Селективные фоточувствительные структуры на основе барьера Шотки Au-AlGaN Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Измерение емкости и диэлектрических потерь планарных конденсаторов на сегнетоэлектрической плёнке в диапазоне СВЧ / М. М. Гайдуков, А. Б. Козырев, А. С. Рубан и др. // Радиотехника и электроника. 1975. Т. 20, вып. 12. С. 2588-2591.

2. Вендик О. Г., Зубко С. П., Никольский М. А. Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкий сегнетоэлектрический слой // ЖТФ. 1999. T. 69, вып. 4. С. 1-7.

3. Вендик О. Г., Зубко С. П. Размерный эффект в сегнетоэлектриках типа смещения // Кристаллография. 2004. Т. 49, вып. 5. С. 1-7.

S. P. Zubko, A. G. Gagarin, N. Yu. Medvedeva Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

4. Vendik O. G., Zubko S. P. Ferroelectrics as Constituents of Tunable Metamaterials, in "Theory and Phenomena of Metamaterials" / ed. by F. Capolino. Boca Raton: CRC Press, 2009. P. 33-1-33-43.

5. Vendik O. G., Zubko S. P., Medvedeva N. Yu. "Dead Layer" Characteristics Based on a Correlation of the Ferroelectric Polarization under Relevant Boundary Conditions in a Parallel Plate Capacitor // J. Appl. Phis. 2009. Vol. 105, iss. 5. P. 053515(1-4).

6. Thickness and Dielectric Constant of Dead Layer in Pt/(Baa7Sr03)TiO3/YBa2Cu3O7_x Capacitor / B. Chen, H. Yang, L. Zhao, J. Miao, B. Xu , X. G. Qiu, B. R. Zhao // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84, iss. 4. Р. 583-585.

Effective dielectric permittivity of ferroelectric film included in parallel-plate and planar ferroelectric capacitors

The characteristics of parallel-plate and planar ferroelectric capacitors are investigated experimentally and theoretically. The size effect in Ba0 3Sr0 7TiO3 included into parallel-plate and planar capacitors is studied.

Thin film, size effect, ferroelectrics, capacitor Статья поступила в редакцию 18 ноября 2015 г.

УДК 621.315.592

С. А. Тарасов, И. А. Ламкин, А. С. Евсеенков, И. И. Михайлов, А. В. Соломонов Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

Селективные фоточувствительные структуры на основе барьера Шотки Ли-Л^аЫ

Созданы и исследованы селективные фоточувствительные структуры на основе барьера Шотки Аи-А1ваЫ для ультрафиолетового диапазона спектра. Показаны методы управления спектром фоточувствительности за счет применения эффектов широкозонного окна и надбарьерного переноса в структурах Аи-А1ваЫ. Получены фотодиоды с полушириной спектра фоточувствительности Б...6 нм для длин волн 351.373 нм и чувствительностью до 140 мА/Вт.

Фотодиод, AlGaN, ультрафиолетовая область, барьер Шотки

Фоточувствительные структуры и приборы на их основе в настоящее время широко используются практически во всех областях человеческой деятельности [1], [2]. В последние годы для ряда военных и гражданских применений все более востребованными становятся фотоприемники, обладающие чувствительностью в ультрафиоле-товой (УФ) части спектрального диапазона [3]. Одним из наиболее актуальных примеров исполь-

зования подобных приборов являются системы УФ-локации, способные эффективно обнаруживать аппараты различного назначения по УФ -составляющей излучения реактивной струи, в том числе находящиеся в космическом пространстве [4]. К гражданским применениям можно отнести: контроль уровня УФ-излучения при обеззараживании воды и при некоторых медицинских процедурах; экологический мониторинг, включая ис-

54

© Тарасов С. А., Ламкин И. А., Евсеенков А. С., Михайлов И. И., Соломонов А. В., 2016

следования состояния озонового слоя и обнаружение озоновых дыр; создание систем безопасности, в частности датчиков пламени и загрязнения; а также ряд других научных и хозяйственных задач. Для большинства перечисленных применений необходимы селективные детекторы, нечувствительные к излучению видимого диапазона спектра, так называемые видимослепые фотодетекторы, а в некоторых случаях - и солнечно-слепые фотоприемники, способные корректно обнаруживать УФ-сигнал в условиях сильной фоновой засветки солнечным излучением [5]. Без применения дорогостоящих оптических фильтров это можно реализовать только за счет использования широкозонных полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны 3 эВ и более [6], [7].

Для успешного внедрения подобных детекторов в производство необходима разработка технологии их создания, в рамках которой можно достичь высоких параметров приборов при сохранении их невысокой себестоимости. Одним из перспективных вариантов является использование структур на основе барьера Шотки, что должно позволить создать высокоэффективные фотодетекторы сравнительно простыми и малозатратными методами [8].

Исследованные образцы. Были изготовлены и исследованы фоточувствительные структуры на основе контакта металл-ЛЮаК с различными долями ЛШ в составе твердого раствора (рис. 1). В качестве подложки использовался сапфир. На подложке методом хлоридно-гидридной эпитак-сии вначале выращивались буферные слои ЛЮаК переменного состава, призванные уменьшить количество дислокаций в верхнем эпитаксиальном слое. Состав буферных слоев подбирался таким образом, чтобы их ширина запрещенной зоны (ШЗЗ) была больше, чем ШЗЗ верхнего эпитакси-ального слоя. Это позволило избежать поглощения в буферном слое при обратной засветке образцов (со стороны подложки). Верхний эпитак-сиальный слой выполнял роль полупроводника

Аи-контакт

Т1/Л1-контакт

и-Л101Оаа9К

Буферные слои

Л12О3 -подложка

Рис. 1

для контакта Шотки и содержал в своем составе 6-10 % ЛШ. В некоторых образцах между буферным и верхним эпитаксиальным слоями была добавлена дополнительная прослойка ОаК, выполнявшая роль широкозонного окна.

Металлические слои наносились методом вакуумного резистивного осаждения при давлении

остаточных газов не выше 10 5 мм рт. ст. Омические контакты создавались на основе алюминия с предварительным нанесением подслоя титана по описанной ранее методике [9], [10].

Основное внимание в работе было уделено исследованию спектральных характеристик образцов. Для этого использовалась автоматизированная установка на основе дифракционного монохрома-тора с источником света на базе ксеноновой лампы. Также исследовались остальные важнейшие характеристики фоточувствительных структур, включая вольт-амперные и ватт-амперные характеристики, а также определены их чувствительности, обнаружи-тельные способности и другие рабочие параметры.

Экспериментальные результаты и их обсуждение. Созданные структуры Ли-ЛЮаК исследовались в двух режимах освещения: при использовании "прямой" засветки, когда структуры освещались со стороны металлического выпрямляющего контакта, и "обратной" засветки, когда структуры освещались со стороны подложки. В первом случае наблюдался широкополосный спектр фоточувствительности, а во втором - узкополосный, что позволило реализовать ультрафиолетовые фотодетекторы с высокой степенью селективности.

Рассмотрим результаты исследования структур на основе твердого раствора Л10.10а0.9К (рис. 1). При прямой засветке структура проявляла фоточувствительность в диапазоне от 200 до 375 нм. При этом на спектре чувствительности наблюдалось два максимума (1 - рис. 2). Длинноволновый максимум на длине волны 353 нм связан с проявлением эффекта надбарьерного переноса. Этот эффект возникает в барьере Шотки в случае, когда энергия падающих фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, но превышает высоту потенциального барьера "металл-полупроводник" (дфь < Ьу < Е^ ). При этом электроны из металла могут переходить в полупроводник, преодолев потенциальный барьер дф^. Коротковолновый максимум при 346 нм связан с поглощением на переходе "зона-зона" в полупроводнике и наблюдается при энергии фотона, пре-

I, мА/Вт

100

50

I, мА/Вт

I

300

вышающей

'IV > Е,

320

340 Рис. 2

360

X, нм

ширину запрещенной зоны

> Е^ ). Это означает, что поглощение происходит преимущественно в слое объемного заряда полупроводника аналогично тому, что происходит в фотодиодных структурах на основе /»-«-перехода. Полуширина спектральной линии составила 30 нм.

При освещении со стороны подложки образец проявлял фотоответ в существенно меньшем диапазоне: от 350 до 375 нм (2 - рис. 2). Максимум наблюдался при 355 нм, а полуширина спектральной линии составила 6 нм. Таким образом, структура представляет селективный видимосле-пой фотодетектор ультрафиолетового диапазона. Объяснить вид спектральной характеристики можно на основе сравнения процессов, происходящих в образце при прямой и обратной засветке. Как указывалось ранее, при прямой засветке образца фотонами с энергией Ну > дфь в металле возбуждаются электроны с энергией, достаточной для преодоления барьера Шотки. Если при этом Ну > Е^, а пленка металла достаточно тонкая, то

свет большей частью проходит через нее и генерирует электронно-дырочные пары в полупроводнике. При обратной засветке также возможно возбуждение электронов в металле с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, т. е. с Ну > дфь. Однако при Ну > Е^

свет будет сильно поглощаться вблизи тыловой поверхности полупроводника и вероятность того, что сгенерированные здесь электронно-дырочные пары достигнут границы раздела "металл-полупроводник", очень мала.

Управлять положением спектра фоточувствительности можно изменением состава твердого раствора, образующего барьер Шотки с Аи. Для демонстрации этой возможности была создана структура на основе эпитаксиального слоя АЮаК с долей АШ 0.06. Для такой структуры получен

80

40

- 2 \

1 1

_ 1 \

Л \

\ \

--

1 1

300

320

340 Рис. 3

360

X, нм

диапазон фоточувствительности при освещении со стороны металла от 200 до 380 нм с максимумом при 355 нм и полушириной 40 нм (1 - рис. 3). При освещении образца со стороны подложки спектр фоточувствительности существенно сужается (35 8... 378 нм), так как слой твердого раствора выступает в качестве широкозонного окна. Максимум наблюдается при длине волны 362 нм. Полуширина спектральной линии в таком случае будет составлять 5 нм (2 - рис. 3).

Независимость в управлении границами чувствительности была достигнута за счет добавления в структуру эпитаксиального слоя более узкозонного полупроводника Оа№ При этом он по-прежнему выполняет для барьера Шотки роль широкозонного окна, смещая коротковолновую границу фоточувствительности на длину волны около 360 нм (2 - рис. 4).

Длинноволновая граница определяется высотой потенциального барьера контакта Аи-АЮаК с долей АШ 0.1. Диапазон спектра фоточувствительности лежит в пределах от 200 до 375 нм при освещении образца со стороны металла и от 361 до 375 нм при освещении со стороны подложки. При освещении образца со стороны металла на характеристике фоточувствительности также наблюдаются два максимума при длинах волн 347 и 353 нм (1 - рис. 4). Полуширина спектральной линии в этом случае составляет 30 нм. При осве-

0.75 0.50 0.25 0

/

/

/

— /

/

/

/

1 / V /

300

320 340

Рис. 4

360

X, нм

1

0

0

н

Параметр Тип структуры

Au-Al0.06Ga0.94N Au-Al01Ga09N/GaN Au-Al0 1Ga0 9N

Хтах при освещении со стороны металла, нм 355 347, 353 346, 353

Хтах при освещении со стороны подложки, нм 362 366 355

Полуширина спектральной линии при освещении со стороны металла, нм 40 30 30

Полуширина спектральной линии при освещении со стороны подложки, нм 5 5 6

Диапазон чувствительности при освещении со стороны металла, нм 200... 380 200.375 200..375

Диапазон чувствительности при освещении со стороны подложки, нм 358...378 361.375 350.375

щении образца со стороны подложки, наблюдается селективный спектр фоточувствительности с максимумом при длине волны 366 нм (2 - рис. 4). Полуширина спектральной линии равна 5 нм.

Основные параметры образцов с барьерами Шотки из Аи и различными составами, исследованными в работе (максимум фоточувствительности, полуширина спектральной линии, диапазон фоточувствительности образцов), сведены в таблицу.

В процессе описанной работы созданы и исследованы селективные фоточувствительные структуры на основе твердого раствора АЮаК. При использовании структуры с верхним эпитак-сиальным слоем АЮаК с долей АШ 0.1, образующего барьер Шотки с Аи, создан селективный фотодиод с максимумом фоточувствительности при 355 нм и полушириной 6 нм. Уменьшение доли АШ в твердом растворе АЮаК до 0.06 сместило

максимум фоточувствительности селективного приемника на длину волны 3 62 нм, уменьшив полуширину до 5 нм. Добавление в структуру Аи-А1о.10ао.9К дополнительного слоя ваК, выполняющего роль широкозонного окна, сместило максимум чувствительности на длину волны 366 нм. Показано, что, изменяя состав твердого раствора, выполняющего роль широкозонного окна, можно изменять диапазон фоточувствительности в ко -ротковолновой области спектра. Таким образом, продемонстрирована возможность управления селективностью чувствительности структур на основе Аи-АЮаК и получены селективные фотоприемники со следующими параметрами: полуширина спектальной характеристики 5...6 нм, диапазон фоточувствительности 351.373 нм с максимумами при 355, 362 и 366 нм и чувствительностью до 140 мА/Вт.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Future of AixGaj_xN Materials and Device Technology for Ultraviolet Photodetectors / P. Kung, A. Yasan, R. McClin-tock, S. Darvish, K. Mi, M. Razeghi et al. // Proc. SPIE. 2002. № 4650. P. 199-206.

2. Высокоэффективные приборы на основе барьера Шотки металл-AlGaN / Б. В. Калинин, И. А. Лам-кин, Е. А. Менькович, С. А. Тарасов // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2012. № 5. С. 24-30.

3. Lamkin I., Tarasov S. Ultraviolet Photodiodes Based on Algan Solid Solutions // J. of Physics: Conference Series. 2013. Vol. 461. P. 012025(1-4).

4. Ulmer M., Razeghi M., Bigan E. Ultra-Violet Detectors for Astrophysics // Proc. SPIE. 1995. № 2397: Present and Future. P. 210-216.

5. Research of the Solar-Blind and Visible-Blind Photo-detectors, based on the Algan Solid Solutions / I. A. Lamkin, S. A. Tarasov, A. A. Petrov, E. A. Menkovixh, А. В. Solo-monov, S. Yu. Kurin // J. of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 572. P. 012063(1-6).

6. Menkovich E. A., Tarasov S. A., Lamkin I. A. Luminescence of Nanostructures Based on Semiconductor Nitrides // Functional Materials. 2012. Vol. 19, № 2. P. 233-237.

7. Ламкин И. А., Менькович Е. А., Тарасов С. А. Ультрафиолетовые фотодиоды на основе контактов металл - твердые растворы нитридов галлия и алюминия // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. Физ.-мат. науки. 2012. № 3. С. 28-31.

8. Low-Frequency Noise in Al^Ga^N-Based Schottky Barrier Photodetectors / S. L. Rumyantsev, N. Pala, M. S. Shur, R. Gaska, M. E. Levinshtein, V. Adivarahan, J. Yang, G. Si-min, M. Asif Khan // Applied Physics Letters. 2001. № 79 (6). P. 866-858.

9. Ламкин И. А., Тарасов С. А., Феоктистов А. О. Оптимизация технологии получения омических контактов к эпитаксиальным слоям p-GaN // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2011. № 5. С. 14-17.

10. Оптимизация параметров контактов металл-твердые растворы AlGaN как основы фотодетекторов для ультрафиолетового диапазона спектра / И. А. Лам-кин, С. А. Тарасов, Е. А. Менькович, А. А. Петров // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2013. Вып. 5. С. 80-84.

S. A. Tarasov, I. A. Lamkin, A. S. Evseenkov, I. I. Mikhailov, A. V. Solomonov Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI"

Selective Photosensitive Structures Based On Au-Algan Schottky Barrier

Created and studied selective photosensitive structures based on Au-AlGaN Schottky barrier for the ultraviolet range of the spectrum. The methods of spectrum management photosensitivity by the use of the wide windows and the effects of over-barrier transport structures Au-AlGaN. Photodiodes obtained with a half-width of the spectrum of photosensitivity 5..6 nm wavelengths 351...373 nm and a sensitivity of 140 mA/W.

Photodiode, AlGaN, ultraviolet range, Schottky barrier

Статья поступила в редакцию 22 января 2016 г.