CC BY
6ФИЗИКА (PHYSICS)
УДК 53
Пашикова Т.Д.
Преподаватель кафедры общей физики Туркменский государственный университет им. Махтумкули (г. Ашхабад, Туркменистан)
Хайиткулиев С.
Преподаватель кафедры общественных наук Туркменский государственный университет им. Махтумкули (г. Ашхабад, Туркменистан)
Яванов А.М.
Преподаватель кафедры радиофизики и электроники Туркменский государственный университет им. Махтумкули (г. Ашхабад, Туркменистан)
СОЗДАНИЕ ФОТОПРИЕМНИКОВ СОЛНЕЧНОГО УФ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Аннотация: разработаны высокоэффективные фотоприемники (ФП) видимого и УФ излучения на основе Аи-окисел (Ga2O3)-n-GaAso.6Po.4 наноструктур. Использование фильтра УФС-2 вместо сапфирового окна, в стандартном корпусе существенно смещает максимум спектра фоточувствительности коротковолновой УФ области (hvm—3,65 эВ). Такой фотоприемник чувствителен только к УФ излучению экологического диапазона (hv=3,1-4,43 eV).
Ключевые слова: УФ фотоприемники, GaAso.6Po.4, МДП-структура, фоточувствительность, УФС-2 фильтр, экологические исследования.
В последнее время во всем мире усилился интерес к полупроводниковым фотоприемникам (ФП) ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра. Это связано с требованиями современной медицины, биотехнологии, экологии, в том числе и с проблемой "озоновой дыры" [1,2]. Наиболее преспективными приборами в этом спектральном диапазоне являются ФП на основе структур металл (М) -полупроводник (П) с тонким окисным слоем (ОС) между полупроводником и металлом [3,4].
В данной работе приводятся результаты исследований фотоэлектрических свойств наноструктур Au-оксид-n-GaPo.4Aso.6 с разной толщиной окисного слоя (10-100 А) в видимой и УФ областях спектра. Сообщается о создании высокоэффективных фотоприемников солнечного УФ излучения (1=280-400 нм, ку=3.1-4.43 eV) для целей экологических исследований [5].
В качестве исходного материала использованы эпитаксиальные структуры n-GaPo.4Aso.6/n+-GaAs (п~6 1016 см-3, п+~5 1017 см-3); толщина п-слоя GaPo.4Aso.6 была 40-50 мкм. На подложке n+-GaAs создавался омический контакт вплавлением сплава 96%In+4%Te. На поверхности эпитаксиального слоя п-GaPo.4Aso.6 сначала формировался окисный (диэлектрический) слой (Ga2Oз, Eg oks~5Л eV), затем создавался барьерный контакт (БК) полу-прозрачного слоя Pd+Au. ОС и БК создавались химическим методом [2,6]. Толщина барьерного слоя металла составляла 12-14 нм. Готовая структура устанавливалась в стандартный фотодиодный корпус "ПОРОГ" с кварцевым окном.
Исследовались вольт-амперные (1-Ц), вольт-фарадные ^-0) характеристики и спектр фототока короткого замыкания (!ю-Ьу) в диапазоне энергий фотонов 1.5-5.5 eV при 300 К. В исследованных GaPo.4Aso.6 m-s-структурах диэлектрические (Ga2Oз) слои были разной толщины, наибольшая -10 нм (рис. 1, Ь). Конструктивная схема представлена на рис. 1, а и рис. 4, а.
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Рис.1. Конструкция и схема измерений барьеров Шоттки Au-оксид-n-GaАso.6Po.4 зависимость толщины диэлектрического слоя б в структурах GaАso.6Po.4 от
их коэффициента идеальности в (Ь).
Зависимость прямого темнового тока от напряжения (I-U), в интервале плотностей токов 10-7-10-2А/см2 оказалось экспоненциальной I=Ioexp(qU/pkT). Из этой зависимости определялся коэффициент идеальности структур р. В наших экспериментах коэффициент Р зависел от толщины промежуточного диэлектрического слоя 5 [10]. Из эллипсометрических, и C-U
экспериментальных данных была установлена эмпирическая зависимость 5 от р. Эта зависимость оказалась линейной (рис. 3, б): 5=а(Р-1), где эмпирический коэффициент а=125 А. Данное эмпирическое соотношение использовалось для определения 5 и в других структурах по измеренным для них значениям р.
Рис.2. Спектры фототока поверхностно-барьерных структур Au-оксид-n-
GaАso.6Po.4
с разной толщиной окисного слоя (б). Спектр фототока нормирован на равное число падающих фотонов. Все спектры приведены к одинаковым максимумам.
Температура комнатная.
При освещении разных структур (с разными коеффициентами в) ультрафиолетовым светом с энергией фотонов ку=3.4 eV нами была найдена оптимальная тольщина оксидного слоя (Ga2Oз) для создания УФ фотоприемников. Установлено, что оптимальная толщина составляет 5=30-
60 А. Основные результаты исследований фоточувствительности (ФЧ) структур Au-окисел-n-GaAso.6Po.4 проиллюстрированы на рисунках 2 и 3.
На рис.2 представлены спектры фототока структур Au-окисел-n-GaAso.6Po.4 с различной толщиной диэлектрического слоя 5=10-90 А (Р=1.07-1.70). В структурах с очень тонкими диэлектрическими слоями (5—10 А, рис.2, кривая-1) не возникает препятствия для перехода фотодырок из полупроводника в металл, но зато велика вероятность перехода горячих фотоэлектронов из полупроводника в металл, что уменьшает коротковолновую ФЧ. В структурах, в которых 5—47 А, диэлектрический слой достаточно толст, чтобы заметно затруднить переход горячих фотоэлектронов из полупроводника в металл, в то же время достаточно тонок, чтобы не сильно препятствовать переходу фотодырок из полупроводника в металл. Здесь относительная коротковолновая ФЧ [!ю(4.0 eV) / ^^Ьу^)] в 1.5-2 раза выше, чем в структурах с очень тонкими (5—10 А) и относительно толстым (5—83 А) диэлектрическими слоями.
В результате были разработаны ФП УФ излучения на основе Au-Ga2Oз-n-GaAso.6Po.4 наноструктур с оптимальной толщиной оксидного слоя (5=30-60 А, рис. 2, кривая 2). Их можно использовать в экологическом диапазоне УФ части солнечного спектра 1=280-400 нм (Ьу=3.1-4.43 eV). ФП в указанном диапазоне
УФ излучения имеют практически постоянную ФЧ (81-0.15 А/Вт, рис.3, кривая-1).
620 496 А,,пш 400 340 280 248
1 1 /гб5 1 1 V! ' 1 1 1 т=зоок
I I / Л\ II ? 3.65 > 1 Х=340пт \ Ь-=3.65е\Т Ч \ 6=50 А
|Д| \
Г1 > 1 1 1 / / 1/ г 1 /-3 2-/1 / /I 1 11 / 1 1 1 \\ \\ 1 \ \ 1 » ' 1 1
} —-—I-1--I_I_' | I
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Ьу.еУ
Рис.3. Спектры фототока трех ОаАБо.бРо.4 поверхностно-барьерных фотоприемников ультрафиолетового излучения (УФП). 1-УФП (без светофильтра), 2-УФП-2 (со светофильтром УФС-1), 3-УФП-3 (со светофильтром УФС-2).
Для применения ФП в качестве основного элемента интенсиметра и дозиметра спектр его токовой фоточувствительности корректируется светофильтрами УФС-1 (ё=3 мм, рис.3, кривая-2) или УФС-2 (ё=2 мм, рис.3, кривая-3).
Рис.4. Конструкция и схема УФ фотоприемника (а), спектр
фоточувствительности наноструктур Ли-Оа2Оз-п-ОаЛБ0.бР0.4. Т=300К.
Использование фильтра УФС-2 вместо кварцевого окна в стандартном корпусе существенно смещает максимум спектра ФЧ в коротковолновую УФ область (ЬУшах=3.б5 еУ, рис.3, кривая-3). Такой фотоприемник чувствителен только к УФ излучению экологического диапазона 1=280-400 нм (рис.4, кривая-
Ь)
Установлено, что при прямом солнечном освещении ФП с фильтром УФС-2, зависимость 1го от плотности потока излучения Р в интервале Р=10-3-102 Вт/м2 линейная, т.е. 1го=а Р, где а - коэффициент пропорциональности, для каждого ФП величина постоянная. Созданный ФП на основе Ли-оксид-п-ОаЛБо.бРо.4 наноструктур использован для измерения интенсивности и дозы УФ излучения Солнца, достигающеей земной поверхности [8].
Таким образом, созданные наноструктурированные фотоприемники по конструкции и технологии выгодно отличается от известных ОаРхЛБьх фотоприемников [1,9] и имеет более высокую ФЧ в коротковолновой УФ области спектра [10].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Полупроводниковые фотопреобразователи для ультрафиолетовой области спектра // ФТП. -2003, -Т.37, Вып.9, -С.1025-1055.
2. Мелебаев Д. Гигантская фоточувствительность Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP наноструктур в УФ области спектра // Инженерный журнал «Нанотехнология» Россия, Москва, 2014. №2(38). С.106-109.
3. Патент №16344065 РФ. Фотоприемник // Мелебаев Д., Гольдберг Ю.А., Овлякулова М.Г., Царенков Б.В. -25.03.1993.
4. Мелебаев Д. Фоточувствительность структур Аи-окисел-п^аР0.4АБ0.б в УФ области спектра. // Труды Российского совещания по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники. Новосибирск-2008.-С.67.
5. Мелебаев Д. Фоточувствительность наноструктур Аи-окисел-п^аАБ0.бР0.4 в УФ области спектра// Тр. Российской конференции по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники. Новосибироск, 2015, с.128.
6. Мелебаев Д., Мелебаева Г.Д., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. Фоточувствительность и определение высоты барьеров Шоттки в структурах Au-n-GaAs // ЖТФ. -2008. -Т.78, №1. -С.137-142.
7. Сагё H.C., Rhoderick E.H. Studies of tunnel MOS diodes. I. Interface effects in silicon Schottky diodes // J. Phys. D.: Appl. Phys. -1971, -Vol.4, -p.1589-1601.
8. Melebaev D. Creation of Photodetectors of Solar Vetravilet radiation of Ecological pange // Problems of use of alternative energy sources in Turkmenistan. Abstracts of ISC. Ashkhabad.- 2010, -p.100.
9. Каталог "Hamamatsu" Фотоприемники Si, GaAsP, GaP. - Япония, 2012.
10. Мелебаев Д., Туджанова И.Н., Пашикова Т.Д. Фотоприемник ультрафиолетового излучения на основе Au-Ga2O3(Fe)-n-Ga As0.6 P0.4 наноструктур// Тезисы докладов XIV Российской конференции по физике
полупроводников "Полупроводники - 2019" Новосибирск, - М.Издательство Перо, 2019. DOI 10.34077/ RCSP 2019-147.
Pashikova T.D.
Magtymguly Turkmen State University (Ashgabat, Turkmenistan)
Hayitkuliyev S.
Magtymguly Turkmen State University (Ashgabat, Turkmenistan)
Yavanov A.M.
Magtymguly Turkmen State University (Ashgabat, Turkmenistan)
CREATION OF PHOTODETECTORS OF SOLAR UV RADIATION FOR ECOLOGICAL INVESTIGATIONS
Abstract: highly efficient photodetectors of the visible and UV radiation were developed on the basis of Au-oxide (Ga2O3)-n-GaAs0.eP0.4 nanostructures. Using filter УФС-2 (ultraviolet glass) filter instead of the sapphire window in the standard case essentially shifts the spectrum maximum of photosensitivity shortwave UV region (hvm—3,65 eV). This detector is sensitive only to the UV radiation of ecological range (hv=3,1-4,43 eV).
Keywords: UV photodetectors, GaAscj.ePcu, MDS-structure, photosensitivity, УФС-2 filter, environmental study.
