Фоточувствительность наноструктурированных барьеров шоттки au-оксид-n-gaas0.6p0.4 в уф-области спектра

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ БАРЬЕРОВ ШОТТКИ Au-оксид-n-GaAs_0.6P_0.4

В УФ-ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Д.Мелебаев.

В области физики барьеров Шоттки “металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)”, нанотехнологии, в частности наноструктурирование, используются для создания высокоэффективных фотоприемников (ФП) ультрафиолетового (УФ) излучения [1, 2].

В данной работе приведены результаты изучения влияния толщины про-межуточного диэлектрического (оксидного) нанослоя в поверхностно-барьерных структурахGaAs_0.6P_0.4 на их фоточувствительность в УФ области. Сообщается о разработке высокоэффективного фотоприемника УФ излучения, выполненного на основе Au-оксид-n-GaAs_0.6P_0.4 МДП наноструктуры.

Исходным материалом для изготовления структур служили эпитаксиаль-ные слои постоянного состава n-GaAs_0.6P_0.4[n=(5-7)∙10¹⁶ cm^-3, 300 K], толщиной 40-80 мкм, выращенные методом газофазной эпитаксии на подложке из n⁺-GaAs (n⁺≈6∙10¹⁷ сm^-3). На подложке n⁺-GaAs создавался омический контакт вплавлением индия. На поверхности слоя n-GaAs_0.6P_0.4 сначала формировался оксидный слой различной толщины δ=10-100 Å. Затем создавался барьерный контакт нанесением нанослоя Au толщиной 12-14 нм. Оксидный (диэлектрический) нанослой и барьерный контакт создавались химическим методом [2, 3]. Перед формированием диэлектрического слоя поверхность эпитаксиального слоя n-GaAs_0.6P_0.4 обрабатывалась в бромметиловом травителе 4% Br₂ + 96% CH₃OH [3]. Диэлектрическим слоем служил собственный оксид GaAs_0.6P_0.4. Его ширина запрещенной зоны составляетEg_ok≈5.1 эВ (300 К). Площадь барьерного контакта у разных структур составляла 0.04-0.6 см². К барьерному и омическому контактом припаивались серебряные провода диаметром 0.1 мм. Готовая структура устанавливалась в стандартный фото-диодный корпус “ПОРОГ”с кварцевым окном.

Исследовались вольт-амперные (I-U), вольт-фарадные (C-U) характерис-тики и спектр фототока короткого замыкания I_f0(h) в диапазоне энергией фотонов 1.5-5.5 эВ при 300 К. Зависимость прямого темнового тока от напряжения I (U), в интервале плотностей токов 10^-7-10^-2 А/см² оказалось экспоненциальнойI=I₀exp(qU/kT). Из этой зависимости определялся коэффициент идеальности структур . В наших экспериментах  зависел от толщины промежуточного диэлектрического слоя δ [4]. Из эллипсометрических, I-U иC-U экспериментальных данных была установлена эмпирическая зависимость δ от . Эта зависимость оказалась линейной: δ=а(-1), где эмпирический коэффициент а=125 Å. Это эмпирическое соотношение служило для определения δ и в других структурах по измеренным для них значениям .

При освещении разных структур (с разными коэффициентами ) ультрафиолетовым светом с энергией фотонов h=3.4 эВ нами установлена оптимальная толщина оксидного слоя (Ga₂O₃) для создания УФ фотоприемников. Установлено, что оптимальная толщина составляет δ≈30-60Å. Основные результаты исследований фоточувствительности структур Au-окисел-n-GaAs_0.6P_0.4 проиллюстрированы на рисунках 1, 2.

Рис. 1

На рис.1 представлены спектры фототока структур Au-окисел-n-GaAs_0.6P_0.4 с различной толщиной диэлектрического слоя δ=10-90 Å (=1.07-1.70). В структурах с очень тонким диэлектрическим слоям (δ≈10 Å, рис.1, кривая-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 ФЧ. В структурах с относительно толстым диэлектрическим слоям (δ≈83 Å, рис.1, кривая-3) переход фотодырок в металл затруднен и они накапливаются вблизи границы полупроводник-диэлектрический слой, что приводит к их рекомбинации с фотоэлектронами и, следовательно, к уменьшению коротко-волновой ФЧ. В структурах, в которых δ≈47 Å, диэлектрический слой достаточно толст, чтобы заметно затруднить переход горячих фотоэлектронов из полупроводника в металл, в то же время достаточно тонок, чтобы не сильно препятствовать переходу фотодырок из полупроводника в металл. Здесь относительная коротковолновая ФЧ [I_f0(4.0 эВ) / I_f0(h_m)] в 1.5-2 раза выше, чем в структурах с очень тонким (δ≈10 Å) и относительно толстым (δ≈83 Å) диэлектрическими слоями.

В результате были разработаны высокоэффективные ФП УФ излучения на основе Au-Ga₂O₃-n-GaAs_0.6P_0.4 наноструктур с оптимальной толщиной оксидного слоя (δ=30-60 Å). Созданный ФП по конструкции и технологии выгодно отличается от известных GaAs_1-xP_x фотоприемников [5, 6] и имеет более высокую ФЧ в коротковолновой УФ области спектра.

Разработанные фотоприемники можно использовать в экологической диапазоне УФ части солнечного спектра =280-400 нм (h=3.1-4.43 эВ). Фотоприемники в указанном диапазоне УФ излучения имеют практически постоянную ФЧ (S_I≈0.15 А/Вт, рис.2, кривая-1).

Рис. 2

Для применения ФП в качестве основного элемента интенсиметра и дозиметра спектр его токовая ФЧ корректируется светофильтрами УФС-1 (d=3мм, рис.2, кривая-2) и УФС-2 (d=2мм, рис.2, кривая-3). Использование фильтра УФС-2 вместо кварцевого окна в стандартном корпусе существенно смещает максимум спектра ФЧ в коротковолновую УФ область (h_max=3.65 эВ, рис.2, кривая-3). Такой фотоприемник чувствителен только к УФ излучению экологического диапазона =280-400 нм (рис.2, кривая-3). Установлено, что при прямом солнечном освещении ФП с фильтром УФС-2, зависимость I_f0 от плотности потока излучения Р в интервале Р=10^-3-10² Вт/м² линейная, т.е. I_f0=α∙Р, где α-коэффициент пропорциональность, для каждого ФП постоянная величина. Созданный ФП на основе Au-оксид-n-GaAs_0.6P_0.4 использован для измерения интенсивности и дозы УФ излучения Солнца достигающей земной поверхности [7].

Таким образом, промежуточный оксидный нанослой (Ga₂O₃) толщиной δ≈30-60 Å между полупроводником и металлом приводит к существенному увеличению коротковолновой фоточувствительности фотоприемников Au-оксид-n-GaAs_0.6P_0.4. В результате технологических и экспериментальных исследований созданыGaAs_0.6P_0.4 МДП наноструктуры и разработана УФ фотоприемники нового типа на их основе. В области спектра =280-400 нм они имеют более высокую фоточувствительность по сравнению с известными GaAs_0.6P_0.4 фотоприемниками. Разработанные и созданные фотоприемники могут найти широкое применение в экологическом приборостроении и практической медицине, а также в различных областях современной науки и техники.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Мелебаев Д. Фотоприемники УФ-излучения на основе наноструктур Au-окисел-n-GaP // Тр. Междунар. науч.-технич. конф. “Нанотехнологии функциональных материалов”. –Россия, г.Санкт-Петербург. -2010. -С.114-115.

2. Мелебаев Д. Фоточувствительность наноструктурированных диодов Шоттки Au-окисел-n-GaP в УФ области спектра // Тр. Российской конф. и школы по актуальным проблемам полупроводниковый нанофотоэлектроники “Фотоника-2011”. –Россия, г.Новосибирск. -2011. -С.111.

3. Мелебаев Д., Мелебаева Г.Д., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. Фоточувствительность и определение высоты барьеров Шоттки в структурах Au-n-GaAs // ЖТФ. -2008. –Т.78, №1. -С.137-142.

4. Card H.C., Rhoderick E.H. Studies of tunnel MOS diodes I. Interface effects in silicon Schottky diodes // J. Phys. D: Appl. Phys. -1971. –V.4. –p.1589-1601.

5. Каталог. “Hamamatsu” ФотоприемникиSi, GaAsP, GaP. Япония (1995).

6. Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Полупроводниковые фотопреобразователи для ультрафиолетовой области спектра // ФТП. -2003, -Т.37, вып.9, -С.1025-1055.

7. Melebaev D. Creation of Photodetectors of Solar Vetravilet radiation of Ecological pange // Problems of use of alternative energy sources in Turkmenistan. Abstracts of ISC, Ashkhabad. -2010, -p.100.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/555030-fotochuvstvitelnost-nanostrukturirovannyh-bar