Оптические свойства фосфида галлия и фотодиоды шоттки на его основе

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФИДА ГАЛЛИЯ И

ФОТОДИОДЫ ШОТТКИ НА ЕГО ОСНОВЕ

Мелебаев Д.

Аннотация

В данной работе рассмотрены оптические и люминесцентные свойства фосфида галлия (GaP) и спектральные характеристики GaPp-n,m-s-структур для изучения энергетической зонной структуры GaP. Исходя из литературных данных построена зависимость коэффициента поглощения вблизи и выше края фундаментального поглощения от энергии фотона hν=2-6 эВ в GaP (300 К) для обсуждения полученных экспериментальных результатов.

Приводятся результаты изучения спектров фоточувствительности барьеров ШотткиAu-n-GaP,Au-p-GaP, изготовленных методом химического осаждения нанослоя Au (~15 нм) на поверхности GaP.

Сопоставлением спектра поглощения GaP со спектрами фототока Au-n-GaP и Au-p-GaP структур в видимой и ультрафиолетовой (УФ) области спектра установлено, что обычно фототок ( ) в m-s-структурах при hν меньшей энергии прямых оптических переходов (Е₀) экспоненциально увеличивается с ростомhν, при hν>E₀ он возрастает сначала линейно, а затем – сублинейно. Линейный участок в спектре начинается при hν=E₀, что позволяет определить E₀непосредственно из спектра m-s-структуры при освещении m-s-перехода через нанослой Au. Использованием этой методики определенаE₀, для GaPn- и p-типа она составила 2,80-2,83 эВ (300 К). Фотоэлектрическим измерением GaPm-s-структур по методике Спитцера и Мида определена ширина запрещённой зоны (Е_g)GaP, она составила 2,26 эВ (300 К) как для n-, так и для p-типа.

В данной работе впервые исследован спектр фоточувствительностиAu-p-GaP в широкой области энергий фотонов и получены новые данные об энергетической зонной структуре GaP и сделан вывод о возможности использованияAu-p-GaP структур для создания высокоэффективных фотоприёмников УФ излучения.

Abstract

In this paper, the optical and luminescent properties of gallium phosphide (GaP) and spectral characteristics of GaP p-n, m-s structures for studying the energy-band structure of GaP were considered. Based on literature data, the absorption coefficient dependence was constructed near and above the fundamental absorption edge of the photon energy hν=2-6 eV in GaP (300 K) to discuss the obtained experimental results.

The results of the photosensitivity spectra study of Au-n-GaP, Au-p-GaP Schottky barriers are presented, which were produced by the chemical deposition of Au nanoscale (~15 nm) on the GaP surface.

By comparing the absorption spectrum of GaP with the photocurrent spectra of Au-n-GaP and Au-p-GaP structures in the visible and ultraviolet (UV) region of the spectrum, it has been established that usually the photocurrent () in m-s structures increases exponentially with the growth of hν, at hν> it increases first linearly and then sublinearly. The linear section in the spectrum begins at hν=, which makes it possible to determine directly from the spectrum of the m-s structure when the m-s junction is illuminated through the Au nanolayer. Using this technique, was determined, for GaP n- and p-type it was 2.80-2.83 eV (300 K). Photoelectric measurement of GaP m-s structures by Spitzer and Mead method determined the width of the band gap () of GaP, it was 2.26 eV (300 K) for both n- and p-type.

In this paper, for the first time was investigated the photosensitivity spectrum of Au-p-GaP in a wide range of photon energies and new data on the GaP energy-band structure were obtained, and also it was concluded that Au-p-GaP structures can be used to make UV photoreceivers with high-performance.

Ключевые слова: зонная структура, поглощение, фосфид галлия, p-n-структура, фоточувствительность, m-s-структура, ширина запрещённой зоны, высота барьера, золото.

Keywords:energy-band structure, absorption, gallium phosphide, p-n structure, band-gap width, barrier height, gold.

Введение

Ведущие научные центры мира в последние годы усиленно занимаются исследованием свойств широкозонных полупроводников A³B⁵ и барьерных структур на их основе для создания эффективных электронных и оптоэлектронных полупроводниковых приборов [1-5]. Подавляющее большинство из них основано на гетероструктурах, состоящих из толстых слоёв GaN и тонких (единицы или десятки нанометров) слоев AlGaN и InGaN с содержанием алюминия и индия не более 30%. В отдельных случаях в конструкции приборных структур содержатся слои AlN (зародышевые, буферные или барьерные), также, однако, небольшой толщины. В тоже время введение в конструкцию прибора толстых (единицы микрон) слоёв AlN в качестве изолирующих буферных слоёв или широкозонных окон для ввода и вывода излучения со стороны подложек, позволяет улучшать параметры уже существующих приборов и создать приборы нового типа [6-8]. В работе [9] представлен обзор свойств полупроводниковых материалов с широкой запрещённой зоной, таких как алмаз, алмазоподобные углеродные плёнки, SiC,GaP,GaN и AlGaN/GaN, которые используются к электронным, оптоэлектронным и микроволновым применениям; обсуждаются самые последние достижения и перспективы развития на основе экспериментальных и теоретических результатов, полученных для полупроводниковых приборов с широкой запрещённой зоной.

В последние годы в связи с требованиями медицины, биологии, военной техники и проблемой «озоновой дыры» сформировалась ультрафиолетовая электроника. Её особенностью является необходимость регистрировать слабые, но сильно влияющие на жизнедеятельность человека сигналы на фоне мощного видимого и инфракрасного излучения. Основой ультрафиолетовой фотоэлектроники являются: p-n-структуры на основе Si, барьеры Шоттки на основе GaP,p-n-структуры и барьеры Шоттки на основе GaN и AlGaN (солнечно-слепые приборы), SiC-структуры с потенциальными барьерами (высокотемпературные приборы), ZnO- и ZnS-фоторезисторы и диоды Шоттки [2]. Для регистрации ультрафиолетового излучения более перспективны широкозонные полупроводниковые структуры с потенциальным барьером, в частности с барьером Шоттки на основе Au-окисел-n-GaP наноструктур, из-за высокой фоточувствительности в коротковолновой области спектра. В этих структурах при энергии фотонов hν>5 эВ начинается процесс лавинного умножения носителей заряда и происходит резкий рост коротковолновой фоточувствительности. Типичные значения токовой фоточувствительности вблизи hν≈6,0 эВ достигает ~0,25 А/Вт (300 К) в присутствии внутреннего электрического поля ( ) [10].

Эксперимент

Среди широкозонных полупроводников A³B⁵ особое место занимают бинарные полупроводники фосфида галлия (GaP). Одни из первых светодиодов красного и зелёного излучения были созданы на основе GaP [5,11,12] и накопленный с тех пор опыт исследований GaP открыл путь для дальнейшего усовершенствования светоизлучающих диодов и фотодиодов в коротковолновой области спектра и создания источников ультрафиолетового излучения на основе нитритов (бинарных полупроводниковых соединений InN,GaN,AlN и твёрдых растворов Al_xIn_1-xN,Al_xGa_1-xN).

ЭпитаксиальныеGaP-технологии, разработанные к настоящему времени в ряде научных центров позволяют получить высококачественные эпитаксиальные слои, которые могли бы случить основой для создания силовых электронных приборов и фотоэлектропреобразующих диодных структур различного назначения, работоспособных в температурном диапазоне до 400°С. Метод газофазной и жидкофазной эпитаксии, наряду с молекулярно лучевой эпитаксией [41], используется для получения высококачественных слоёв GaP и структур на их основе [13,14].

Настоящая работа посвящена изучению на основе литературных данных оптических свойств GaP,p-n–переходов и барьеров Шоттки на его основе; исследованию спектров фоточувствительности поверхностно-барьерных структур Au-n-GaP и Au-p-GaP с целью определения фундаментальных параметров фосфида галлия и сравнения полученных в ходе эксперимента результатов с коэффициентом поглощения света в GaP.

Для создания оптоэлектронных приборов (фотодиодов, светодиодов, лазеров) и других дискретных приборов необходимо знать оптические параметры и зонную структуру полупроводниковых материалов [15-18]. Одним из хорошо изученных полупроводников и разработанным технологически в промышленном масштабе является GaP. Некоторые свойства GaP представлены в таблице.

Таблица

Свойства GaP при комнатной температуре [5]

*Z – сфалерит, ПС – плотность состояний, ЗП –зона проводимости, ВЗ – валентная зона.

Большое внимание изучению энергетической зонной структуры и энергии электронных переходов между особыми точками в зоне Бриллюэна дляGaP посвящены многие работы [15,18,20-30].

Рис. 1. Зонная структура фосфида галлия[29].

Параметры зонной структуры приведены в работах [15,16,29,30].

Особенностью зонной структуры GaP является то, что абсолютный максимум валентной зоны расположен в центре зоны Бриллюэна при k=0 в точке с симметрией Г₁₅, а абсолютный минимум зоны проводимости – вблизи края зоны Бриллюэна в точке с симметрией Х₁ (рис.1). Таким образом, краевые межзонные переходы в GaP непрямые, они запрещены в первом порядке теории возмущений. Неизвестно, насколько смещён максимум валентной зоны от точкиk=0 вследствие отсутствия инверсионной симметрии [30]. Исходя из этой теории нельзя сказать, удалён ли и насколько от края зоны Бриллюэна минимум Е_с, а это существенно для знания числа эквивалентных минимумов (k=3 или k=6) [30]. (В тех случаях, когда число минимумов несущественно, можно считать особую точку Х расположенной на границе зоны Бриллюэна [31^a]).

Экспериментальное изучение энергетической зонной структурыGaP приводится на основе исследований спектров поглощения [26, 32^a, 33^a,33,34^a], спектров отражения [29,35^a], спектра вентильного фотоэффекта [27,28,36^a,70], эффекта Франца-Келдыша [34,35], электроотражения [36].

Оптические измерения являются наиболее подходящими при определении зонной структуры полупроводников. Электронные переходы, вызванные фотонами, могут происходить между различными зонами, что позволяет определять ширину запрещённой зоны (E_g). Если же они происходят в пределах одной зоны, то возникает поглощение на свободных носителях. Вблизи края поглощения, где значения (hν-E_g) сравнимы с энергией связи экситона, нужно учитывать кулоновское взаимодействие между свободной дыркой и электроном. Для hν<E_g поглощение происходит непрерывно из-за наличия возбуждённых состояний экситона. При hν>>E_g в процессах поглощения участвуют зоны с более высокой энергией и на коэффициент поглощения может сказываться сложная зонная структура (рис.1).

Спитцер и др. [26^a] измеряли спектр поглощения фосфида галлия при комнатной температуре в интервале 2,1÷2,8 эВ. Полученные результаты они объяснили непрямыми переходами вблизи порога (2,20 эВ) и сменяющими их прямыми переходами (Е₀) при более высоких энергиях. Зависимость коэффициента поглощения от энергии квантов возбуждающего света для прямых переходов в зоне проводимости фосфида галлия при отсутствии вырождения электронов имеет вид [34^a]:

. (1)

Здесьf₁₃–сила осциллятора для переходов с первой в третью подзону, энергетический зазор между которыми равен Δ₁₃;m_i^*–эффективная масса электрона в i-й подзоне, m^*=m₁^*m₃^*(m₁^*+m₃^*)^-1. Сравнение уравнения (1) с экспериментальной кривой поглощения показывает их удовлетворительное соответствие [34^a]. Если же предположить, что между ветвями зоны проходят непрямые переходы, то для данного конкретного случая расчитанная полоса поглощения сильно отличается от результатов эксперимента.

В квантовой теории поглощение и испускание инфракрасного излучения представляется как процесс взаимодействия фотонов и фононов. Фундаментальным полосам соответствует однофотонный процесс: поглощается квант света – возникает один фонон. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что таким фононом может быть только либо LO–, либо TO–фонон, поскольку акустические фононы при частотах колебаний, соответствующих инфракрасному спектру, обладают импульсом, значительно большим, чем кванты света [16].

Фотоны, имеющие энергию большую, чем ширина запрещённой зоны E_g, способны возбуждать электроны из валентной зоны в зону проводимости. Коэффициент поглощения для таких фотонов обычно порядка 10⁴ см^-1. Спектр поглощения фосфида галлия при комнатной температуре в интервале энергий фотонов: hν=2,1÷2,8 эВ [26]; hν=2,3÷3,1 эВ [38]; hν=2,3÷6,0 эВ [20] приведены в указанных работах. Использованием литературных данных построен график коэффициента поглощения для GaP в интервале hν=2,2÷6,0 эВ при 300 К (рис.2).

Оптические и люминесцентные свойства фосфида галлия рассмотрены во многих работах и показаны два типа оптических переходов [29,30] (рис.1). Когда волновой вектор k=0 полупроводника имеет «прямую зонную структуру», фосфид галлия обладает двумя типами переходов, как прямыми переходами (Е₀), так и непрямыми переходами (Е_g), но в самом деле GaP считается непрямозонным полупроводником. Коэффициенты поглощения света в таких полупроводниках как GaP, показаны на рис. 2.

Фосфид галлия оказался полупроводником, весьма удобным для оптических исследований. Ряд явлений, в первую очередь связанных с люминесценцией фосфида галлия, происходящей с участием примесных центров, был впервые обнаружен и подробно исследован именно в этом

Рис. 2. Коэффициент поглощения света в фосфиде галлия. Экспериментальные данные из работ: 1 – [26], 2 – [38], 3 – [20].

материале [30,37^a]. Поэтому полученных данных об оптических, люминесцентных и фотоэлектрических свойствах фосфида галлия могут оказаться весьма полезными при анализе рекомбинационного излучения различных широкозонных полупроводниковых материалов и структур на их основе [5].

Для исследования зонных структур полупроводников используются различные методы. Мид и Спитцер [27,53] предложили напылять металлическую плёнку на поверхность полупроводника и наблюдать фотовольтаический эффект. Фото-ЭДС пропорциональна оптическому поглощению, если область, обеднённая носителями, и диффузионная длина неосновных носителей в получающемся переходе гораздо меньше глубины проникновения света. При этом устраняются трудности, связанные с приготовлением очень тонких образцов, необходимых в экспериментах по поглощению. Использованием вентильного фотоэффекта с измерением спектра фототока структур металл (m)-полупроводник (s), Мид и Спитцер [28,54] впервые исследовали зонную структуру полупроводников с измерением ширины запрещённой зоны, ими было также показано преимущество фотоэлектрического метода при разделении прямых и непрямых переходов. Впоследствии, в монографии Зи [54] и в других работах [38^a,39^a,63,64], было показано, что фотоэлектрический метод измерения является самым точным методом определения высоты барьера поверхностно-барьерных m-s-структур. В дальнейшем для определения зонных параметров как варизонных, так и гомозонных полупроводников, был предложен модернизированный контактный фотоэлектрический метод [69,70].

Ширина запрещённой зоны E_g, один из наиболее важных параметров, определяющих спектры излучения и другие оптические свойства, исследовалась во многих работах [30,37,39]. Наиболее надёжные данные в широком интервале температур получены из спектров поглощения [3,24,40,41] и согласуются в пределах ошибки опыта и методики обработки измерений [30].

В работе Варшни [42] было предложено эмпирическое приближение для зависимости E_g(T) во всём интервале изменения T для различных полупроводников. Оно качественно учитывает изменение E_g с T не только из-за теплового расширения, но и вследствие электронно-фононного взаимодействия: , где Θ – температура порядка дебаевской температуры Θ_D, а α – подбираемая константа. В работе [24] показано, что данная формула при ,выполняется дляGaP вплоть до 1270 К (рис.3), причём значения равны:

Так, данные о крае низкотемпературного внутреннего поглощения GaP, полученные из различных кристаллов данного полупроводника, толщиной от ~0,35 мк и ~0,6 см при 25 К приведены в работе [32]. Температурные зависимости низкоэнергетических прямых и непрямых энергетических зон прослеживались до 300 К.

Рис. 3. Температурная зависимость ширины

запрещённой зоны (E_g)GaP[24].1 – [43], 2 –[24].

Оптические свойстваp-n–структур на основе GaP, выращенных методом жидкофазной эпитаксии, подробно рассмотрены в работе [12]. Модель, позволяющая оценить плотность дислокаций в области объёмного заряда p-n–перехода приведена в работе [44], для p-n–структур из GaP на подложках GaP плотность дислокаций составила 10⁵–10⁶см^-2.

При пропускании тока через диод на основе GaP в прямом направлении наблюдается электролюминисценция (ЭЛ): при небольшой примеси Zn в GaP в случае p-n–перехода наблюдается зелёная ЭЛ (λ_max=0,565 мк), присутствие Zn и O₂ обнаруживает красную ЭЛ (λ_max=0,71 и 0,945 мк). В этом случае энергетический переход, отвечающий за ЭЛ находится или между двумя уровнями Sn и Au-Zn электродов, или между зоной и одним из уровней [45-47]. Изучение влияния доноров и акцепторов на оптические свойстваGaP приведено в работах [22,23,25,48-50].

Исследование спектрального распределения фотолюминисценции в n-GaP,p-GaP, легированном Zn,p-n–перехода в GaP в зависимости от температуры и уровня инжекции рассмотрено в работе [51]. При этом было выяснено, что спектральное распределение рекомбинационного излучения не зависит от механизма возбуждения. Помимо максимумов ~1,8 и 2,0 эВ в p-n–переходах, имеются максимумы ~2,4 и 2,8 эВ, связанные с прямыми и непрямыми переходами из зоны в зону, что было выяснено при измерении спектральной зависимости фото-ЭДС. При комнатной температуре напряжение холостого хода в фотоэлементах достигало 1,2 В.

В p-n–переходах в GaP [52] фототок состоит из тока носителей, генерированных светом в толще перехода и на расстоянии диффузионной длины от него. Величина фототока определяет величину диффузионной длины. Размножение носителей тока в p-n–переходах в GaP качественно и количественно подобно этому явлению в кремнии.

Технология поверхностно-барьерных диодов Шоттки включает в себя подготовку поверхности полупроводника (полировка, травление, очистка), создание омического контакта вплавлением тонких слоёв металла в полупроводник [55] и создание барьерного контакта либо напылением металла на сколотую в высоком вакууме поверхность полупроводника [27], либо электрохимическим [8] или низкотемпературным химическим [55,57] осаждением металла на химически обработанную поверхность полупроводника.

Изучение наноструктурированных фотодиодов Шоттки впервые было начато в 1976 году во главе полупроводникового твёрдого раствора GaAs_1-xP_x[57]. Использованием низкотемпературной химической нанотехнологии был разработан фотоприёмник видимого и ультрафиолетового излучения на основе Au-GaAs_1-xP_x поверхностно-барьерных структур. При х=0,4 GaAs_1-xP_x поверхностно-барьерные структуры имеют высокую фоточувствительность (вплоть до 0,4 эл./фот.) в видимой и ультрафиолетовой областях спектра и практически не чувствительны к инфракрасному излучению. Максимальная эффективность достигается при толщине слоя золота около 15 нм (рис.4) [57]. Данная методика была использована в дальнейшем для создания высокоэффективных фотодиодов Шоттки на основе GaP [10,58,59].

Рис. 4. Зависимость квантовой эффективности

Au-GaAs_1-xP_x от толщины слоя Au (T=300K)[57].

В работе [60] проведён широкий комплекс работ по разработке и исследованию высокочувствительных фотоприёмников с барьером Шоттки на основе GaP,GaP_xAs_1-x и GaAs. Исследованием электрофизических характеристик Au-n-GaP показано, что они близки к идеальному барьеру Шоттки и обладают фоточувствительностью в области 200 – 510 нм. Максимальная фоточувствительность наблюдается при (430 – 440) нм. Токовая чувствительность при λ_max достигает до значения 0,15 А/Вт. При λ=254 нм токовая чувствительность равна 0,04 А/Вт (рис. 5).

Использование GaP в фотоэлектропреобразователях для УФ области спектра основано на том, что, хотя GaP имеет , что значительно меньше энергии квантов УФ излучения, этот полупроводник непрямозонный и имеет пороговую энергию прямых оптических переходов с высоким коэффициентом поглощения света ( ), достаточно близкую к границе УФ области спектра [58,60,62].

Рис. 5. Спектральная характеристика фотодиода на основе GaP[60].

Рис. 6.Спектр фоточувствительности фотоэлектропреобразователя

с барьером Шоттки Au-n-GaP[63]. Т=300 К.

Спектральная область фотодиодов Шоттки Au-GaP [38,63] составляла 0,2-0,55 мкм (рис. 6) с максимумом при ~0,4 мкм. Величина S₁ достигала 0,12 А/Вт в максимуме спектра и 0,03 А/Вт

при 0,254 мкм. При энергиях фотонов коэффициент поглощения света в GaP превышает 6·10⁵ см^-1 [64]. Малая потеря фоточувствительности в УФ области спектра связана с неполным разделением неравновесных носителей заряда [63]. Использование ITO (смесь SnO₂ и In₂O₃) вместо Au [65] приводит к тому, что токовая монохроматическая чувствительность к излучению с длиной волны 250 нм у такой структуры достигает 0,1- 0,12 А/Вт. Интересно отметить, что фотоотклик диодов Au-GaP, изготовленных в системе маслянной диффузии, в пределах экспериментальной ошибки не изменился наличием внешних загрязнений [66].

Рис. 7. Фоточувствительность Au-окисел-n-GaP:

1-отсутствие УФС; 2-УФС-5; 3-УФС-2 [59].

Комплектация GaP фотодиодов УФС-2 светофильтром делает их спектр близким к спектру солнечного УФ излучения. Спектры токовой фоточувствительности (S₁)Au-окисел-n-GaPфотоприёмника без светофильтра (1), со светофильтром УФС-5 (2) и со светофильтром УФС-2 (3) представлены на рис. 7. Высокая фоточувствительность (ФЧ) прибора в УФ области спектра обеспечивается большим значением пороговой энергии прямых оптических переходов GaP (E₀=2,8 эВ, 300 К) [59].

При этом световая чувствительность фотодиодов на основеGaP при температуре (-190÷300)°С в области (250÷410) нм остаётся практически постоянной [60].

Результаты изучения влияния коэффициента идеальности β (толщины промежуточного слоя δ) на коротковолновую фоточувствительностьGaP структур (рис. 8) приведены в работе [61]. Создание поверхностно-барьерных

Рис. 8. Зависимость толщины диэлектрического слоя δ в структурах GaP от их коэффициента идеальности β [61].

структур металл-полупроводник на основе GaP с тонким промежуточным слоем (δ=30-60 Å) между полупроводником и металлом позволяет существенно повысить их фоточувствительность в ультрафиолетовой области спектра (рис. 9).

Риc. 9. Спектры фототока Au-n-GaP с разными коэффициентами идеальности β (1 – β = 1,07; 2 – β = 1,44) [61].

Спектры фоточувствительности диодов ШотткиAu-GaPв относительных единицах при энергии фотонов hν<2,8 эВ приведены в работах [62,66] и определены высоты поверхностного потенциального барьера. Исследования спектров квантовой эффективности фотоприёмниковAu-n-GaP-n⁺-GaP установили, что с уменьшением плотности состояний на поверхности фосфида галлия от 3·10¹³ см^-2·В^-1 до 1·10¹¹ см^-2·В^-1 квантовая эффективность фотоприёмника в области энергии 3-5 эВ возрастает в 3-4 раза [67].

Измерение фоточувствительности структур Au-n-GaP при обратном смещении выполнено в работе [64]. При наблюдался рост отношения с возрастанием энергии фотонов, что связано с началом генерации носителей тока в полупроводнике и обусловлено изменением толщины слоя объёмного заряда W под влиянием напряжения U. С дальнейшим ростом hν, вплоть до начала прямых переходов вGaP, отношение слабо зависело от энергии фотонов из-за однородности генерации электронно-дырочных пар в фотоактивном слое (слабое поглощение света). На фоне такого изменения в областиhν=2,2-2,3 эВ при 300 К и 2,3-2,4 эВ при 80 К наблюдалась структура, связанная с эффектом Франца-Кельдыша для непрямых оптических переходов [35,64]. Эта структура по форме несколько отличалась от образца к образцу. Кроме того, при 80 К отмечен небольшой максимум в области . Подобный максимум наблюдался и ранее в спектрах изменения фототока p-n-переходов [35] и коэффициент поглощения GaP[34] и связывался с непрямыми переходами в расположенном более высоко минимуме зоны проводимости.

Следует отметить, что поверхностно-барьерные структуры на основе широкозонных полупроводниковA^IIIB^V имеют спадающую коротковолновую фоточувствительность с ростом hν, в связи с переходом горячих электронов из полупроводника в металл [41].

Результаты и их обсуждение

В данной работе объектом исследования служилиAu-n-GaP/n⁺-GaP и Au-p-GaP/p⁺-GaP структуры. В качестве подложек использовались пластинки n⁺-GaP ( ),p⁺-GaP ( ) соответственно, толщиной 350-400 мкм, изготовленные методом Чохральского. Активные слои n-GaP и p-GaP толщиной 10-20 мкм выращивались методом жидкофазной эпитаксии [68]. Омический контакт к подложке n⁺-GaP и p⁺-GaP изготовлялся вплавлением индия (In) [10], сплава [56], содержащего 97% In + 3% Zn соответственно, в атмосфере водорода при температуре 550 ºС в течение около 5 мин. Наноструктурированный барьерный контакт создавался химическим осаждением слоя золота при комнатной температуре (300 К) из раствора золотохлористоводородной кислоты HAuCl₄ по методике [57]. Толщина барьерных слоёв золота, согласно эллипсометрическим данным, составляла 10-15 нм. Площадь барьерного контакта (Au) у разных структур имела значение от 0,05 до 0,2 см². Конструктивная схема барьеров Шоттки (БШ) Au-n-GaPи Au-p-GaP, а также условия их освещения представлены на рис.10.

Рис.10.Конструктивная схема наноструктурированного фотодиода:

а)Au-n-GaP,б) Au-p-GaP.

Были исследованы вольт-ёмкостные (C-U) характеристики и спектр фототока короткого замыкания ( ) созданных Au-n-GaP и Au-p-GaP диодных структур при 300 К. На основе анализа электрических (C-U) и использованием модернизированного фотоэлектрического метода [69] фотоэлектрических ( ) свойств БШ определялись параметры кристаллов GaP: концентрация носителей заряда (N_a-N_a,N_d-N_a), энергия прямых межзонных переходов E₀. Оценивались также параметры энергетических диаграмм БШ: ширина слоя объёмного заряда W₀, максимальное электрическое поле при нулевом смещении и .

Для определения параметров энергетической диаграммыAu-n-GaP и Au-p-GaP структур измерения C-U характеристик проводились на частоте 10 кГц. Зависимость дифференциальной ёмкости С от напряжения U для исследуемых и контрольных структур линейна в координатах , что соответствует теории Шоттки.

Типичные спектры фоточувствительности БШ Au-n-GaP и Au-p-GaP в спектральном диапазоне 0,9 – 3,8 эВ при их освещении со стороны слоя Au представлены на рис. 11, 12.

При энергиях фотонов 1,30 эВ < hν < 2,26 эВ (рис. 11), 0,78 эВ < hν < 2,26 эВ (рис. 12) зависимость фототока короткого замыкания от энергии фотонов hν для Au-n-GaP и Au-p-GaP соответвенно оказалась квадратичной,

Рис. 11. Спектр фоточувствительности Au-n-GaP

при освещении со стороны слоя Au.

что соответствует закону Фаулера, а высота барьера, определённая из и составляющая 1,30 эВ для Au-n-GaP, 0,78 эВ для Au-p-GaP,

равна высоте барьера 1,36 эВ и 0,86 эВ для Au-n-GaP и Au-p-GaP соответственно, определённой по даннымC – U характеристик из выражения: , где U_D- диффузионный потенциал, k – постоянная Больцмана, U_С– ёмкостное напряжение отсечки, μ – энергия уровня Ферми (E_f). В данном случае обусловлен фотоэмиссией носителей заряда, переходящих из металла в полупроводник через барьер [28,53,54]. В исследованных Au-n-GaP и Au-p-GaP структурах в области фотонов в спектре фототока наблюдался локальный максимум при (рис.11,12). Данное явление может быть связано с

Рис. 11. Спектр фоточувствительности Au-p-GaP

при освещении со стороны слоя Au.

экситонным поглощением, поскольку кристалл слабо легирован донорами (акцепторами), или переходами мелкие доноры (акцепторы) - зона проводимости. Связанные носители заряда, появляющиеся в результате таких переходов, выбрасываются в разрешённые зоны электрическим полем в слое объёмного заряда и фононами в объёме, создавая фототок.

При энергиях фотонов зависимость фототока от энергии фотонов вначале растёт, затем практически не изменятся, а далее слабо уменьшается. Фототок данных структур при обусловлен возбуждением электронно-дырочных пар в полупроводнике и разделением их полем поверхностного потенциального барьера .Принаблюдается резкий рост фоточувствительности, связанный с началом межзонных переходов в GaP [64]. В области 2,3-2,8 эВ существует хорошее соответствие спектров фоточувствительности и коэффициента оптического поглощения в фосфиде галлия, измеренного в [39], при комнатной температуре.

При анализе экспериментальной зависимости отhν для Au-p-GaP структур по известной методике [70,71] было определено значение энергии прямых оптических переходов E₀ (рис. 11, 12), которое составляло 2,80 эВ дляAu-n-GaP (рис. 11) и 2,83 эВ для Au-p-GaP (рис. 12), при 300 К.

При энергиях фотонов, больших, чем энергия прямых переходов E₀ фототок практически не зависит от энергии фотонов, что соответствует формуле Гартнера: , где Ф – поток фотонов, прошедших в полупроводнике, W – ширина слоя объёмного заряда, L_р – диффузионная длина неосновных носителей заряда, k – коэффициент поглощения.

Экспериментальные зависимости от hν (рис. 13) оказываются линейными. Высота барьера , ширина запрещённой зоны E_g определялись путём экстраполяции этой зависимости к значению . В исследованной Au-p-GaP структуре величина оказалась равной 0,78 эВ [72] (для Au-n-GaP составляла 1,30 эВ), E_g=2,26 эВ в соответствии с данными [5].

Рис. 13. Зависимости корня квадратного из величины фототока от энергии фотонов hν для m-s-структурыAu-p-GaP.

Следует отметить, что фоточувствительность исследованных структур при (2,26 эВ при 300 К) на два и более порядков ниже фоточувствительности в ультрафиолетовой области спектра ( ).

Заключение

Полученные экспериментальные данные позволяют разработку фотоприёмников из фосфид галлиевых структур для актуальных участков УФ области спектра и создание миниатюрных измерительных устройств на их основе, позволяющих, в частности, проводить мониторинг УФ с целью определения влияния УФ излучения на жизнедеятельность человека.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алфёров Ж.И. Физика и жизнь.-Изд.2-е, доп. -М.: СПб: Наука,2001.-288 с.

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

3. Галчина Н.А., Коган Л.М., Сощин Н.П., Широков С.С., Юнович А.Э. Спектры электролюминисценции ультрафиолетовых светодиодов на основеp-n-гетероструктурInGaN/AlGaN/GaN, покрытых люминофорами // ФТП. - 2007. - Т.41. - Вып.9. - С.1143-1148.

4. Tut Turgut, Gokkavas Mutlu, Inal Ayse, Ozbay Ekmel. Al_xGa_1-xN-based avalanche photodiodes with high reproducible avalanche gain // Appl. Phys. Lett. - 2007. - V.90. - No.16. - P. 16506/1-16506/3,4.

5. Шуберт Ф. Светодиоды: Пер. с англ. / Под ред. А.Э.Юновича. - 2-е изд. - М.:Физматлит, 2008. - 496 с.

6. Жиляев Ю.В., Родин С.Н. Рост слоёв нитрида галлия методом хлоридной газофазной эпитаксии при пониженной температуре источника // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т.36. - Вып.9. - С.11-16.

7. Лудин В.В., Николаев, Сахаров А.В., Брунков П.Н., Заварин Е.Е., Цацульников А.Ф. Эпитаксия слоёв AlN с высокой скоростью роста в планетарном МОС-гидридном реакторе // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т.36. - Вып.24. - С.33-39.

2. Сорокин Л.М., Калмыков А.Е., Бессолов В.Н., Феоктистов Н.А., Осипов А.В., Кукушкин С.А., Веселов Н.В. Структурная характеризация эпитаксиальных слоёв GaN на кремнии: влияние буферных слоёв // Письма в ЖТФ. - 2011. - Т.37. - Вып.7. - С.72-79.

3. Buniatyan V.V., Aroutiounian V.M. Wide gap semiconductor microwave devices // J. Phys. D. - 2007. - V.40. - No. 20. - P.6355-6385.

4. Мелебаев Д. Фотоприёмники ультрафиолетового излучения на основе наноструктурAu-окисел-n-GaP // Труды Межд. науч.-техн. конф. «Нанотехнологии функциональных материалов» (НФМ’10). - Санкт-Петербург: Изд. Политехнического университета. - 2010. - С.114-115.

5. Грачёв В.М., Евстропов В.В., Елисеева Н.М. и др. Высокоэффективные диоды-источники красного излучения из GaP // ФТП. - 1968. - Т.2. - Вып.7. - С.1055.

6. Lorenz M.R., Pilkuhn M. Preparation and Properties of Solution Grown Epitaxial p-n–junctions in GaP // J. Appl. Phys. - 1966. - Vol. 37. - No.11. - P.4094–4102.

7. Баранский П.И., Беляев А.Е., Городничий О.П., Макаренко В.Г. Влияние иттербия на электрофизические свойства эпитаксиальных слоёв n-GaP // ФТП. - 1988. - Т.22. - Вып.1. - С.158-161.

8. Жиляев Ю.В., Панютин Е.А., Фёдоров Л.М. Высокотемпературные динистры на основе фосфида галлия // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т.35. - Вып.17. - С.50-57.

9. Гавриленко В.И., Грехов А.М., Корбутяк Д.В., Литовченко В.Г. Оптические свойства полупроводников: Справочник. - Киев: «Наукова думка», 1987. - 607с.

10. Грибковский В.П. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках. - Минск: «Наука и техника», 1975. - 464 с.

11. Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Физматлит, 2008. - 488 с.

12. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности – М.: Наука, 2006. – 490 с.

13. Зегря Г.Г., Перель В.И. Основы физики полупроводников. - М.: Физматлит, 2009. - 336 с.

14. Aspnes D.E., Studna A.A. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1,5 to 6,0 eV // Phys. Rev. B. - 1983. - Vol.27. - No.2. - P.985–1009.

15. Cohen M.L. and Bergstresser T.K. Band structures and Pseudopotential Form Factors for Fourteen Semiconductors of the Diamond and Zinc-blende Structures // Phys. Rev. - 1966. - Vol.141. - No.2. - P.789-796.

16. Dean P.J., Faulkner R.A., Kimura S. Optical Properties of the Donor Tin in Gallium Phosphide // Phys. Rev. B. - 1970. - Vol.2.-No.10.-P.4062-4076.

17. Onton A., Morgan T.N. Effect of Uniaxial Stress on Excitons Bound to Bismuth in GaP // Phys. Rev. B. - 1970. - Vol.1. - No.6. - P.2592-2604.

18. Panish M.B., Casey H.C., Jr. Temperature Dependence of the Energy Gap in GaAs and GaP // J. Appl. Phys. - 1969.-Vol.40.-No.1.-P.163-167.

2. Phillips J.C. Dielectric Theory of Impurity Binding Energies. II. Donor and Isoelectronic Impurities in GaP // Phys. Rev. B. - 1970. - Vol.1. - No.4. - P.1545-1548.

3. Spitzer W.G., Gershenzon M., Frosch C.J., Gibbs D.F. // J. Phys. Chem. Sol. - 1959. - Vol.11. - P.339.

4. Spitzer W.G., Mead C.A. Barrier Height Studies on Metal-Semiconductor Systems // J. Appl. Phys. - 1963. - Vol. 34. - No.10. - P.3061-3069.

5. Spitzer W.G., Mead C.A. Conduction Band Minima of Ga(As_1-xP_x) // Phys. Rev. - 1964. - Vol. 133. - No. 3A. - P. A872-A875.

6. Zallen R., Paul W. Band structure of Gallium Phosphide from Optical Experiments at High Pressure // Phys. Rev. - 1964. - Vol.134. - No.6A. - P. A1628–A1641.

7. Юнович А.Э. Излучательная рекомбинация и оптические свойства фосфида галлия // Излучательная рекомбинация в полупроводниках. - М.: Наука, 1972. - С.224–304.

8. Спайсер У.Е., Иден Р.К. // Труды IX Межд. конф. по физ. полупр. - Т.1. – Москва. - 1968. - С.68.

31^a. Morgan T.N., WelberB., Bhargava R.N. Optical properties of Cd-O and Zn-O complexes in GaP // Phys. Rev. – 1968. – V.166. – P.751.

1. Dean P.J., Kaminsky G., Zetterstrom R.B. Intrinsic Optical Absorption of Gallium Phosphide between 2,33 and 3,12 eV // J. Appl. Phys. - 1967. - Vol.38. - No.9. - P.3551-3556.

32^a. Kleinman D.A., Spitzer W.G. Infrared lattice absorption of GaP // Phys. Rev. – 1960. – V.118. – P.110.

1. Гуткин А.А., Наследов Д.Н., Фараджев Ф.Э. Электропоглощение вGaP в области непрямых оптических переходов // ФТП. - 1973. - Том7. - Вып.7. - С.1280–1286.

33^a. Пихтин А.Н., Яськов Д.А. Край собственного поглощения фосфида галлия // ФТТ. - 1969. - Т.11. - Вып.3. - С.560-566.

1. Субашиев В.К., Чаликян Г.А. Эффект Франца-Келдыша и оптическое поглощение GaP_xAs_1-x // Тр. IX Межд. конф. по физ. полупр. - Т. 1. - Л.: Изд-во «Наука», 1969. - С.397.

34^а. Шмарцев Ю.В., Ременюк А.Д. Поглощение инфракрасного излучения в фосфиде галлия n-типа.III.О структуре зоны проводимости //ФТП. – 1969. – Т.3. - С.1697.

1. Kozakov O., Nasledov D.N., Slobodchikov S.V. Franz-Keldysh effect on indirect transitions in GaP // Phys. Stat. Sol. - 1969. - V. 35. - No.1.-P.139-144.

35^а. Белле М.Л., Алферов Ж.И., Григорьева В.С., Крадинова Л.В., Прочухан В.Д. Оптическое отражение фосфида галлия, арсенида галлия и их твёрдых растворов // ФТТ. – 1966. – Т.8. – Вып.9. – С.2623-2627.

1. Thompson A.G., Cardona M., Shaklee K.L., Wooley J.C. Electroreflectance in the GaAs-GaP Alloys // Phys. Rev. - 1966. - Vol.146. -No.2.-P.601-610.

36^а. Crowell C.R., Spitzer W.G., Howarth L.E., Labate E.E. Attenuation length measurements of hot electrons in metal films // Phys. Rev. – 1962. – Vol.127. – No.6. – P.2006-2015.

1. Джонсон Е. Поглощение вблизи края фундаментальной полосы // Оптические свойства полупроводников (полупроводниковые соединения A^IIIB^V): Пер с англ. / Под ред. Уиллардсона Р. и Бира А. - М.: Изд-во Мир, 1970. - 488с.

37^a. Берг А., Дин П. Светодиоды: Пер с англ. / Под ред. Юновича А.Э. – М.: Изд-во «Мир»,1979. – 686 с.

1. Hudges R.C., Zipperian T.E., Dawson L.R., Biefeld R.M., Walko R.J., Dvorack M.A. Gallium phosphide junctions with low leakage for energy conversion and near ultraviolet detectors // J. Appl. Phys. - 1991. - Vol.69. - No.9. - P.6500–6505.

38^а. Mead C.A. Metal-semiconductor surface barriers // Sol. State Electronics - 1966. - Vol.9. - No.11-12. - P.1023-1033.

1. Серафин Б., Беннетт Х. Оптические параметры ряда соединенийA^IIIB^V// Оптические свойства полупроводников (полупроводниковые соединения A^IIIB^V): Пер с англ. / Под ред. Уиллардсона Р. и Бира А. - М.: Изд-во Мир, 1970. - 488с.

39^a.Мелебаев Д., Мелебаева Г.Д., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. Фоточувствительность и определение высоты барьеров Шоттки в структурахAu-n-GaAs // ЖТФ. – 2008. – Т.78. – Вып.1. – С.137-142.

1. Dean P.J., Thomas D.G. Intrinsic absorption-edge spectrum of gallium phosphide // Phys. Rev. - 1966. - V.150. - P. 690.

2. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктура : Пер. с англ. / Под ред. Ченг Л., Плог К. – М.: Мир, 1989. – 584 с.

3. Varshni Y.P. Temperature dependence of the energy gap in semiconductors // Physica. - 1967. - V.34. - P.149.

4. Lorenz M.R., Pettit G.D., Taylor R.C. // Phys. Rev. - 1971. - Vol.171. - P.876.

5. Евстропов В.В., Джумаева М., Жиляев Ю.В., Назаров Н., Ситникова А.А., Фёдоров Л.М. Дислокационное происхождение и модель избыточного туннельного тока в p-n–структурах на основе GaP // ФТП. - 2000. - Том.34. - Вып.11. - С.1357-1362.

6. Logan R.A., White H.G., Wiegmann W. Efficient green electroluminescence in nitrogen-doped GaP p-n–junctions // Appl. Phys. Lett. - 1968. - Vol.13. - No.4. - P.139-141.

7. Logan R.A., White H.G., Wiegmann W. Efficient green electroluminescent junctions in GaP // Sol. State Electronics. - 1971. - Vol.14. - P.55-70.

8. Stakiewicz J., Allen J.W. Injection electroluminescence at p-n–junctions in zinc-doped gallium phosphide // J. Phys. Chem. Sol. - 1962. - Vol.23. - P.881-884.

9. Lorenz M.R., Pettit G.D., Blum S.E. Optical properties of the Ge donor and acceptor in GaP // Solid State Commun. - 1972. - Vol.10. - P.705-708.

10. Onton A., Taylor R.C. Spectroscopic Study of Tellurium Donors in GaP // Phys. Rev. B. - 1970. - Vol.1. - No.6. - P.2587-2591.

11. Wiley J.D., DrDomenico M. Jr. Free-Carrier Absorption in n-Type GaP // Phys. Rev. B. - 1970. - Vol.1. - No.4. - P.1655-1659.

2. Grimmeiss H.G., Rabenau A., Koelmans H. Some properties of p-n–junctions in GaP // J. Appl. Phys. Suppl. - 1961. - Vol.32. - No.10. - P.2123-2127.

3. Logan R.A., Chynoweth A.G. Charge multiplications in GaP p-n–junctions // J. Appl. Phys. - 1962. - Vol. 33. - No.5 - P.1649-1654.

4. Mead C.A., Spitzer W.G. Conduction band minima at AlAs and AlSb // Phys. Rev. Letters - 1963. - Vol.11. - No.8. - P.358-361.

5. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. / Под ред. Трутко А.Ф. - М.: «Энергия». - 1973. - 656 с.

6. Гольдберг Ю.А., Царенков Б.В. Современное состояние разработок и исследований поверхностно-барьерных структур металл-полупроводник A³B⁵, создаваемых методом химического осаждения металлов // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. – Киев, 1978. - Вып. 27. - С.33-43.

7. Dӧrbeck F.H. Electrochemically deposited Schottky contacts on GaAs // Sol. State Electronics - 1966. - Vol.9. - No.11-12. - P.1135-1136.

8. Беркелиев А., Гольдберг Ю. А., Мелебаев Д., Царенков Б.В. Фотоприёмник видимого и ультрафиолетового излучения на основеGaAs_1-xP_x поверхностно-барьерных структур. // ФТП. - 1976. - Т. 10. - Вып. 8. - С. 1532-1534.

9. Жиляев Ю.В., Сергеев Д.В., Полетаев Н.К., Старобинец С.М., Фёдоров Л.М., Мелебаев Д., Дурдымурадова М. Создание и исследование структур с барьером Шоттки на основе GaP. - Л., 1988.

10. Мелебаев Д. Высокоэффективные фотоприёмники ультрафиолетового излучения на основеGaP МДП структур // Тр. VII Междунар. научно-практич. конф. «СИЭТ-2006». - г. Одесса. - 2006. - С.164.

11. Стафеев В.И., Анисимова И.Д. Фотодиоды с барьером Шоттки на основе GaP,GaP_xAs_1-x и GaAs для УФ и видимого диапазонов спектра // ФТП. - 1994. - Т.28. - Вып.3. - С. 461-466.

12. Видгорович Е.Н., Гольдберг Ю.А., Дурдымурадова М.Г., Мелебаев Д., Царенков Б.В. Коротковолновая фоточувствительность поверхностно-барьерных структур: влияние промежуточного диэлектрического слоя // ФТП. - 1991. - Т.25. - Вып.8. - С.1419-1422.

13. White H.G., Logan R.A. GaP Surface-Barrier Diodes // J. Appl. Phys. - 1963. - Vol.34. - No.7. - P.1990-1997.

14. Царенков Б.В., Гольдберг Ю.А., Гусев Г.В., Огурцов В.И. Фотоэлектрические свойства поверхностно-барьерных структурAu-n-GaP в ультрафиолетовой области спектра // ФТП. - 1974. - № 2. - С.410-413.

15. Гуткин А.А., Дмитриев М.В., Наследов Д.Н. Фоточувствительность поверхностно-барьерных диодов Au-n-GaP в области спектра 1,4-5,2 эВ // ФТП. - 1972. - Т.6. - Вып.3. - С. 502-508.

16. Добровольский Ю.Г. Фотодиод на основе GaP с повышенной фоточувствительностью в коротковолновой области УФ-спектра // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2012. - № 5. - С.31-34.

2. Cowley M., Heffner H. Gallium Phosphide-Gold Surface Barrier // J. Appl. Phys. - 1964. - V. 35. - No.1. - P. 255-256.

3. Жиляев Ю.В., Мелебаев Д., Полетаев Н.К., Сергеев Д.В., Федоров Л.М. Ультрафиолетовый поверхностно-барьерный фотоприёмник на основе n-n⁺GaP эпитаксиальных структур // Тр. I Всес. конф. по физ. осн. твёрдотел. электрон. - Том А. - Л. - 1989. - С.190-191.

4. Андреев В.М., Долгинов Л.М., Третьяков Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов / Под. ред. Алфёрова Ж.И. М.: «Сов. радио», 1975. – 328 с.

5. Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Именков А.Н., Мелебаев Д., Розыева М.Х. Фотоэлектрический метод определения параметров варизонных полупроводников // Изв. АН. ТССР. – Сер. ФТХ и ГН. – 1986. – Вып.1. – С.8-14.

6. Конников С. Г., Мелебаев Д., Рудь В. Ю. Исследование зонной структуры полупроводниковых твердых растворов GaP_xAs_1-x фотоэлектрическим методом // Письма в ЖТФ. - 1993. - Т.19. - Вып.13. - С.47-54.

7. Конников С.Г., Мелебаев Д., Рудь В.Ю. Поляриметрический эффект в GaP_xAs_1-x поверхностно-барьерных структурах // ФТП. - 1993. - Т.27. - Вып.4. - С.57-64.

8. Ташлиева А.М. Фоточувствительность барьеров ШотткиAu-p-GaP // Тез. докл. Российской конф. и школы по акт. пробл. полупр. нанофотоэлектрон. (ФОТОНИКА-2011). - г. Новосибирск. - 2011. - С.119.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/555031-opticheskie-svojstva-fosfida-gallija-i-fotodi