CC BY
61
+
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012
7. Klimchitskaya, G.L. Kramers — Kronig relations for plasma-like permittivities and the Casimir force [Text] / G.L. Klimchitskaya, U. Mohideen, V.M. Mostepanenko // J. Phys. A. - 2007. - Vol. 40. - P. 340-347.
8. Bimonte, G. Making precise predictions of the Casimir force between metallic plates via a weighted Kramers — Kronig transform [Text] / G. Bimonte // Phys. Rev. A. - 2011. - Vol. 83. - P. 042109-42126.
9. Lambrecht, A. The Casimir effect for silicon and gold slabs [Text] / A. Lambrecht, I. Pirozhenko, L. Du-raffourg, Ph. Andreucci // Europhys. Lett. - 2007. -Vol. 77. - N. 4. - P. 44006-440011.
10. Palik, E.D. (ed.) Handbook of optical constants of solids [Text] / ed. E.D. Palik. - New York: Academic Press, 1985. - Vol. II. - 1096 p.
11. Klimchitskaya, G.L. Control of the Casimir force using semiconductor test bodies [Text] /
G.L. Klimchitskaya, U. Mohideen, V.M. Mostepanenko // Int. J. Mod. Phys. B. - 2011. - Vol. 25. - P. 171-230.
12. Bergstrom, L. Hamaker constants of inorganic materials [Text] / L. Bergstrom// Adv. Coll. Interface Sci. - 1997. - Vol. 70. - P. 125-169.
13. Klimchitskaya, G.L. Casimir and van der Waals forces between two plates or a sphere (lens) above a plate made of real metals [Text] / G.L. Klimchitskaya, U. Mohideen, V.M. Mostepanenko // Phys. Rev. A. - 2000. -Vol. 61. - P. 062107-062119.
14. Гусев, А.Л. Датчики водорода и водородосо-держащих молекул [Текст] / А.Л. Гусев, И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». - 2005. - № 5. - C. 23-31.
15. Chau, R. High- metal-gate stack and its MOSFET characteristics [Text] / R. Chau, S. Datta, M. Doczy, B. Doyle // EDL. - 2004. - Vol. 25. - P. 408-410.
УДК 621.315.592
И.А. Ламкин, Е.А. Менькович, С.А. Тарасов
УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ФОТОДИОДЫ НА ОСНОВЕ КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ - ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ НИТРИДОВ ГАЛЛИЯ И АЛЮМИНИЯ
В настоящее время одной из важных задач оптической наноэлектроники является разработка коротковолновых фотоприемников, обладающих высокой эффективностью. Особенно актуально создание ультрафиолетовых (УФ) фотодетекторов, которые становятся все более востребованными для ряда медицинских, экологических, биотехнологических, астрономических, астронавигационных, военных и других применений. Во многих случаях требуются структуры, не чувствительные к излучению видимого и ИК-диапазонов спектра, так называемые «видимослепые» фотоприемники (Атах < 0,38 мкм) или даже «солнечнослепые» (Атах < 0,30 мкм) приборы, не реагирующие на ультрафиолетовую часть спектра излучения Солнца. Применение для таких целей кремниевых или арсенид-галлиевых фотодетекторов
весьма затруднительно, поскольку требует использования весьма дорогостоящих оптических фильтров. Кроме того, чувствительность этих материалов к УФ-излучению существенно ниже, чем к видимому свету.
Решить эту проблему позволяет использование широкозонных соединений на основе твердых растворов нитрида галлия и алюминия. AlN-GaN образуют непрерывный ряд прямозонных твердых растворов, дающих возможность создавать фотоприемники с резким длинноволновым краем чувствительности в заданной области, в том числе видимо- и солнечнослепые. Дополнительные преимущества дает использование при создании фотодетекторов выпрямляющих контактов металл -полупроводник. Фотоприемные структуры на основе барьера Шоттки обладают повышенной чув-
ствительностью, высоким быстродействием и сравнительно невысокой стоимостью.
В работе представлены созданные ультрафиолетовые фотоприемники на основе контактов металл - где состав варьировался для различных образцов в диапазоне значений х от 0 до 0,7. Структуры фотоприемников выращивались на сапфировой подложке методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота. Толщина эпи-таксиального слоя твердого раствора А^а^^ составляла порядка 1 мкм. Далее методом вакуумного термического напыления создавались омический и выпрямляющие контакты. Напыление проводилось в вакууме, при давлении не хуже 1,5 • 10-5 мм рт. ст. Для хорошей адгезии при напылении подложка подогревалась до температуры 300 °С. Расстояние от лодочки с испаряемым веществом до образца составляло 10 см для соблюдения однородности пленки металла по поверхности образца. Толщина пленки задавалась массой испаряемого металла и рассчитывалась по формуле:
dMe -'
M
Ме
лрмА а
1 +
^на
h
V *нап у
где ММе - масса навески, рМе - плотность испаряемого материала, hнап - расстояние от источника до объекта напыления, Lнап - расстояние от центра объекта напыления до его периферии.
На первом этапе исследовалось влияние очистки поверхности структуры перед напылением контактов. Образцы перед загрузкой в вакуумную камеру напыления погружались в такие химические реактивы, как изопропило-вый спирт, перекись водорода, четыреххлори-стый углерод, «царская водка», разбавленная соляная кислота (1:1). После 5-минутной очистки образцы промывались в дистиллированной воде в течение 1 мин и загружались в камеру напыления. Установлено, что очистка в четы-реххлористом углероде позволяет получить наименьшее сопротивление [1].
Была отработана технология создания омических контактов к эпитаксиальным слоям с большой долей алюминия. Омические контакты создавались по оптимизированной технологии:
структура контакта — Ti/Al, где титан является подслоем для алюминия. Толщина титанового слоя составляла 15 нм, а алюминиевого — 35 нм. Для сильнолегированных образцов n-AlGaN можно было использовать однослойные алюминиевые контакты с последующим отжигом в вакууме при температуре 800 °С в течение 30 мин для получения омической вольтампер-ной характеристики. Однако использование двухслойного контакта Ti/Al позволяет снизить контактное сопротивление и уменьшить время и температуру отжига. Также использование сильнолегированных эпитаксиальных слоев невозможно при создании фоточувствительных структур на основе барьера Шоттки. Кроме того, для слаболегированного твердого раствора n-типа AlN-GaN не удалось добиться омической характеристики при использовании однослойного контакта, даже проводя отжиг при температуре 930 °С в течение длительного времени. Поэтому предпочтение было отдано двухслойным контактам Ti/Al. Для получения омической характеристики проводился отжиг при температуре 750 °С в течение 10 мин (рис. 1). Чтобы не допустить окисления титана и алюминия, особенно при высоких температурах, отжиг проводился в вакууме при давлении остаточных газов 10-3 мм рт. ст.
Результаты, полученные при отжиге омических контактов, можно объяснить следующим образом. При высокой температуре (750 °С и
-0,8
Рис. 1. Влияние температуры отжига на вольтампер-ные характеристики контакта Ti/Al; температура, °С: 450 (1), 550 (2), 650 (3), 750 (4)
2
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012
выше) происходит взаимодиффузия титана и азота из твердого раствора с формированием промежуточного слоя нитрида титана. При этом у поверхности AlGaN возникает большое количество вакансий азота, что позволяет рассматривать верхний слой полупроводника как высоколегированный. Между этим слоем и слоем нитрида титана, по-видимому, существует очень тонкий барьер, который становится туннельно-прозрачным для носителей заряда благодаря наличию подлегированного вакансиями слоя. Образование нитрида титана, возможно, препятствует проникновению алюминия в полупроводник, этот металл может уширять барьер.
При низких температурах образование слоя TiN затруднено. При увеличении продолжительности отжига в этом случае, возможно, происходит деградация контактов с образованием оксинитрида алюминия.
Фоточувствительный контакт для соблюдения эффекта полупрозрачности создавался толщиной менее 15 нм. В качестве пробных металлов выпрямляющего контакта исследовались никель, золото, серебро, олово, теллур, индий и другие. Контакты наносились методом вакуумного термического напыления через маску, диаметр контакта — 2 мм.
Установлено, что структуры с золотым прозрачным контактом проявляют наибольшую чувствительность, а температурная обработка структуры показала, что отжиг этого контакта увеличивает фоточувствительность в три раза (рис. 2).
Такое поведение спектральной характеристики можно объяснить следующим образом.
0
190 240 290 340
Длина волны,нм
Рис. 2. Влияние отжига золотого контакта на величину фоточувствительности структуры:
1 — зависимость без отжига, 2 — зависимость с отжигом
Перед загрузкой эпитаксиальных слоев в вакуумную камеру для формирования полупрозрачного контакта на поверхности образца образуется слой оксида. Предварительная очистка позволяет убрать только органические и иные загрязнения с поверхности. После напыления золотого контакта получается структура металл — диэлектрик (тонкий слой оксида) — полупроводник. В процессе отжига сформированной структуры золото, вероятно, частично диффундирует через слой оксида ближе к поверхности полупроводника, что уменьшает сопротивление структуры в целом и, как следствие, повышает ее фоточувствительность.
Следующим этапом в работе было исследование влияния состава твердого раствора на спектральный диапазон фоточувствительности. Как видно из рис. 3, использование твердого раствора АЮа^ в котором доля алюминия х = 0,08, позволяет создать «видимослепой» ультрафиолетовый фотоприемник. Такой фотоприемник обладает чувствительностью в диапазоне длин волн 200 — 360 нм. Кроме того, он абсолютно не чувствителен к излучению длиной волны более 370 нм, что позволяет его применять для детектирования ультрафиолетового излучения при сильной внешней засветке.
Увеличение доли алюминия в структуре позволило сместить край чувствительности в коротковолновую область, в том числе создать «солнечнослепой» фотоприемник при значении х = 0,42. Красная граница «солнечносле-пого» ультрафиолетового фотодиода состави-
190
240
290 340
Длина волны, нм
390
Рис. 3. Влияние состава твердого раствора АхОа1—^ на длинноволновую границу фоточувствительности: х = 0,08 (1); 0,42 (2); 0,52 (3); 0,70 (4)
ла 290 нм. При значении х более 0,7 диапазон чувствительности структуры А^а1-хК будет находиться уже в вакуумном ультрафиолете, длина волны которого меньше 200 нм.
Коротковолновый край определяется в первую очередь состоянием границы раздела металл - полупроводник и соответствующим значением скорости поверхностной рекомбинации. Наибольшую чувствительность коротковолновой области демонстрировали структуры с золотым контактом, что можно объяснить наименьшей скоростью поверхностной рекомбинации в таких образцах. Однако спектральная характеристика фоточувствительной структуры на основе эпитаксиального слоя с долей алюминия х = 0,7 (см. рис. 3), имеет более резкий спад коротковолновой части спектра. Такой эффект можно объяснить сильным поглощением ультрафиолетового света в этом диапазоне длин волн при проведении измерений в атмосфере.
Итак, проведенные исследования приводят к выводу о высокой перспективности фоточувствительных структур на основе контактов
металл — полупроводниковые нитриды для использования в ультрафиолетовой области спектра. Фотодиоды с золотыми контактами проявили наилучшие характеристики. Данный контакт обеспечивает не только более высокую фоточувствительность, но также обладает рядом других преимуществ, например стойкостью к окислению и высокой проводимостью.
При формировании омических контактов к твердым растворам n-AlGaN следует использовать структуру Ti/Al с отжигом при температуре 750 °С в течение 10 мин, причем необходимо отжигать ее в вакууме при давлении не выше 10-3 мм рт. ст. Перед нанесением контакта подложку следует очищать в четыреххлористом углероде. Для повышения чувствительности можно также провести отжиг в вакууме при температуре 800 °С в течение 20 мин.
Использование твердого раствора AlxGa1xN с долей алюминия х = 0,08 позволяет создать «видимослепой» фотоприемник, а увеличение мольной доли алюминия до х = 0,42 дает возможность создать «солнечнослепой» фотоприемник.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ламкин, И.А. Оптимизация технологии получения омических контактов к эпитаксиальным слоям ^^аК [Текст] И.А. Ламкин, С.А. Тарасов, А.О. Фе-
октистов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». № 5. - С. 14-17.
2011.
УДК 674.032.14
Н.Б. Радчук, А.Ю.Ушаков
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
В последние годы все больший интерес проявляется к наноразмерному состоянию металлов и их оксидов. Это объясняется огромными возможностями применения данных соединений в современных нанотехнологиях: в качестве биологически активных веществ, катализаторов, магнитных материалов, нелинейных оптических сред.
Обычно синтез наноразмерных частиц осуществляется либо деструкцией объемного материала, либо конденсационными методами: испарением при высоких температурах, осаждением из расплава, восстановлением металла из соответствующих солей путем химических реакций. В последнем случае чаще всего применяются сильные (не всегда безвредные) восста-
