ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ

Мелебаев Д.

Проанализирован и изучен экспериментально оптоспектрометрический эффект в варизонной m-s-структуре, в которой имеется изменение ширины запрещённой зоны E_g в плоскости m-s-перехода и в направлении, пеопендикулярном ей.

Обсуждается оптоспектрометрический эффект для случаев, когда световой поток направлен на m-s-переход через широкозонный полупроводник и показано, что зависимость фототока такой структуры от координаты светового потока воспроизводит спектральный состав этого потока.

На основе анализа были созданы спектрометрические элементы; они изготавливались химическим осаждениемAu на поверхности варизонных кристаллов n-Ga₁-_xAl_xAs,выращенных на подложках из n-GaP методом жидкостной эпитаксии. Барьерный контакт (m-s-переход) был расположен на косой поверхности варизонного кристалла Ga₁-_xAl_xAs, а световой поток падал к m-s-переходу со стороны его широкозонной части через GaP.

Таким образом, создан иполупроводниковый оптический спектрометр, в котором спектрометрический элемент, изготовленный на основе варизонной Au-n-Ga₁-_xAl_xAs/ n-GaP структуры, выполняет функции диспергирующего элемента, выходного коллиматора и приёмного элемента. Такое совмещение нескольких функций в одной варизонной m-s-структуре осуществлено впервые, причём этот элемент имеет крайне малые габариты и вес.

Рабочая спектральная область спектрометрического элемента 1,45-1,90 эВ, предельное спектральное разрешение 0,02-0,05 эВ.

Полупроводниковые гетероваризонные барьерные структуры на основе многокомпонентных твёрдых растворов в, настоящее время широко используются для создания различных оптоэлектронных приборов [1,2]. Интенсивное исследование полупроводниковых гетероструктур на основе варизонных кристаллов A³B⁵ существенно расширило возможности использования варизонных поверхностно-барьерных (m-s) структур, на которых созданы различные принципиально новые устройства, такие, как селективные фотоприёмники [3] и спектрометрические элементы [4,5]. Спектрометрический элемент-полупроводниковый оптический спектрометр, базирующийся на оптоспектрометрическом эффекте в варизонном полупроводнике. Этот эффект обусловлен координатной зависимостью оптических свойств варизонного полупроводника. Известны два типа спектрометрических элементов на основе варизонныхполупроводников. Один из них создаётся на варизонной p-n-структуре [6], а другой на основе варизоннойm-s-структуры [4,7].

Оптоспектрометрический эффект в варизонной m-s-структуре эаключается в том, что в зависимости от направления падающего светого потока Ф, зависимость фототока Iот координаты у, либо зависимость производной фототока (dI/dy) от у восприизводит спектральный состав светого потока. В работе [4] обсуждаются три возможных варианта получения оптоспектрометрического эффекта вm-s-структурах при изменении ширины запрещённой зоны E_g или пороговая энергия прямых оптических переходов E₀ по плоскости m-s-перехода (рис.1).

В первом случае световой поток Ф направлен на m-s-переход через полупроволник и E₀ убывает в направлении распространения света (рис.1,а). В этом случае, как и в оптоспектрометрическом элементе на основе варизонной p-n-структуры, монохроматический свет поглощается и генерирует электронно-дырочные пары локально в окрестности плоскости, в которой E₀ близко к энергии фотонов hν. При малой ширине светового т потока и малых величинах диффузионно-дрейфовых длин неосновных носителей электронно-дырочные пары дадут фототок I, если световой поток направлен на линию пересечения этой плоскости с плоскостью m-s-перехода. Зависимость фототока структуры от координаты узкого светового потока, изменяющейся по направлению проекции вектора ∇E₀ на плоскость m-s-перехода, оказывается δ-образной. При наличии в световом потоке фотонов с разными энергиями каждой энергии будет соответствовать своя плоскость поглощения и своя линия пересечения её с плоскостью m-s-перехода. Поэтому зависимость фототока от координаты воспроизводит спектральный состав светового потока (рис.1,а).

Рис.1 схема конструкцииваризонных т-s-структур для наблюдения оптоспектрометрического эффекта [4]

Сканирование световым потоком Ф производилось по плоскости m-s-перехода. Пороговая энергия прямых переходовE₀ изменяется в направлении распространения света. а-уменьшение E₀, освещение через полупроводник; б-уменьшение E₀, освещение через полупрозрачный слой металла; в-увеличение E₀, освещение через полупрозрачный слой металла; г-спектр светового потока. 1-фототокI, 2 - dI/dy.

В двух случаях, типичных по характеру освещения m-s-структуры, световой поток Ф направлен на m-s-переход через полупрозрачный слой металла (рис.1,б, в). Поглощение света и генерация электронно-дырочных пар происходит вблизи металла в слое полупроводника, где E0 < hν. При этом зависимость I от у для монохроматического света имеет вид пороговой кривой, а δ-образный вид имеет зависимостьdI/dy от у. Поэтому для воспроизведения спектрального состава светового потока необходимо использовать зависимость dI/dy от у, а оптоспектрометрический эффект в варизонных m-s-структурах для светого потока, направленного на m-s-переход через полупрозрачный слой металла, видимо, целесообразно назвать дифференциальным. Дифференциальный оптоспектрометрический эффект в варизонной m-s-структуре в случае (рис.1, в) при возрастании E_g в направлении распространения света был изучен как теоретически, так и экспериментально [4].

Целью данной работы являются экспериментальное исследование оптоспектрометрического эффекта в варизонной m-s-структуре, для случая, когда световой поток направлен на m-s-переход через широкозонный полупроводник (рис.1,а) и создание спектрометрического элемента на основе такой структуры и изучение его свойств.

В этом случае, если световой поток (Ф), содержащий фотоны нескольких энергий, сфокусировать в узкую линию и перемещать её по поверхности структуры полупроводник (s) – металл (m) в направление у (рис.1,а), то зависимость фототока (I) от у должна воспроизводить спектральный состав светового потока (Ф), так как в этих структурах ширина запрещённой зоны полупроводника изменяется как в направлении, перпендикулярном плоскости m-s-перехода, так и в плоскости m-s-перехода.

Для получения удовлетворительных параметров спектрометрического элемента на основе m-s-структуры при приблизительном совпадении направлений светового потока и вектора ∇E₀, абсолютная величина градиента пороговой энергии прямых переходов должна находиться в пределах

(1)

(K₀ – коэффициент поглощения при энергии фотона hν равной пороговой энергии прямых переходов^-1-1– обратная крутизна края поглощения, L⁺ - диффузионно-дрейфовая длина неосновных носителей в направлении убывания E₀, W-ширина слоя объёмного заряда, К-коэффициент поглощения).

Полуширина аппаратной функции, измеренная на половине её максимальной величины, в координатах у и hν составляет, соответственно

δ_у =2,45

δ_ν =2,45ε (2)

Сравнивая аппаратные функции спектрометрических элементов на основе m-s-структуры [4] и на основе p-n-структуры [5], можно видеть, что они одинаковы по форме в случае одинаковой экспоненциальной зависимости К от hν. Спектральное разрешение обоих элементов при одинаковом ε должно быть одинаковым. Однако в m-s-структурах за счёт использования в них полупроводника с одним типом проводимости могут быть получены меньшие величины ε, чем в p-n-структурах. Это может датьm-s-структуре преимущество по спектральному разрешению.

Реальный спектрометрический элемент представляет собой варизонную Ga₁-_xAl_xAs m-s-структуру (рис. 2), в которой величина х изменяется вдоль m-s-перехода и возрастает вглубь кристалла, направление ∇E₀составляло угол α = 0,01 ÷ 0,1 рад с перпендикуляром к плоскости m-s-перехода, а величина эВ/см. В плоскости m-s-перехода проговая энергия прямых оптических переходов (E₀) изменяется от 1,45 до 1,92 эВ и E₀ = E_g, поскольку варизонный твёрдый раствор Ga₁-_xAl_xAs при E₀ = 1,92 эВ является прямозонным.

Такая варизонная m-s-структура и на её основе спектрометрический элемент создавались следующим образом. Вначале выращивался варизонный слой n-Ga₁-_xAl_xAs методом жидкофазной эпитаксии при охлаждении в атмосфере H₂ на подложке n-GaP, ориентированной по кристаллографической плоскости (111). Варизонные кристаллы Ga₁-_xAl_xAs были n-типа, разность концентраций ионизированных доноров и акцепторов n = N_d – N_a , определённая из вольт-фарадных характеристик, составляла (0,5-6) · 10¹⁶ см^-3 при 300 К [8]. Величина х выращенного кристалла была наибольшей на границе с подложкой, составляла 0,4 ÷ 0,5 и плавно уменьшалась в направлении от подложки до величины 0,02 - 0,05. Толщина варизонного слоя составляла 80 ÷ 100 мкм. Затем на варизонном слое делался косой шлиф длиной 4 ÷ 5 мм и производилась механическая и химическая полировка. Далее создавался омический контакт вплавлением сплава 97%In + 3%Te в эпитаксиальный слойn-Ga₁-_xAl_xAs за пределами косого шлифа в атмосфере Н₂.

В настоящей работе сообщается о создании и исследовании характеристик спектрально-селективных координатно-чувствительных спектрометрических злементов, выполненных на основе варизонной m-s-структуры. Для спектрометричеких элементов использовались структурыAu–n-Ga₁-_xAl_xAs/n-GaP, в которых активный слой Ga₁-_xAl_xAs был варизонным, а их ширины запрещённой зоны E_gизменяются в двух направлениях, как в плоскостиm-s-перехода, так и в направлении, перпендикулярном ей (рис. 2). Барьерный контакт Au, создающий m-s-переход, располагался на косой поверхности варизонного кристалла Ga₁-_xAl_xAs. Перед химическим осаждением слоя золота (Au) косая поверхность варизонного слоя n-Ga₁-_xAl_xAs обрабатывалась в бромметаноловом травителе 4% Br₂ + 96% CH₃OH[3]. Толщина барьерного контакта нанослоя золото составляла 10-15 нм. Для улучшения свойств гетерограниц между активным слоем Ga₁-_xAl_xAs и подложкой GaP создан буферный слой переменного состава Ga₁-_xAl_xAs_1-уР_у с х и у, изменяющимися в пределах 0,38 ≤ х ≤ 0,45 и 0,04 ≤ у ≤ 0,20 по методике [7]. Этот слой приводит к улучшению фотоэлектрических характеристик активного слоя Ga₁-_xAl_xAs (0,04 ≤ х ≤ 0,38) и спектрометрического элемента. Омический контакт (In + 4% Te) расположен на поверхности n-Ga₁-_xAl_xAs, а вывод (In) располагается на поверхности слоя Au. Световой поток Ф направлялся на m-s-переход через подложку n-GaP.

Рис.2.Реальная конструкция спектрометрическогоэлемента на основе варизонной Ga₁-_xAl_xAs m-s-структуры при освещении m-s-перехода через полупроводник. Сканирование световым потоком Ф производилось по плоскости m-s-перехода.

1 – подложка (GaP), 2 – буферный слой (Ga₁-_xAl_xAs_1-уР_у) 3 – варизонный кристалл (Ga₁-_xAl_xAs), 4 – омический контакт (In + 4% Te) и вывод (In), 5 – барьерный контакт (Au).

Спектрометрические элементы монтировались в фотодиодных корпусах«порог» таким образом, чтобы можно было освещать их со стороны полупроводника (GaP). Электрический монтаж производился серебряной проволокой диаметром 0,1 мм, котороя припаивалась к омическому контакту и к слою золота за пределами косого шлифа индием при температуре 150-200^оС на воздухе. Спектрометрический элемент работал в режиме фотоэлектрогенератора. Все измерения проводились при комнатной температуре. Размер спектрометрического элемента по оси у составлял ~3÷ 6 мм, в направлении, перпендикулярном плоскости yz ~1,5 ÷ 2 мм, а по оси z ~0,3÷ 0,4 ммвместе с подложкой GaP. Методика измерения оптоснектрометрического эффекта подробно изложена в работах[4, 6]. С помощью спектрометрического элемента записывался спектр неоновой лампы (ТН-0,2) для оценки качества воспроизведения спектро светового потока, содержащего большое количество спектральных линий. В этом случае источник света – неоновая лампа, помещалась на месте монохроматора и устанавливалась вблизи регулируемой оптической щели. Ось щели была перпендикулярна плоскости у. Спектрометрический элемент перемещался с помощью электропривода в направлении у, перпендикулярно оптической оси. При освещении спектрометрического элемента со стороны широкозонного полупроводника (рис.2) измерялись зависимость фототокаI от у при фиксированномhν.

Экспериментальное изучение спектрометрического элемента на основе Au–n-Ga₁-_xAl_xAs/n-GaP структуры при освещении со стороныn-GaP (рис.2) заключалось в следующем. Во-первых, изучались спектральные зависимости фототока короткого замыкания I при различных фиксированных значениях координаты у. результаты этих исследований использовались для определения зависимости E₀,ε и аппаратной функции от у, а также дисперсионной кривой.

Во-вторых, исследовалась зависимость I от у при различных фиксированных значениях энергии фотонов hν. Из этих исследований определялась реальная аппаратная функция в зависимости от у и дисперсионная кривая.

В-третьих, с помощью спектрометрического элемента регистрировался спектр неоновой лампы для оценки качества воспроизведения спектра светового потока, содержащего большое количество спектральных линий.

В первом и втором случаях световой поток создавался с помощью призменного монохроматора ИКМ-1 (или ДМР-4) с лампой накаливания (СИ-300-10, КИМ-75-9). В третьем случае для записи спектра неоновой лампы ТН-0,2, она помещалась на месте монохроматора.

Спектральные зависимости фототока для нескольких фиксированных значений у, как видно из рис. 3а, имеетδ-образную форму, а их полуширины

Рис.3. Спектральные зависимости фототока (I) спектрометрического элемента на основе варизонной Ga₁-_xAl_xAs m-s-структуры в линейном (а), полулогарифмическом (б) масштабах при различных значениях координаты у, мм: 1-0; 2-0,7; 3-1,4; 4-2,1.

Составляют 0,020 ÷ 0,050 эВ. Энергия максимума спектров фототока плавно увеличивается с ростом у от 1,44 до 1,9 эВ (рис.3а, 4б). При hν < E₀ зависимость I от hν имеет экспоненциальный участок, охватывающий почти два порядка изменения (рис.3б). по наклону этого участка определялась крутизна кривой поглощения

^-1 ,

Которая составляла 0,013 ÷ 0,020 эВ. Как и в работе [6] ε увеличивается с ростом х.

Рис.4. Аппаратная функцияI(а),дисперсионная кривая (hν_т) и пороговая энергия прямых переходов Е₀(б), полуширина аппаратной функции δ_ν (в) и её амплитуда

·

Экспериментальная (0-3) и расчётная (●-4) полуширина аппаратной функции изменяются с изменением у (см. Рис. 4в). Полуширина аппаратной функции составляет δ_ν = 0,02-0,05 эВ при изменении у в пределах 0-3 мм.

Квантовая фоточувствительность в максимуме Ԛ_mпри изменении у изменяется в пределах ±10% своей средней величины и составляет Ԛ_m = 0,10 – 0,30 эл./фот. (рис. 4г). Изменения Ԛ_m с координатой у таковы, что Ԛ_m пропорциональна .

На рис. 5 представлены спектр неоновой лампы, регистрируемый спектррометрическим элементом и спектр этой же лампы, регистрируемый спектрометрическим элементом и спектр этой же лампы, регистрируеммый призменным монохроматором с кремниевым фотодиодом. Как видно, спектр неоновой лампы воспроизводится с помощью спектрометрического элемента с точностью, достаточной для определения положения и интенсивности основных линий.

Итак, на основе варизонной Au–n-Ga₁-_xAl_xAs/n-GaP структуры при освещении m-s-перехода со стороны полупроводника обнаружен оптоспектрометрический эффект.

Сопоставим реальный спектрометрический элемент при освещении m-s-перехода со стороны полупроводника с рассмотренной выше моделью [формула (2)].

Рис.5. Спектр неоновой лампы, регистрируемый спектрометрическим элементом на основе варизоннойGa₁-_xAl_xAsm-s-структуры (1) и призменным монохроматором (2). Световой поток направлен на m-s-переход через широкозонный полупроводник.

Поскольку разность E₀ - hν_m положительна и соизмерима с полушириной аппаратной функции в координатах hν, то основное поглощение света в элементе происходит в тех участках кристалла, где hν < E₀, т.е. на экспоненциальном участке края поглощения. Однако, близость γ к максимально предельно допустимомуγ_maх приводит к тому, что для тех участков кристалла, где γ особенно велики (у > 1,5 мм), коротковолновый склон аппаратной функции имеет меньшую крутизну, чем теоретически рассчитанная, а полуширина аппаратной больше, чем теоретически рассчитанная (рис.4в). Как можно видеть, при у < 1,5 мм, где γ < γ_maх, экспериментальное значение полуширины аппаратной функции равно теоретическому значению δ_ν = 2,45ε. Увеличение измерений амплитуды аппаратной функции по диапазону обусловлено тем, что γ зависит от у. уменьшение γ на краях диапазона приводит к снижению амплитуды аппаратной функции. Как и следует из теоретических расчётов.

При у < 1,5 мм, где γ < γ_maх, когда условия, принятые при рассмотрении модели спектрометрического элемента, оказались выполненными, аппаратная функция совпала с теоретической [4].

Таким образом, можно констатировать, что в варизонной m-s-структуре при освещении со стороны широкозонного полупроводника наблюдается оптоспектрометрический эффект, соответствующий теоретической модели. Спектрометрический элемент на основе варизонной m-s-структуры является новым типом полупроводникового оптического спектрометра, которые сочетает в себе свойства диспергирующего элемента, выходного коллиматора и фотодетектора оптических спектрометров. Такое совмещение нескольких функций в одной варизонной m-s-структуре осуществлено впервые.

Полупрводниковый оптический спектрометр с ьарьером Шоттки позволяет регистрировать спектры излучения с высокой чувствительностью и разрешающей способностью. Особенно перспективно использование полупроводникового оптического спектрометра в космических аппаратах благодаря его малому весу и габаритом.

ЛИТЕРАТУРА

Алфёров Ж.И. Физика и жизнь. М.: Наука, 2001. 288 с.

Пека Г.П., Коваленко В.Ф., Смоляр А.Н. Варизонные полупроводники / [под ред. Г.П. Пеки]. К.: Выща школа, 1989. 251 с.

Фотоэлектрический эффект в варизонных поверхностно-барьерных структурах / А.Беркелиев, Ю. А. Гольдберг, А.Н. Именков [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 1978. –Т. 12 – Вып. 1. – С. 96 – 101.

Дифференциальный оптоспектрометрический эффект в варизонной m-s-структуре / А.Беркелиев, Ю. А. Гольдберг, Т.Н. Именков [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 1976. – Т. 10. – Вып. 12. – С. 2352 – 2360.

Устройство для спектрометрирования световых потоков / Д. Мелебаев, А.Г. Дмитриев, А.Н. Именков [и др.]. 1977.

Оптоспектрометрический эффект в полупроводниках / В.В. Гутов, Т.Н. Данилова, А.Н. Именков [и др.]. // Физика и техника полупроводников. – 1975. – Т. 9. – Вып. 1. – С. 52 – 57.

Мелебаев Д. Спектрометрический элемент на основе варизонной m-s-структуры// Труды IX Междунар. научно-практ. конф. «Современные информационные и электронные технологии». Одесса, 2008. С. 165.

Мелебаев Д. Фотоэлектрические явления в структурах Au-Gal-_xAl_xAs с разнодолинным Г-Х-переходом // Материалы V Междунар. науч.конф. «Физико-химические основы формирования и модификации микро - и наноструктур». Харьков, 2011. Т. 2. С. 487 - 493