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

ГИГАНТСКАЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬAu-Ga₂O₃(Fe)-n-GaPНАНОСТРУКТУР В УФ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Мелебаев Д.

Фоточувствительные МДП наноструктурыAu-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP созданы методом химического осаждения. Исследовались фотоэлектрические свойства структур. Морфология и структура оксидного слоя Ga₂O₃(Fe) исследовались на сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах. В видимой (2-3 эВ) и УФ (5-6.2 эВ) областях спектра обнаружены новые закономерности. В длинноволновой части спектра наблюдается максимум при hν_m=2.35 эВ. Это связано с образованием на границе раздела полупроводник-диэлектрик нанооксида железа (Fe₂O₃) с шириной запрещенной зоны Е_g≈2.3 эВ (300 К). В УФ диапазоне при hν>5.1 эВ обнаружена гигантская фоточувствительность, связанная с лавинным умножением в слое объемного заряда и свойствами нанослоев металла Au и широкозонного оксида Ga₂O₃(Fe). В оксидном слое обнаружены нанопроволоки с участием оксида железа, диаметр которых составляет 25-45 нм, а длина достигает 10-12 мкм. Показано, что коротковолновое УФ излучение сильно поглощается в нанопроволоках. Обнаруженные явления в фоточувствительных МДП наноструктурах позволят создать новые типы фотоэлектрических приборов.

Ключевые слова: гигантская фоточувствительность, МДП-наноструктура, УФ фотоприемники, оксид галлия, оксид железа.

В последние годы во всем мире очень большое внимание уделяется вопросам разработки нанотехнологий и создания твердотельных наноструктур. Нанотехнологии имеют дело с разнообразными структурами вещества, характерные размеры которых от 1 до 100 нанометров [1]. В области физики барьеров Шоттки металл-полупроводник, металл (М) - диэлектрик (Д) - полупроводник (П) нанотехнологии, в частности наноструктурирование, используются для создания высокоэффективных фотоприемников видимого и ультрафиолетового излучения [2-4].

В настоящее время усилился интерес к полупроводниковым фотоприемникам ультрафиолетового диапазона спектра, что связано с требованиями современной медицины, биотехнологии, экологии, в том числе с проблемой “озоновой дыры”[5].Наиболее перспективными приборами в этом спектральном диапазоне являются фотоприемники на основе МДП структур с потенциальным барьером Шоттки. При такой конструкции фотоприемника толщина ди­электрического (окисного) нанослоя должна быть не более 3-5 нм, а его ширина запрещенной зоны - не менее 5 эВ [6]. В данной конструкции фотоприемника окисный слой обеспечивает высокую фоточувствительность в УФ области спектра за счет уменьшения перехода горячих фотоэлектронов в металл из полупроводника.

Для создания лавинных фотодиодов УФ излучения представляют интерес наноструктуры металл-тонкий диэлектрик-полупроводник на основе фосфида галлия (GaP).Эти структуры просты и дешевы в изготовлении, а также эксплуатационно надежны, поскольку GaPхорошо освоенный промышленностью широкозонный полупроводник. Ширина запрещенной зоныGaP составляет 2.26 эВ (300 К), но из-за его непрямозонности коэффициент поглощения света в области энергии фотонов hν=2.3-2.7 эВ относительно мал (10²-10⁴ см^-1); в то же время пороговая энергия прямых оптических переходов составляет 2.8 эВ при 300 К [7], коэффициент поглощения приhν=2.8-6.0 эВ составляет 10⁵-10⁶ см^-1. Поэтому спектр фототока (I_f0) GaP МДП структур (см. рисунок) расположен главным образом в области энергии фотонов hν=2.7-6.1 эВ.

В полупроводниковых лавинных фотодиодах усиление фототока происходит благодаря умножению числа носителей тока, входящих в область сильного поля объемного заряда, вследствие процесса ударной ионизации. Закономерности протекания упомянутого процесса в традиционных полупроводниковых структурах хорошо изучены (к примеру, явление лавинного умножения положено в основу функционирования лавинно-пролетных диодов)[8, 9], однако в фоточувствительных МДП наноструктурах эффект лавинного умножения ранее не обсуждался. В представленной работе при исследовании фоточувствительностиGaP МДП наноструктур в коротковолновой ультрафиолетовой области спектра впервые обнаружен эффект лавинного умножения носителей заряда [10].

Результаты и их обсуждение

В работах [10, 11] при исследовании фоточувствительных Au-окисел-n-GaPнаноструктур в ультрафиолетовой (УФ) области спектра обнаружены новые закономерности. В длинноволновой части спектра наблюдался максимум hν_m=2.35эВ, а в коротковолновой части спектра при hν>5.1эВ имеет место рост фоточувствительности с увеличением энергии фотонов hν. Однако, в указанных работах не была установлена природа длинноволнового максимума и причины коротковолнового роста I_f0 при hν>5.1 эВ.

Настоящая работа посвящена изучению этого вопроса. Для выяснения влияния оксида железа (Fe₂O₃)на спектр фототока барьеров Шоттки созданы два типа GaPМДП струткур. В одном случае структура не содержит оксид железа, в другом случае структура содержит Fe₂O₃.Технология изготовления и основные параметры наноструктурированных фотодиодов Шоттки на основе n-GaP подробно освещены в [10, 11]. После химического травления смесью Br₂(4%)+C₂H₅OH(96%) с последующей промывкой в этаноле, поверхность n-GaP обрабатывалась этаноловым раствором бромида железа (FeBr₂·6H₂O). При этом на границе раздела полупроводник-диэлектрик может образоваться нанооксидный слой железа (Fe₂O₃). На химически обработанной поверхностиGaP последовательно создавался нанооксидный слой (Ga₂O₃) с оптимальной толщиной δ=3-5 нм, затем, нанесением нанослоя Auтолщиной 12-14 нм, барьерный контакт. Оксидный слой и барьерный контакт создавались химическим методом [6, 10]. Площадь барьерных контактов составляла0.08÷0.5 см²

Основные результаты исследований созданных барьерных структур фотоэлектрическими методами, а также методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии проиллюстрированы на рис. 1, 2, 3, 4.

Наноструктурированные МДП фотодиоды на основе Au-Ga₂O₃-n-GaP, Au-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP структур обладают фоточувстви-тельностью в области (2.7÷6.1) эВ (рис. 1, кривая-1 и 2). Для токовой фоточувствительности созданного фотодиода S_I=0.12-0.14A/W (300 K) в максимуме спектра (hν_m=3.44эВ) удельная обнаружительная способность достигала (0.7-3)·10¹⁴W^-1·Hz^1/2·см, что находится на уровне мировых достижений [3, 5]. В УФ областях спектра в интервале 3.5-4.5 эВ имеется участок практически постоянной фоточувствительности. На интервале 4.5-5.0 эВ с увеличением hνфоточувствительность уменьшается, и при hν≈5.0 эВ наблюдается минимум фоточувствительности. В интервале 5.0-6.1 эВ опять происходит рост фоточувствительности с увеличениемhν (рис. 1, кривая-2).

На рис. 1, кривая-2 приведены типичные спектральные характеристикиAu-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP наноструктур, которые в оксидном слое содержат атомы железа. Исследование спектров фоточувствительности структур в области энергии фотонов 2.0-6.1 эВ показало, что в видимой (2-3 эВ) и УФ (5.0-6.1 эВ) областях спектра имеются новые закономерности.

В длинноволновой части спектра наблюдается максимум при hν_m=2.35эВ. Это, связано с образованием на границе раздела полупроводник-диэлектрик нанооксида железа (Fe₂O₃). Ширина запрещенной зоны оксидного слоя Fe₂O₃, которая составляет E_gox≈2.3 эВ, определялась по методике [11], что хорошо согласуется с данными [12]. В УФ части спектра в интервале 5.0-6.1 эВ наблюдается рост фоточувствительности с увеличением hν. В структурах, не содержащих оксид железа такая закономерность не обнаружена (рис. 1, кривая-1).

Рис. 1. Спектры фототока МДП наноструктур.

1 - Au-окисел-n-GaP. 2 - Au-окисел-n-GaP. Спектр фототока нормирован на равное число падающих фотонов.

При освещении структуры Au-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP (рис. 1, кривая-2), оксидный слой Ga₂O₃,легированный Fe,и нанослой Auнаходятся под влиянием высокого внутренного электрического поля (E_mo≥10⁵В/см)

Рис. 2. Зависимости фототока (I_f0^1/2)от энергии фотона (hν)для структурAu-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP (образец №3)

объемного заряда, и под действием квантов высоких энергий hν>5эВ (т.е. при больших значениях коэффициента поглощения света k≥10⁶см^-1), в диэлектрике возникает фототок, обусловленный фотозабросом носителей заряда из контакта и последующим их перемещением по разрешённым зонам [13]. Таким образом, слой диэлектрика (окисла) участвует в создании дополнительного фототока.

Зависимость фототока I_f0от hν в интервале 5.0-6.1 эВ оказалось экспоненциальной (рис. 1, кривая-2). Важно подчеркнуть, что экспериментальная зависимость I_f0^1/2от hν в интервале hν=5.7-6.1 эВоказывается линейной (рис. 2), что соответствует концепции Спитцера и Мида [14]:I_f0≈(hν-E_gox)², где hν>5 эВ. Это позволяет по методике [11] определить ширину запрещенной зоны оксида Ga₂O₃(Fe),образованного на поверхности GaP.В полученных нами результатах значение E_gox для Ga₂O₃(Fe)оказалось равным E_gox=5.5±0.05 эВ при 300 К.

Рис. 3. Двухмерное (2D) и трехмерное (3D)

изображение поверхности оксидного слоя галлия

с участием оксида железа, полученное АСМ

Рис. 4. Фотоприемник нового типа на основе

Au-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP МДП наностуктур

Окисный слой Ga₂O₃(Fe), по данным исследований морфологии и структуры на электронных микроскопах имеет специфическую особенность (рис. 3). В нем обнаружены нанопроволоки с участием оксида железа, диаметр которых составляет 25-45 нм, а длина достигает 10-12 мкм. Поэтому в МДП-наноструктуре могут существовать несколько механизмов переноса носителей заряда через слой Ga₂O₃.В интервале 5.0-6.1 эВ обнаружен рост фоточувствительности, так как коротковолновое УФ излучение сильно поглощается в нанопроволоках и в результате появляется гигантская фоточувствительность МДП наноструктур (рис. 1, кривая-2). Типичные значения токовой фоточувствительности вблизиhν≈6.0 эВ достигают ~0.25 А/Вт при напряжении смещения U=0. Спектральная зависимость I_f0(hν)в УФ диапазоне позволяет утверждать, что в Au-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP структуре имеет место процесс ударной ионизации носителей заряда. Этот процесс имеет явно выраженный пороговый характер. Как видно на рис. 1, кривая-2, пороговая энергия увеличения фоточувствительности (квантовая эффективность) составляет E_i=5.1эВ. Наличие порога увеличения фототока I_f0(hν) означает, что при энергии возбуждающего света, равной и большей пороговой, фотоэлектрон (или фотодырка) приобретает кинетическую энергию, достаточную для ионизации еще одной электронно-дырочной пары.

Следует отметить, что высокая фоточувствительность МДП наноструктурированных диодов Шоттки в УФ области также определяется процессом ударной ионизации, но в этом случае процесс происходит в присутствии сильного внутреннего электрического поля (5·10⁴-5·10⁵ В/см), что вероятно, также дает вклад в умножение носителей заряда.

Заключение

Таким образом, присутствие на границе раздела структур полупроводник-диэлектрик нанооксидного слоя железа (Fe₂O₃) способствует созданию атомарно-чистой поверхности полупроводника и возникновению в структуре специфических свойств [10, 15], что доказывается обнаруженными явлениями в Au-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP структурах в коротковолновой области спектра при hν>5 эВ (рис. 1, кривая-2). В фоточувствительных МДП наноструктурах в УФ диапазоне приhν>5.1 эВ обнаружена гигантская фоточувствительность, которая связана с лавинным умножением в слое объемного заряда и свойствами нанослоев металла Auи широкозонного оксида Ga₂O₃(Fe). Важно подчеркнуть, что нанослой золота, нанесенный на поверхность оксидного слоя, под воздействием внутренного электрического поля объемного заряда может приобретать новые свойства, что позволяет создат новый тип оптоэлектронных приборов на основе GaP МДП наноструктур (рис. 4), которые могут найти широкое применение.

Список литературы

1. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Комьев П.С., Панов В.И., Полтарацкий Э.Д., Сибельдин М.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологии // Микросистемная техника. -2003. №8,с. 3-13.

2. Melebayev D. A new technological method of creation of semiconductor photodeteсtors of ultraviolet radiation // Journal Science and Technology in Turkmenistan.-2003,№7, -з. 38-48.

3. Melebayev D. High-efficiency photodeteсtors of ultraviolet radiation on basis of gallium phosphide MIS structures // Proceeding of the VII International Scientific-practicalconference “Modem information and electronic-technologies” – “MIET-2006”. Ukraine. Odessa, -2006.–p.164.

4. Мелебаев Д. Фоточувствительность структур Au-окисел-n-GaP_0.4As_0.6 в УФ области спектра // Труды Российской совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники. Новосибирск. -2008. –с. 67.

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

6. Вигдорович Е.Н., Гольдберг Ю.А., Дурдымурадова М.Г., Мелебаев Д., Царенков Б.В. Коротковолновая фоточувствительность поверхностно-барьерных структур: влияние промежуточного диэлектрического слоя // ФТП, -1991. -Том 25. №8, -с. 1419-1422.

7. Конников С.Г., Мелебаев Д., Рудь В.Ю., Беркелиев А., Дурдымурадова М.Г., Корнякова О.В. Варизонные Au-GaP_xAs_1-x структуры и возможности их применения в фотоприемниках ультрафиолетового диапазона // Письма в ЖТФ, -1993. –Том.19, -вып.4, -С. 57-64.

8. Гуткин А.А., Магеррамов Э.М., Наследов Д.Н., Седов Е.В. Спектральные характеристики GaAs p-n-переходов в ближней ультрафиолетовой области // ФТТ, -1966, -Том.8, №3, -С.712-716.

9. Техника оптической связи: Фотоприемники: Пер. с англ. / Под ред. У. Тсанга. –М.: Мир, 1988, -526 с.

10. 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.

11. Мелебаев Д., Ташлиева А.М., Рудь Ю.В., Рудь В.Ю. Исследование спеткра фоточувствительностиAu-Ga₂O₃-n-GaP для определения ширины запрещенной зоны оксида Ga₂O₃// Труды XIII Международная научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии”. Украина, Одесса. -2012, -С.288.

12. Харламова М.В., Саполетова Н.А., Елисеев А.А., Лукашин А.В. Оптические свойства наночастиц γ – оксида железа в матрице мезопористого оксида кремния // Письма в ЖТФ, -2008, Том 34, -вып.7, -С.36-43.

2. Барабан А.Н., Булавин В.В., Коноров П.П. Электроника слоев SiO₂на кремнии / Л.: Изд-во Ленинградского университета. -1988, -304 с.

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

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

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/555032-gigantskaja-fotochuvstvitelnost-au-ga2o3fe-n-