Электрофизические свойства инжекционного фотоприемника на основе n+ n структуры Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 53.043;53.023;539.234 И. Б. Сапаев

ББК 22.3 Докторант

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИИЖЕКЦИОНИОГО ФОТОПРИЕМНИКА НА ОСНОВЕ N+ - N СТРУКТУРЫ*

Исследованы вольт-амперные характеристики n+CdS-nCdS-nSi структуры при различных температурах. Обнаружено, что вольт-амперная характеристика таких структур имеет участок сублинейного и квадратичного роста тока с напряжением. Показано, что n+CdS-nCdS-nSi структуры в пропускном направлении тока при малых уровнях освещения работают как инжекционный фотодиод. Такая структура при лазерном освещении с Л=0.625 цш и мощностью P=1.2 ^W/cm2 имеет спектральную

чувствительность 2042 A/W, напряжении смещения 10 V. При облучении белом светом энергией W=3,6-10-2 ^W-s она имеет интегральную

чувствительность =21 A/lm (2310 A/W) при напряжении смещения U=10V.

Ключевые словв: Гетеропереход, пленка, фоточувствительность.

I. B. Sapaev Doctorate student

ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF INJECTION OF A SENSOR ON THE BASIS OF THE N+ - N STRUCTURE*

Investigated volt-ampere characteristics of the n+CdS-nCdS-nSi structure at different temperatures. Found that the volt-ampere characteristic of such structures is the plot of sublinear and the quadratic growth of DC voltage. It is shown that the n+CdS-nCdS-nSi structure in the direction of the current in low light work as injection photodiode. Such a structure of laser light with À=0.625 ^m and capacity P=1.2 ^W/cm2 has the spectral sensitivity 2042 A/W, the bias voltage of 10 V. The irradiation of white light energy W=3,6^10-2 ^W^s it has integral sensitivity =21 A/lm (2310 (A/W) at bias voltage U=10V.

Key words: heterotransition, film, photosensitivity.

В данной работе приводятся результаты исследований n+CdS-nCdS-nSi структуры. Такие гетероструктуры были созданы путем напыления порошков CdS в квазизамкнутой системе в вакууме 10-5 ^гг на поверхность пластинки кремния п-типа с р~15 Ош-сш и толщиной 300-400 цш.

* Работа выполнена по грантам «Ф3-ФА-0-56434Ф3-ФА-Ф063» Фонда фундаментальных исследований АН Узбекистан.

* Work is executed on the basis of grants «Р3-РА-0-56434Ф3-РА-Ф063» Fund of fundamental research of the Academy of Sciences of Uzbekistan.

Приведенные исследования при помощи микроскопа МИИ-4 показывают, что пленки CdS состоят из столбчатых кристаллитов (зерен), размер которых составляет = 0,8-1 и они полностью охватывают всю толщину пленки =1 цш. Сильно легированный n+CdS слой с толщиной в порядке 500Á формировался путем вакуумного напыления атомов индия(1п) на поверхность пленки CdS.

Как известно, у CdS гексагональной модификации (acds=5,84Á) и Si (asi=5,43Á) постоянные кристаллические решетки а отличаются почти

на 7%, а для создания гетероперехода с низкой плотностью поверхностных состояний их различие не должно превышать 4% [1]. Однако выше приведенные экспериментальные факты свидетельствуют, что на границе раздела контактирующих полупроводниковых материалов имеются низкая плотность поверхностных состояний. Поэтому предполагается, что в процессе формирования структуры образуется промежуточный слой между CdS и Si , который способствует сглаживанию разницу между постоянных кристаллических решеток кремния и сульфида кадмия. С целью доказательства этого предположения было исследовано распределение химических элементов по толщине пленки, которое проводилось по ее сколу. Измерение проводилось на микроаналитическом комплексе Jeol - JXA - 8900 с помощью ЭДС LINK ISIS (энерго-дисперсионный спектрометр); погрешность измерений составляла ±2.0%. Условия измерений: V=20 kV, I=10 nA. Эталоны: самородные Cd, и Si, для S - синтетический FeS. Результаты измерений и микрофотография показывают, что элементы Cd, S и Si на границе раздела резко уменьшаются почти до нуля на расстояние ~ 1мкм по толщине пленки. Отсюда следует, что между CdS и Si имеется твердый раствор толщиной порядка одного микрометра. Определение компонентов этого твердого раствора является объектом дальнейших исследований.

На основе сульфида кадмия, были изготовлены гетероструктуры n+CdS-nCdS-nSi с толщиной базового п - слоя W = 2 цш. При исследовании структуре методом вакуумного напыления создавались контакты -сплошные с тыльной стороны и “П” образные с площадью 3 шш2 из индия на поверхности CdS.

Исследовались вольт-амперные характеристики (ВАХ) полученных структур в прямом направлении, представленные на рис. 1 в

полулогарифмическом масштабе. Измерения проводилось в температурном диапазоне 20 - 120°С.

Рис.1. Вольт - амперная характеристика In-n+CdS - nCdS - nSi-In структуры при различных температурах T.0C: 1 - 20, 2 - 40, 3 - 60, 4 - 80, 5 - 100, 6 - 120.

Начальный участок ВАХ (до 0.4 В) хорошо аппроксимируется известной зависимостью Стафеева [2]:

qV_

I = 10 • eckT (1)

Где показатель экспоненты “с”, вычисленный из ВАХ, имеет значения с ~ 12.6, характерное для так называемого “длинного диода”, т.е. W/Lp > 1, где W - длина базы, Lp = ^Dpzp - диффузионная длина неосновных носителей.

Согласно теории В.И. Стафеева, показатель экспоненты “с” описывается выражением

с =

W 2b + ch(L) +1

b +1

(2)

где b = — - отношение подвижностей электронов и дырок.

Vp

Подвижность основных носителей, определенная методом Холла, составляла при комнатной температуре = 286 cm2/(V-s). Предполагая, что как обычно, в материалах группы AIIBVI подвижность дырок намного меньше подвижности электронов [3], для оценки принималось значения ^р = 8 cm2/(V-s). В этом случае b = 36, из соотношения (2) можем найти отношение W/Lp = 6.7, которое действительно оказывается больше 1. Затем можно найти диффузионную длину неосновных носителей. Это позволяет определить произведение ПОДВИЖНОСТИ на время ЖИЗНИ неосновных носителей ^рТр [4].

ßpTp = qkLr (3)

kT

Значения этих параметров вычисленных при различных температурах приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристические параметры п+ - п структуры от температуры.

T, K 293 3—3 333 353 373 393

с —2.6 —3.9 —5.6 —7 —6.2 —5.7

1—1 , 1—1 О 8 > — .3 — 2.3— 2.9 3.3 3.8 4.2

Lp, цш 0.3 0.294 0.289 0.285 0.287 0.289

При комнатной температуры произведение ^рТр имеет значения ~3.6*108 сш2/У. Из таблице I видно, что в диапазоне температур - 293-403К диффузионная длина неосновных носителей слабо зависеть от температуры. На рис. 2 показано зависимость произведения ^рТр от температуры. Как видно из этого рисунка значение ^рТр уменьшается с ростом температуры, что связано с рассеянием неравновесных носителей на тепловых колебаниях решетки, и это приводит к уменьшению подвижности неосновных носителей.

Предэкспоненциальный множитель 1о в формуле (1) имеет вид [5]:

i = kT..

1 о

W

S • b • ch(—) Lp

a W

a 2(b +1) • Lp-p-tg(W-)

LD

(4)

где 8 - площадь образца, р - удельное сопротивление переходного слоя п+ - п перехода.

3,6

3,4

Е 3,2 о

8 3,0

о. 2,8

но.

^ 2,6

2,4

280 300 320 340 360 380

400

T, K

Рис.2. Зависимость произведения подвижности (^р) на время жизни (тр) неосновн^1х носителей - дырок п+ - п структуры от температуры.

Значение 1о, определенные из экспериментальных точек кривых ВАХ приведены в таблице I. С помощью уравнения (4) и данных таблице I было

вычислено удельное сопротивление р от температуры. Видно, что между подложкой и пленкой формируется сильно компенсированный высокоомный слой из твердого раствора между 81 и CdS с р = 1.5-108 Ош-сш при комнатной температуры. Из рис. 3. видно, что с ростом температуры удельное сопротивление слоя уменьшается за счет тепловой генерации носителей заряда в нем.

1,6

Е1'4

О

1= 1.2-1

О

о 1,0-1

^0,8

0,6

--1-■-1-1-1-■-1-1-1—'-1—т к

280 300 320 340 360 380 400 ■’ к

Рис.3. Зависимость удельного сопротивления высокоомного переходного слоя подложка-пленка п+ - п структуры от температуры

Из ВАХ, показанных на рис. 1, что вслед за обычной экспоненциальной зависимостью на всех ВАХ, независимо от температуры, появляются протяженные сублинейные участки (в диапазоне от V > 0.9 до 10 В). Эти участки ВАХ могут быть хорошо описаны в рамках теории так называемого “эффекта инжекционного обеднения”, впервые предсказанного теоретически в работе [6]. В случаи этого эффекта ВАХ имеет весьма специфический характер и описывается закономерностью вида

V - У^а№, (5)

где

1

a =

(6)

2цВр^

- параметр, зависящий только от коэффициента диффузии неосновных носителей (т.е. от их подвижности, Бр = (кТ/д)^р) и концентрации глубоких примесей N ] - плотность тока. Одним из важнейших условий наблюдения сублинейного участка ВАХ (5) является требование

ЛЖ > 2 (6)

которое свободно выполняется при всех температурах (например, при Т = 20°С, 8 = 0.8 сш2, МаЖ « 2,3).

Теоретически появление такой ВАХ возможно только при встречных направлениях амбиполярной диффузии неравновесных носителей и их амбиполярного дрейфа, который в этом случае определяется инжекционной

модуляцией заряда глубоких примесей [7,8] Используя выражение (5), можно определить параметр а непосредственно из данных по ВАХ:

а =

1п(^) • S

V

(7)

(12 - I) • ^

где 8 - площадь поперечного сечения, I - сила тока. Значения параметра “а”, найденные из ВАХ при различных температурах, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Значения параметра а в зависимости от температуры

T, K 293 313 333 353 373 393

a, 109 cm/A 4.6 4.66 4.64 4.62 4.8 5

Как отмечалось выше, значения величины а позволяет определить концентрацию глубоких примесей N1, ответственную за появление сублинейного участка ВАХ, которая составляет при комнатной температуры

N « 3.4 • 109 ст 3. Используя данные таблице 2 и по формулы /лР • N =—1—

2каТ

можно найти зависимость произведения подвижности неосновных носителей п+ - п гетероструктуры на концентрацию глубоких примесей (цр-№) от температуры (рис. 4).

2,8-,

'(Л 2,6

"е 2,4 и о

О)

— 2,2

К

2,0-

1,8-

280 300 320 340

360 380

400

Рис.4. Зависимость произведения подвижности (^р) неосновных носителей дырок структуры п+ - п на концентрацию глубоких примесей (N1) от

температуры.

Из рис. 4 видно, что в диапазоне температур 293-393К значения Цр-№ уменьшается с ростом температуры. Это, по-видимому, позволяет заключить, что в ВАХ большую роль в механизме подвижности играет рассеяние носителей на ионизованных примесях.

С ростом уровня инжекции электронов и дырок средние временя жизни их может оказаться в зависимости от уровня инжекции плазмы и при этом ток от напряжения описывается зависимостью I ~ V2, что и наблюдается на эксперименте (см. рис.5, кр.1) [9].

Рис.5. Вольт-амперная характеристика In-n+CdS - nCdS - nSi-In структуры в

двойном логарифмическом масштабе.

На рис. 5. прямая ветвь в темноте (1), которая описывается

зависимостями I~V (I), I~ V2 (II); прямая ветвь при облучении белым светом с E = 3-10-2 lux (2), прямая ветвь при лазерном облучении с Л = 0,625 nm мощностью P = 1.2 ^W/cm2 (3), прямая ветвь при лазерном облучении с Л = 0,625 nm мощностью P = 0.75 mW/cm2 (4)

Световые ВАХ, измеренные при лазерном облучении (рис.5, кр.2), также имеют два участка и они почти параллельны соответствующим участкам темновой вольтамперной характеристики. Эти экспериментальные данные показывают, что механизм протекания тока в темноте и на свету один и тот же и они лишь отличаются по величине тока. Согласно [10], при работе структур в дрейфовом режиме двойной инжекции решающее значение имеют особенности биполярного дрейфа неравновесных носителей в толщине n-базы, а вклад в этот процесс инжектирующего и аккумулирующего контактов несущественны. В работе [11], на основе модели диода с длинной базой [12], теоретически проанализирован механизм фотоэлектрического инжекционного усиления тока. Показано при этом, когда проводимость базы определяется инжектированными носителями из контактов, усиление тока определяется модуляцией подвижности (^) под действием «примесного» освещения. Это также следует из аналитического

выражения биполярной дрейфовой подвижности [11], где в числителе стоит величина, зависящая от разности концентраций носителей заряда. «Примесное» освещение, при котором генерируются носители одного знака, изменяет эту разность, модулируя тем самим параметр ^, этот процесс сильно влияет на концентрацию носителей заряда, инжектированных из контактов. Кроме этого следует отметить, что биполярная подвижность определяется по существу малым изменением заполнения центров захвата, связанным малыми изменениями концентраций свободных носителей. Этот процесс совершенно не затушевывается большими значениями самых концентраций электронов (n) и дырок (p) [2,11]. Этим обстоятельством можно объяснить столь высокие экспериментальные значения спектральной чувствительности при облучении лазерным (с Л=625 nm) светом очень малой мощностью P = 1,2 ^W/cm2, 0.75 mW/cm2 (см.рис.2Ь). Как приведена в табл. 3, что исследуемая n+CdS - nCdS - nSi-структура имеет наибольшую спектральную чувствительность Sa ~ 2042 A/W.

Таблица 3

Зависимости фототока (If), интегральной чувствительности (Sint), СПеКТраЛЬНОЙ ЧуВСТВИТеЛЬНОСТИ (Sa) ОТ ОСВещеННОСТИ (Elux), мощности лазерного облучения (Р) и напряжении смещения (U).

Белый свет Е = 3 • 10 2 lux Лазерное облучение mW W = 0.75 2 cm Лазерное облучение W = 1.2 ßW cm

U, V 1 ßA 1Phз 2 cm 5 A 1 ’ Im S,. W W І ЦА 2p^ 2 cm s„W IW і ßA 2p^ 2 cm S,,A IW

2 105 1.05 115.5 500 0.67 100 83

3 255 2.55 280.5 1000 1.3 260 217

4 490 4.9 539 1600 2.1 530 442

5 712 7.12 783.2 2260 2.9 790 658

6 1025 10.25 1127.5 2750 3.7 1115 926

7 1265 12.65 1391.5 3200 4.3 1450 1208

8 1575 15.75 1732.5 3700 4.9 1875 1562

9 1810 18.10 1991 4000 5.3 2080 1733

10 2100 21 2310 4500 6 2450 2042

Отметим, что лазерное облучение (Л=0.625 ^ш) для сульфида кадмия является примесным облучением. Причем исследуемая структура очень чувствительна к малым световым сигналам. Это сильно проявляется, при

облучении белом светом с освещенностью 3*10-2 lux она имеет интегральную чувствительность 2310 A/W. Приведенный эксперимент показывает, что с уменьшением мощности лазерного облучения возрастает величина спектральной чувствительности (Sa). Отсюда следует, что такая величина световой энергии является достаточной для модуляции биполярной подвижности.

Таким образом, на основе сильно компенсированной

поликристаллической пленки CdS c р~1.5*108 Om-cm создана диодная In(n+ CdS)- nCdS - nSi -структура c W/L > 1, y которой прямая ветвь ВАХ описывается степенными зависимостями I ~ V и I ~ V2. В этой структуре протекающие токи определяются амбиполярным и биполярным дрейфом носителей заряда. Такая диодная структура в пропускном направлении тока работает как инжекционный фотодиод и имеет спектральную чувствительность Sa = 2042A/W при облучении лазером мощностью P=1.2 ^W/cm2 (à=0.625 ^m ) и V=10V.

ЛИТЕРАТУРА

1. Милне A., Фойхт Д.. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. Под ред. проф. B.C. Вавилова, Издательство «Мир». Москва. 1975. С.425.

2. Стафеев В.И. ЖТФ, 28 (8), 1631 (1958).

3. Фистуль В.И.. Физика и химия твердого тела. - М., Металлургия, 1995. т. I, II.

4. Takahashi K., Yamada S., Nakazono R., Minagawa Y., Matsuda T., Unno T., Kuma S.. Improvement of life time of minority carriers in GaAs epilayer grown on Ge substrate // Solar Energy Materials and Solar cells. V. 50, Issues 1-4 January 1998, P. 273-280.

5. Хвостиков В.П., Хвостикова O.A., Газарян П.Ю., Шварц М.З., Румянцев В.Д., Андреев В.М.. Термофотоэлектрические преобразователи теплового и концентрированного солнечного излучения // ФТП. Санкт Петербург. 2004. т. 38. В.8. С. 988-993.

6. Leiderman A.Yu., Karageorgy-Alkalaev P.M.. Sol. St. Commun., 27, 339 (1976)

7. Адирович Э.И., Карагеоргий-Алкалаев П.М., Лейдерман А.Ю.. Токи двойной инжекции в полупроводниках. - М.: Сов. радио. 1978. С. 320

8. Бахадырханов М.К.. В сб.: Глубокие уровни в полупроводниках. Под ред. В.И. Фистуля. Ташкент: 1981. С. 52.

9. Ламперт М., Марк П.. Инжекционные токи в твердых телах. Под ред. проф. С.М. Рывкина, Издательство «Мир». Москва. 1973

10. Карагеоргий - Алкалаев П.М., Лейдерман А.Ю.. Фоточувствительность полупроводниковых структур с глубокими примесями. Ташкент, Изд. «ФАН» Узбекский ССР. 1981. С. 200.

11. Гарин Б.М., Стафеев В.И.. Сб. трудов МФТИ. Сер. Радиотехника и электроника. -М, Изд-во МФТИ, 1972. вып.2. С. 88.

12. Осипов В.В., Стафеев В.И.. ФПТ. I. С. 1796 (1967).

REFERENCES

1. Milns A., Foikht D. Geteroperekhody i perekhody metall-poluprovodnik [Heterotransitions and transitions of the metal-semiconductor]. Moskow, Mir., 1975. p.425.

2. Stafeev V.I. ZhTF, 28 (8), p. 1631.

3. Fistul' V.I. Fizika i khimiia tverdogo tela [Physics and chemistry of solids]. Moscow, Metallurgy, 1995. V. I, II.

4. Takahashi K., Yamada S., Nakazono R., Minagawa Y., Matsuda T., Unno T., Kuma S.. Improvement of life time of minority carriers in GaAs epilayer grown on Ge substrate // Solar Energy Materials and Solar cells. V. 50, Issues 1-4 January 1998, P. 273-280.

5. Khvostikov V.P., Khvostikova O.A., Gazarian P.Iu., Shvarts M.Z., Rumiantsev V.D., Andreev V.M. Termofotoelectric converters of thermal and concentrated solar radiation. FTP - FTP. Saint Petersburg, 2004, vol. 38. pp. 988-993 (in Russian).

6. Leiderman A.Yu., Karageorgy-Alkalaev P.M.. Sol. St. Commun., 27, 339 (1976)

7. Adirovich E.I., Karageorgii-Alkalaev P.M., Leiderman A.Iu.. Toki dvoinoi inzhektsii v poluprovodnikakh [Currents double injection in semiconductors]. Moscow, Sov. radio., 1978. 320 p.

8. Bakhadyrkhanov M.K. Glubokie urovni v poluprovodnikakh [Deep levels in semiconductors]. Tashkent, 1981. 52 p.

9. Lampert M., Mark P. Inzhektsionnye toki v tverdykh telakh [Injection currents in solids]. Moscow, Mir., 1973.

10. Karageorgii-Alkalaev P.M., Leiderman A.Iu. Fotochuvstvitel'nost' poluprovodnikovykh struktur sglubokimiprimesiami [Photosensitivity of semiconductor structures with deep impurities]. Tashkent, «FAN»., 1981. 200 p.

11. Garin B.M., Stafeev V.I.. Sb. trudov MFTI. Ser. Radiotekhnika i elektronika [Collection of papers of MIPT. Ser. Radiotechnics and electronics]. Moscow, MFTI., 1972. vol.2. 88 p.

12. Osipov V.V., Stafeev V.I. FPT. I. 1796 p.

Информация об авторе

Сапаев Иброхим Байрамдурдыевич (Узбекистан, Ташкент) - Докторант 3 года обучения. Физико-технический институт. E-mail: [email protected].

Information about the author

Sapaev Ibrokhim Bairamdurdyevich (Uzbekistan, Tashkent) - Doctoral student of the 3 year of study. Physical-technical institute. E-mail: [email protected].