Исследование фотоэлектрических явлений в тонкопереходных структурах в системе арсенид галлия- сульфид кадмия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

, № АХАЛЕШЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ и и. C.B. СТАРОДУБЦЕВА НПО "ФИЗИКА-СОЛНЦЕ" ни. С. А. АЗЙ&ЮЗА

На правах рукописи

ЕДГОРОВА ДМБАРА ШСТАФАЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИИ В ТОНКОПЕРЕХОДННХ СТРУКТУРАХ В СИСТЕИЕ АРСЕНИД ГАЛЛИЯ - СУЛЬФИД ШШЯ

101*04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ

на-соискание ученой степени кандидата физико-математических havh

Ташкент, 1997

Работа выпо.ыена.в Физико-техническом институте ««они C.B. Стародубцева НПО "Физика-Солнце" им. С. Д. Азимова M РУз

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук. Каримов А. В.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Абдурахмонов К, П.

кандидат физико-математических наук, доцент Арипов Х.К.

Ведущая организация:

Ташкентский Государственный университет им. М. Улугбека

Зашита состоится : б\ 0 3. $ ¿

Автореферат разослан

À » 0¡L

199? года.

С диссертацией могно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО "Физика-Солнце" АН РУз.

Ученый секретарь Специализированного совета Д 015.08.0Í доктор физ. -мат. наук

Ахмедов Ф. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время бурное развитие полупроводниковой текнологии привело л разработке ряда гетерострук-тур с уникальными свойствами на основе соединения Ачв">, в частности на арсениде галлия. Использование соединений ярсени-дов индия и алюминия позволило получить фотоприемники для Ш диапазона и эффективные.излучавшие структуру /1/.

Широкие возможности сравнительно новой мол^кулярно-лучевой впитаксии в области управления, голшинами и составом получаемых слоев позволяют надеяться на улучшение параметров и расширение возможностей структур на основе соединений АгВв. В случае создания структур в гетеросистеме с хорошим согласием параметров решеток эта проблема, по-видимому, будет решаться без существенных препятствий. Однако, в гетеропарах имевших некоторые отличия параметров решеток (~4 %) и отличающихся простотой технологии получения, широкой управляемостью исходными параметрами, изучение конкретных пар представляет научный интерес, К числу таких пар можно отнести арсенид галлия и сульфид кадмия, на основе которой получены радиационностойкие солнечные злемен- . ты с малыми обратными токами (ИГ® А/смг) /2/. Вместе с тем физические процессы в фотодиодных структурах с двумя и тремя барьерами, отличающиеся малнми рабочими напряжениям, двухсторонней чувствительностью и фотоэлектрическим усилением при любой, полярности напряжения, требуют более подробных исследований /3/. Проведение комплекса физических исследований в многобарьерных Фотодиодных структурах в системе арсенид галлия - сульфид кадмия позволит расширить круг физичиских представлений.

...... Цель диссертационной работы - установление характера влияния пароме/ров областей, образующих гомо- и гетеропереход, на протекающие в них физические процессы, исследование фотоэлектрических явлений в многобарьерной структуре о гетеропереходом арсенид галлия - сульфид кадмия, выявление механизма фоточувствительности и изучение электрических характеристик под воздействие« гамма облучения и электрического поля.

Научная новизна

1. Впервые получена тыльно-барьериая ю--р-р-п-структура с р-п-лереходом (СаАЗ-СйЗ), в нтороп сильные тм и-р-перехода и совершенство апитаксиального р-'р-перехсда нейтрализует влияние уровня захвата квазинейтральной р-области на функциональные характеристики.

2. Построена энергетическая зонная диаграмма трех- ш-рСаАа-пСаАа-ш и двухбарьерной ш-рОаАа-пСйЗ-структур. На их основе объяснены механизмы токопереноса,

3. Обнаружены- физико-технологические основы нейтрализации влияния явления поляризационных эффектов объемного арсени-да галлия на фотоэлектрические характеристики (К ~ 0.2+0.6 мкм) многобарьр.рных структур «а его основе.

4. Предложена модель фоточувсткительвости в многобарьерной системе объяснявшая процессы генерации Фототока с участием уровней захвата дырочного арсенидз галлия вблизи области пространственного заряда.

Практическая ценность

1. Особенность поведения температурной зависимости фототока от интенсивности освещения и их пороговый характер могут быть использованы для создания различных датчиков (в частности,. пожарной сигнализация).

2. Предложены технологические пути избавления от влияния неуправляемых процессов происходящих в объемных областях на выходные характеристики многобаръерных структур.

Основные положения, выносимые на зашиту

1. Взаимосвязь отрицательных физических эффектов, происходящих в нейтральной области (из объемного кристалла) гомо- и гетероструктур, с выходными характеристиками можно ликвидировать путем нанесения на эту область более чистого изотилного слоя арсенида галлия с толщиной не меньшей глубины модуляции слоя объемного заряда.

2. Уменьшение рекомбинации электронов из зоны проводимости с дырками на акцепторе в активной р-области полупроводникового (т-рОаАз) перехода способствует получению линейной зависимости фоточувствительно,сти от напряжения.

3. Чередуя характер изменения поля от напряжения между полупроводниковым ( р-п-> и металло-полупроводниковам переходами

можно получить управляемую напряжение« двухстороннюю фоточувствительность в широком диапазоне спектра в ¡ji-pGaAa-pGaAs-riCdS-структуре.

4. Возникновение отрицательной дифференциальной проводимости в ffl-pöaAfl-nCdS-структуре при температурах свыше 100 °С обусловлено воздействием определенных (титан, железе) примесей, содержащихся в сульфиде кадмия.

5. В структурах с р-п-переходом с активной областью из арсенидй галлия максимальную фоточувствительность в области спектра большей собственной мокно получать за счет электропоглощения и уменьшения концентрации носителей области р-типа при наличии фоточувствительных акцепторных уровней.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах лабораторий полупроводникового направления Физико-технического института НПО "Физика-Солнце" АН РУ.; на I Международной конференции "Новые материалы и приборы" (Ташкент,' 2-4 ноября 1994 г.); на VIII международном симпозиуме по вторичной электронной и фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности твердого тела (Ташкент, 12-14 октября 1994 г.); на 1-Международной конференции молодых физиков по "твердотельной электронике" (Наманган, 5-7 октября 1994 г.).

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ:

1. Азимходкаев X. Э., Кулиева( Едгорова) Д.М. Процессы ионизации в периодических колебаниях фототока в CclS. //ФТП, -1933, - т. 17, - № 3, - С. 557.

2. Едгорова Д. й., Каримов А. Б., Куркузиев Г. Гетеропереход ароенид галлия - сульфид кадмия. // Док. АН РУз, - 1993, № 4, с. 26-27.

3. Каримов А. В., Едгорова Д. М., Агзамова М. X. Исследование особенностей гетероперехода сульфид" кадмия - арсенид галлия. //Гелиотехника, 1995, J6 4, с. Í 06-108.

4. Каримов А. В., Едгорова Д. М., Агзамова И. X. Температурная зависимость ВАХ фотодиодов на основе арсенида галлия. //УФЖ, - 1995, № 3, с. 61-64.

5. Каримов A.B., Едгорова Д.М. "Влияние радиации на физические явчения в фоточувствительных структурах". //Гелиотехника, - 1996, £ 1, с. 78-80.

6. Каримов А. В., Едгорова Д. М. Особенности поведения радиационных дефектов в фоточувствительных структурах. /Гелиотехника, - 1995, № 6, с 19. ■ .

7. Каримов А. В., Едгорова Д. Ы.. Исследование особенностей гетероперехода сульфид кадмия - арсенид галлия. /Тезисы докл., Наманган, - май, 1994 г.

8. Каримов А. В., Едгорова Д. М. Температурная зависимость вольтамперной характеристики фотодиодов на основе арсенида галлия. /Тезисы докл., Таш,ГТУ. - 12-14 октября 1994 г., - с. 61-62.

9. Каримов А. В., Едгорова Д. И., Агзамова М. X., Кулкев BL И. Влияние параметров подложки на фотоэлектрические свойства арсенидгаллиевых структур. /Тезисы докл. I М/н научной конф. "Новые материалы и приборы'. Ташкент, - 2-4 ноября 1994 г., - с. 133-134.

10. Каримов A.B., Едгорова Д.М., Агзамова М. X., Кулиев НИ. Особенности спектральных характеристик гетероперехода арсенид галлия - сульфид кадмия. /Тезисы докл. I М/н научной конф. "Новые материалы и приборы'. Ташкент; - 2-4 ноября 1994 г., - с. 91.

Объем работы

Материал диссертации излохен на 131 страницах, из которых 97 страниц машинописного текста, содержит 34 рисунка и 5 таблиц, библиографию из 104 наименований. ^

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, где кратко обоснованы постановка задачи исследований, -научная новизна, положения выносимые на зашлту, содержит 4 главы с выводами, заключёние и список цитируемой литературы.

В первой главе анализируются экспериментальные работы по разработке и исследованию гетеропереходных структур. Приведены их фотоэлектрические характеристики и некоторые ограничения, сформулировано направление работы.

Во второй главе приводится технология получения тонкопере-

ход.шх структур б системе арсенид галлия - сульфид кадмия, результаты исследования их электрических характеристик.

Несмотря на большое количество публикаций о выращивании кристаллов соединений АгВ'3, сведении о росте 0(35 на подложках ваЛе очень мало. Хотя слои Сс!3 вираик'нные из газовой, фазы /2/ или термическим напылением получались монокристаллическими М/. Нами для создания йкспериментальных структур бил выбран метод термического испарения в вакууме.

Отменим, что в качестве подложек - одной Ил областей ге.те-роструктурн были использованы, как объемнее. ареенидгаллиевые пластины, Так и с нанесенным на неё впитякпилмнш слоем того же типа проводимости. .Такой прием был использован для выделения эффектов вызываемых неоднороднос.тями подложки - объемного материала, поскольку эпитаксиальный слой баАЗ не содержит уровней захвата для электронов /5/. '

Изотопные апитаксизльчие слои Ояаб выращивались принудительным охлаждением раствора-расплава по способу разработанному для резких р-п-переходоз /4/. Рост зпитаксиалышх сдоев осуществляли в графитовой лодочке пенального типа. Таким образом били выращены эпитакг-иальныё слои толщиной 0.1-г4 мкм. Образцы толщиной зпитакоиального слоя 3-5 мкм были использованы для изготовления экспериментальных структур.

Диаметр подлокек составлял 26 мм. Для проведения процесса получения гетероперехода, как о писано в работе- /3/, на подложку ОаАз напыляли Сс13 в вакууме. Толщина слоев составляла 0.1 * 0.3 мкм. ,

На поверхность СбЗ и тыльную сторону подлояки напыляли

о

полупрозрачные тонкие слои (~150 А) Готовые структуры с гетеропереходами скалывались на дискретные элементы площадью 4* 40 мм7. .

Изучение токовых характеристик структур о гетеропереходами типа т-рЧЗаАв-пСгВ показало, что в обоих направлениях вольт-амперные характеристики носят идентичный характер, т.е. как бы состоят ив обратных- ветвей, стремящихся к насыщению. На основании исследования фотоэлектрических характеристик установлено, что на переходе пСйЭ-Ае отсутствует барьер. Так при подсветке с обоих сторон и. при смене полярности приложенного напряжения спектральные характеристики тождественны, причем с ростом рабочего напряжения не имеет места увеличение фототека в коротко-

. - 7 -

волновой области з отличие от трехбарьерного фотодиода /3/.

Соответственно, когда положительный полюс приложенного напряжения подключен к pGaAs Переход металл - pGaAs включен в запирающем направлении, а сам гетеропереход pGaAs-nCdU - в прямом. В случае смены полярности источника напряжения переход металл - pGaAs включен в прямом направлении, а гетеропереход pGaAs-nCdS - в обратном. Таким образом, при любой полярности приложенного напряжения имеем один из обратно включенных переходов, где падение напряжения велико.

В, гак называемом, прямом направлении получаем зависимость тока ограничиваемого переходом металл - pGaAs и сопротивлением pGaAs-пСПЗ-перехода, а в обратном направлении имеем ток определяемый запираемым гетеропереходом pGaAe-riCdS и сопротивлением барьера m-pGaAs.

Качественно, экспериментальные вольт-амперные характеристики перехода металл-полупроводник и гетероперехода описываются выражением /6/ I = I0 exp(qV/nliî). Обратный ток перехода металл-полупроводник должен меняться по закону

В случае, когда ток определяется генерационно-рекомбинаци-онными процессами в слое объемного заряда вольт-амперные характеристики описываются степенной функцией I ~ V", где п теоретически равен 0.5.

Поскольку исследуемые структуры содержат обратно включенные переходи, то их токовые характеристики можно интерпретировать суммарным уравнением. Так, в соответствии с теорией Шокли /7/ зависимость тока от

напряжения для перехода металл-полупроводкик описывается уравнением I = I0' expCqV/kT). В трехбарьерном диоде оба перехода металл-полупроводник включены последовательно или в случае гетероперехода из-за влияния его сопротивления эта зависимость будет более слабой I = I0*exp(qV/2l;T), что совпадает с выражением для р-п-перехода. В результате для обратно включенных переходов будет справедливо соотношение /в/: i 21s1Isî!'SîiUV/?1ÎT)

I =----:-L------,

IS1- ехр( qV/2kT) +1зг- ехр( -qV/2kT)

где ïst, Isa - токи насыщения барьера и р-п-перехода соответственно, V - приложенное напряжение.

До точки перегиба вольтамперяая характеристика определ-

яется прямо и обратно вкмченнти переходами, а в дальнейшем общий ток определяется гх5ратио вкда>ченикм переходом. В этой точке на основанич .соответствующего напряжения V0 и тока 1„ обратный ток будет определяться выражением Isg = 4kT/cu V0/Irí) .■ Для одной из исследованных структур m-i-Ga/.a-nCdG Vt)=i. i В и 1 r?5« 1С"7 А/см1 при lSÏ=2.2- in"" а/см* значение ísl составило 4. 78» 1 о"8 А/см2.

lío расчетным данным прямой ток при напряжении 10 В составил 4*10"11 А/см7', по экспериментаной кривой он равен 9« lû*" А/см*. Такое различие расчетных и экспериментальных данных иох-но. обменять с разбросом точности определения из грдфикл точки перегиба. ' •

На «основании проведенных исследований мокно заключить следующее. • Вольт-амперная характеристики исследувлих структур определяется • суммарной кривой обратно-включенных переходов один из которых по отношению к приложенному напряжению всегда включен в запорном направлении. По мере увеличения приложенного напряжения толщина объёмного заряда (сопротивление перехода) если у одного перехода уменьшается, то у другого возрастает. В результате в структуре поле стабилизируется и тек резко не возрастает имея насыщение р обоих нзправленчях.

Согласно /в/ для описания асимметричных резких гомо и гетеропереходов мохно воспользоваться одной и той го. моделью. Действительно, как показали исследования, ход-токовых характеристик и их температурные зависимости носят аналогичный характер. Зависимость протекающего тока от напряжения в обоих направлениях подчиняется степенному закону I~V".

Если обратимся к гомоне реходной m- р 3 а Л б - nG a As- т--с т р у кт у р е, то в: ней оба барьера ir.-pGa.Aa и nGaAa-w соединены последовательно в одном направлении, а р-л-переход во встречном направлении. Для режима запирания р-п-переходз показатель степени с повышением температуры до 65D 0 на первом участке возрастает с 1.0 до 1.25, а на втором участке (при напряжениях больших V„) ее величина уменьшается с 0. 73- до 0.4.

• В целом, уменьшение показателя степени с т мпературой моа-но объяснить генерацией."неосновных носителей (дырок и электронов) в области объемного заряда р-п-перехода /9/, а отличие показателей на первом.участке и ее низкие значения (<0.5) при больших напрякениях ( VJ связано с эмиссией генирироваинш но-

- э -

сителей над барьерами металл-полупроводник и частичной рекомбинацией в области объемного заряда га-пСаАв-перехода /6/. При этом возможен захват электронов на акцепторные уровни вблизи валентной зоны области р-типа. .

В режиме запирания металлополупроводниковых переходов в области малых напряжений (<У0) показатель степени практически не изменен и равен 1.0-М.05. В области больших напряжений ее значение возрастает с температурой. Наблюдаемое поведение токовых характеристик можно объяснить генерацией неосновных носителей в области,объемного заряда барьеров металл-полупроводник и их рекомбинацией в области объемного заряда р-п-перехода, при этом одновременно имеет место частичное тунн<?лирование электронов через барьер пыйаАв, а также эмиссия над этим барьером

Экспериментально показано, что в* гетеропереходной двух-барьерной ш-рСаАз-псиз-структуре, как и в гомопереходной структуре в режиме запирания р-п-гетероперехода показатель степени с повышением температуры уменьшается с 0.86 до 0.76. Здесь значение п большее, чем 0.5 обусловлено утечками тока по поверхности. Ход зависимости п можно объяснить тем, что генерированные в области объемного заряда гетероперехода, электронно-дырочные пары разделяется полем и электроны без всяких препятствий доходят до контакта, а дырки преоделевают барьер го-рваАз эмиссией над ним. При этом возможен захват электронов возбужденных полем гетероперехода из валентной зоны акцепторными уровнями области р-типа.

Б.режиме запирания металлополупроводникового ш-рСаАв-пере-хода показатель степени с температурой возрастает от 1.1 до 1.43. В этом случае, генерированные в области объемного заряда га-рбаАз-перехода неосновные носители после разделения полем и соответственно дырки преодолевающие барьер эмиссией рекомбини-руют с электронами инжектированными из контакта (с СйЗ) на границе р-п-гетероперехода.

В третьей главе описаны , особенности фотоэлектрических характеристик гетероструктур, влияние воздействия температуры и гамма облучения.

В фоточувствительной.двухбарьерной структуре гетеропереход р0аАз-п(МЗ является в определенной степенн привлекательной. При. ее освещении со стороны широкозонной области свет поглощается

вблизи перехода уакозоииого матери ¡.па (jiGaAs) и возбужденные носители легко достигает области сильного поля, где и разделяются. Другое отлччие состоит в той, что на поверхности CdS отсутствует рекомбинация носителей. ' " . .

Исследуемая структура представляет собой сульфид .кадмия сформированный на монокристалличгской подложке арсенида галлия р-типа проводимости с концентрацией носителей ~ 5« 10,в см"4. Толлина сульфида кадмия составляет 0.НО.2 мим, а концентрация носителей « Ю1* см"*. Поверх сульфида кадмия и с тыльной стороны арсенида галлия нанесены полупрозрачные металлические контакты из kg, причем, как показали исследования, ток через такую структуру при обоих полярностях приложенного напряжения определяется степенным законом I ~ Vr'.

Когда р-п-переход смешен в обратном направлении, фототок (I,"') имеет близкие значения для обоих освещаемых поверхностей. Когда р-п-переход смещен в прямом направлении различие в фототоках (I,*) достигает до одного порядка при напряжении 20 В, причем при подсветке со стороны CelS фототок меньше. Это указывает на то, что фототок более эффективно создается обратно смещенным переходом мегэлл-pGaAS.

Анализ световых характеристик позволил заключить, что фототок гетероперехода Cctö-GaAS, в основном определяется возбуждением фотоносителей с GaAS. Так, при подсветке со стороны CdS, он служит как бы оптическим окном. Барьер на границе металл-CdS практически отсутствует. В результате при подсветке как со стороны Ga/'S, так и со стороны CdS их спектральные характеристики являются идентичными. Обедненный слой ограничивающий прямой ток р-п-гетероперехода GaAS-CdS расположен на Граиице металл-полупроводник m-pGaAS. При смене полярности приложенного напря-ч жения обедненный слой р-п-гетерсперехода формирующий участок " насыщения-выступает в роли ограничителя протекаювюго тока. Подсветка структуры со стороны ыирокозоиного CdS дает высокие значения фототока вблизи области собственного поглощения. Сульфид кадмия является как бы оптическим "окном".

Па основании исследования токовых и спектральных характеристик гомо- и гетеропереходпик структур установлено, что механизма токопрохождения и процессы формирования спектральных характеристик определяются возбуждением носителей с более бысоко-омной области р-типа из арсенида. галлия. Для выявления особен-

постен двухбарьерной структур»! проведены идентичные исследования трехбарьерной гомопереходкой структуры.

При подсветке в-рваЛв-пйаАз-т-структуры с- любой из сторон без рабочего напряжения .возникает фото-ЭДС, знак которого противоположен полярности напряжения соответствующего прямому направлению р-п-перехода. Когда к структуре прикладываем прямое, относительно р-п-перехода, нарастающее напряжение, начиная от нуля, то при достижении некоторого напряжения уменьшишься, отрицательный ток, пересекая нуль, переходит в положительный. При этом чувствительность возрастает в обоих направлениях с ростом приложенного 'напряжения и намного ( до одного порядка) больше при подсветке со стороны подложки (0.4 А/Вт).Наблюдаемое явление можно объяснить тем, что. в.режиме фотоэлемента величина фотоЭДС р-п-перехода'превалирует над Г.ДС, вырабатываемой переходами металл-полупроводник, т.е. Исходная высота барьера р-н-перехода больше, чем у перехода Металл-полупроводник. .

Температурная зависимость обратного тока в интервале температур от 23 до 100"С при подсветке разбивается на характерные два участка. Энергия активации о^Д^/ЛТ на первом участке (до 35*С) меньше, чем в последующем участке (35-100°С). Так, на первом участке (для случая освещения со стороны подложки), а^М^/СЛ-0. '¿'! А/( смг» град) при 100 лк и уменьшается вдвое при 300 лк. В случае освещения со стороны пленки, а находится в пределах-0.4*0.6 А/( см2« град) и уменьшается на один порядок при температурах выше 35"С. Характерным для обоих случаев является совпадение токов для 100 и 300 лк при температуре 65°С. Чувствительность для прямого направления р-п-перехида выие, чем для обратного.

Наблюдаемое поведение температурного коэффициента можно объяснить низкой концентрацией центров с мелкозалегаюшими уровнями. Увеличение интенсивности освещения вида ?00 лк перестает влиять на концентрацию носителей участвующих в образовании фототока.

Спектральные характеристики структур га-р^аАз-пСсШ, изготовленных на подложках ОаАэ (Сг) с неодноросткчи имеют необычней вид. В частности, с увеличением энергии падаюших фотонов до .. 1.75 ггВ положительный фототок сменяется отрицателььг-гм и при 1п'-1.В2 эв проходит черч?. минимум, сатем нйГ.лк.давгся некоторый рост смеиято'ий«я дчдьп«Йим¥' спадом.

Под воздействием г-облучеиип участок с минимумом преобразуется р. участок с максимумом при том же ]П'=1.В2 эВ. При этом пики (1№=1.5т.1.6 эВ), связанные с энергетическими центрами остаются без изменений. При энергиях hvs].l зВ появляется пики, обусловленные уровнями прилипания, глубины их залегания находится в пределах 0.324 0.35 эВ. Отрицательные участки при подсветки с любой из сторон отсутствуют. Максимальная фоточувствительность достигается при 1п>з1 пВ и далее проходит через минимум. При энергиях фотонов больших 1.25 эВ крутизна спада фототока ослабляется. Такое поведение спектральных характеристик свойственно гетероструктурам, изготовленным на подложках из зрсенида галлия с уровнями хрома.

Наблюдаемое поведение фототока при возбуждении структуры с энергией фотонов .больших 1.25 эВ можно объяснить подавлением Фототока (захватом генерированных электронов) дефектами создающими фотополяризационную ЭДС, на центрах прилипания /10/. После воздействия г-облучения взаимная (электрическая) связь цепочки неоднородного распределения носителей заряда разрывается, они нейтрализуются вновь созданными радиационными дефектами (Е„+0.2, Бу+().3 эВ), и вольтамперные, спектральные характеристики приобретают обычный вид.

Для получения более полной информации о физических процессах проведены' исследования структур в фотогальваническом и фотоприемном режимах.

Обычно оптический, спектральный диапазон снимают в режиме холостого хода - фотовольтаическом, т.е. без подачи рабочего напряжения, котя фотоэлектрические параметры претерпевают существенные изменения в режиме фотоприемника.

Ход зависимости тока короткого замыкания от интенсивности падающего излучения при различных температурах носит близкий к линейному характер. Однако для температур155 и 65 " С кривые зависимости практически сливаются. '

Если изменение знака фототока на спектральных характеристиках связано с оптическим гашением (влиянием энергетических уровней - амфотерностью), то здесь имеем чисто фотогальванический аффект, приводящий к изменению рабочей точки - компенсации части приложенного напряжения вырабатываемым Ф»тоЭЛС. Линейная завнсимсотфлтотпка от интенсивности осеешеиия связяча с. (тр<г~ иму1чесп"»яной генерацией носителей в области »От^мн'" г,о м'рлда.'

Слияние кривых полученных при температурах Т > 55 "О обусловлено с туннелированием носителей черен барьер и достижением постоянства концентрации генерируемых носителей /11/.

По мере увеличения рабочего напряжения в прямом и обратном направлениях фототек (1*~Г) возрастает. В прямом направлении его величина (5« 10"" А) больше, чем в обратном (2«10~в А).

Фотоэлектрическое усиление начинается с самого начального участка и его коэффициент И* = V™*) /IV™"), при освещенности 100 лк с ростом напрякения до 45 В доходит до 30. Это указывает на то, что объем области, где разделяются фотоносители, увеличивается с напряжением на только для гомоперехода, но и для гетероперехода.

Толадна обедненного слоя гетероперехода ]ЮаАа~пСАЗ вычисленная по данным соответствующих областей гетероперехода при У0 -0.5 В составляет 0.25 мкм или для В - 0.35 мкм,

т.е. с напряжением действительна возрастает, {-оточувствитель-ность при напряжении 20 Б достигает 0.365 А/Вт против 0. Об А/Вт на известных гетероструктурах /12/.

Фоточувствительность, же гомоструктур, как показывают спектральные характеристики, такие возрастает с увеличением приложенного напряжения в четыре и более раза, причем в прямом направлении более резко. Максимальное значение фоточувствительности достигается в более длинноволновой области спектра 1.1+1.16 мкм (1п> < Ев>, против 0.86+0. Э мкм ожидаемого. Это свидетельствует о том, что область модулируемая оптическим сигналом является высокоомной и содержит глубокие уровни.

Таким образом, из исследований следует, что световые вольт-ампернне характеристики структуры с встречно включенными гомо (гетеро) переходами смещены по оси напряжений за счет фо-товольтаических эффектов. Им свойственно внутреннее фотоэлектрическое усиление. Фоточувствительность обусловлена разделением фотоносителей в области объемного заряда соответствующих переходов (ш-р, р-н).

В четвертой главе представлены аномальные фотоэлектрические явления в гомо- и гетероструктурах нз основе арсенида галлия и сульфида кадмия, предложена модель фоточувствительности.

На основании проведенных исследований фотоэлектрических характеристик ю-рс&Аа-пСаАе-ш •' структур установлено, что в них максимальная фоточувстБителыюсть достигается при длине волны

падающего излучения 1.08 мкм (~ 0.37 аВ). При увеличении рабочего напряжения до G. О В и более вместе с увеличением чувствительности появляется маленький пик при >.~0.9 мкм (1.38 эВ), который близок к собственному поглощению GaAS. При этом в спектральной области 0.3*0.6 мкм при малых смешениях (2.0 В) появляется пик (0.35 мкм), который с ростом напряжения до 10 В полностью исчег-а'ет.

Если за основной пик взять энергию 1,3В эВ (0.9 мкм), то дополнительный пик 1.15 мкм соответствует глубине залегания дополнительного фоточувствительного уровня Pv+0.28 эВ.

Когда р-п-переход смещен в прямом направлении, наблюдается смещение максимального пика в более длинноволновую область ~1.15 мкм, что связано с эффектом Франца-Келдыша /13/. В области спектра 0.2-5-0. S мкм имеется пик при 0.4 мкм. При этом величина фототока с напряжением возрастает- Здесь высокие поля 3*10Ч В/см создаются на обратно смененном переходе металл-полупроводник (m-pGaAs, nGaA3-Hi), т.е. спектральная характеристика в области максимальной чувствительности определяется переходом металл-полупроводник. В данном режиме, фоточувствительность в 4 и более раза выше. Эффект Франца-Келдыша наблюдается и при подсветке со стороны подложки. В области коротких длин волн изменение фоготока носит противоположный характер. Такое поведение можно объяснить разделением фотоносителей на границе 'металл-полупроводник, поскольку кванты с этой энергией (hv > 2 эВ) не проникают глубоко. Соответственно, когда эти переходы сметаются в прямом направлении, случай обратного смещения р-п-перехода, фототок с напряжением падает. При этом переход металл-полупроводник стремится к прямому. сметанию ч барьер уменьшается, а поле падает. В результате генерируемые носители уменьшаются. Крутизна изменения максимального фототока (Х=1.0 мкм) при прямых смещениях больше, чем при йбратных С I*~V>.

Экспериментально . установлено, что п^и прямом смещении р-п-перехода максимальная чувствительность возрастает в основной (1.15 мкм) . и коротковолновой области (0.3-5-0.6 мкм). При зтом чувствительная область расширяется в сторону коротких длин волн (0.2 мкм) квантов. При обратном смещении р-п-перехода максимальная чувствительность (1.08 мкм) возрастает» а в коротковолновой (6.2*0.6 мкм) . области падает, вследствие уменьвкния высоты барьера металл -полупроводник.

Для выявления оптимальной структуры проведены исследования радиационного воздействия на фотодиодные структуры с физической границей образованной между п-ебластью и подложкой, а также с эпитаксиальным слоем.

Исследуемые структуры получены вырашивамием эпитаксиально-го слоя СаАЗ п-типа на подложке арсенида галлия р-типа, а также вакуумным напылением сульфида кадмия п-типа на подлолгку арсенида галлия р-типа, а также на зпитаксиалышй слой СаАй р-типа, нарашенный на подложку днрочного арсенида галлия. Поверх областей п-типа и на тыльную сторону подложки нанесены полупрозрачные металлические, контакты из Аи (Аф.

Экспериментально показано, что в структурах (»-¡йаАв-рваАа-пСйЗ, после воздействия у-облучения, как в прямом, так и в обратном направлениях наблюдается двухкратное уменьшение плотностей, тока. Например, У^ = 20 В с 33« 10"а А/смг до 16« 10"6 А/смг. Аналогичный характер носит зависимость тока от напряжения и для ш-рСаАа-пЯаАЕ-ш-структуры. Однако плотность темнового тока в них (80« 10"° А/смг) больше, чем в гетероструктуре. Характерным для исследуемых структур является то, что после воздействия облучения на спектральных характеристиках в области коротких длин волн (0.2 ... 0.4 мкм) появляется чувствительность обусловленная радиационными дефектами. При этом.в этой области имеет место смена знака фототока. Гапример, при подсветке со стороны подложки при всех значениях рабочего напряжения, а - со стороны эпитаксиального слоя лишь при напряжениях 2 Р и ниже. В области длин волн более 0.6 мкм влияние гамма облучения на спектральные характеристики незаметно, т. е. настоящая структура оптимальна для использования в более длинноволновой области спектра. .

Б сравнение с выше рассмотренной ГОт-рйаАз-пСаАв-т-структу-рой т~рСаАе-рСаАа-пСс13-структуре фототок не меняет знак. Сопоставление характеристик и самих структур показывает, что обоими у них являются переходы подложка (рСаАз)-металл. В обоих структурах после гамма облучения в области коротких длин волн появляется фототек, причем в последнем без сменк знака. При прямых и обратных смешениях максимум . спектральной чувствительности остается неизменным. Смещение пика максимальной чувствительности при смене полярности приложенного напряжения не имеет места. Различие, структур состоит в расположении физической границы

р-п-перехода.

Учитывал, что в обоих структурах идентичшгои являются переходи металл-подложка, физические процессы приводящие к изменению знака фототока в га-рЗаАэ-пСаАо-ш-структуре связаны с перекодом подложка - п-слой (эпитаксиальнкй).

В частности, во-первых, с наличием глубоких примесных центров в объемом кристалле арсенида галлия. Во-зтг.рнх, попаданием этих примесных центров и дислокаций в поле объемного заряда. По мере увеличения обратного смешения внсокооммая область, где уровень Ферми проходит по середине переметается с направлении глубины объемного р-ОаЛз. При этом электрон н? валентной зоны поднимается на соответствующий глубокий акцепторный уровень и захватывается им, создавая отрицательный заряд, а дырка, образованная 0 валентной зоне выносится полем р-н-перехода, т.е. увеличивая толадну слоя объемного заряда. Если при этом будет оказано внешнее (температурное, оптическое, ионизирующее или др.) воздействие, электрон может быть еябромен в зону проводимости, а заряд - нейтрализован, что приведет к сужению области объемного заряда р-п-переходэ.

В случае га-рйаАа-рСаЛа-пСйЗ-структурн эпитаксизльныЯ слой рбаЛз являясь более совершенным, исключает попадание примесей и дефектов подложки (рбаАй) в поле объемного заряда и тем самым избавляет его от отрицательных явлений, связанных с неоднород-ностями подложки.

На свойства гетероперехода могут оказывать влияние не только параметры подложки, но и слоя образующего с ним гетеропереход, в нагем случае, сульфид кадмия, который может быть ответственным за аномальную фотопроводимость, различные колебания тока и др. Однако влияние какого-либо конкретного компонента, входящего в СсШ, на свойства структур на его основе однозначно не-установлено. Поэтому нами проведены исследования образцов сульфида кадмия по характеристическим различиям путем разбивки на две группы. К первой группе (Г-1) были отнесены образцы, из которых изготавливались ДЕухбарьерные структуры, на вольт-амперной характеристике которых наблюдалоп отрицательный участок и имела место более высокая фоточувствительность. Исследовались используемые исходные монокристаллы СйБ с размерами 2x3x0.3,-0.3 мм3.

Для определения состава образующих материал примесей был

. , - I? -

проведен локально-лазерный спектральный анализ. Результаты анализа сведены в таблицу..

т образца элемент в ат, %

■¿р БД А1 ?е т Зг Т1 Си 7,п

I. Г-1 Г-1 Г-2 Г-2 <1 <1 <1 <1 0, 07 0.01 0.01 0. 01 0.008 0.001 0.010 0.006 0.003 0.004 0.0<М 0.001 0.001 0. 004 0.001 0.001 0. 001 0. 010 0.006 0.006

и. •Т-Я Т-В <1 <1 0.01 0.03 0.001 0.002 0.003 0.003 0.001 - 0.001 0. 001 0.006 0. 006

Основное различие образцов первой и второй групп состоит в том, что в последней отсутствует титан. Соответственно, если к образцам первой группы Г-2 ввести примеси железа, то они как бы перейдут во вторую группу, т.е. отрицательный участок в структурах на их основе должен отсутствовать. Можно сказать, что » образцах первой группы Г-1 отрицательное действие железа компенсируется наличием титана. В результате достигается высокая фоточувствительность.

Если из состава образцов Г-1 исключит примеси титана, то они станут идентичными с образцами второй группы Т-Й. Структуры на их основе не обладают высокой фоточуввтвнтельностыо. Это можно объяснить с нейтрализацией фоточувствительных г-центров (вакансий кадмия) примесями железа. При этом добавление титана создает новые фоточувствительные г-центры.

Фоточувствительность придаваемую образцами первой группы типа Г-2 можно объяснить одновременным наличием вакансий кадмия (О и серы (у;> /14/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание тыльно-барьерной структуры за счет использования тонкой пленки (0.1+0.3 мкм) сульфида кадмия в паре с подложкой из арсенида галлия обеспечили двухстороннюю фоточувствительность в ПК области 1 мкм) спектра.

Экспериментально установлено, что в структуре т-рСаЛБ-пСбЗ

-18-,

сульфид кадм'ия практически является прозрачным п широкой области спектральной чувствительности (0.6 - 1.2 мкм), а в области 0.2 - 0.6 мкм фототок в шесть и более раза меньше из-за превалирования поглощения е рбаЛв.

Выбор более высокоомного арсенида галлия (3-1015 см"3) .в качестве одной из области с учетом его термообработки в процессе нанесения пленки сульфида кадмия (~700 " С), а также изотип-ного зпитаксиального слоя рбаАя способствовали получению сильного поля на границе перехода металл-полупроводник и тем самым обеспечить большую фоточувствительность в примесной области спектра. В результате стало возможным управление чувствительностью в Уф-облзсти (0.2-5-0.4 мкм).

Анализ спектральных характеристик свидетельствует о взаимодействии уровней радиационных дефектов с уровнями. глубоких примесей, поэтому наблюдается ушрение тонкого пичка спектральной характеристики после воздействия гамма-облучения, что тождественно характеристикам получаемым при одновременном. легировании арсенида галлия мелкой донорной (теллур, олово) и глубокой акцепторной примесями ( хром) .

Оптимизация температурного рекима получения гетероперехода и перехода металл-полупроводник способствовали реализации Механизмов токопрохождения описываемых теорий. В частности, тунне-лирование носителей через барьер металл-полупроводник, их змис-' сией над барьером и генерация носителей в слое объемного заряда гетероперехода. В целом, вольт-амперная характеристика описывается выражением, справедливым для обратно-включенных двух переходов.

На основе анализа температурной зависимости вольт амперных характеристик установлены механизмы токопррхоядения. Экспериментально показано, что показатель степени на гетеропереходе с повышением температуры уменьшается до 0.5," а На переходе металл-полупроводник возрастает, начиная в ' I.

Если в исходном объемном кристалле арсенида галлип поляризационные эффекты ярко выражены, то на гетеропереходе полученном непосредственным напылением пленки сульфида кадмия имеет место проявление отрицательного фототока в ^-области спектра, который приобретает положительную полярность после воздействия гамма-облучением. Такое поведение мокко объяснить разрушением электрической связи неоднороДностой и их взаимодействия с ради-

ацнсннммн дефектами в приграничной области гетероперехода из объемного кристалла pGaAc. В случае, когда поверх объемного pGaAs наносится изотопный эпитаксиальный слой pGaAß достигается аналогичный эффект, т. е. разрушение цепи на изотипном переходе, в результате с и-р-р-п-структуре (irr-pGaAs-pñaAs-nCdS) отсутствуют отрицательное эффекты.

В результате проведенных исследований предложена и реализована тшю-барьерная структура с гетеропереходом ь системе арсеиид галлия - сульфид кадмия, построены енергетические аон-ние диаграммы, исследованы механнамы токопро.-.окдення, формирование сп-ктральгшх характеристик. Показано поведение примесей сульфида кадмия в структурах, влияние гамма- и теплового облучений, предложен механизм фоточуветвнтельнос-ти.

Список цитируемой литературы.

1. Zuleeg R., SenKovits Е. Метод нанесения тонкой пленки CdS и исследование структуры с помощь,» дифракции рентгеновских луче)! и электронов. //Л. Electroclüm. See. Atetr. Spring Meeting, Pittsburgh, April 1963. - p. 110

2. Bertini И., Bachmann K.J., Siiay J.L. CdS/InP ami CdS/GaAs Ueterojunctions by cliemieal-vapor depoeition of CdS. //S. Appl. Fhys, 49, 2, 1978,- p. 885-870.

3. Каримов А. В. Трехбарьерний фотодиод Каримова, //Доклады АН Уз. CCF, - 1990, - № 12, - с. 17-19.

4. Берченко !1. Н., Кревс В. Е., Средин В. Г.' Полупроводниковые твердые растворы и их применение. - М.: Воениздат., -. 1982, - 208 с.

б. Арсеиид галлия в микроэлектронике, /Пер. с. англ. - М. : Мир, 1988, - 55 с,

6. А. Мплис, Д. Фоихт. Гетеропереходы и переходи металл-полу-проьодник. /Пер. с англ. А. А. Гиппиуса. Под ред. проф. Б. С. Вавилова. - V..: Мир, 1975, - 432с.

7. ShocKley W. 'Clie theory of p-n I unctions in Semi conductors and p-n Junction Transistors. Bell. Syst. Teclm. J. 1949, № 3, p 435.

8. Фаренбрух A., Бьюб 3. Солнечные элементы. /Пер. с англ. -М: Знергоатомиздат, 1S87, - 380 с.

9. Sah С Л1., Noyce R.N., Síiokly 9. Carrier Generation and

recombination In p-n-juhction'' and p-n-junction Character ristics. //Proc. IRE, -1957, - J4 9, - p. 122a

10. Ковальский ¡Т.Н., Шнейдер Д.P. Фотозлектретшш эффект в полупроводниках. /Львов: "Burn школа", - IB77, - 150 с.

'11. Алферов ЛИ., Васильев М.Г., Горленок А.Т., Ильинская НЛ. и др. Лавинные фотодиод« на основе гетероструктур InCaAgP/InP с р-п-переходом в InP. //Письма в ЖГФ. -1982. -Т. 8. - * 12. с. 722-724.

12. Константинова Н. И., Магомедов М. А., Руль ЕВ. Фоточувствительность гетеропереходов iiGdZnS-pCuInfle. WIT, т. 27, вып. 5, с, 835-837.

13. Хандсперкер 3. Интегральная оптика. /Пер. с англ. - М.: Мир, - 1985, - 384 с.

14. Лашкарев В. Е., Любчешсо А. В., ШеЯнкман М. Н, Неравновесные процессы в фотопроводниках. /Киев: Иауьова думка. - 1981, - 2Р4 с.

Ш2ШВД ГАЛЛИЙ-КАДМИЙ СУЛЬФИД ТАРТИБИДШ1 ЮЩА ?ТЩЩ таШАЛАРДА ФОГОЭЛЕКТРИК ЩИСАЛАРНЙ ТЕ№1НШ

Едгхэрова Дилбара Мустафаевна (•дидача маэмуяя)

Ишда хакмий кристаллар иуксонлари ва ташки таъсирларнинг (харорат, ёрурлик ва радиация нурлари) металл-яримутказгич ва р-п*-утиш ^улкига нативаси арсенид галлийли, *амда сульфид кадмий билан гетероутишда ургзнилган.

Поляризацион эффектлар *осил килувчи нуксонли ^акмий (;исмлар спекграл характеристикалар фототоки кутбини Узгартириии мумкинлиги кррсатилган. Бу таъсирни ^акмий цисм билан бир зкинс-ли эпитаксиал катлам ?стириш натикасида нотекисликлар узлуксиз «ойлашишини акратиб юбориш билан йУкотиш мумкин. Икки тусикли й-рСаАз-лСАБ гетероутишли тузилманинг фотоэлектрик хусусиятла-рига (титан, темир) цоришмаларининг таъсири курсатилган. Хусу-сан, фотосезгирликнинг сусайиши темир «оришмаларининг (рекомбинация марказлари) саЛСий таьсири билан, шу Уринда титан цоришмасининг борлиги сульфид кадмийда фотосезгйр мзрказлар Косил килиб, фотосезгирликни ошириши тушунтирилади.

Биринчи бор иккита и-рСаАз-пСбЛ ва учта т-рСаАа-гйаАе-т потенциаль т?сик-пи фотодиод тузилмалари олинган ва текширилган. Ток ртиш механизмлари, спектрал характерйстикаларининг шаклла-ниши урганилган, фотосезгирлик модели таклиф килинган.

INVESTIGATION OF PHOTOELECTRICAL PROPERTIES . OF GaAs-CdS THIH LAYER STRUCTURES

Sdgorova Dilbara Nustafaevna Abstract

The thesis is devoted to stady of the effects of defects of volume crystals and external excitations (temperature, optical and radiation irradiations) on metall-semconductor and non-symmetrical p-n+ junctions on the base of GaAs with composition of CdS.

It was shown experimentally that the defects causing polarization effects ¡nay change the sigh of photocurrent. The effect «ay he neutralized by growth of isotype with volume crys-tall epitaxial layer, giving discontinuity of homogeneous distribution of the chain of unhcmogeneities. The effect of the impurities of titanium and ferries on photoelectrical properties of two-barrier ¡s-pGaAs-nGaAs heterojunction is investigated. It was shown that the recombination centers of ferran cay cause quenching of photosensitivity of the structure and the centers of titanium creates photosensitive r-centers giving rise to increasing of photosensitivity of cadmium sulfide. For the first time it was investigated and created photodiod structures with two ra-pGaAs-nCaS and three m-pGaAs-nGaAs-m potential barriers. Current transport mechanisms, spectral characteristics of the structures are studied and the models of photosensitivity of the materials are suggested.

!7ojmircai;o b neiati 30.12.97

lie*}.». 1,25 Tnpaa 100

3aK. !& 19 OTneiaTaso b Tiinorpaiiim FT'HTIi