CC BY
22
Г иясова Ф.А, Турсунметов К.А. @
Национальный университет Узбекистана
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЕТЕРОСЛОЕВ N0 A102 Ga 08 As И n0 Ga 0,9 In 01 As ВЫРАЩЕННЫХ НА ПОДЛОЖКАХ n + GaAs
Аннотация
Проведены исследования основных параметров гетерослоев N0Al02 Ga08 As и n0Ga09
In 01 As выращенных на подложках n+ GaAs, на основе экспериментальных данных
определены высоты потенциальных барьеров для каждого из контактов, состав эпитаксиальных слоев, построена энергетическая зонная диаграмма структуры.
Summary
Research of the basic parameters of N0Al02 Ga08As and n0Ga09In01 As-heterolayers
grown on n + GaAs-substrate was conducted, the potential barrier height for each of the contacts and the composition of the epitaxial layers are determined based on experimental data, energy band diagram of the structure is built.
Сегодня основное внимание исследователей обращено к проблемам приема и обработки лазерного и оптического излучений - к фотонным фотоприемникам. Начались поиски путей создания фотоприемников для УФ и ИК диапазона, где оптические потери в волокне являются минимальными [1,2]. Для их изготовления стали применяться элементарные и бинарные полупроводники, в которых, меняя состав и толщину базовой области можно получить фоточувствительность в широком диапазоне спектра от УФ до ИК диапазона (0.3-1.8 мкм). В частности, разработаны фотоприемники с барьером Шоттки на основе широкозонных полупроводниковых материалов GaP, GaAs и их тройного соединения GaPxAs1-x [3], а также InP. В качестве исходного материала использовались эпитаксиальные структуры n-n+ типа с нелегированным n-слоем. За счет использования в качестве базовой области совершенных эпитаксиальных слоев были созданы диоды с барьером Шоттки с улучшенными частотными и спектральными характеристиками. Однако на структурах с барьером Шоттки, в которых перенос носителей заряда обусловлен термоэлектронной эмиссией расчетные и измеренные значения U К оказались существенно ниже, чем у соответствующих структур с р-^переходом. Это связано с большими значениями тока насыщения -J0 , что в свою очередь вызвано малой высотой Фб потенциального барьера. Несмотря на это обстоятельство, диоды Шоттки широко применяются в качестве дискретных полупроводниковых приборов и элементов интегральных схем. Разрабатываются варианты их совмещения с р^-переходами в едином при-боре [4]. Функционально структуры с барьером Шоттки и р^-переходом яв-ляются взаимозаменяемыми. Они широко используются для выпрямления переменного тока, в качестве смесительных диодов, стабилитронов, импульсных и параметрических диодов. На арене стали появляться также новые структуры [5], в которых металлополупроводниковые переходы совмещаются с гетеро- и гомо- р-^переходами в единой структуре. В результате такие полупроводниковые приборы приобретает новые свойства [5].
В настоящей работе приведены результаты исследования основных параметров гетерослоев N0Al02Ga08As и n0Ga09In01As выращенных на подложках n + GaAs, которые
отличаются работоспособностью в фотовольтаическом режиме.
Особенность одно и двухбазовых структур такова, что их электрофизические свойства отличаются независимо от параметров потенциальных барьеров и базовой области. Для
® Гиясова Ф.А, Турсунметов К.А., 2015 г.
этого воспользуемся эффектами поглощения светового излучения в полупроводниках. Так, в зависимости от длины волны коэффициент поглощения фотонов различен и генерация носителей будет происходить в различных областях структуры. А именно, коротковолновое излучение поглощается на меньшей глубине в приповерхностной области, а длинноволновое чем длиннее, тем глубже будет проникать, достигая квазинейтральных областей базы. В результате на спектральных характеристиках будут отражаться области, где будут эффективно разделяться фотоносители, то есть на основе спектральных характеристик можно определить энергетические параметры базовой области структуры.
При освещении Ag-N0Al02 Ga08 As-n + ОаА8-п0Оа091п01А8-Аи-структу-ры со
стороны n0Ga09In01As-Au-перехода на спектральной характеристике при 0.94 мкм
появляется один пик (рис. 1), который соответствует оптической ширине запрещенной зоны n0Ga09In01 As 1.32 эВ, рис. 1. Отсюда на основании экспериментального значения ширины запрещенной зоны путем расчета, приведенной в работе [6] можно определить расчетное значение состава твердого раствора GaInAs. Подставляя значение E g=1.32 эВ в формулу (1)
Рис. 1. Спектр корня фототока от энергии фотонов при возбуждении со стороны Ag-N0 Al 0 2 Ga
0 8 As f =0.62 эВ, вставка
GaхInl.xAs=0.36+1,064х=1.32 эВ, (1)
откуда х=(1.32-0.36)/1.064=0.9. (2)
Соответственно, имеем следующий состав Ga0.9In01As. Что касается содержания Al, то его количество по технологическим данным равно у=0.2 [7]. На основании
экспериментального значения ширины запрещенной зоны путем расчета, приведенной в работе можно определить расчетное значение состава твердого раствора AlxGa^As. Подставляя значение E g=1.67 эВ соответствующее оптической ширине запрещенной зоны
гетерослоя AlGaAs в формулу (3)
A^Ga^As =1.424+1,247х=1.67 эВ, (3)
откуда х=(1.67-1.424)/1.247=0.197=~0.2. (4)
Соответственно, имеем следующий состав Al02Ga08As. Высоты потенциальных барьеров металл-полупроводник определяются из зависимости корня квадратного фотоотклика пересчитанного на один фотон от энергии фотона [8] как показано на рис. 1 и
рис.2 для переходов Ag- N0Al02Ga08As и n0Ga0.9In0.1As-Au, соответственно имеем jm N =0.62 эВ, j т =0.6 эВ. Как видим, ширина запрещенной зоны областей в одном направлении убывает, начиная от N0Al02Ga08As до n0Ga09In01As. А именно, ширина запрещенной зоны базовой области N0 Al02 Ga08 As равна 1.67 эВ, низкоомной подложки n + GaAs -1.43 эВ и узкозонной базовой области n0Ga09In01As 1.32 эВ. Остальные параметры
необходимые для полного анализа физических процессов протекающих в Ag-N0Al02Ga08
As-n + GaAs-n0Ga0.9In0.lAs-Au-структуре можно получить из физических параметров материалов составляющих структуру. Так контактная разность потенциалов создающая слой объемного заряда между металлом и полупроводником равна разности между высотой
барьера j и зазором между зоной проводимости и уровнем Ферми. и mN— N - ( ecn - fn ) (11) (где ECN -энергия зоны проводимости, FN - положение уровня Ферми. Положение уровня Ферми вернее (ECN — FN) в зависимости от концентрации носителей можно определить графическим способом на основе данных приведенных в работах [9,8].
Рис. 2. Спектр корня фототока от энергии фотонов при возбуждении со стороны n0 Gao.9Ino.1As
-Au (U=-0.05 В) f =0.60 эВ
В частности, для N0Al02Ga08 As с концентрацией носителей 1.1015 см —3 его значение равно 0.26 эВ, а для n0Ga09In01As с учетом ширины запрещенной зоны 0,24 эВ. Тогда
контактные разности потенциалов будут равны Uт~N = jm N - 0,26 эВ=0,36 эВ и UК—т = j" -
- 0,24 эВ=0,36 эВ, то есть предельные напряжения, прилагаемые в прямом направлении, когда переход металл-полупроводник становится прозрачным. Создаваемые на границе гетеропереходов разрывы в зоне проводимости и в валентной зоне, определяются разностью электронного сродства каждого из областей. В нашем случае имеем два изотипных гетероперехода N0Al02 Ga08 As-n + GaAs и n + GaAs-n0Ga09In01As. Для данного состава алюминия х=0,2 разрыв в зоне проводимости определяется из выражения [10]:
АЕС = 0,85( EN — E”+ ) = 0.85(1.67 —1.43) = 0.204 эВ, (5)
а в валентной зоне AEV = (EgN — E) — 0.204 = 0.24 — 0.204 = 0.036 эВ. (6)
Для гетероперехода n + GaAs-n0Ga09In01As соответственно имеем разрыв в зоне проводимости определяемый разностью электронных сродств (c) GaAs и Ga0 9 In 0 г As:
АЕс = |c”+— Хп\ = |4 05 — 4.1 = 0.05 эВ, (7)
а в валентной зоне
AEV= (Eng+ — Eng ) — 0.05 = 0.11 — 0.05 = 0.06 эВ (8)
В соответствии с поведением изотипных N-n-гетеропереходов узкозонная область ведет себя как полупроводник р-типа [10]. На этих N-n-гетеропереходах смещающему прямому направлению соответствует отрицательный потенциал на (-) Ag-N0 Al 0 2 Ga 0 8 As
стороне, когда барьер Ag-N0Al02 Ga08 As принимает запираемое положение. Эквивалентную схему исследуемой структуры можно представить в виде m-N ^p-перехода, состо-ящего из
прямо включенных двух барьеров с двумя последовательно соединенными через n + -подложку базовыми областями. В связи с тем, что концентрация носителей n + GaAs подложки на три порядка выше, чем в эпитаксиальных слоях и его сопротивление является очень низким, то подложка в структуре становится связующим звеном между гетерослоями. В процессах токопереноса его толщина практически не имеет роли, так как все приложенное извне напряжение падает на гетерослоях и в потенциальных барьерах металлполупроводник. Общая толщина, которая участвует в физических процессах, равна сумме толщин гетерослоев. Площадь структур равнялась 15-17 мм2.
Таким образом, на основе экспериментальных данных спектральной характеристики, концентрации носителей и справочных данных по расположению уровня Ферми [11,9] определены высоты потенциальных барьеров для каждого из контактов, состав эпитаксиальных слоев, построена энергетическая зонная диаграмма.
Литература
1. Аверин С.В., Кузнецов П.И., Чусов И. И. Сверхбыстродействующие фотодетекторы для широкополосных оптических информационных систем // Выставочный центр Российской Академии Наук, ИРЭ.-Москва, 2005.
2. Алферов Ж.И., Гореленок А.Т., Данильченко В.Г. и др. Высокоэффективный фотодетектор для УФ излучения // Письма в журнал технической физики. - Санк-Петербург, 1983. - том 9. -вып. 24. -С. 1516-1519.
3. Алферов Ж.И., Гореленок А.Т., Данильченко В.Г. и др. Высокоэффективный фотодетектор для УФ излучения // Письма в журнал технической физики. - Санк-Петербург, 1983. - том 9. -вып. 24. -С. 1516-1519.
4. Karimov A.V., D.M. Yodgorova., E.N. Yakubov. Research of structures corrugated photoreceiving surface // Semiconductor Physics Quantum Electronics Optoelectronics. - Киев, 2004. -№4. -Р. 378382.
5. Каримов А.В., Ёдгорова Д.М. Инжекционно-полевой фотодиод // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - Киев, 2006-№ 2. - С. 76 - 80.
6. Анисимова И.Д., Стафеев В. И. Фотоприемники ультрафиолетового диапазона на основе широкозонных соединений А3В5 // Прикладная физика.-Москва, 1999. -№ 2. -С. 2-4.
7. Андреев В.М., Долгинов Л.М., Третьяков Д.Н. Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов. - М.: Сов. радио. 1975. - 127с.
8. Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. В 2-х т.-М.: Мир. Т.2. 1981. С. 20-21.
9. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. - М.: Высшая школа, 1991. - 56-61, 324-331сс.
10. Кейси Х, Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. Т.1 -М :Мир. 1981. -с. 226-228,259-262.
11. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов // Под ред. Р.А.Суриса. В 2-х т. -М.: Мир, 1984. Т. 1. - С. 27-33, 257-283, 303-306, 310-317.
