Фоточувствительность au-ga2o3(fe)-n-gap наноструктур в уф области спектра

УДК 621.382

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬAu-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP НАНОСТРУКТУР

В УФ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

К.ф.-м.н. Д.Мелебаев¹, А.М.Ташлиева¹, к.ф.-м.н. И.Н.Туджанова¹,

д.т.н. Айкутлу Дана², С.Буржуев²

¹Физико-математический институт АНТ, г. Ашхабад, Туркменистан

²Билкентский университет – UNAM, г. Анкара, Турция

dmelebay@yandex.ru

Аннотация– Фоточувствительные наноструктурыAu-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP созданы методом химического осаждения. Свойства структур исследовались фотоэлектрическим методом, а морфология и структура оксидного слоя Ga₂O₃(Fe) исследовались на сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах. При энергии фотонов hν>5,0 эВ в структуре обнаружен фототок, обусловленный фотовозбуждением электронно-дырочных пар в диэлектрике и разделением их полем барьера. Обнаруженные явления в наноструктурах позволяют создавать новые тип фотоприемников, имеющих важное практическое значение.

Ключевые слова: фоточувствительность, наноструктура, оксид галлия, оксид железа, фотоприемники.

В последнее время в связи с требованиями медицины, биологии и проблемой «озоновой дыры» усилился интерес к полупроводниковым фотоприемникам ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра [1]. Наиболее перспективными приборами в этом спектральном диапазоне являются фотоприемники на основе структур металл (М)– диэлектрик (Д) – полупроводник (П) с барьером Шоттки [2]. В работах [3, 4] при исследовании фоточувствительных Au-окисел-n-GaP наноструктур в УФ области спектра были обнаружены новые закономерности. В длинноволновой части спектра наблюдался максимум hν_m=2,35 эВ, а в коротковолновой части спектра при hν>5,1 эВ наблюдался рост фоточувствительности с увеличением hν.Однако, в указанных работах не были выяснены природы длинноволнового максимума и причины коротковолнового роста I_fo при hν>5,1 эВ. Настоящая работа посвящена изучению этого вопроса.

Можно предположить, что причиной обнаруженных особенностей спектра данных структур является присутствие в них на границе полупроводник-металл оксида железа, появляющегося там вследствие обработки поверхности бромидом железа. Для выяснения влияния оксида железа (Fe₂O₃) на спектр фототока барьеров Шоттки были созданы два типа МДП структур на основеGaP. Первая структура содержит оксид железа, а вторая – не содержит. Технология изготовления и основные параметры наноструктурированных фотодиодов Шоттки на основе n-GaP подробно освещены в [4]. После химического травления смесью Br₂(4%)+C₂H₅OH(96%) с последующей промывкой в этаноле, поверхность n-GaP обрабатывалась этаноловым раствором бромида железа (FeBr₂·6H₂O). На химически обработанной поверхностиGaP последовательно создавались нанооксидный слой (Ga₂O₃) с оптимальной толщиной δ=3-5 нм, а затем барьерный контакт нанесением нанослояAu толщиной 12-14 нм. Оксидный слой и барьерный контакт создавались химическим методом [3].

Основные результаты исследований фотоэлектрическими методами, а также на сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах показаны на рис. 1 и рис. 2, а, б.

В структурах содержащих железа в видимой (2-3 эВ) и УФ (5-6,2 эВ) областях спектра обнаружены новые закономерности (рис. 1, кривая 2). В длинноволновой части спектра наблюдается максимум при hν_m=2,35 эВ. Это, связано с образованием на границе раздела полупроводник-металл оксида железа (Fe₂O₃), ширина запрещенной зоны которогоE_gox≈2,3 эВ. В УФ части спектра в интервале 5,0-6,2 эВ наблюдается рост фоточувствительности с увеличением hν. В структурах, не содержащих оксид железа такая закономерность не обнаружена (рис. 1, кривая 1).

При освещении структуры Au-окисел-n-GaP, оксидный слой Ga₂O₃, легированный Fe, и нанослой Au находятся под влиянием высокого внутреннего электрического поля (E_mo≥10⁵ В/см) объемного заряда и под действием квантов высоких энергий hν>5 эВ, т.е. при больших значениях коэффициента поглощения света k≥10⁶ см^-1, в диэлектрике возникает фототок, обусловленный фотозабросом носителей заряда из контакта и последующим их перемещением по разрешённым зонам [5]. Окисный слой Ga₂O₃(Fe), по данным исследований морфологии и структуры на электронных микроскопах имеет специфическую особенность (рис. 2, а), поэтому можно предположить, что в данном случае существует несколько механизмов переноса носителей заряда через слой Ga₂O₃.

Таким образом, присутствие ферромагнитного атома железа на границе раздела структур способствует созданию атомарно-чистой поверхности полупроводника и возникновению в структуре специфических свойств [6], что доказывается обнаруженными явлениями в Au-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP структурах в коротковолновой области спектра при hν>5 эВ (рис. 1, кривая 2). Это позволяет создать новый тип оптоэлектронных приборов (рис. 2, б), которые могут найти широкое применение.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Полупроводниковые фотопреобразователи для ультрафиолетовой области спектра//ФТП, -2003. –Том 37, №9, -С. 1025-1055.

2. А. С. №1634065 СССР. Фотоприемник//Мелебаев Д., Гольдберг Ю.А., Дурдымурадова М.Г., Царенков Б.В. – 02.12.1988.

3. 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.

4. Мелебаев Д., Ташлиева А.М., Рудь. Ю.В., Рудь В.Ю.Исследование спектра фоточувствительности Au-Ga₂O₃-n-GaP для определения ширины запрещенной зоны оксида Ga₂O₃//ТрудыXIII Международная научно-практическая конференция «Современные информационные и электронные технологии», Украина, Одесса, -2012, -С. 288.

2. Барабан А.П., Булавинов В.В., Коноров П.П. Электроника слоев SiO₂ на кремнии/Л.: Издательство Ленинградского университета. -1988. 304 с.

3. Коттам М.Г., Локвуд Д.Дж. Рассеяние света в магнетиках/М.: Наука, -1991. 272 с.

PHOTOSENSITIVITY OF Au-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP NANOSTRUCTURES

IN ULTRAVIOLET SPECTRAL REGION

D.Melebayev, A.M.Tashlieva, I.N.Tujanova, Aykutlu Dana, S.Burzhuev

Annotation– Photosensitive Au-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP nanostructures were created by chemical deposition method. Characteristics of these structures were researched by photoelectric method, and morphology and structure of the oxide layer were investigated on the scanning and transmission electron microscopes. At the photon energy hν>5,0 eV in the structure photocurrent was found out. The photocurrent was determined by electron-hole pairs light activation in a dielectric and theirs uncoupling by barrier field. Uncovered effects in the nanostructures make it possible to create new photodetectors for practical use.

Key words: photosensitivity, nanostructures, gallium oxide, iron oxide, photodetectors.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/555029-fotochuvstvitelnost-au-ga2o3fe-n-gap-nanostru