108 см ~3 при комнатной температуре;
обнаружено, что добавка хлоридов цинка и алюминия в процессе выращивания слоев ZnS приводит к снижению сопротивления последних на 3-4 порядка;
- установлено, что в эпитаксиальных слоях ZnS имеются локальные уров
ни с глубиной залегания 0,17; 0,20; 0,25; 0,33; 0,42; 0,71 эВ от дна зоны
проводимости и 1,15 эВ от потолка валентной зоны;
показано, что гетероструктуры ZnS-GaP представляют собой сложную структуру, состоящую из гетеропереходной области и высокоомного полупроводника;
установлено, что переходная область гетероструктуры ZnS-GaP состоит из двух встречно включенных потенциальных барьеров;
обнаружено, что электрические характеристики гетероструктур ZnS-GaP, полученных из нелегированного сульфида цинка с толщиной слоя ZnS «,. ^ 5 МКМ, в основном определяются условиями прохождения тока через высокоомный слой ZnS;
установлено, что изотипные гетероструктуры ZnS-GaP, выращенные из легированного алюминием, хлором и цинком сульфида цинка с толщиной слоя*/- »Ї 5мкм, а также анизотипные гетероструктуры с толщинами сульфида цинка d. _ is 5 мкм обладают переключением и памятью. Кроме вы-сокомного и низкоомного состояний эти структуры имеют промежуточное состояние;
выявлено внутреннее поле в ZnS-GaP структурах, находящихся в низ-коомном состоянии. Величина поля зависит от напряжения переключения структуры;
-обнаружено S-образное отрицательное сопротивление на вольтампер-ной характеристике толстопленочных гетероструктур, полученных из нелегированного сульфида цинка;
-установлено, что спектральная характеристика изотопных гетероструктур n-ZnS-n-GaP имеет три максимума с длинами волн 550,400 и 335 нм. При переходе из длинноволновой области в коротковолновую область излучения происходит смена знака фотоответа. Вид спектральной характеристики изотопной гетероструктуры n-ZnS-n-GaP зависит от знака и величины приложенного напряжения смещения, атакже от ориентации подложки.
Достоверность полученных результатов обусловленаприменением в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, корректностью применения общепризнанных методик, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей.
Практическая значимость:
1. Показана возможность эпитаксиального роста слоев сульфида цинка на фосфиде галлия газотранспортным методом в потоке чистого водорода.
-
Исследованные в работе изотипные гетероструктуры n-ZnS-n-GaP обладают спектральной характеристикой, видом которой можно управлять величиной, знаком приложенного напряжения смещения и ориентацией подложки, что позволяет создавать фотоприемники, настраиваемые на заданный оптический диапазон излучения.
-
Гетероструктура ZnS-GaP может быть использована в качестве переключающего элемента и ячейки памяти. Переключение происходит как при подаче напряжения смещения, таки при воздействии световым импульсом.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Эпитаксия слоев ZnS на GaP подложках может быть проведена газотранспортным методом в потоке чистого водорода в интервале температур роста 650-850С.
-
Контактная область гетероструктуры ZnS-GaP состоит из двух встречно включенных барьеров, природа которых объясняется взаимной диффузией компонентов и наличием на границе раздела поверхностных состояний вследствие различия постоянных решеток контактирующих материалов, а также валентно-несогласованных химических связей [7].
-
Видом спектральной характеристики (положением максимума спектральной чувствительности) изотипных гетероструктур n-ZnS-n-GaP можно управлять, изменяя величину и полярность внешнего приложенного напряжения, атакже ориентацию подложки GaP.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на VI межотраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Москва, ГИРЕДМЕТ, 1976), на 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Получение и свойства полупроводниковых соединений типа А2В6 и А4В6 и твердых растворов на их основе" (Москва, МИСиС, 1977), на Ш-ей Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетеропереходах (Одесса, 1982); на V-ой Международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск, 2003); на VI-ой Международной конференции "Опто- наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы" (Ульяновск, 2004), атакже на научных семинарах кафедры физики полупроводников и кафедры физики твердого тела Саратовского госуниверситета.
Личный вклад автора состоит в самостоятельном выполнении представленных в диссертации расчетов и экспериментальных исследований, а также в анализе полученных результатов. При использовании данных других авторов или результатов, полученных в соавторстве, даются соответствующие ссылки на источник.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научныхра-бот, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 143 страницы, включая 54 рисунка, 6 таблиц. В списке использованных источников литературы содержится 136 наименований.
