ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАРИЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

УДК 621. 315. 592

А.Беркелиев, Ю.А.Гольдберг, А.Н.Именков, Д.Мелебаев, М.Х.Розыева

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАРИЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В последние годы в физике и технике полупроводников получили развитие полупроводники с изменяющейся вдоль координаты структурой энергетических зон – варизонные. Для реализации приборов на основе варизонных полупроводников необходимо знать конкретные энергетические, рекомбинационные и другие параметры их. В связи с этим разработка экспериментальных методов контроля параметров варизонных полупроводников является актуальной задачей.

Успехи в разработке технологии выращивания варизонных полупроводников на прозрачных подложках [4] позволили существенно расширить возможности использования поверхностно-барьерных переходов для определения параметров варизонных полупроводников [5-7, 12]. Метод определения пороговой энергии прямых оптических переходов Е₀ и ее координатной зависимости в варизонных эпитаксиальных слоях твердого раствора [5, 12] основан на исследовании фотоэлектрических свойств структур металл-полупроводник с барьерами Шоттки (m-s-структур).

Для определения параметров варизонных полупроводников рассмотрены 2 типаm-s-структур на их основе, в которых градиент пороговой энергии прямых оптических переходов перпендикулярен плоскости m-s-перехода, причем Е₀ изменяется с координатой Z, плавно уменьшаясь от Е_0max до Е_0min (рис.1, а) – структура типа А, и составляет с плоскостью m-s-перехода малый угол α, отличный от 90^о (рис.2, а) структура типа В. В обоих случаях расположение плоскости m-s-перехода относительно направления градиента пороговой энергии прямых переходов одинаково.

Для разработки метода установлена связь спектров фототока варизонных m-s-структурI_f0 и коэффициента поглощения варизонного полупроводника К [5].

, (1)

Гдеq – заряд электрона; Ф₀ – поток световых квантов в полупроводнике при Z=0. Вследствие зависимости Е₀ от Z и y появляется зависимость К от Z и у то есть К≡К_zy. Использование формулы (1) дает возможность определить зависимость К от hν при фиксированном у по спектральной зависимости I_f0 также при фиксированном у. Она установлена экспериментально в m-s-структурах типа А и Вб созданных на основе варизонных твердых растворов (например, n-Ga_1-xAl_xAs) путем измерения спектра фототока при освещении m-s-перехода через полупрозрачный слой металла. Из спектра фототока (рис.3, а) по формуле (1) вычислялся спектр фотоэлектроактивного поглощения (см. рис.3, в), для чего строилась зависимость (qФ₀-I_f0) от hν в полулогарифмическом масштабе (см. рис.3, б). Сопоставление спектров фототоки и фотоэлектроактивного поглощения свидетельствует, что форма их аналогична таковой для спектров поглощения на свободных экситонах.

При малых коэффициентах поглощения (К=10⁴ см^-1) с ростом энергии фотона hν К увеличивается экспоненциально, а затем, приближаясь к 10⁴ см^-1, - очень слабо линуйно. В некоторых структурах перед участком линейной зависимости К от hν наблюдается пик экси тонного поглощения (см. рис.3, в) с энергией максимумаhν_э=Е₀-0.025 эВ, который, по видимому, обусловлен поглощением связанных экситонов. По теории поглощения [13, 14] на свободных экситонов величина Е₀ равна энергии фотона в начале линейного участка поглощения (см. рис.3, в).

Установлено, что обычно фототок в m-s-структурах при hν<Е₀ экспоненциально увеличивается с ростомhν, а при hν>Е₀ он возрастает сначала линейно, а затем – сублинейно. Линейный участок в спектре начинается при hν=Е₀, что позволяет определить Е₀ непосредственно из спектра фототокаm-s-структур при освещении m-s-перехода через полупрозрачный слой металла.

Таким образом, в начале линейного участка в спектре фототока m-s-структур Е₀ принята равной энергии фотона. Точность определения Е₀ при этом близка к таковой при, использовании для этого спектров поглощения. Этот вариант полностью примерим для определения Е₀ в гомозонных полупроводниках и в варизонных – с любым градиентом ширины запретной зоны и направлением изменения от плоскости m-s-перехода к подложке.

Если в спектре фототока m-s-структур при освещении m-s-перехода со стороны полупрозрачного слоя металла появляется экситонный пик, то Е₀ равна сумме энергии последнего и энергии связи экситона [14]. Например, согласно [3, 14], для GaAs энергия связи равна 0.0037-0.005 эВ. Если в спектре фототока m-s-структур экситонный пик не проявляется (из-за несовершенств кристалла довольно сильного легирования), точность определения Е₀ уменьшается на величину энергии связи свободного экситона, то есть погрешность равна ±0.005 эВ.

Когда Е₀ подложки больше максимального ее значения варизонного эпитаксиального слоя, и если Е₀ возрастает от m-s-перехода к подложке (см. рис.1, б), можно определить ее величину по спектрам фототока как при освещении m-s-перехода через прозрачный слой подложки (см. рис.1, а; направление освещения 2), так и через полупрозрачный слой металла (см. рис.1, а; направления освещения 1).

При освещении через прозрачный полупроводник спектр фототока варизонных m-s-струткур имеет узкую полосу фоточувствительностиhν_m<Е₀ (см. рис.1, в, кривая 2). При hν=Е₀=hν_Qуменьшение фототока с ростом энергии фотона резко ослабляется. Поэтому Е₀ принята равной энеогии фотона hν₀(см. рис.1, в, кривая 2), при которой резко ослабляется уменьшение фототока с ростом энергии фотона в спектрах фототокаm-s-структуры при освещении m-s-перехода с широкозонной стороны через прозрачную подложку.

Этот вариант полностью применим к варизонным структурам с небольшим градиентом ширины запретной зоны и дает возможность использовать структуры типа А и В для определения Е₀, если толщина варизонного полупроводникаd больше суммы диффузионно-дрейфовой длины L⁺ и ширины слоя объемного заряда W, то есть d>L⁺+W.

Предложенные методы определения Е₀ проверялись на варизонных m-s-структурах типа А и В (см. рис.1, а; 2 а). Такие структуры создавались на основе варизонных слоевGa_1-xAl_xAs, выращенных жидкофазным методом на подложке GaP по методике [12]. Состав эпитаксиального слоя Ga_1-xAl_xAs по толщине и у поверхности его в областиm-s-перехода определялся на рентгеновском микроанализаторе. Относительная ошибка при этом не превышала 2-3%. По данным состава определялся средний градиент ширины запретной зоны в слоях Ga_1-xAl_xAs; для исследованных структур он составлял 40-100 эВ/см.

Разность концентраций ионизированных доноров и акцепторов (N_d-N_a) в варизонных слоях, определяемая по зависимости ёмкости Ga_1-xAl_xAs поверхностно-барьерных структур от напряжения, составляла N_d-N_a=(0.1-5)·10¹⁶см^-3 при Т=300 К.

Для измерения спектров фототока короткого замыкания m-s-структур использовались монохроматоры ИКМ-1 и ДМР-3 с лампой накаливания СИ-300-10. Исследуемая m-s-структура закреплялась на подвижной части микроманипулятора, который позволял перемещать ее вдоль оси, перпендикулярно падающему световому потоку. Для фокусирования последнего на поверхностиm-s-структуры использовался объектив ГЕЛИОС-40. Структуры освещались как со стороны полупрозрачного слоя металла, так и со стороны широкозонного полупроводника (см. рис.1, а; 2, а). Ширина светового потока при освещении структур типа А и В составляла соответственно 300-500 и 30-50 мкм.

Экспериментально реализованная структура типа А на основе Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaP структур позволяет определить, что Е₀=hν₀ варизонного слоя Ga_1-xAl_xAs в области m-s-перехода непосредственно из спектра фототока как при освещенности m-s-перехода с узкозонной стороны через полупрозрачный слой металла Au (см. рис.1 в; кривая 1), так и при освещении с широкозонной стороны через подложкуGaP (см. рис.1, в; кривая 2). С ростом х_s перпендикулярно от m-s-перехода к подложке Е₀ увеличивается линейно даже при x_s>0.37 (см. рис.1, г). Значит, энергия фотоновhν₀, установленная по зависимости I_f0 от hν, равна пороговой энергии Г-Г-переходов Е₀, что хорошо согласуется с данными [1, 9, 10, 15-17]. Зная Е₀, нетрудно определить Е_g с помощью известных зависимостей Е₀ и E_g от состава х_s.

Когда плоскость m-s-перехода составляет с малый угол α, отличный от π/2,E₀ изменяется в направлении у по плоскости m-s-перехода и перпендикулярно последней (см. рис. 2,a). При таком рас­положении m-s-перехода измерение спектра фототока I_f0 структур для фиксированных значений у определением координатной зависи­мостиЕ₀ от у, при известном значении α появляется новая возможность определить градиент пороговой энергии прямых оптических переходов по формуле [5].

(2)

Если в плоскости m-s-перехода варизонный слой содержит прямозонный состав, то где -градиент ширины запретной зоны.

Экспериментально реализована структура типа В (см. рис. 2, а)наосновеAu-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaP. Угол между вектором и плоскостьюm-s-перехода в направлении у отличается от 90°на ма­лый уголα (для полученных структурα=0,01-0,03 рад). Методика получения такой структуры и измерения координатной зависимости спектра изложена в работах [5, 12].

Для определения Е₀измерялись спектры фототока структур Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaP при различных фиксированных координа­тах вдоль длины m-s-перехода. Форма спектров зависит от направле­ния освещения (см. рис. 2, б, в). При одной и той же величине структура обеспечивает наборы широкополосных и узкополосных спект­ров (см. рис. 2, в), что позволяет определить координатную зависимость Е₀ (см. рис. 2, г) при освещении структуры как с узкозонной, так и с широкозонной стороны. На основании этих данных вычисляемdE₀/dy,а согласно формуле (2) при известных значениях . Для разных Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaP структур последняя различна (40-100 эВ/см).

Если в варизонной m-s-структуре в плоскости m-s-перехода со­держатся прямозонные и непрямозонные составы твердого раствора, то обнаруживается нелинейная зависимость Е₀ от у и определяется сред­ний градиент . Кроме того, градиент определялся также по данным микрорентгеновского анализатора (MAP). Для этого на МАРе устанавливалось изменение состава твердого раствора вдоль поверх­ности косого шлифа, сопоставлялось с данными [15], и определялся градиент пороговой энергии прямых оптических переходов (табл. 1). Полученные данные хорошо согласуются со значениями, установ­ленными предложенным методом (табл. 1).

Таким образом, предлагаемым фотоэлектрическим методом можно определить градиент, ширины запретной зоны в варизонном полупроводнике

Таблица 1

Параметры варизонных структур типа В – Au-n-Ga_1-xAl_xAs

с прямой структурой зон и градиент пороговой энергии прямых оптических переходов в варизонном полупроводнике с непрямой струк­турой.

Для варизоннойm-s-структуры зависимостьI_f0 отhv в области энергии

hν≤E_omln экспоненциальна и выражается формулой [7]:

, (3)

где A₁=const(hν).Последняя позволяет определить характеристическую энергию ε. Зная и ε в области слабого поглощения (К<<К₀), сог­ласно [5], по формуле

(4)

определяется характеристическая величина изменения коэффициента поглощениясвета в варизонном полупроводнике. Используя зависимость фототока I_f0отhν в области энергии фотоновhν<E₀ (см. рис. 2, б, в), по экспоненциальному участкуопределялись ε с помощью форму­лы (3) для исследованныхAu-n-Ga_1-xAl_xAs-GaР-структур, а при известном значении по формуле (4) определялись величины L_φ (табл. 2).

При освещении варизонной m-s-структуры со стороны широко­зонной части полупроводника (см. рис, 1, а), реализуется селективная фоточувствительность с одной энергией максимума спектраhν_m [4], еслиd>L⁺+W. Согласно [7], при сильном поглощении(E_0max>hv>E_omin) зависимость I_f0 отhν в коротковолновой части спектра вы­ражается формулой

(5)

где А₂=const (hν).

Использование формулы (5) дает возможность определить диффузионно-дрейфовую длину неосновпых носителей заряда L⁺ в направлении по спаду фототока коротковолновой части спектра (см. рис.2, в). Для этого формула (5) преобразуется к виду

(6)

Сопоставлением спек­тров фототока варизон­ных структур Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaР в этой области энергии фотонов с формулой (6) при известных значениях определены значе­ния для различных структур варизонных сло­ев (см. табл. 2). Зна­чение или (), хорошосогласуютсяс данными,полученными[2, 11].

Таблица 2

Параметры варизонных структур типа A – Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaP

Выводы

Предложенный метод прост и может применяться для определения параметров варизонных слоев как по поверхности, так и по координатной зависимости, а также для исследования переходной области гетероваризонной границы слой-подложка. Этот метод неразрушагощий, посколькуm-s-переход получен при низких температу­рах и не влияет на свойства кристалла. Преимущество рассмотренных методов — возможность измерения параметров полупроводников-непосредственно па полупровод­никовой диодной структуре без ее разрушения.

Указанные методы особенно перспективны для изучения свойств новых полу­проводниковых соединений, варизонных кристаллов и полезны при разработке новой технологии получения однородных и варизонных кристаллов.

Физико-технический институт Дата поступления

АН Туркменской ССР 10 июля 1984 г.

ЛИТЕРАТУРА

Алфёров Ж. И., Гарбузов Д. 3. Люминесценция твердых растворов арсенид алюминия—арсенид галлия. — Изв. АН СССР. Сер. физическая, 1973, т. 37, вып. 3.

Алфёров Ж. И., Андреев В. М., Корольков В. И., Порт­ной Е.Л., Яковенко А. А. Рекомбинационное излучение в твердых растворах с переменной шириной запретной, зоны. - ФТП, 1969, т. 3, вып. 4.

Багаев В. С., Падучик Л. И., Саханенко Т. С. Экситоны в полупроводниках. - М.: Наука, 1971.

Беркелиев А., Гольдберг Ю. А., Именков А. Н., Мелебаев Д., Царенков Б. В. Фотоэлектрический эффект в варизонных поверхностно-барьер­ных структурах. - ФТП, 1978, т. 12, вып. 1.

Беркелиев А., Гольдберг Ю. А., Данилова Т, Н., Именков А.Н., Мелебаев Д., Царенков Б. В. Дифференциальный оптоспектрометрический эффект в варизонной m-s-структуре. - ФТП, 1976, т. 10, вып. 12.

БеркелиевА.,Гольдберг Ю. А., Именков А. Н., Мелеба­ев Д., Розыева М. Фотоприемники с барьером Шоттки на основе Ga_1-xAl_xAs. - Тез. докл. VII междунар. совещ. по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердых телах. Варна, 1983.

Бывалый В. А., Волков А. С., Гольдберг Ю. А., Дмитри­ев А. Г., Царенков Б. В. Фотоэлектрический эффект в варизонных поверхностно-барьерных структурах. - ФТП, 1979, т. 13, вып. 6.

Бывалый В. А., Волков А. С., Гольдберг Ю. А., Дмитри­ев А. Г., Царенков Б. В. Фотоэлектрический эффект в варизонных поверхностно-барьерных структурах. - ФТП, 1979, т. 13, вып. 7.

Воробкало Ф: М., ГлинчукК. Д., Коваленко В. Ф. Температурная зависимость ширины запретной зоны твердых растворовGa_1-xAl_xAs. - ФТП, 1975. т. 9, вып. 5.

Данилова Т. Н., Именков А. Н., ЦаренковБ. В., Яковлев Ю. П. К вопросу о фотоэлектрическом методе определения ширины запретной зоны варизонного полупроводника в областиp-n-перехода. - ФТП; 1974, т. 8, вып. 9.

Коваленко В. Ф., Пека Г. П., Шепель Л.Г. Фотолюминесцентные методы определения параметров варизонных полупроводников. - ФТП, 1980, т. 14, вып. 7.

Мелебаев Д. Исследование свойств поверхностно-барьерныхGaAs_1-xP_x и Ga_1-xAl_xAscтpyктyp и фотоприемников на их основе. - Автореф. дис. ...канд. физ.- мат. наук. Ашхабад, 1977.

Нокс Р. Теория экситонов. - М.: Мир, 1966.

Царенков Б. В. Акперов Я. Г., Именков А. Н., Яковлев Ю. П. Температурная зависимость краевой фотолюминесценции эпитаксиальных слоев твер­дых растворов n-Ga_1-xAl_xAs. - ФТП, 1972, т. 6, вып. 4.

CaseyН.С.,Panish.М.В, Composition dependence of the Ga_1-xAl_xAs direct and indirect energy gaps. - J. Appl. Phys, 1969, Vol 40,

MonemarВ.,ShihК. K., Pettit G. D. Some optical Properties the Ga_1-xAl_xAs alloy system. - J. Appl, Phys. Vol 47, 1976, № 6.

PanishM. B. Phase equilibria in the system Al-Ga-As-Sn and electrical properties of Sn-doped liquid phose epitaxial Al_vGa_1-xAs. - J. Appl. Phys, 1973, Vol. 44,№ 6.

Рис. 1. Схема варизонной m-s-структуры, посняющая метод определения Е₀(α); зависисмость Е₀ от координаты Z (б); спектры фототока I_f0варизонной n-GaP-n-Ga_1-xAl_xAs-Au-структуры при освещении со стороны Au и со стороны GaP (в); зависимость энергии прямых оптических переходов Е₀ (г) от молярной доли AlAs в Ga_1-xAl_xAs,x_s: при освещении с узкозонной (1) и с штрокозонной (2) сторон, 3 – данные работы [15], 4 - [10], 5 - [9]. Температура комнатная.

Рис. 2. Схема варизонной m-s-структуры с косым шлифом, поясняющая метод определения (α), спектры фототока варизоннойn-GaP-n-Ga_1-xAl_xAs-Au-структуры при освещении с узкозонной стороны Au (б) и со стороны GaP (в) при различных значениях координаты у: 1-0.7 мм, 2-2.2, 3-2.8, 4-4.9 мм (α=0.04 рад. =60 эВ/см), координатное изменение пороговой энергии прямых оптических переходов в варизонной Ga_1-xAl_xAsm-s-структуре (г). Температура комнатная.

Рис. 3. Зависимости: а) фототока I_f0, отнесенного к равному числу падающих фотонов от энергии фотона hν для Ga_1-xAl_xAsm-s-структур при освещении со стороны полупрозрачного слоя металла; б) (qФ₀-I_f0) от hν в полулогарифмическом масштабе; в) коэффициента поглощения К от hν, вычисленного по формуле (1); =100 эВ/см, cosα=1,y=0.7 мм. Температура комнатная.