ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОННОЙ СТРУКТУРЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ
Ga1-xAlxP ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
К.ф.-м.н. Д.Мелебаев
Аннотация– Исcледованы спектры фоточувствительности полученных химическим методом барьеров Шоттки Аu-n-Ga1-xAlxP в спектральной области 2,0 – 3,8 эВ при 300 К. С использованием контактного фотоэлектрического метода получена новая возможность определения ширины запрещенной зоны Еgи пороговой энергии прямых оптических переходов E0 в зависимости от состава (x) твердого раствора Ga1-xAlxPс высокой точностью и надежностью.
Ключевые слова: фоточувствительность, барьеров Шоттки, фотоэлектрический метод, Ga1-xAlxP, зонная структура.
Полупроводниковые твердые растворы Ga1-xAlxP широко используются в оптоэлектронике для создания источников спонтанного излучения и фотоприемников в коротковолновой области спектра [1, 2]. В этих твердых растворах при изменении состава (х) ширина запрещенной зоны (Eg)изменяется слабо – от 2.26 эВ (GaP)до 2.45 эВ (AlP),тогда как пороговая энергия прямых оптических переходов (Е0) изменяется существенно – от 2.80 эВ (GaP)до 3.6 эВ (AlP).Это позволяет перенести их область применения в ультрафиолетовую (УФ) часть спектра. Эти данные были получены исследованием оптических и люминесцентных свойств эпитаксиальных слоев Ga1-xAlxP/GaP при 0≤х≤0.85 [3, 4]. Однако установление зависимостейEg=f(x) и E0=f(x) длятвердых растворов Ga1-xAlxP фотоэлектрическим методом, используя барьер Шоттки, остается практически не реализованным.
Настоящая работа посвящена исследованию зонной структуры твердого раствора Ga1-xAlxP (0.2≤x≤0.8) с использованием модернизированного контактного фотоэлектрического метода [5, 6].
Объектом исследования служили гетероваризонные поверхностно-барьерные структуры (барьеры Шоттки). Au-n-Ga1-xAlxP/n-GaP.n-Ga1-xAlxP/GaP (111) структура с буферными и активными варизонными слоями, которые выращивались методом жидкофазной эпитаксии [2]. Состав Ga1-xAlxP, по данным измерений на рентгеновском микроанализаторе, был варизонным-содержаниеAlPв слоях убывало от границы “слой-подложка” (х0=0.35-0.80) к поверхности слоя (хs=0.03-0.53). Градиент активного варизонного слоя по минимальной энергии прямых оптических переходов для разных струткур составлял 20-120 эВ/см.
На подложке n-GaP вплавлением сплава 96% In+4%Teсоздавался омический контакт. На узкозонной поверхности n-Ga1-xAlxPсоздавался химическим методом барьерный контакт слоя золота (Au)толщиной 12-15 нм [2]. Было создано нескольких структур с различными xs в области перехода “металл (m) – полупроводник(s)”.Фотодиоды Шоттки работали в режиме фотоэлемента, а освещение m-s-перехода производилось со стороны нанослоя Au.Основные результаты фотоэлектрических исследований представлены на рисунках 1-3.
Спектр фототока короткого замыкания для всех созданныхAu-n-Ga1-xAlxP структур является широкополосным (рис. 1). С ростом содержания алюминия на поверхности слоя твердого раствора от хs=0 и xs=0.65 край спектра фототока смещается в сторону увеличения энергии фотонов. При этом изменяется, как пороговая энергия прямых оптических переходов Е0, так и ширина запрещенной зоны Еg.
Экспериментально установлено, что зависимость If0от hν в диапазоне hν=2.4-2.9 эВ подчиняется концепции Спитцера и Мида [6]: If0≈(hν-Eg)2. Из этой зависимости определена величина Еgдля разных структур (x=xs=0÷65) рис.2. Сопоставлением спектра поглощенияGa1-xAlxP со спектром фототока Au-n-Ga1-xAlxP структур разного состава по методике [7] определена величина Е0 (рис.1). Изменение содержания Al (x=xs) в области m-s-перехода приводит к закономерному изменению Е0 и, соответственно Eg.На рис.3 также представлены полученные нами зависимости Eg=f(x) и E0=f(x) для слоев Ga1-xAlxP, которые хорошо согласуются с известными данными [4, 5], определенными другими методами.
Таким образом, контактный фотоэлектрический метод [6, 7] дает возможность определить параметры зонной структуры полупроводников непосредственно на готовом фотоприемнике без его разрушения. Использование контактного фотоэлектрического метода, основанного на измерениях спектра фототока короткого замыкания m-s-структур с барьером Шоттки при освещенииm-s-перехода со стороны полупрозрачного барьерного контакта позволило получить новые данные о зонной структуре твердого раствора фосфидов галлия и алюминия n-типа (рис.3).
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
Алферов Ж.И. Физика и жизнь/М.:Спб.:Наука, 2001, -288 с.
Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под. ред. А.Э.Юновича. –М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, -496 с.
Мелебаев Д., Аннаев О.Ч. Фоточувствительность наноструктурированных барьеров ШотткиAu-окисел-n-Ga1-xAlxP в УФ области спектра // Тр. XIII МК “Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы”. –Уляновск, 2011, -С.217-218.
Sonamura H., Nanmori T., Miyauchi T. Composition dependences of the energy gap and the green-band emission peak for the AlxGa1-xP ternary system // Appl. Phys. Lett. -1974, -Vol.24, №2. –p.77-78.
Onton A., Chicotka R.J. Conduction bands in In1-xAlxP // J. Appl. Phys.-1970, -Vol.41, №10. –p.4205-4207.
Spitzer W.G., Mead C.A. Conduction Band Minima of Ga(As1-xPx)//Phys. Rev. -1964, -Vol.133, №3A, -p.A872-A875.
Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Именков А.Н. и др. Фотоэлектрический метод определения параметров варизонных полупроводников // Известия АН ТССР. Сер. физ.-тех., хим. и геол. Наук. -1986, №1. –с.8-14.
УДК. 621.315.592
THE INVESTIGATION OF THE BAND STRUCTURE
OF SEMICONDUCTOR SOLID SOLUTIONS Ga1-xAlxP
BY A PHOTOELECTRIC METHOD
D. Melebayev, O. Ch. Annayev
Abstract:In this article have studiedphotosensitivity spectraobtained by the chemicalmethod ofSchottky barriersАu-n-Ga1-xAlxP (0≤x≤0,8) in the spectral rangeof 2.0-3.8eVat 300 K. By using contact photoelectric method the new possibility of defining band gap Eg and the threshold energy of direct optical E0 depending on the composition (x) solid solution Ga1-xAlxP is shown with high accuracy and reliability.
Key words: photosensitivity, the barriers of Schottky, photoelectric method, Ga1-xAlxP, the band structure.
.png)
