ВАРИЗОННЫЕ Au-n-Ga1-XAlXAs НАНОСТРУКТУРЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ФОТОПРИЕМНИКАХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА

ВАРИЗОННЫЕAu-n-Ga_1-XAl_XAs НАНОСТРУКТУРЫ И

ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ФОТОПРИЕМНИКАХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА

Мелебаев Д.

Полупроводниковые гетероваризонные барьерные структуры на основе многокомпонентных твердых растворов в настоящее время широко используются для создания различных оптоэлектронных приборов [1,2]. Интенсивное исследование полупроводниковых гетероструктур на основе варизонных кристаллов А³В⁵ существенно расширило возможности использования варизонных поверхностно-барьерных (m-s) структур, на которых созданы различные принципиально новые устройства, такие как селективные фотоприемники [3] и оптоспектрометрические элементы [4]. Изучение фотоэлектрических свойств поверхностно – барьерных структур (барьеров Шоттки) на основе эпитаксиальных варизонных слоев Ga_1-xAl_xAs представляет научно-практических интерес как с точки зрения расширения функциональных возможностей фотоприемников, так и изучения свойств системы твердых растворов Ga_1-xAl_xAs в переходной области составов, поскольку в варизонных полупроводниках фундаментальные параметры плавно меняется по координате.

В работе [5,6] впервые обнаружено, что в варизонном эпитаксиальном слоеn-Ga_1-xAl_xAs с разнодолинным Г-X-переходом сменной точки (x_c) абсолютных минимумов происходит формирование потенциалного, барьера (ПБ) для основных носителей, называемого барьером разнодолинного перехода. Наши исследования спектра фоточувствительности структуры Au-n-Ga_1-xAl_xAs/n'-GaAsc разнодолинным Г-X-переходом также подтвердили, [7], что в области Г-X-перехода в структуре формируется потенциальный барьер для основных носителей заряда.

В данной работе приводятся результаты впервые выполненных исследований спектров фоточувсвительности варизонных поверхностно-барьерных структурAu-n-Ga_1-xAl_xAs/n-GaAs, для которых составы твердых растворов на межфазной границе металл-полупроводник охватывают переходную область от прямозонных к непрямозонным полупроводникам [8] и, в принципе, могут открыть новую возможность увеличения квантовой эффективности фотопремников ультрафиолетового спектрального диапазона.

Активные варизонные слои n-Ga_1-xAl_xAs с переходным слоем общей толшиной Z=80-90mkm выращивались методом жидкофазной эпитаксии на подложках n-GаAs (100) по методике [7]. Слои твердого раствора Ga_1-xAl_xAs, выращенные на подложке GaAs имели зеркально гладкие поверхности. Площадь поверхности слоя составляла 0,8-1 см². Все изготовленные эпитаксиальные слоиGa_1-xAl_xAs были n – типа. При выращивании Ga_1-xAl_xAs, специального легирования не производилось. Состав исходного расплава и условия роста выбирались с таким расчетом, чтобы внутри кристалла n-Ga_1-xAl_xAs имелся разнодолинной Г-Х-переход.

Состав твердых растворов n-Ga_1-xAl_xAs, выращенных на подложке n-GaAs был определен микрорентгеноспектральным методом (ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН) на микроанализаторе САМЕСА при прохождении электронного зонда по сколу эпитаксиального слоя. В эпитаксиальных слоях Ga_1-xAl_xAs содержание AlAs(х) было наибольшим на границе слой-подложка. И при различных х на границе составляло 0,43 – 0,58 и плавно уменьшалась в направлении от подложки. На поверхности слоя х составляло 0,02 – 0,08 (рис.1). Градиент ширины запрещенной зоны в полученных слоях Ga_1-xAl_xAs был Е_g=60-90 еV/см.

Конструктивная схема m-s-структур и условия освещения представлены на рис. 2 а,б. На этом типе m-s-структур (рис. 2а) барьерных контакт нанослой золото (Au) расположен на узкозонной поверхности варизонного кристалла n-Ga_1-xAl_xAs. На подложке n-GaAs создан двухслойный омический контакт (Ni+Au).

Определенная величина х на поверхности достигалась химическим травлением. На узкозонной поверхности варизонного кристалла n-Ga_1-xAl_xAs барьерноый контакт формировалься химическим осаждением нанослоя золото при комнатной температуре из водного раствора HАuCl₄ (4g/l) +HF (100 ml/l) по методике [9,10]. Толщина нанослоя золота составляла 10-15 нм.

Измерялись вольт амперные (I-U),вольт-емкостные (С-U) характеристики и спектр фототока короткого замыкания (I_f0-hν). На основе анализа электрических и фотоэлектрических свойств Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaAsповерхностно-барьерных структур для случая, когда d>W₀+L_p,определены основные параметры n-Ga_1-xAl_xAs слоев: концентрация основных носителей заряда N_d-N_a,энергия прямых оптических переходов E₀, диффузионная длина неосновных носителей заряда. Также определены параметрыm-s-структур: ширина слоя обьемного заряда W₀,максимальная напряженность электрического поля Em₀,коэффициент идеальности β, высота потенциального барьера qφ_B0 приведены в таблице

Таблица. Au˗n˗Ga_1˗×Al_×As˗n^'˗GaAs (d>W_o+L_p). T=300 K

Рис.1. Распределение AlAs в твердой фазе по толщине (Z)

эпитаксиальных слоев Ga_1-xAl_xAs выращеных на подложке

GaAs ( T_Э=890÷910°С, скорость охлаждения 1,0÷2,0°C).

Содержание Al(ат. %) в расплаве: 1-0,32;

2-0,38; 3-0,44; 4-0,49; 5-0,58.

Рис.2. Конструктивная схема фотоприемника (a) и

энергетическая диаграмма m-s-структур (b).

1.Исследование зависимости дифференциальной емкости С варизонных Au-n-Ga_1-xAl_xAs структур от напряжения U при комнатной температуре показало, что при U=+0,4-3В (рис.3), т.е. глубокие уровни не проявляются. По напряжению отсечки можно считать, что содержания альюминия на образующей межфазную границу металл-полупроводник поверхности Ga_1-xAl_xAs находится в разных структурах в интервале значений от 0,1 до 0,45. Высота потенцтального барьера структур Au-n-Ga_1-xAl_xAs при этом находится в диапазоне от 1,03 до 1,47 эВ 300К. Разность концентраций ионизованных доноров и акцепторов N_d-N_a в варизонных слоях с различным значением х_sна свободной поверхности составляла (0,2-2,0)10¹⁷см^-3 при 300К.

Зависимости прямого тока I от напряжения U для изученных структур в интервале плотностей тока 10^-7-10^-2А/см² оказались экспоненциальными. Из них был определен характеристический коэффициент , величина которого оказалась 1,08-1,3. Следовательно, электрические характеристики таких структур не уступают известным поверхностно-барьерным структурам, созданным из гомозонных полупроводниках А³В⁵ [11]. Следует особо подчеркнуть, что при изменении х_sв пределах переходной области составов системы

Рис.3. зависимость емкости от напряжение

на варизонных поверхностно-барерьных структур

Au-n- Ga_1-xAl_xAsпри комнатной температуре Х_S:

1 - 0,21; 2 - 0,34; 4 – 0,45;

Ga_1-xAl_xAs [8] вольт – емкостная и вольт-амперная характеристики таких структур хорошо описываются в рамках единой модели Бете-Бардина.

Рис.4. Зависимость фототока короткого замыканияот энергии фотонов для варизонных m-s-структур Au-n-Ga_1-xAl_xAs (1-4).

X_s: 1-0,4, 2-0,34, 3-0,38, 4-0,45.

Фототок приведен к равному числу падающих фотонов.

2. При освещении варизонных поверхностно-барьерных структур Au-n-Ga_1-xAl_xAs со стороны полупрозрачного металла спектр фототока при соблюдении условииd W₀+L_pвсегда оказывается широкополосным (рис. 4. кривые 1-4), как и в случае гомозонных поверхностно-барьерных структур. Из полученных результатов следует, что фототок структур при энергиях фотонов, больших высоты потенциального барьера (q), но меньших ширины запрещенной зоны твердого раствора Е_g, обусловлен фотоэмиссией электронов из металла в полупроводник и поэтому его зависимости в координатах для всех исследованных структур оказываются линейными, т.е. функциально соответствуют закону Фаулера .Высота потенциального барьера отождествлялась с = = при экстраполяции линейного участка к значению =0. Высота потенциального барьера в структурах Au-n-Ga_1-xAl_xAs, как следует из полученных результатов, зависит от содержания альюминия на образующей m-s-переход поверхности слоев, а определенные для разных составов величины приведены в таблице.

3. Фототок созданных структур при энергиях фотонов, близких и больших ширины запрещенной зоны (Е_g), либо пороговой энергии прямых оптических переходов Е₀(рис.4), обусловлен возбуждением электронно-дырочных пар в полупроводнике и разделением их контактным полем поверхностного потенциального барьера. Из зависимостей спектров фототока структур Au-Ga_1-xAl_xAs с использованием известной методики [12] были определены пороговые энергии прямых переходов свободной поверхностиGa_1-xAl_xAs приводит к закономерному изменению Е₀и, соответсвенно, Е_g.

4. Согласно полученном здесь результатам, есть основания считать, что фоточувствительность м-s-структур на основе варизонных твердых растворовGa_1-xAl_xAs, как в длинноволновой ( Е_g), так и в коротковолновой части спектров ( Е₀) определяется содержанием альюминия на образующей контакт металл-полупроводник свободной поверхности эпитаксиальных варизонных слоев Ga_1-xAl_xAs(рис.4). С ростом содержания альюминия на свободной поверхности слоев твердых растворов (х_s) в диапазоне от 0,21 до 0,45 красная границафоточувствительности структур задается шириной запрещенной зоны полупроводника и с ростом х_s закономерно смещается в сторону увелечения энергия фотонов причем энергетическое положение максимумафоточувствительности () также сдвигается в коротковолновую область спектра изменяясь в интервале от 2,4 до 2,8 эВ (рис.4, кривые 1-4).

5. Как видно из рис.4, фототок варизонных поверхностно-барьерных структур Au-n-Ga_1-xAl_xAs в ультрафиолетовой области спектра оказывается слабо зависимым от энергии падающих фотонов. Необходимо также подчеркнуть, что при энергиях фотонов Е₀ фототок с ростом энергии фотонов вначале возрастает и при = обычно достигает максимальных значений. При энергиях фотонов , как следует из рис.4, фототок слегка понижается и в ультрафиолетовом диапазоне этот спад прекращается, так что фоточувствительность практически не изменяется вплоть до энергий фотонов 4,8 эВ. Следовательно, в области очень высоких коэффициентов поглощения излучения фототок практически перестает зависеть от энергии фотонов, что соответствует выводам теории Гартнера [13]. Незначительное уменьшение фототока пр энергии фотонов 4,8 эВ можно связать с тем, что некоторая доля электронов, генерируемых в слое объемного заряда полупроводника, диффундирует против контактного электрческого поля в направлении границы полупроводника с металлом и рекомбинирует на ней [14]. Анализ параметров структур показал, что наиболее высокая коротковолновая фоточувствительность в структурах Ga_1-xAl_xAs достигается для составов х_s=0,34-0,38 (рис.4).

Установлено, что максимум фоточувствительностиAu-n-Ga_1-xAl_xAs структур (dW₀+L_p) смещается в коротковолновую сторону с ростом х_s. С увелечением N_d-N_a в области m-s-перехода коротковолновая фоточувствительность возрастает и в максимуме спектра квантовая эффективность увеличивается, достигая 0,5 эл/фотон (рис.4,=2,5eV). Выяснено, что существует оптимальное поверхностное поле для получения наибольшей фоточувствительности в ультрафиолетовой области спектра (рис.4, кривая 2).

Таким образом при оптимальной толщине Au подбирая толщину слоя dW₀+L_p и N_d-N_a в области контакта металл-полупроводник на основе диодов Шоттки Au-n-Ga_1-xAl_xAs можно создать высокоэффективные фотоприемники для ультрафиолетовой оптоэлектроники.

В заключении авторы выражает благодарность С.Г.Конникову, А.А. Гуткину, Р.А.Сурису за внимание к работе и О.В.Корняковой за микрорентгеновские измерения.

Список литературы

Алферов Ж.И. Физика и жизнь. –М.: СПБ.: Наука. 2001. -288с.

Пека Г.П., Коваленко В.Ф., Смоляр А.Н. Варизонные полупроводники / Под ред. Г.П. Пеки. –К.: Высшая школа. 1989. -251с.

Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Именков А.И., Мелебаев Д., Царенков Б.В. Фотоэлектрический эффект в варизонных поверхностно-барьерных структурах // ФТП. -1978. –Т.12, Вып. 1. –С. 96-101.

Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Данилова Т.Н., Именков А.Н., Мелебаев Д., Царенков Б.В., Яковлев Ю.П. Дифференциальный оптоспектрометрический эффект в варизонной m-s-структуре // ФТП. -1976. –Т.10. В.12. –С.2352-2360.

Матуленис А.Ю., Пожела Ю.К., Юцене В.Ю. Разнодолинный переход в полупроводниках // Литов. физ. сб. -1974. –Т. 14, №6. –С.907-917.

Матуленис А.Ю., Пожела Ю.К., Шимулите Е.А., Юцене В.Ю. Подвижность электронов в варизонном эпитаксиальном n-Al_xGa_1-xAs с разнодолинным Г-Х-переходом // ФТП. -1975. –Т.9, №3, -С. 572-575.

Мелебаев Д. Фотоэлектрические явления в структурахAu-Ga_1-xAl_xAs с разнодолинным Г-Х-переходом // МатериалыV МНК «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур». Украина. Харьков, -2011, -том.2, с. 487-493.

Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. Т.2, 455с.

Мелебаев Д., Мелебаева Г.Д., Рудь Ю.В., Рудь В.Ю. Фоточувствительность и определение высоты барьеров Шоттки в структурахAu-n-GaAs // ЖТФ, -2008, -Т.78. №1, -С.137-142.

Мелебаев Д. Гигантская фоточувствительностьAu-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP наноструктур в УФ области спектра // Инженерный журнал «Нанотехнология» Россия, Москва, 2014. №2(38). с.106-109.

Милнс А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. М.:, 1975, 432с.

Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Именков А.Н., Мелебаев Д., Розыева М.Х. Фотоэлектрический метод определения параметров варизонных полупроводников // Известия АН ТССР. Сер. Физ.-тех., хим. и геол. Наук. -1986, -№1, -С.8-14.

Gartner W.W. Depletion – Layer Photoeffects in Semiconductors // Phys. Rev. 1959. V.116. №1.Р.84-87.

Гуткин А.А., Седов В.Е. Спектры фоточувсвительности барьеров Шоттки Au-n-GaAs при высоких коэффициентах поглощения света в полупроводниках // ФТП, 1975. Т.9. В.9. с. 1761-1765.