УДК 621.315.592
ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ БАРЬЕРОВ ШОТТКИAu-окисел-n-Ga1-×Al×PВ УФ-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
Мелебаев Д., Аннаев О.Ч.
Институт Солнечной энергии академии Наук Туркменистанаdmelebay@yandex.ru
В последние годы во всем мире очень больших внимание уделяется вопросам разработки нанотехнологий и создания композитных наноструктур [1]. В физике барьеров Шоттки метал-полупроводник, метал (М)-диэлектрик (Д)-полупроводник (П) нанотехнологии, в частности наноструктурирование, используются для создания высокоэффективных фотоприемников ультрафиолетового и видимого излучения [2-4].
В настоящее время в связи с требованиями медицины, биологии и проблемой “озоновой дыры” усилился интерес к полупроводниковым фотоприемникам (ФП) ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра [5]. Наиболее перспективными в этом спектральном диапазоне являются ФП на основе МДП структур с потенциальным барьером Шоттки [6].
В данной работе были исследованы фотоэлектрические свойства наноструктур Au-окисел-n-Ga1-×Al×P в УФ- и видимой областях спектра. В качестве исходного материала использованы эпитаксиальные структуры n-Ga1-×Al×P/n'-GaP (n'≈3·1017см-3), полученные методом жидкофазной эпитаксии [7]. Технология жидкофазной эпитаксии, развитая в последнее время, позволяет создавать Ga1-xAlxP/GaP структуры для фотоэлектрических приборов разного типа, в том числе широкополосных и селективных фотоприемников ультрафиолетового излучения [5, 7] и солнечных элементов, применяемых для преобразования фиолетового и ультрафиолетового диапазонов спектра в каскадных системах [8]. Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию структурных и фотоэлектрических параметров Ga1-xAlxP/GaP гетероваризонных (ГВ) структур с целью выяснения влияния буферных слоевGa1-xAlxP (0,35≤x≤0,80) на качество активного варизонного слояGa1-xAlxP (0,15≤x≤0,70).
Структура n-Ga1-xAlxP/GaP (111) с буферными и активными варизонными слоями выращивались методом жидкофазной эпитаксии [7]. Состав Ga1-xAlxP, по данным измерений на рентгеновском микроанализаторе, был варизонным – содержание AlP в слоях убывало от границы «слой-подложка» (xо=0,35-0,80) к поверхности слоя в структурах 1-6 (xs=0,03-0,53): градиент варизонного слоя по минимальной энергии прямых оптических переходов для разных структур составляла 20-120 эВ/см.
Основные параметрыGa1-xAlxP/GaP ГВ структур определены при помощи микро-рентгеноспектрального анализа и исследованием структур с потенциальным барьером типа металл-полупроводник (m-s)Au-n-Ga1-xAlxP/GaP (см. рис. 1 и 2).
На основе микрорентгеновских данных было установлено, что между активным слоемGa1-xAlxP и подложкой GaP имеются буферные слои постоянного и переменного составов. Впервые обнаружена новая закономерность: в буферных слоях распределение содержания алюминия по толщине структуры линейно-ступенчатое (рис. 1, структуры 2-6).
Ga1-xAlxP/GaP ГВ структуры нового типа созданы в одном технологическом процессе с использованием единого насыщенного раствора-расплава Ga-Al-P. Перед осаждением раствора-расплава температура системы кратковременно повышалась на 5-25оC относительно температуры ликвидуса [9]. При этом на границе раздела подложка-раствор-расплав возникают нелинейные эффекты, которые приводит к образованию характерных ступенек (рис. 1, структуры 2-6, структура 1 - обычная), а структуры 7, 8 в этой работе не обсуждается.
Показано, что при совместном использовании буферных слоев постоянного и переменного состава плотность наклонных дислокаций в структурах уменьшается. Это приводит к структурному совершенству активного варизонного слоя (рис. 1, структуры 2-6), что доказывается увеличением диффузионно-дрейфовой длины неосновных носителей заряда.
При освещении варизонной структуры со стороны широкозонной части (рис. 2, кривая b) реализуется селективный режим фоточувствительности (рис. 2, в), т.е. удовлетворяется условие d>+Wо(см. рис. 2, б) [10]. Согласно [11], в области сильногооптического поглощения (Eomax>hν>Eomin) зависимость Ifo от hν коротковолновой части спектра выражается формулой:
(1)
где A4=const(hν),Фо(hν) – плотность потока фотонов на освещаемой поверхности.. Использование формулы (1) дает возможность непосредственно из спектральной характеристике определить диффузионно-дрейфовую длину неосновных носителей заряда по спаду фототока в коротковолновой части спектра ( см. рис. 2, кривая b). Для этого случая формула (1) преобразуется к виду:
(2)
Сопоставление спектров фототока варизонных структур Au-n-Ga1-xAlxP/GaP в этой области энергии фотонов (рис. 2, кривая b, xs=0,62,hν>hνm) с формулой Волкова-Царенкова [11] при известных значениях позволило определить значение для различных структур. Эти величины составляли =3-6 мкм. Как известно, для качественных Ga1-xAlxP/GaP структурих величина составляло =2,5 мкм [12].
Разработанная технология обеспечивает получение высококачественных активных варизонных слоев Ga1-xAlxP/GaP (0,15≤x≤0,70) и повышение квантовой эффективности приборов на их основе, в том числе фотоприемников различного назначения.
Для создания широкополосных фотоприемниках УФ излучения представляет интерес варизонные МДП наноструктуры на твердых растворахn-Ga1-xAlxP. При такой конструкции ФП толщина диэлектрического (окисного) нанослоя должна быть не более 3-5 нм, а его ширина запрещенной зоны – не менее 5 эВ [13]. В данной конструкции ФП окисный слой (ОС) обеспечивает высокую фоточувствительность (ФЧ) в УФ области спектра за счет уменьшения перехода горячих фотоэлектронов в металл из полупроводника и появления новых квантовых эффектов [4]. В этих растворах при изменении состава ширина запрещенной зоны (Eg) изменяется слабо – от 2,27 (GaP) до 2,45 эВ (AlP), тогда как минимальная энергия прямых оптических переходов (E0) изменяется существенно – от 2,8 (GaP) до 3,6 эВ (AlP) [14, 15].
Для создания наноструктурированных барьеров Шоттки использована низко-температурная (Т<360К) химическая технология [16]. Слоиn-Ga1-xAlxP (n=Nd-Na=2.1016– 4.1017cм-3) были варизонными (рис. 1). Объектом исследования служили наноструктурыAu-Al2O3(Fe)-n-Ga1-×Al×P (xs>0.4), полученные методом химического осаждения. Экспериментальные исследования показали, что на поверхности варизонного слоя при xs<0.4 на поверхности образуется оксидный слой Ga2O3, а при xs>0.4 образуется оксидный слой Al2O3. В данной работе основные внимание уделено исследованию эпитаксиальных слов n-Ga1-×Al×P с xs>0.4 на поверхности n-Ga1-×Al×P, обработанной этаноловым раствором бромида железа (FeBr2·6H2O). На химически обработанной поверхностиGa1-×Al×P (xs>0.4) последовательно создавались нанооксидный слой (Al2O3)c оптимальной тольшиной δ= 3-5 нм, а затем барьерной контакт нанесением нанослояAu толщиной 12-14 нм. Оксидный слой (Al2O3) и барьерной контакт создавались химическим методом [6]. Площадь барьерного контакта у разных структур составляла 0.02-0.15 см2.
Исследовались волт-амперные (ВАХ) и волт-фарадные (ВФХ) характеристики и спектр фототока короткого замыкания Ifo(рис.3.а). Фототок приведен к равному числу падающих фотонов.
Рис.3 | Рис.4 |
В работах [17,18] при исследовании фоточувсвительныхAu-окисел-n-Ga1-×Al×P наноструктур в УФ области спектра были обнаружены новые закономерности. В длинноволновой части спектра наблюдаются максимум hν=2,35 эВ, а в коротковолновой части спектра при hν>5,1 эВ наблюдался рост фоточувствительности с увелечением hν. Однако, в указанных работах не были выяснены природа длинноволнового максимума и причины коротковолнового роста If0 при hν>5,1 эВ. В данной работе уделено большое внимание изучению этого вопроса. Основные результаты проиллюстрированы на рис. 3 и 4. Токовая фоточувствительность (ФЧ) при энергии фотонов hν=3,4 эВ достигает 0,1А/Вт, а порог ФЧ составляет 2·10-14Вт·Гц-1/2.
На рис. 3,б приведены типичные спектральные характеристики наноструктур Au-Al2O3(Fe)-n-Ga1-×Al×P, которые в оксидном слое содержат атомы железа. В наноструктуре в видимой (2-3 эВ) и УФ – (4,5-6 эВ) областях спектра обнаружены новые закономерности. В длинноволновой части спектра наблюдаются максимум hνm=2,35 эВ. Это связано с образованием на границе раздела полупроводник-диэлектрик нанооксида железа (Fe2O3). Фототок If0 в структурах при энергиях фотоновhν=2,0-2,3 эВ обусловлен фотоэмиссией электронов из метала в оксид Fe2O3 (рис. 3б), и его зависимость от hν описывается выражением [19]:If0≈( hν-Egox)2,где hν>2 эВ, Egox – ширина запрещенной зоны. С использованием зависимости (If0)1/2 от hν была определена ширина запрещенной зоны железа (Fe2O3), которая составляет 2,1 эВ (300К), что согласуется сданными [20]. Фототок If при hν>2,35 эВ обусловлен генерацией электроннодырочных пар Ga1-×Al×P и разделением их в поле объемного заряда (рис. 3б).
Ультрафиолетовая часть спектра (hν=3,1-6,2 эВ) также несет важную информацию о физической природе границы раздела «полупроводник – диэлектрик Al2O3(Fe)». В оксидном слое под действием внутреннего электрического поля барьера на зависимостиIf0 от hν в интервале 3,5-5,5 эВ наблюдалась осцилляция фототока, что свойственно наноразмерным структурам. Минимум коротковолновой фоточувствительности наблюдался в области hν=4.7-5.1 эВ. При дальнейшем увеличенииhν в интервале 5,2-6,2 эВ начинается процесс лавинного роста числа носителей заряда и происходит резкий рост коротковолновой фоточувсвительности (рис.3б).
Зависимости If0 от hν в интервале 5,2-6,1 эВ оказалась экспоненциальной. Важно отметить, что экспериментальная зависимость If0 от hν в интервале 5,6-6,1 эВ оказалась линейной (рис.4) что соответствует концепции Спитцера, Мида предложенной в [19]:If0≈(hν-Egox)2при hν>5,2 эВ. Это позволтло определить по методике, описанной в [21], щирины запрещенной зоны оксида Al2O3(Fe), образованного на поверхности GaP: Egox=5,2 эВ (рис 4).
В Au-Al2O3(Fe)-n-Ga1-×Al×P (xs>0.4) МДП-наноструктурах в коротковолновой области спектра при hν>5 эВ обнаружен рост фоточувсвительности, который связан с лавинным умножением в слое объемного заряда и свойствами нанослоев металла Au и широкозонного нанооксида Al2O3(Fe). Таким образом, присутствие ферромагнитного атома железа на границе раздела структур способствует созданию атомарно-чистой поверхности полупроводника и возникновению в структуре специфических свойств [22], что доказывается обнаруженными явлениями в Au-Al2O3(Fe)-n-Ga1-×Al×P структурах в коротковолновой области спектра hν>5 эВ (рис 3б). Это позволяет создать новый тип фотоэлектрических приборов которые могут найти широкое применение.
Список литературы
[1] Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Копьев П.С., Панов В.И., Полтарацкий Э.А., Сибельдин Н.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологии //Микросистемная техника. -2003:8, с. 3-13.
[2] Melebayev D. A new technological method of creation of semiconductor photodetectors of ultraviolet radiation //Journal Science and Tehnology in Turkmenistan. -2003, №7. –p. 38-48.
[3] Melebayev D. High-efficiency photodetectors of ultraviolet radiation on basis of gallium phosphide MIS structures.//Proceeding of the VII International Scientific-practical conference “Modern information and electronic technologies” – “MIET-2006”, Ukraine. Odessa, -2006, -p. 164
[4] Мелебаев Д. Фоточувствительность структурAu-окисел-n-GaP0.4As0.6в УФ области спектра. // Труды Российской совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники. Новосибирск-2008. –с. 67.
[5] Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А., Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра//ФТП, -2003. –Том 37, № 9, -С. 1025-1055.
[6] 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.
[7] Мелебаев Д., Аннаев О.Ч. Селективная фоточувствительность в варизонных поверхностно-барьерных структурах Au-n-Ga1-xAlxP/GaP//Тр.XIII МНПК “Современные информационные и электронные технологии”. -Украина, г. Одесса, -2012. –С. 292.
[8] Абдукадыров М.А., Джуманиязов И.О., Муминов Р.А.Коррекция эффективной толщины базового слояAlxGa1-xP/GaP гетерофотопреобразователей в зависимости от состава твердого раствора//Гелиотехника. -2011, №4, -С. 35-37.
[9]А.С. 1639353А1 СССР, Фотоэлектрический прибор и способ его изготовления. // МелебаевД., Дурдымырадова М.Г., Беркелиев А., Гольдберг Ю.А. 24.02.89.
[10] Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Именков А.Н. Мелебаев Д., Царенков Б.В.. Фотоэлектрический эффект в варизонных поверхностно-барьерных структур// ФТП. -1978. –Том.12, №1, -С. 96-101.
[11] Бывалый В.А., Волков А.С., Гольдберг Ю.А. и др. Фотоэлектрический эффект в варизонных поверхностно-барьерных структур (теоретическое расмотрение)//ФТП. -1978. –том.13, №6, -с. 1110-1115.
[12] Бессолов В.Н., Именков А.Н., Конников С.Г. и др. Квантовая эффективность пластически и упрого деформированных варизонных Ga1-xAlxPp-n-структур//ФТП. -1983 . –Том.17, №12, -С. 2173-2176.
[13] Патент 1634065 РФ Фотоприемник // Мелебаев Д., Гольдберг Ю.А., Дурдымырадова М.Г., Царенков Б.В.. 25.03.1993.
[14] А.С. 660508 СССР. Поверхностно-барьерный фотоприемник. // Мелебаев Д., Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Царенков Б.В..21.03.77.
[15]Мелебаев Д., Аннаев О.Ч. Исследование зонной структуры полупроводниковых твердых растворовGa1-×Al×P фотоэлектрическим методом. // Тр. XV МНПК «Современные инфорнационные и электронные технологии» - Украина, г.Одесса -2014. –С.153-154.
[16]Гигантская фоточувствительность Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP наноструктур в УФ области спектра. // Нанотехника, -2014 №2 (38), -С. 107-109.
[17]Мелебаев Д. Фоточувствительность Au-окисел-n-Ga1-×Al×P в УФ области спектра. // Тр. V Украинской научной конференции УНКФН-5, Украина, г. Ужгород-2011, С.350-351.
[18]Мелебаев Д., Аннаев О.Ч. Фоточувствительность наноструктурированных барьеров Шоттки Au-окисел-n-Ga1-×Al×P в УФ области спектра. // Тр.XIII МНК «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» Россия г. Ульяновск -2011, -С.217-2018.
[19] Spitzer W.G., Mead C.A. Conduction Band Minima of Ga(As1-×P×) // Phys. Rev. – 1964, -V. 133, №3А, з. А872-А875.
[20]Харламов М.В., Сапалетова 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.
[21]Мелебаев Д., Ташлиева А.М., Рудь Ю.В., Рудь В.Ю. Исследование спектра фоточувствительностиAu-Ga2O3-n-GaP для определения ширины запрещенной зоны оксида Ga2O3 // Труды XIII МНПК «Современные информационные и электронные технологии» («СИЭТ-012»).-Украина, г. Одесса. -2012. –С.288
[22]Коттам М.Г., Ловкуд Д.Дж. Рассеяние света в магнетиках // М.:Наука, -1991, -272с.
