УДК 621.382.2
ЭФФЕКТ ЛАВИННОГО УМНОЖЕНИЯ В НАНОСТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК
Мелебаев Д.
В последние годы во всем мире очень большое внимание уделяется вопросам разработки нанотехнологий и создания новых типов фотоэлектропреобразовательных структур. Настоящая работа посвящена созданию фотоприемников ультрафиолетового (УФ) излучения на основе наноструктурированных барьеров Шоттки металл-тонкий-диэлектрик-полупроводник (например, Au-окисел-n-GaP). В результате исследований фоточувстьвителных МДП наноструктур в коротковолновой (ультрафиолетовой) области спектра при энергии фотонов hν > 5eV впервые обнаружен эффект лавинного умножения носителей заряда в присутствии внутреннего электрического поля (Emo=2·105B/cm).
Фоточувствительные наноструктуры Au-Ga2O3(Fe)-n-GaPсозданы методом химического осаждения. Свойства структур исследовались фотоэлектрическим методом, а морфология оксидного слоя Ga2O3(Fe) исследовалась на сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах. При энергии фотонов hν > 5.0 эВ в структуре обнаружен фототок, обусловленный фотовозбужденнием электронно-дырочных пар в диэлектрике и разделением их полем барьера. Обнаруженные явления в наноструктурах позволяют создавать новые типы фотоприемников имеющих важное практическое значение.
Ключевые слова: эффект лавинного умножения,фоточувст-вительность, наноструктура, МДП структура, оксид галлия, оксид железа, GaP фотоприемники.
В последние годы во всем мире очень большое внимание уделяется вопросам разработки нанотехнологий и создания твердотельных наноструктур. Нанотехнологии имеют дело с разнообразными структурами вещества, характерные размеры которых от 1 до 100 нанометров [9, 10]. Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними - к нанотехпологиям[1]. В области физики барьеров Шоттки металл-полупроводник, металл (М) - диэлектрик (Д) - полупроводник (П) нанотехнологии, в частности напоструктурирование, используются для создания высокоэффективных фотоприемников видимого и ультрафиолетового излучения [8, 14, 15].
В настоящее время усилился интерес к полупроводниковым фотоприемникам ультрафиолетового диапазона спектра, что связано с требованиями современной медицины, биотехнологии, экологии, в том числе с проблемой “озоновой дыры”[3].Наиболее перспективными приборами в этом спектральном диапазоне являются фотоприемник на основе МДП структур с потенциальным барьером Шоттки. При такой конструкции фотоприемника толщина диэлектрического (окисного) нанослоя должна быть не более 3-5 нм, а его ширина запрещенной зоны - не менее 5 эВ [4]. В данной конструкции фотоприемника окисный слой обеспечивает высокую фоточувствительность в УФ области спектра за счет уменьшения перехода горячих фотоэлектронов в металл из полупроводника.
Для создания лавинных фотодиодов УФ излучения представляют интерес барьер Шоттки металл-тонкий диэлектрик-полупроводник на основе фосфида галлия (GaP).Эти структуры просты и дешевы в изготовлении, а также эксплуатационно надежны, поскольку GaPхорошо освоенный промышленностью широкозонный полупроводник. Ширина запрещенной зоныGaP составляет 2.26 эВ (300 К), но из-за его непрямозонности коэффициент поглощения света в области энергии фотонов hν=2.3-2.7 эВ относительно мал (102-104 см-1); в то же время пороговая энергия прямых оптических переходов составляет 2.8 эВ при 300 К [6], коэффициент поглощения при hν=2.8-6.0 эВ составляет 105-106 см-1. Поэтому спектр фототока (If0) GaP нанодиодов Шоттки (см. рисунках) расположен главным образом в области энергии фотонов hν=2.7-6.0 эВ.
В полупроводниковых лавинных фотодиодах усиление фототока происходит благодаря умножению числа носителей тока входящих в область сильного поля объемного заряда, вследствие процесса ударной ионизации. Закономерности протекания упомянутого процесса в традиционных полупроводниковых структурах хорошо изучены (к примеру, явление лавинного умножения положено в основу функционирования лавинно-пролетных диодов)[5,12], однако в фоточувствительных МДП наноструктурах эффект лавинного умножения ранее не обсуждался. В представленной работе при исследовании фоточувствительности GaPМДП наноструктур в коротковолновой ультрафиолетовой области спектра впервые обнаружен эффект лавинного умножения носителей заряда [16].
В работах [9, 16] при исследовании фоточувствительных Au-окисел-n-GaPнаноструктур в ультрафиолетовой (УФ) области спектра обнаружены новые закономерности. В длинноволновой части спектра наблюдено максимум hνm=2.35эВ, а в коротковолновой части спектра при hν>5.1эВнаблюдено рост фоточувствительности с увеличением энергии фотонов hν. Однако, в указанных работах не было установлено природы длинноволнового максимума и причины коротковолнового роста If0 при hν>5.1эВ.
Настоящая работа посвящена изучению этого вопроса. Для выяснения влияния оксида железа (Fe2O3)на спектр фототока барьеров Шоттки созданы два типа GaPМДП струткур. В одном случае структура не содержит оксид железа, в другом случае структура содержит Fe2O3.Технология изготовления и основные параметры наноструктурированных фотодиодов Шоттки на основе n-GaP подробно освещена в [9]. После химического травления смесью Br2(4%)+C2H5OH(96%) с последующей промывкой в этаноле, поверхность n-GaP обрабатывалась этаноловым раствором бромида железа (FeBr2·6H2O). При этом на границе раздела полупроводник-диэлектрик может образоваться нанооксидный слой железа (Fe2O3). На химически обработанной поверхностиGaP последовательно создавался нанооксидный слой (Ga2O3)оптимальной толщиной δ=3-5 нм, затем, нанесением нанослоя Auтолщиной 12-14 нм, барьерный контакт. Оксидный слой и барьерный контакт создавались химическим методом [4, 16].
Рис.1. Спектральные зависимости фоточувствительности структур Au-Ga2O3-n-GaP с различный толщиной Ga2O3 1 - δ≈1.0 нм; 2 - δ≈4 нм.
Основные результаты исследований созданных барьерных структур фотоэлектрическими методами, а также методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии проиллюстрированы на рис. 1, 2, 3 и рис. 4 а, б.
Наноструктурированные фотодиоды с барьером Шоттки на основе Au-Ga2O3-n-GaP структур обладают фоточувствительностью в области (2.7÷6.1) эВ (рис. 1). Для токовой фоточувствительности созданного фотодиода SI=0.12-0.14A/W (300 K) в максимуме спектра (hνm1=3.18эВ, hνm2=3.44эВ) удельная обнаружительная способность достигала (0.7-3)·1014W-1·Hz1/2·см, что находится на уровне мировых достижений [3, 15]. Зависимости фототока короткого замыкания If0от плотности потока излучения р (в интервале
10-7-10-1W/см2) при hν=3.5 эВ линейная. Как видно из рис. 1 присутствие на границе раздела металл-полупроводник промежуточного диэлектрического (оксидного) слоя толщиной в пределах δ=1-10 нм вызывает изменение коротковолновой (hν=3.1-6.1 эВ) фоточувствительности (рис. 1, кривая-1, δ≈1 нм; кривая-2, δ≈4 нм).
В структурах с очень тонким диэлектрическим слоем (δ≈1 нм, коэффициент идеальности β≈1.1) не возникает препятствия для перехода фотодырок из полупроводника в металл, но зато велика вероятность перехода горячих фотоэлектронов из полупроводника в металл, что уменьшает коротковолновую фоточувствительность (рис. 1, кривая-1), а максимум фоточувствительности структур находится ближе в УФ диапазонеhνm1≈3.18эВ.
В структурах, в которых δ=3-5 нм (β=1.2-1.4), диэлектрический слой достаточно толст, чтобы заметно затруднить переход горячих фотоэлектронов из полупроводника в металл, в то же время слой достаточно тонок, чтобы не сильно препятствовать переходу фотодырок из полупроводника в металл. При этом коротковолновая фоточувствительность почти в 2 раза выше, чем в структурах с очень тонким (δ~1 нм) диэлектрическим слоем (токовая фоточувствительность при hν=4.3 эВдостигает 0.09 А/W, рис.1, кривая-2). Максимум фоточувствительности структур смещен в УФ области спектраhνm2≈3.44эВ. Выполненные исследований показали, что промежуточный нанослой диэлектрика (окиса) толщиной δ≈3-5 нм между полупроводником и металлом приводит к существенному увеличению коротковолновой фоточувствительности поверхностно-барьерных фотоприемников на основе GaP.
На рис. 2 б приведены типичные спектральные характеристики Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP наноструктур, которые в оксидном слое содержат атомы железа. Исследование спектров фоточувствительности структур в области энергии фотонов 2-6.1 эВ показано, что в видимой (2-3 эВ) и УФ (5-6.1 эВ) областях спектра имеются новые закономерности.
В длинноволновой части спектра наблюдается максимум при hνm=2.35эВ. Это, связано с образованием на границе раздела полупроводник-диэлектрик нанооксида железа (Fe2O3). Ширина запрещенной зоны оксидного слоя Fe2O3, которая составляет Egox≈2.3 эВ, определялась по методике [9], что хорошо согласуется с данными [13]. В УФ части спектра в интервале 5.0-6.1 эВ наблюдается рост фоточувствительности с увеличением hν. В структурах, не содержащих оксид железа такая закономерность не обнаружена (рис. 1, кривая-1, кривая-2).
При освещении структуры Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP (рис. 2), оксидный слой Ga2O3,легированный Fe,и нанослой Auнаходятся под влиянием высокого внутренного электрического поля (Emo≥105В/см) объемного заряда, и под действием квантов высоких энергий hν>5эВ (т.е. при больших значениях
Рис. 2. Схема измерений фототока короткого замыкания If0(a) и зависимости фототока
(If0)от энергии фотона (hν) для структурAu-Ga2O3(Fe)-n-GaP. (образец №3).
Спектр фототока нормирован на равное число падающих фотонов
Рис. 3. Зависимости фототока (If01/2)от энергии фотона (hν)для структур
Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP (образец №3)
коэффициента поглощения света k≥106см-1), в диэлектрике возникает фототок, обусловленный фотозабросом носителей заряда из контакта и последующим их перемещением по разрешённым зонам [2]. Таким образом, слой диэлектрика (окисла) участвует в создании дополнительного фототока.
Зависимость фототока If0от hν в интервале 5-6.1 эВ оказалось экспоненциальной (рис. 2 б). Важно подчеркнуть, что экспериментальная зависимость If01/2от hν в интервале hν=5.7-6.1 оказывается линейной (рис. 3),
что соответствует концепции Спитцера и Мида [17]: If0≈(hν-Egox)2, где hν>5 эВ. Это позволяет по методике [9] определить ширину запрещенной зоны оксида Ga2O3(Fe),образованного на поверхности GaP.В полученных нами результатах значение Egox для Ga2O3(Fe)оказалось равнымEgox=5.5±0.05 эВ при 300 К.
Рис. 4. Трехмерное (3D) изображение поверхности оксидного слоя галлия с участием оксида железа, полученное АСМ (а) и предложенный фотоприемник нового типа
на основе Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP МДП наностуктур (б)
Окисный слой Ga2O3(Fe), по данным исследований морфологии и структуры на электронных микроскопах имеет специфическую особенность (рис. 4 а). В нем обнаружены нанопроволоки с участием оксида железа, диаметр которых составляет 25-45 нм, а длина достигает 10-12 мкм. Поэтому в МДП-наноструктуре могут существовать несколько механизмов переноса носителей заряда через слой Ga2O3.В интервале 5-6.2 эВ обнаружен рост фоточувствительности, так как коротковолновое УФ излучение сильно поглощается в нанопроволоках и в результате появляется гигантская фоточувствительность МДП наноструктур (рис. 2 б). Типичные значения токовой фоточувствительности вблизи hν≈6.0 эВ достигают ~0.25 А/Вт при напряжении смещения U=0. Спектральная зависимость If0(hν)в УФ диапазоне позволяет утверждать, что в Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP структуре имеет место процесс ударной ионизации носителей заряда. Этот процесс имеет явно выраженный пороговый характер. Как видно на рис. 2 б, пороговая энергия увеличения фоточувствительности (квантовая эффективность) составляет Ei=5.1эВ. Наличие порога увеличения фототока If0(hν) означает, что при энергии возбуждающего света, равной и большей пороговой, фотоэлектрон (или фотодырка) приобретает кинетическую энергию, достаточную для ионизации еще одной электронно-дырочной пары.
Следует отметить, что высокая фоточувствительность МДП наноструктурированных диодов Шоттки в УФ области также определяется процессом ударной ионизации, но в этом случае процесс происходит в присутствии сильного внутреннего электрического поля (5·104-5·105 В/см), что вероятно, также дает вклад в умножение носителей заряда.
Таким образом, присутствие на границе раздела структур полупроводник-диэлектрик нанооксидного слоя железа (Fe2O3) способствует созданию атомарно-чистой поверхности полупроводника и возникновению в структуре специфических свойств [7], что доказывается обнаруженными явлениями в Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP структурах в коротковолновой области спектра при hν>5 эВ (рис. 2 б). В фоточувствительных МДП наноструктурах в УФ диапазоне при hν>5.1 эВ обнаружена гигантская фоточувствительность, которая связана с лавинным умножением в слое объемного заряда и свойствами нанослоев металла Auи широкозонного оксида Ga2O3(Fe). Важно подчеркнуть, что нанослой золота, нанесенный на поверхность оксидного слоя, под воздействием внутренного электрического поля объемного заряда может приобретать новые свойства, что позволяет создат новый тип оптоэлектронных приборов на основе GaP МДП наноструктур (рис. 4 б), которые могут найти широкое применение.
Л И Т Е Р А Т У Р А
Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Комьев П.С., Панов В.И., Полтарацкий Э.Д., Сибельдин М.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологии // Микросистемная техника. -2003. №8,с. 3-13.
Барабан А.Н., Булавин В.В., Коноров П.П. Электроника слоев SiO2на кремнии / Л.: Изд-во Ленинградского университета. -1988, -304 с.
Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Полупроводниковые фотопреобразователи для ультрафиолетовой области спектра // ФТП, -2003. -Том 37, №9, -с. 1025-1055.
Вигдорович Е.Н., Гольдберг Ю.А., Дурдымурадова М.Г., Мелебаев Д., Царенков Б.В. Коротковолновая фоточувствительность поверхностно-барьерных структур: влияние промежуточного диэлектрического слоя // ФТП, -1991. -Том 25. №8, -с. 1419-1422.
Гуткин А.А., Магеррамов Э.М., Наследов Д.Н., Седов Е.В. Спектральные характеристики GaAs p-n-переходов в ближней ультрафиолетовой области // ФТТ, -1966, -Том.8, №3, -С.712-716.
Конников С.Г., Мелебаев Д., Рудь В.Ю., Беркелиев А., Дурдымурадова М.Г., Корнякова О.В. Варизонные Au-GaPxAs1-x структуры и возможности их применения в фотоприемниках ультрафиолетового диапазона // Письма в ЖТФ, -1993. –Том.19, -вып.4, -С. 57-64.
Коттам М.Г., Ловкуд Д.Дж.. Рассеяние света в магнетиках // М.: Наука, -1991, -272 с.
Мелебаев Д. Фоточувствительность структурAu-окисел-n-GaP0.4As0.6 в УФ области спектра // Труды Российской совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники. Новосибирск. -2008. –с. 67.
Мелебаев Д., Ташлиева А.М., Рудь Ю.В., Рудь В.Ю. Исследование спеткра фоточувствительностиAu-Ga2O3-n-GaP для определения ширины запрещенной зоны оксида Ga2O3// Труды XIII Международная научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии”. Украина, Одесса. -2012, -С.288.
Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. Ю.Д.Третьякова. –М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. -2-е изд., испр. и доп. -368 с.
Cуздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур, наноматериалов. –М.: Ком Книга, 2006, -592 с.
Техника оптической связи: Фотоприемники: Пер. с англ. / Под ред. У. Тсанга. –М.: Мир, 1988, -526 с.
Харламова М.В., Саполетова Н.А., Елисеев А.А., Лукашин А.В. Оптические свойства наночастиц γ – оксида железа в матрице мезопористого оксида кремния // Письма в ЖТФ, -2008, Том 34, -вып.7, -С.36-43.
Melebayev D. A new technological method of creation of semiconductor photodeteсtors of ultraviolet radiation // Journal Science and Technology in Turkmenistan.-2003,№7, -з. 38-48.
Melebayev D. High-efficiency photodeteсtors of ultraviolet radiation on basis of gallium phosphide MIS structures // Proceeding of the VII International Scientific-practicalconference “Modem information and electronic-technologies” – “MIET-2006”. Ukraine. Odessa, -2006.–p.164.
Melebayev D. The ultraviolet radiation photodetectors based on nanostructures Au-oxide-n-GaP // Proceeding of the International Scientific and Technical Conference “Nanotechnologies of functional materials (NFM’10)” Saint Petersburg. -2010. –p. 115-116.
Spitzer W.G., Mead C.A. Conduction Band Minima of Ga(As1-xPx) // Phys. Rev. -1964, -V.133, №3A, p.A872-A875.
