Полосовой фотоприемник на основе варизонных структур Au-n-Ga1-xAlxAsn-GaAs с разнодолинным Г-Х-переходом

Полосовой фотоприемник на основе варизонных структур

Au-n-Ga_1-xAl_xAs/n^’-GaAs с разнодолинным Г-Х-переходом

Д.Мелебаев

Фоточувствительные варизонные структуры Au-n-Ga_1-xAl_xAs/n^’-GaAs с разнодолинным Г-Х-переходом созданы методом химического осаждения. Экспериментально обнаружено, что в области Г-Х-перехода в структуре формируется потенциальный барьер для основных носителей заряда. Обнаруженное явление позволяет создавать новые типы полосовых фотоприемников, имеющих важное практическое значение.

Полупроводниковые гетероваризонные барьерные структуры на основе многокомпонентных твердых растворов в настоящее время широко используются для создания различных оптоэлектронных приборов [1,2]. Интенсивное исследование полупроводниковых гетероструктур на основе варизонных кристаллов А³В⁵ существенно расширило возможности использования варизонных поверхностно-барьерных (m-s) структур, на которых созданы различные принципиально новые устройства, такие как селективные фотоприемники [3] и опто-спектрометрические элементы [4].

Наиболее важной характеристикой для варизонных твердых растворов является зависимость ширины запрещенной зоны от состава (E_g=f(x)). Установлению этой зависимости дляGa_1-xAl_xAs посвящено много работ [5-10]. По данным разных работ, для твёрдого, раствора Ga_1-xAl_xAs значение х=х_с соответствующее этому Г-Х-переходу, составляет от 0,37 до 0,43. Одной из причин противоречивости таких данных, особенно экспериментальных является использование в различных работах различных методов исследования [2].Работы [9-11] посвящены исследованию фотоэлектрических и кинетических явлений в варизонных структурах с разнодолинным Г-Х-переходом. В них показано, что смена абсолютных минимумов с-зоны в определенной точке варизонного кристалла n-типа приводит к тому, что в окрестности этой точки происходит формирование потенциального барьера для основных носителей, называемого барьером разнодолинного перехода [10].

Обзор литературных данных подтверждает, что для твердого раствора Ga_1-xAl_xAs положение точки перехода х=х_с точно не установлено, что отмечается даже в работе [12].

Настоящая работа посвящена исследованию спектра фоточувствительности Au-n-Ga_1-xAl_xAs структур в области энергией, соответствующей Г-Х-переходу, определению состава прих=х_с, когда , с использованием модернизированного фотоэлектрического метода [7], а также созданию высокоэффектных полосовых фотоприемников нового типа.

Объектом исследования служили два типа m-s-структур на основе варизонных слоев n-Ga_1-xAl_xAs содержащих ранодолинные Г-Х-переходы. Варизонные слои n-Ga_1-xAl_xAs толщиной 80-90 мкм и с градиентом ширины запрещенной зоны эВ/см выращивались методом жидкофазных на подложках n-GaAs (n=2·10¹⁷см^-3, n=2·10¹⁶см^-3 при (300К) по методике [13]. Состав исходного расплава и условия роста выбирались с таким расчетом, чтобы внутри кристалла n-Ga_1-xAl_xAs имелся разнодолинный Г-Х-переход. Состав твердых растворов n-Ga_1-xAl_xAs, выращенных на подложке n-GaAs был определён микрорентгеноспектральным методом (ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН) на микроанализаторе САМЕСА при прохождении электронного зонда по сколу эпитаксиального слоя. В эпитаксиальных слоях Ga_1-xAl_xAs содержание AlAs(x) было наибольшим на границе слой-подложка. И при различных х на границе составляло 0,43 – 0,58 и плавно уменьшалась в направлении от подложки. На поверхности слоя х составляло 0,02-0,08 (рис 1).

Рис.1Рис. 2Конструктивная схема m-s-структур и условия освещения представлены на рис 2 а, б. На первом типе m-s-структур (рис. 2а) барьерных контакт Auрасположен на узкозонной поверхности варизонного кристалла n-Ga_1-xAl_xAs. На подложке n-GaAs создан двухслойный омический контакт (Ni-Au).

На втором типе m-s-структур (рис.2б) барьерный контакт Auрасполагался на косой поверхности варизонного кристалла n-Ga_1-xAl_xAs. Изменение E₀плоскостиm-s-перехода происходит в интервале 1,4-2,1 эВ. Эта конструкция очень удобна для определения местоположения разнодолинного Г-Х-перехода, она дает возможность также определить координатную (y) зависимость концентрации электронов в слое n-Ga_1-xAl_xAs (рис 2б).

Как в первом типе m-s-структур, так и во втором типе (рис 2а, б) на поверхности варизонного кристалла n-Ga_1-xAl_xAs наноструктурированных барьерный контакт формировался химическим осаждением слоя золота при комнатной температуре из водного раствора HAuCl₄ (4g/l) · HF(100ml/l)по методике [14, 15]. Толщина нанослоя золота составляла 10-15 нм.

Измерялись вольт-амперные (I-U), вольт-емкостные (С-U) характеристики и спектр фототока короткого замыкания (I_fo-hν). На основе анализа электрических и фотоэлектрических свойств Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaAs поверхностно-барьерных структур для случая, когда d ˃ W₀+L_p, определены основные параметры n-Ga_1-xAl_xAs слоев: концентрация основных носителей заряда N_d-N_a, энергия прямых оптических переходов Е₀, диффузионная длина неосновных носителей заряда L_p=0.3 – 10 мкм. Также определены параметры m-s-структур: ширина слоя объемного заряда W₀=0,1-2,25 мкм, максимальная напряженность электрического поля E_m0, коэффициент идеальности β, высота потенциального барьера qφ_Bo.

На рис. 2в и 3а представлены нормированные спектры фототока структур Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n^'-GaAs.

Как видно из рис 3а, при толщине эпитаксиального слоя d≈W₀+L_pи при низких концентрациях носителей заряда (3·10¹⁴-10¹⁵ см^-3) спектры фоточувствительности Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaAs структур существенным образом отличаются от спектров обычных фотодиодов Шоттки (рис.3а, кривые 2, 3 4). Электрические характеристики и механизм прохождения тока в таких структурах не подчиняются теории Шоттки и теории Бете. Для объяснения полученного результата нами предложена модель-диаграмма энергетических зон гетероваризонных m-s-структур (рис 3 б, в).

Рис.3Рис. 4

В структурах Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaAs (n=2·10¹⁶·cм^-3) при d≈W₀+L_pобнаружено, что с уменьшением концентрации электронов в эпитаксиальном слое до величин <10¹⁵ см^-3 существенно увеличивается L_p, и практически вся область слоя твердого раствора и гетерограница (n-n^'-переходов) являются фотоактивными, т.е. носители заряда возникшие в любой точке эпитаксиального и слоя прилегающей к нему части подложки, способны дойти доm-s-перехода. Поэтому спектр фоточувствительности расширяется в длинноволновую сторону до 1,4 эВ (рис 3а, кривые 2-4).

Нашими комплексными исследованиямиAu-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaAs структур с Г-Х-переходом впервые обнаружено влияние положения Г-Х-перехода в эпитаксиальном слое на спектр фоточувствительности варизонных структур металл-полупроводник. Наибольшее влияние на спектр обнаружено в случае, когда точка Г-Х-перехода находится в слое объемного заряда m-s-перехода. При этом Г-Х-переход действует как дополнительный потенциальный барьер. В таких структурах спектр фоточувствительности расширяется в длинноволновую сторону от 2,0 до 1,4 эВ. Квантовая фоточувствительность в этом интервале энергии фотона приближается к 0,7 (рис. 3а, кривая 3).

В структуре Au-n-Ga_1-xAl_xAs-n-GaAs при более низкой концентрации электронов в эпитаксиальном слое (N_d-N_a=5·10¹⁴ см^-3, рис. 3а, кривая 3), высота барьера вn-n^’-переходе для дырок, генерированных в подложке, меньше, чем при более высокий (N_d-N=3·10¹⁵ см^-3, рис. 3а, кривая 2) и они легче преодолеваютn-n^’-переход. Высота потенциального барьера Г-Х-перехода при этом больше и дырки сильнее увлекаются его полем и эффективнее направляются к m-s-переходу. Это дает возможность на основе разнодолинных варизонных полупроводников создать высокоэффективный полосовой поверхностно-барьерный фотоприемник, освещаемый со стороны полупрозрачного нанослоя металла (рис.4).

Исследование подвижности в разнодолинном полупроводнике, например, в варизонном эпитаксиальном слое n-Ga_1-xAl_xAs в [11], впервые теоретически обнаружило, что этот переход формирует потенциальный барьер для основных носителей заряда. Наши исследования спектра фоточувствительностиGa_1-xAl_xAsm-s-структур с разнодолинным переходом экспериментально подтвердили, что в Г-Х-переходе действительно формируется потенциальный барьер (рис. 3а, кривая 3). Теперь потенциальный барьер Г-Х-перехода можно использовать для точного определения состава x=x_c. При этом междолинный энергетический зазор ΔЕ_ГХ между минимумами Г и Х зон проводимости обращается в нуль т.е. . Для точного определения необходимо установить энергии фотонов, при которых фототок m-s-структур будет равен нулю ().

Рис. 5

На рис. 5а показана схема m-s-структуры, при которой световой поток направлен параллельно плоскости m-s- и Г-Х-перехода. Данная конструкция позволяет точно определить ширину запрещенной зоны переходрого состава Ga_1-xAl_xAs т.е. x=x_c. Как видно из спектральной характеристики полосового фотоприемника (рис. 5б), фототок структур обращается в нуль при . Это соответствует энергии фотонов 1,96 эВ при 300 К. В работе [16] установлена зависимость для Ga_1-xAl_xAs. Согласно этим данным ширина запрещенной зоны твердого раствора =1,96 эВ соответствует составу твердого раствора x=0,39. Когда сменная точка Г-Х-перехода находится в слое объемного заряда, световой поток к m-s-переходу можно направить как перпендикулярно (рис. 2а), так и параллельно к плоскостиm-s-перехода (рис.5а). Предложенная конструкция позволяет точно определить ширину запрещенной зоны переходного состава Ga_1-xAl_xAs, т.е. x=x_c. Как видно из рис. 5б, при спектр фототока структур обращается в нуль. Согласно нашим данным =1,96 эВ (300 К) соответствует составу Ga_1-xAl_xAsx=x_c=0,39. При этом составе междолинный энергетический зазор ΔЕ_ГХ обращается в нуль, т.е. (0,39)= (0,39) (рис.5б).

Таким образом, при использовании потенциального барьера разнодолинного Г-Х-перехода, впервые показана возможность точного определения сменной точки x=x_c абсолютных минимумов Г и Х зоны проводимости твердого раствораGa_1-xAl_xAs. Экспериментально обнаружено, что, когда сменная точка Г-Х-перехода находится в слое объемного заряда, в структуре формируется потенциальный барьер для основных носителей заряда. Это позволяет создать новый тип полосовых фотоприемников (рис. 4), которые могут найти широкое применение.

В заключение авторы выражает благодарность С.Г.Конникову, Р.А.Сурису, Ю.П.Яковлеву за внимание к работе и О.В. Корняковой за микрорентгеновские измерения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алферов Ж.И. Физика и жизнь. –М.: СПБ.: Наука. 2001. -288с.

2. Пека Г.П., Коваленко В.Ф., Смоляр А.Н. Варизонные полупроводники / Под ред. Г.П. Пеки. –К.: Высшая школа. 1989. -251с.

3. Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Именков А.И., Мелебаев Д., Царенков Б.В. Фотоэлектрический эффект в варизонных поверхностно-барьерных структурах // ФТП. -1978. –Т.12, Вып. 1. –С. 96-101.

4. Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Данилова Т.Н., Именков А.Н., Мелебаев Д., Царенков Б.В., Яковлев Ю.П. Дифференциальный оптоспектрометрический эффект в варизонной m-s-структуре // ФТП. -1976. –Т.10. В.12. –С.2352-2360.

5. Panish M.B., Sumski S. Ga-Al-As: Phase, themodynamic and optical properties // J. Phys. Chem. Solids/ -1969/ -Vol/30, №1, -P. 129-134.

6. Алферов Ж.И., Амосов В.И., Гарбузов Д.З., Жиляев Ю.В., Конников С.Г., Копьев И.С., Трофим В.Г. Исследование зависимости от состава люминесцентных свойств твердых растворовGa_1-xAl_xAs и Al_xGa_1-xAsn- и р-типа // ФТП. -1972. –Т.6. №10. –С.1879-1887.

7. Беркелиев А., Гольдберг Ю.А., Именков А.Н., Мелебаев Д., Розыева М.Х. Фотоэлектрический метод определения параметров варизонных полупроводников // Известия АН ТССР. Сер. Физ.-тех., хим. и геол. Наук. -1986, -№1, -С.8-14.

8. Landolt-Börnstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology New Series. Group III // Springer Verlag. Berlin – 1987. Vol. 22a.

9. 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.

10. Матуленис А.Ю., Пожела Ю.К., Юцене В.Ю. Разнодолинный переход в полупроводниках // Литов. физ. сб. -1974. –Т. 14, №6. –С.907-917.

11. Матуленис А.Ю., Пожела Ю.К., Шимулите Е.А., Юцене В.Ю. Подвижность электронов в варизонном эпитаксиальном n-Al_xGa_1-xAs с разнодолинным Г-Х-переходом // ФТП. -1975. –Т.9, №3, -С. 572-575.

2. Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. –М.: Мир, 1982. –Т.2. -364с.

3. Мелебаев Д. Фотоэлектрические явления в структурахAu-Ga_1-xAl_xAs с разнодолинным Г-Х-переходом // МатериалыV МНК «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур». Украина. Харьков, -2011, -том.2, с. 487-493.

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

5. Мелебаев Д. Гигантская фоточувствительностьAu-Ga₂O₃(Fe)-n-GaP наноструктур в УФ области спектра // Инженерный журнал «Нанотехнология» Россия, Москва, 2014. №2(38). с.106-109.

6. Мелебаев Д., Гуйджова Р.З. Исследование зонной структуры полупроводниковых твердых растворов Ga_1-xAl_xAs фотоэлектрическим методом // МатериалыVIII МНК «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» Россия, Санкт-Петербург. -2012., с.336-337.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/555035-polosovoj-fotopriemnik-na-osnove-varizonnyh-s