Фотоэлектрические свойства структур на основе CdSiAs2 и его аналогов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГБ ОД

1 п ЛПР 1995 российская академия нал:

шшю-ттпшсш институт им. А.ф.иоффе

На правах рукописи

удк 621.315.592 шь васи1ий юрьевич

фотоэлектрические свойства структур на основе са31а82 и ег'о аналогов

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1955

Работа выполнена в Физико-текническом институте им. А. Ф. Иосифе РАН и Санкт-Петербургском Государственном техническом университете

Научный руководитель : Лауреат Государственной премии,

доктор Физико-математических наук, профессор Конников С. Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Шик А. Я.,.

доктор Физико-математических наук, профессор Агекян В.Ф.

Ведущая организация - Институт Физики полупроводников

АН Украины, Киев.

Защита состоится (Я-1г/> 1995 г. в/2 часов

на заседании специализированного сбвета К 003.23.02 при Физико-текническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН по адресу: 194 021,Санкт-Летербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физики-, технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан 1995г.

Ученый секретарь специализированного совета К 003.23.02

кандидат физ. -мат. наук С. И. Бахолдин

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

«

Актуальность тепы.Тенденции развития современной физики и техники полупроводников во многой определяются вовлечением в круг исследований новых материалов и структур на алмазоподобных полупроводниках. В последние годы усиливается интерес к анизотропии« материала« на основе тройных соединений 11-Ш-Уг-аналогов бинарных полупроводников II 1-У. Уникальные свойства тройных полупроводников Сотсутствие центра инверсии, снятие вырождения валонт-ной зоны, высокая нелинейная восприимчивость.естественный фото-плеохриизм и др.) делают их перспективными материалами твердотельной электроники. Широкий диапазон изменения Физико-технологических параметров этих соединений удовлетворяет, с одной стороны, требованиям техники,а с другой - всегда сулит надежды на обнаружение новых необычных яалений в многокомпонентных алмазоподобных Фазах. Обнаружаниз эффективной параметрической генерации, сильной поляризации рекомбинационного излучения и эмиттированних электронов. высокой поляризационной фоточувствительности и др. подтверждает обоснованность таких ожиданий. Между исследованиями бинарных и их более сложных аналогов установилась тесная генетическая связь, позволяющая на пути от простого к сложному проследить влияние усложнения атонного состава, а выявив новые закономерности в сложных Фазах, попытаться воспроизвести их в более простых. Иллюстрацией .юследнего является то, как обнаружение естественного фогоплеихроизма СЕ^О в тройных полупроводниках стимулировало открытие наведенного фотоплеохроизма СН?0 в бинарных полупроводниках.

Основными объектами в настоящей работе являются диодные структуры из диарсенида кадмия и кренния .а также его изотропных аналогов из числе полупроводников II 1-У (Сайг и др.

В связи с возможностями широкого применения саэХАэг в полупроводниковой олтоэлектронике актуальными являются как совершенствование параметров кристаллов и различных диодных структур из них, так и комплексные исследования физических процессов в таких структурах. Этот вопрос важен, т.к. позволяет судить о практических возможностях структур на основы анизотропных материалов в сопоставлении со свойствами таких структур в изотропных полупроводниковых соединениях П1-У.

К ка (злу настоящей работы Фотоэлектрические процессы в орукгу

рах на основе Сс131Аз2 были изучены недостаточно, что обусловлено трудностями приготовления ориентированных образцов для поляризационных измерений, недостаточной фоточувствительностью и ограниченным кругом созданных типов таких структур. Отсутствовали сведения по анизотропии токопереноса в кристаллах II — XУ-У2 р-типа прОпадимос; ги. что связано с недостаточный для таких исследований уровнен электрической однородности вещества. Оставался не изученным соприс о зависимости поляризационной Фоточувствительности от режимов Фоторегистрации в диодных структурах на основе анизотропных полупроводников в линейно-поляризованнон излучении ( ЛПИ ). Не были разработаны структуры, позволяющие реализовать эффект гигантского Фотоплеохроизма, Наконец, наведенный Фотоплеохроизм в бинарных аналогах СйБХАзг - полупроводниках IП-У оставался практически не изученным.

Выбор диарсенида кадмия и кремния и его бинарных аналогов в качестве объектов исследования был продиктован прикладной значимостью диодных структур, которые могут широко применяться при создании устройств поляризационной оптоэлектроники. что и определяет актуальность данной работы.

Целью работы является экспериментальное исследование фотоэлектрических свойств однородных монокристаллов, а также диодных структур из Сс131Д52 и его аналогов II 1-У с применением поляризационной спектроскопии, направленное в научном плане на выявление закономерностей естественной и наведенной Фотоэлектрической анизотропии, а в практическом - на установление оптимальных условий создания различных структур и управления их поляризационными параметрами,

В связи с этим в данной работе ставились следующие задачи:

1. Исследовать анизотропию явлений переноса носителей заряда в кристаллах с решеткой халькопирита.

2. Изучить поведение примесей II 1-й группы в кристаллах С<Л31Аб2.

3. Исследовать влияние термодинамического равновесия в системе кристалл-пар на процесс конверсии типа проводимости и разработать режимы получения гоиопереходов СГП) п-р-Сй31А52.

4. Исследовать возможности получения фоточувстьительных структур на основе кристаллов СсШАзг. легированных элементами третьей группы.

5. Изучить зависимость ЕФ от режима фоторегистрации в широком диапазоне интенсивностей линейно-поляризованного излучения.

6. Получить структуры с поляризационной инверсией знака Фотото-

I 1

ка и исследовать эффект усиления ЕФ в С^КНАэг. ?. Выполнить исследования закономерностей НФ в барьерах Шоттки и гетероструктурах СГС) из полупроводников И 1-и. 8. Реализовать эффект усиления НФ в структурах на полупроводниках ш-и.

Научную новизну представленных в работе исследований составляют! • -выявленная по температурным зависимостям кинетических коэффициентов на ориентированных электрически однородных монокристаллах полупроводников р-типа проводимости анизотропия то-копереноса дырок и ее коррелляция с тетрагональной деформацией решетки халькопирита!

-результаты по создании и комплексным исследованиям Фотоэлектрических процессов в п-р-структурах•на основе ориентированных монокристаллов р-Сй31А52. позволившие расширить функциональный диапазон по отношении к структурам на бинарных аналогах и выявить закономерности поляризационной фоточувствительности; -результаты комплексных исследований фотоэлектрических и люминесцентных свойств монокристаллов ИЗЮзг. подвергнутых различным видан легирования, что позволило сдвинуть верхнюю границу концентрации дырок до 5.5»101е си-3 (300 К) и контролировать поляризационную Фоточуаствитедьность структур»

-установленные закономерности поляризационной фоточувстви тельности впервые созданных структур п-1п20з/р-С<131Аз2<1п.Са> и электролит/р-Сс131Аз2<1п.0а>. а также связи поляризационных параметров с природой легирующий примесей и контактирующих Фаз. что в итоге обеспечивает контроль поляризационных параметров структур на основе Сс^Ага?

-экспериментальные данныэ по зависимостям ЕФ от интенсивности излучения при двух различных режимах Фоторегистрации, что обеспечивает использование Фотоприемников на анизотропных полупроводниках для детектирования (а) интенсивности или Сб) поляризации излучения и позволяет определить высоту барьера в готовых структурах:

-результаты создания двухбарьерных структур с встречно направ-линными электрическими полями и реализация условий поляризационной инверсии знака фототока, обеспечиваюдай проявление селективного эффекта усиления естественного Фотоплеохроизма в структурах п- 1п20з/р-С<131А52» -результаты поляризационных измерений Фоточувствитедьности барьеров Шоттки и эпитаксиальннх структур из полупровошшкое

I I

III-V на кремниевых подложках, позволившие выявить закономерности наведенного Фотоплеохроизма, что открыло возможности применений главных материалов полупроводниковой электроники с высокоразвитой технологией при создании высокочувствительных фотоанализаторов ЛПИ;

-результаты по разработке на эпитаксиальных слоях II 1-У двух-барьерных структур с встречно включенными электрическими поляки и обнаружение поляризациоиной инверсии знака Фототека, вызывающей эффект усиления наведенного Фотоплеохроизма.

Научная .и практическая значимость представленных в диссертации результатов состоит в получении количественной информации о параметрах энергетического спектра легированных кристаллов СсШАзг и поляризационной фоточувствителькости созданных структур. что необходимо для использования Сс131А52 в полупроводниковой электронике. Полученные в данной работе экспериментальные данные по анизотропии токопереиоса могут стимулировать развитие теоретических исследований энергетического спектра и механизмов рассеяния носителей заряда в кристаллах с решеткой халькопирита. Разработаны основы технологии создания ГП на С<131Аз2 с рекордными параметрами. Предложены новые поляризационные методы экспрессного определения высоты энергетического барьера в готовых фотодиодах. Доказана целесообразность применения различных типов энергетических барьеров на эпитаксиальных слоях 1Н-У в поляризационной фотоэлектронике. На кристаллах СсШАгг и его бинарных аналогах создан ряд структур с поляризационной инверсией знака фототока, обусловливающей эффекты усиления естественного и наведенного фотоплеохроизма.

Основные научные положения, выносимые на защиту :

1. Термообработка монокристаллов р-СсШАег в вакууме сопровождается диссоциацией, вызывающей изменения состава твердой фазы в пределах области гомоген"ости соединения, что приводит к конверсии типа проводимости р*п на за'данную глубину и созданию п-р-пе-реходов с рекордными параметрами.

2.Спектральный контур поляризационной разности фототока гетеро-структур на основе легированных монокристаллов р-Сс131Аз2 определяется природой и способом введения примеси.

3.Естественный фотоплеохроизм ячеек НгО/р-Сй31А52 определяется анизотропией фотоактивного примесного и межзонного поглощения излучения вещество« Фотоэлектрода, а отсутствие инверсии его знака в коротковолновой спектральной области указывает на достаточное

сивершекство границы Сс131АЕ2-электролит.

Коэффициент Холла в кристаллах I1-IU-Ü2 с решеткой халькопирита изотропен. что свидетельствует в пользу одноэллипсоидной «одели свободных дон. тогда как подвижность дырок преобладает в направлении тетрагональной оси. причем коэффициент анизотропии падает с понижением естественной тетрагональной деформации.

Ь.Максимальный динамический диапазон в поляризационно-чувстви-телышз: структурах с постоянный значением коэффициента Фотоплеох-роизпа достигается при регистрации Фототека короткого звникания, тогда как регистрируеиый по фотонапряжению холостого хода естественный Фотоплеохроизм при превышении определенного уровня плотности потока Ж!И конпексируется до нуля, когда фотонапряжение сравнивается с диффузионной разностью потенциалов. Физической причиной исчезновения Фотоэлектрической анизотропии является то. чти Фогин<1Прахенне в поляризациях Е 11 с и ЕЛс" растет лишь до тех пир. iiuK.i не исчезнет потенциальный барьер.

G.Эффект усиления ЕФ структур n-p-CdSiñs2/In203 обусловлен конкуренцией процессов разделения Фотогенерированных носителей противоположно направленными электрическими полями ГП и ГС. что и обеспечивает инверсию знака Фототока при изменении поляризации излучения. Резкое увеличение ЕФ (3® ) отвечает выравниванию абсолютных значений фототоков для поляризаций £ И с и "Ele", а спектральное положение точки инверсии знака контролируется внешним электрическим полем.

?.При наклолнои падении Л1И на приемную плоскость структур с потенциальным барьером в полупроводниках с реыеткой сФалеритаСпи/Сапз.СаАз/Э! и др.3 возникает поляризационная Фочо-чуиствительность. спектральный диапазон которой определяется свойствами контактирующих Фаз и барьеров, а величина Нч' регулируется углом падения ЛИИ на нриепну» плоскость и чувствительна к ео совершенству. Структуры с наведенным Фотоплеохроизмом в кристаллах 1ÍI-V обеспечивапт рекордные значения азимутальной Фото-чуи.:гьмтельиости 5^0.21 а/Вт-град.

8. В двухбарьь-рных структурах со встречно-направленными полями tñu/Rafts/Ou.p-n-CaP/p-Si и др.) из-за конкуренции фототоков, образующих эти структуры барьеров, при определенной энергии фотонов происходит инверсия знака фототека, которай при наклонном падении ЛШ вызывает эффект усиления наведенного фотоплеохроизна. величина которого достигает -900 У..

Приоритет результатов. Пгедсi явленные результаты. по которын

с+оркулщ'оааны научные положения, получены впервые.

Основные результаты работы докладывались на УН 1-й и 1Х-й Международных конференциях "Тройные и многокомпонентные соединения" (Кишинев.1990 г Нокогака,1993)г на Международном совещании "Оптоэлектроника-89" (Баку,1989)> на XI 1-й Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев.1990)( на 1-й Всесоюзной конференции по фотоэлектрический явления« в полупроводниках (Ташкент,1989); на Международной совещании по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердом теле (Варнй.1989)г на 1-й школе ФТФ ЛПН-ФТИ (Ленинград.1888); на семинарах ФТИ им. А. 4>, Иоффе РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1? научных работ, приведенных в конце автореферата.

06ген и структура работы. Диссертация, состоит из введения, пяти глав и заключения. Изложена ка 159 страницах, в ик числе 108 страниц машинописного текста, содержит 59 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 122 наименований .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

йо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и ее основные задачи, показана научная новизна и практическая значимость результатов, приводится краткое содержание диссертационной работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая, глава диссертации носит обзорный характер. Здесь дается анализ данных по кристаллическому строению, оптическим и Фотоэлектрическим свойствам соединения СйЭХАз2 и его аналогов. Кратко обсуждаются основные представления о зонной структуре кристаллов с решеткой халькопирита, технологические аспекты получения кристаллов, явления переноса § них и влияние этого комплекса вопросов на Фотоэлектрические свойства структур из Сс131Й52. Особое внимание в обзоре уделяется поляризационной Фоточувствительносги структур из Сс131й32 и его бинарных аналогов. На основании критического обзора Формулируются основные задачи работы.

Вторая глава включает необходимые сведения о методах получения монокристаллов СЛЭЙзг и создания диодных структур на их основе, а также подготовки образцов к измерениям. Приведено описание экспериментальных установок для исследований электрических и фотоэлектрических свойств.

Гоиопереходы создавались путем термообработки исходных пластин с концентрацией дырок р=101В+1018 сн"г (при 300 Ю в вакуумиро-ванных ампулах. Физической причиной конверсии типа проводимости является изменение состава CdSifts2 в пределах области гомогенности на заданную глубину. В результате диссоциации происходит испарение кадмия и мышьяка до тех пор. когда процесс прервется давлением испарившихся из кристалла компонент. При диссоциации CdSiAs2 в замкнутом объеме (1-5 см3) соотношение между давлениями паров Cd и fis определяется их температурной зависимостью, причем увеличение парциального давления паров одной из компонент автоматически сопровождается понижением парциального давления второй компоненты. В соответствии с процессом диссоциации устанавливается и вполне определенный состав твердой Фазы CdSiAs2. Можно считать, что диссоциация сопровождается, а первую очередь, возникновением в приповерхностной области пластин вакансий в подрешетках кадмия Vcu Ч мышьяка Vas. Их соотношение, в конечном счете, и должно определять тип проводимости и другие структурно-чувствительные свойства CdSlAs2 в приповерхностной области.

На основании приведенных исследований было установлено, что термообработка вызывает конверсию типа проводимости р - п. Состав слоев отвечает Cd51AS2 при термообработке вплоть до 700 С. а параметры кристаллической решетки совпадают с характерными для исходных кристаллов. После достижения конверсии р -* п слои п-ти-п» стравливались со всех сторон пластин за исключением одной, затем создавались омические контакты к п- и р-областям и образцы монтировались в корпуса серийных диодов.

На основе монокристаллов p-CdSifts2 создавались также гетеро-структуры и Фотоэлектрохимические ячейки. ГС получены нанесением метчдим пиролиза тонких поликристаллических слоев Ir.sOs Cdo-O.ij мкм) на плоскости (100) и (001) p-CdSiAsa. Ячейки создавались приведением ориентированных пластин в контакт с электролитом CHzO).

Для измерения кинетических коэффициентов осуществлялся отбор электрически однородных монокристаллов II-IV-V2- Монокристаллы ориентировались рентгеновским методом. Измерения кинетических коэффициентов проводились на образцах в виде параллелепипедов, ориентированных таким образом, чтобы можно было измерить все независимые Г'млонемты тензоров удельной электропроводности б и посчиянний Холла R.

л

Исследования спектральных зависимостей Фоточувстеитвлыюсги и

!

оптическогс пропускания проводились с помощью установки на базе монохроматора БРМ-2 с призмой из ЭЮг. Для получения ЛПИ использовались поляризационные Фильтры со степенью поляризации -100 а. В диапазоне длин!, волн 0.3 + 2.0 мки спектральное разрешение установки составило 1 + 10 иэВ. Величины сигнала фотопроводимости и фотовольтаического эффекта Св области линейной зависимости Фотоответ-ношость излучения) пересчитывались на равное число падающих фотонов и поэтому полученные в работе спектры представляли собой зависимость квантовой эффективности Фотонреобразова ния от энергии падающих фотонов.

В тютьей главе рассмотрены результаты экспериментальных исследование! онизотронии токопереноса в монокристаллах II-ГУ-Уг» кити-рые кристаллизуются в структуре типа халькопирита и характеризуются различным тетрагональным сжатием, а также анизотропией эффективных масс дырок и электронов. Поэтому следовало ожидать выраженную зависимость параметров токопереноса от кристаллографического направления, вдоль которого протекает ток. Исследования проводились в слабых электрическом и магнитном полях в диапазона 80 - 750 К для СсШеАэг. 80 - 400 К для СйЭЮэг. 270 - 390 К для 2пСеР2. Установлено, что холловские напряжения Уи и Угг пропорциональны синусу угла между током и магнитны« полей. В исследованной области температур соотношение компонент тензора коэффициента Холла й"/ I* - 1. Следовательно, коэффициент Холла в пределах реализованной точности практически изотропен. что свидетельствует в пользу одноэллипсоидной модели верхней валентной и нижней зоны проводимости в кристаллах с решеткой халькопирита П-1У-У2.

Анализ температурных зависимостей двух независимых компонент тензоров бСТ) и ЙСТ) показал, что в области Т < 400 К все кристаллы II-1У-У2 обладают примесной проводимостью, обусловленной термадизацией электронов на акцепторные уровни. Заметное отклонение от экспоненциального закона в зависимостях £?СТ) и ЯСТ) при 1<120 К.по-видипому. свидетельствует о переходе к проводимости по примесям. С повышением Т>400 К для р-СсШеАзг наступает смешанная проводимость с последующей инверсией знака й на отрицательный, а в области Т>620 К - собственная проводимость, когда зависимости £ст) и КСТ) подчиняются экспоненциальному закону, из которого ширина запрещэнной зоны СйСеАгг НаСО К) - О.75 ± 0.05 зЗ. Измерения ё(Т) и КСТ) в широкой области температур позволяют в од>гом и том же кристалле изучать сначала перенос дырок,а затеи электро-

hub. Температурньга зависимости тензоров & и б в монокристаллах CdSlAsa Ч CdGeAs2. обладающих высоким г. находятся в хорошем соответствии с анизотропией эффективных масс Сб">6"1' 5. В случае р-ЗпСеРг б"» tf . что связывается с низким г.

Температурные зависимости тензоров холловской подвижности дырок СТ < 400 К) и электронов (Т > 620 К) обнаружили преобладание U.1 '»U-1. что всецело определяется анизотропией удельной электропроводности, Из сравнения заеисикостай U^'CT) и Ц-ЧТ) для p-CdSiAsi; и p-CdCeAs2 сделан вывод о ток. что в области примесной проводимости подвижность дырок определяется конкуренцией двух ноханпзмоаг ниже 180 К - рассеянием на статических дефектах ре-шчхк.и а аыа® 240 К - на колебаниях решетки. Совпадение U.I,CT) и 1ГЧГ) позволяет предположить, что изменение кристаллографического поправления токогюреноса не сказывается на механизмах рассеяния носителей заряда.

Открытие анизотропии токоперекоса в нонокристаллах II-IU-U2 с бьюокик тетрагональный сжатием указывает на необходимость учета этого явления пра анализе явлений переноса и разработке высокоэффективных фотопреобразователей.

Четвертая глава посвящзна обсуждению экспериментальных результатов па исследованию фотоэлектрических явлений о диодных структурах иа основе CdSifiS2. Вольтапперныо характеристики полу ченных ГП в области палых смещений отвечают соотношению

I ■ IsCexpCeU/nkT)-13. где.1в»10 10 А яри Т»300 К. Величина показателя п варьируется в пределах от 1 до 2 посредствен технологических условна, что с позиций существующих теоретических представлений объясняется конкуренцией между диффузионной а рекопбинационной природой прямого тик.». Преобладание того или иного пэханизма токопереноса определяется Параметрами технологического процесса. Разработанный метод позволил получить диоды с выпряплениеп -10е при обратных токах -10~10 А и напряжениях -5 В, Фоточувствительность n-p-CdSiAsa к интенсивности излучения наксинальна в области фундаментального поглощения CdSlfts2 при осведаниа со сторонн р-обаасти и преобладает в примесной области при освещении со стороны тонкого п-слоя. Следовательно. развитый метод получения диодов допускает вариации) вклада примесной и собственной фоточувствительности.

При освещения ЯШ фототек ГП обнаруживает зависимость от кристаллографической ориентации и геометрии фогорегистрацки. Диоды на

пластинах С100) обладают поляризационными индикатриссами Фототока, соответствующими обобщенному закону Малюса. При освещении вдоль С0013 фототок от поляризации не зависит и такие п-р-перехо-ды в функциональном отношении аналогичны диодам из GaAs. Максимальные значения азимутальной Фоточувствительности ГП составляют 1Ц«;1.4.10Ь в/Вт- град, и %-ЗБ ий/Вт град. при 300 К.

Экспериментальные исследования поведения примесей 111 группы в CdSlftSi; выявили компенсацию дырочной проводимости индием, тогда как введение галлия вызывает рост концентрации ды^ок. Излуча-тельнзя рекомбинация указывает на высокую однородность легирования и донорно-акцепторную природу наблюдаемых полос. При введении в шихту GaAs достигнут максимальный уровень р«5.5 -1018 си-3.

Г'етириструктуры и фотоэлектрохимические ячейки на основе p-CdSiAsü имеют одинаковые значения отношения прямого тока к обратному CIO3 - 104Э и максимальной вольтовой фоточувствительности Бц,-10й Ь/Вт при 300 К. а также близкие спектральные зависимости Фогитока короткого замыкания. Крутизна длинноволнового края фоточувствительности зависит от типа легирования и связана с А-пыреходами в CdSlAs2. Коротковолновый спад Фоточувствительности сильнее выражен в структурах из кристаллов, компенсированных введением в шихту чистого In. Для гетероструктур. изготовленных из CdSlAs2<Ga>. характерно отсутствие коротковолнового спада квантовой эффективности.

При исследовании анизотропии фотоактивного поглощения обнаружилось совпадение углового положения максимумов в поляризационных индик<лриссах Фотитока. а также в величине и знаке коэффициента КФ фошэлектрохимических ячеек и их твердотельных аналогов. Явная зависимость спектров поляризационной разности фотогока таких структур от легирования позволяет сделать вывод о возможности их применения в качестве поляриметрических фотодетекторов, управление пар .метрами которых существляется введением примесей. Максимальная азимутальная Фоточувствительность ГС и фотоэлектрохимических ячеек вблизи энергии A-переходов достигает Фи -10э С/Вт-град, при 300 К.

Эксперименты по изучению влияния интенсивности CLJ ЛПИ на Фотоплеохроизм ГС ^гОз/СсШАгг показали, что фототок растет линейно с увеличением i, во всем изученном диапазоне, а фотонапряжениэ холостого хода следует логарифмическому закону. По мере возрастания L Фотонапряжение достигает максимального значения lUx*0.? + 0.8 В. что согласуется с напряжением отсечки в стационарных ВАХ и

отвечает высоте энергетического барьера.

При освещении ГС линейно-поляризованным светом во всем диапазоне Ь наблюдается совпадение индикатрисс фототока. Это объясняется тем, что Фототоки при обеих поляризациях растут линейнд с интенсивностью. В то же время в индикатриссах Фотонапряжения проявляется явная зависимость от Ь. Зависимость максимальных значений коэффициента ЕФ гетероструктур от интенсивности Л1И показывает, что ружим Фоторегистрации существенным образом сказывается на ее характере. При регистрации Фотоплеохроизма ГС по Фототоку короткого замыкания его величина во всем интервале интенсивности* сохраняется постоянной и соответствует анизотропии А-переходов в Сй31Лг2- Если же Фотоплеохроизм регистоируется по Фотинапряжениы. го ирииышоние некоторых значений Ь ведет г неравенству С

дальнейшим ростом Ь наблюдается падение ?и до нуля. Таким образин. для обеспечения широкого динамического диапазона работы полупроводникового поляриметрического Фотодетектора необходимо регистрировать фототок. тогда как Фотонапряжение при условии 3ц«0 несет информацию о высоте энергетического барьера.

Исследования поляризационной Фоточувствительности структур. представляющих собой комбинацию гоноперехода и гетерострукгуры с встречно включенными электрическими полями, позволили реализовать новий для Ссй1А52 аффект! усиление естественного Фотоплеохроизма. Суть этого эффекта заключается в векторной природе Фототика. что в конечном счете и позволяет устремить знаменатель в выражении для ЕФ к нулю, в результате чеги естественный Фотоп-луохроизм резки возрастает ? Е оо в у^кой спектральной области. В двухбарьерных структурах из СсШАгг наблюдалось резкое увеличение ЕФ до 200 /., причем спектральная перестройка достигается за счет внешнего смещения.

В пятой главе представлены результаты комплексных исследований поляризационной Фоточувствительности нескольких типов барьерных структур в соединениях 1П-У и твердых растворах на их основе. Эти ауиества в нормальных условиях имеют структуру сфалерита и поэтому ЕФ для них нехарактерен. В изотропных полупроводниках при наклонном падении ЛПИ возникает наведенный фотоплеохроизм, однако до сия пор этот эффект в структурах из полупроводников П1-Ч оставался неизученным.

Наведанный фотоплеохроизи исследовался в поверхностно-барьерных структурах, гетероструктурах и различных двухбарьерных структурах на соединениях II 1-и.

Поаерхностно-барьернью структуры получены методами нипического осаждения, либо торпического напыления полупрозрачных слоев <dc-100 - ISO К) различных металлов Cfiu.tU.Al) на поверхность (100) объемных кристаллов или эпитаксиальных слоев GaAs.GaP и их твердых растворов.

При освоении через полупрозрачный барьерный контакт структуры обнаруживают широкополосный фотоатеет с максимальной Фоточувствительностью »0.2 Л/Вт при Т«300 К. Спектральный контур Фоточув-сшителыюсти к интенсивности излучения практически не зависит от способа нанесения и природы использованных при этой металлов.

Исследования в ЛПИ показали, что поляризационная фоточувстви-тилыюсть наступает при отклонениях направления падения излучения от нормали в поверхности барьерного контакта. Во всей области фоточувствитвльности при углах падения линейно-поляризованно-а

го излучения 8 i 0 квантовая эффективность фотопреобразования при сиаподамии плоскости поляризации излучения с плоскостью падения превышает э«М>актианость, когда электрический вектор световой волны перпендикулярен плоскости падения.то есть ,,IU> Г". Возрастание I'1 с.увеличением в обусловлено устранение« потерь на отражение. Величина этого эффекта связана с качеством поверхности барьерного контакта. Характер экспериментальных зависимостей 111 С©J и 14«) кожет использоваться для экспрессной диагностики процессов осаждения металла па поверхность полупроводников III-V.

Наведанный Фотоплеохроизк во всей области фоточувствительности поверхностно-барьерных структур независимо от природы и способа нанесения кеталла следует квадратичному закону в2. Макси-

мальные значения 5*4 отвечают эффективному показатели преломления полупроводника, на котором создан барьер. На этом основании предполагается. что основной вклад в анизотропию Фоточувствительности вносят процессы на поверхности полупроводнике.

Главная закономерность спектральных зависимостей поляризационных параметров этих структур заключается в топ. что во всей области *оточувствит«лькости реализуется несйлектяеный характер НФ, Поляризационная разность фототока соответствует спектральному контуру квантовой эффективности структур в естественно« излучении, Наксшальная величина азимутальной »аточуаствятельности луч-шик поверкниетно-барьерных структур достигает 0.21 А/Вт град, при 3UU К. что ивляотся рекордной велячиной для полупроводниковых фо-тоаналмааторов. Следовательно, барьеры Ыоттки на соединениях Ш-у не гольки в к<*чс<тво обычных Фотопреобразовате-

лей интенсивности, но и в новой для них качество - высокочувствительных Фотоанализаторив ЛПИ. спектральный диапазон которых уп равляетоя атомным составом твердого раствора.

Интырос к созданию эгштаксиальных слоев II 1-У на кремниевых подлижклх и приборных структур из них возник Ужо давно и расширение работ в этим направлении позволит объединить потенциал главных материалов полупроводниковой электроники при разработке новых приборов.

Структуры СайгхР1-х/31 сизданы выраи/ванион однородных слоев м п-р- переходов II ¡-У на 31-подложках методом газофазной эпитаксии в открытой хлоридной системе, Наклонное падение ЛЛИ на приемную плоскость этих структур приводит к возникновению НФ во всей области их Фоточувстаительности. Закономерности поляризационной Фо-точуастнительности структур Ш-У/Зх и сами величины 5м при близких 3 совпадают с установленными в поверхностно-барьерных структурах из полупроводников III-V аналогичного состава. В отлично от пивсрхностно-барьерных структур для спектральных зависимостей Фотоплеохроизма ГС обнаружен резкий коротковолновый спад З*1 вблизи ширины запрещенной зоны слоя, обусловленный влияние« поглощения излучения. Максимальные значения азимутальной Фоточувствительности ГС близки к характерным для поверхностно-барьерных переходов и указывают на возможность применений таких ГС в поляризационной Фотоэлек1ронике.

Эффект усиления НФ был ддетигнут на созданных методом газофазной эпитаксии в открытой хлоридной системе р-п-ОаР/р-Э! структурах. Полученные структуры включают два энергетических барьера с встречно-направленными электрическими полями, что позволяло ожидать проявления в них инверсии знака суммарного фототока при изменении длины волны неполяризовакного излучения.

Эффекты поляризационной инверсии знака Фототока обнаружили зависимость от угла падения, азимутального угла и энергии фотонов ЛПИ. Установлено, что в окрестности точки инверсии знака Фототока возникает селективный эффект усиления У*1 оо. Экспериментально достигнутые максимальные величины Я^бООУ., что существенно выше типичных значений коэффициента НФ кеинвертирующих структур, Посредством изменения внешнего электрического поля достигается экспрессная перестройка спектрального диапазона узкоселек-тиыноги эффекта " гигантского " наведенного фотиллеохроизпа.

Эффект усиления наведенного фотоплеохроизпа был реализован также на структурах Аи/п-с;аР/р-31. Особенности проявления этого эф-

фиктл б таких структурах аналогичны рассмотрении« выше, что указывает на общность установленных закономерностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Славные итдги выполненной работы состоят в следующем I

1.На монокристаллах Сй31Аб2. СйСеАвг и гпБеРг с решеткой халькопирита впервые исследованы температурные зависимости кинетических коэффициентов для различных кристаллографических направлений. Показано, что коэффициент Холла изотропен, что свидетельствует в пользу одноэллипсоидной модели свободных зон. Для кристаллов с высоким тетрагональным сжатием подвижность носителей заряда вдоль тетрагональной оси выше, чей в перпендикулярном ей направлении, причем коэффициент анизотропии более высокий для дырок, чем для электронов, что находится в соответствии с теоретическими оценками анизотропии эффективных насс. С понижением тетрагонального сжатия г*0 <2пйеР2>. анизотропия токопереноса практически исчезает. Сделан вывод о необходимости учета анизотропии токоперено-са при оптимизации параметров поляриметрических фотодетекторов из кристаллов с высокой естественной тетрагональной деформацией решетки.

2.Исследовано влияние отклонений от стехиометрии на тип проводимости специально нелегированных монокристаллов р-СсШАэг и разработан технологический процесс получения гомопереходов. обнаруживших рекордные выпрямление и фоточувствительность к интенсивности излучения, Исследованы спектры Фоточувствительности подученных

¿структур в зависимости от интенсивности и поляризации излучения, а также геометрии освещения. Достигнутые поляризационные паранет-ры С?®»в0+100Х.«Ь-Х.4'108 в/Вт-ГРад. .$-¿¿36 "*/ Вт-град.). указывают на возможности применения п-р-С<131А52 структур в качестве высокочувстьительных фотопреобразователей естественного и линейно-поляризованного излучений.

3. Изучено поведение примесей 1п и Ба в кристаллах СсШйэг. Остановлено, что легирование С<131Аз2 добавками ОаАз позволяет распространить предел легирования СйЭЫзг примесными акцепторами до концентраций б.5-101есп_3. что открыло принципиальную возможность создания источников поляризованных электронов. На основе локированных элементами II 1-й группы кристаллов изготовлены гете-роструктуры и установлена пригодность легирования для оптимизации поляриметрических параметров сУ^-вгУ-.Ф «10° в/Вт-град. что М0*01 найти применение в поляризационной Фотоэлоктронике.

4.Исследованы фотоэлектрические свойства контакта ориентированных кристаллов р-СйЭХЛзг«1п> с электролитом в поляризованной излучении. Установлен диодный характер контакта и показано, что его Фотоэлектрические свойства определяются параметрами Фотозлвктро-да. Наблюдаемые спектры Фотоплеохроизма указывают на преобладание анизотропии примесного фогоактивного поглощения с участием уровней индия. Максимальная азимутальная Фоточувствительность достигает Ф =10® в/вт'ГРад., как и у твердотельных структур.

5.Выполнены исследования поляризационных свойств структур 1па0з /СйВШзг в зависимости от интенсивности излучения. Обнаружено, что определяемый из Фототока коэффициент ЕФ не зависит от интенсивности падаюшэго излучения, тогда как регистрируемый по Фотонапряжению коэффициент Фотоплвохроизма компенсируется до нуля, что связывается с достижением поляризационно-незавиеимого Фотонапряжения насыщения. На основании установленных закономерностей предложен новый поляризационный способ определения высоты энергетического барьера в фотодиодах.

6.На ориентированных монокристаллах Ссй1Аз2 созданы фоточувстви-тельныа структуры с поляризационной инверсией знака Фототока, включающие гоио- и гетеропереход. Установлено, что встречное направление электрических полей в указанных барьерах сопровождается

усилением.ЕФ, которое происходит в узкой спектральной области в окрестности точки поляризационной инверсии знака фототока,

7.Впервые выполнены поляризационные исследования фотоэлектрических процессов в поверхностно-барьерных структурах мэталл-полупро-водники 1П-У. Установлено, что при наклонном падении ЛПИ на приемную плоскость структур возникает наведенный фотоплеохроизм.

■ величина которого контролируется углом падения. Максимальный

о

коэффициент НФ достигает 80+68/. при 8=75+80 и не зависит от природы и способа нанесения металла. Во всей области фоточувстви-тельности1фотоплеохроизм остается постоянным, а спектральный диапазон задается составом полупроводника. Максимальная азимутальная фоточувствительность барьеров Шоттки достигает 0.21 А/Вт.•град, при 300 К, что является рекордом для поляриметрических фотодетекторов и доказывает целесообразность их применения в поляризационной фотоэлектронике.

8.Установлено, что получаемые методами газофазной эпитаксии в открытой хлоридной системе ГС, включающие эпитаксиальные слои БайЗхР1-х на 31-подложках. при наклонном падении ЛПИ обнаруживают поляризационную фоточувствительность. Квантовая эффектив-

иость Фотопреобразования лучших структур достигает 0.1? эл/фотон при 300 К. Показано, что íотопреобразование определяется процессами в эпитаксиальных n-p-структурах на основе III-V. тогда как крепкий играет в этой отношении пассивную роль. Главные закономерности наведенного Фотоплеохроизма в гетероструктурах аналогичны установленный для поверхностно-барьерных структур. Максимальная азимутальная Фоточувствительность структур на Si-подложках достигает 0.11 А/6т.-град! при 300 К. а.На основе полупроводников íil-V созданы двухбарьерные структуры с встречно-направленными электрическими полями (p-n-GaP/p-Sl.ftu/n-GaP/p-Si.Au/n-GaAs/Au) и обнаружены эффекты поляризационной инверсии знака фототока . возникающие при изменениях Ca) угла падения, Сб) азимутального угла и Св> энергии падающих Фотонов ЛПН. Установлено, что в окрестности точки инверсии знака фототока возникает селективный эффект усиления наведенного Фотоплеохроизма Э^-мх». Сделан вывод о возможностях применения полученных структур в качестве высокочувствительных узкоселективных Фотоанализаторов ЛПИ.

10.Обнаружена чувствительность зависимости от угла падения фоти-тика. регистрируемого при совмещении плоскости поляризации излучения с плоскостью падения, к качеству приемной плоскости, через которум излучение попадает в активную область структур. Установленная закономерность открывает возможности экспрессной диагностики готовых структур из полупроводников I1I-U. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Rud V. Yu. .Rud Vu. V. . Serglnov M. .Tairov M.ft. , Production of. and Physical Processes in n-p-CctSiAs2 Structures. Phys. si. sol. ta).V.113.P.20?C198g),

2. Рудь В.13..Рудь Ш. В., Сергинов И. Получение и свойства сильнолегированных монокристаллов p-CdSiftS2. Известия РАН. ХНН. Т. 26. С. 1598(19301.

3. Rur) V. Vu. .Serglnov М. Photopleochrolsin of n-In203-p-Cd3ifts2 Heterostructures. Abstracts of IC1HC-8. Kishinev, USSR. P. 221. С1990).

4.Рудь В.Ю..Рудь Ю. В.,Таиров H.A. Способ определения высоты барьера Фотодиода на основе анизотропного полупроводника. A.C. СССР N 1554682 от 20.07,1988 г.

5.Рудь В.И.,Рудь Ю.В. Способ измерения высоты барьера полупри волнихового Фотодиода. A.C. СССР N16B6B81 от 22.05.1900 г.

6. Rud V.Yu. .Rud Yu. V. .Serginov M. Photoelectric Properties of HzO-p-CdSifts2= In Structures. Phys. st. sol. fa). V. 121, P. K171C1990),

?. Hud V. Yu. . Rud Yu. V. .Serginov fi. Natural photopleochrolsm of ln203-CdSiOS2 Structures. Phys. st.sol. Ca). V. 121. p. K81С 1990)1

8.Рудь В.Ю. , Рудь Ю. В. Обнаружение анизотропии подвижности дырок в монокристаллах CdSlAs2-Письма в ХТФ. Т. 16.с. 9 С19Э0).

9. Рудь В. ИЗ. .Рудь Ш. В. .Сергинов М. Поведение индия в кристаллах CdSlAs2. Изв. вузов. Физика. N С. 35 С1990).

10. Конников С.Г..Мелебаев Д..Рудь В. Ю., Сергинов П.Поляриметрический эффект в структурах Au-n-GaAs. Письма в ХТФ. Г. 18. с. 38С1992 .

П.Беркелиев А., Капитонова Л. М.. Мелебаев Д. .Рудь В.Ю. .Сергинов М. Л'илевов С.Поляризационная фоточувствительность структур Au-GaP' и А1-СаР. Письма в ХТФ. Т. 18. С. 50С1892).

12. Конников С. Г., Мелебаев Д., Рудь В. Ю.. Федоров Л, ft. Фото плеохроизм многослойных GaP поверхностно-барьерных структур.Письма в ЖТФ. Г. 18. С. И С1992).

13. Хиляев Ю. В. .Назаров Н..Рудь В.Ю. .Рудь Ю. В. . Федоров Л.Н.Поляризационная фоточувствительность эиитаксиалышх GaP-структур на Si-подложках. ФТП. Т. 2?. С. 1611С1933).

14. Конников С. Г.. Мелебаева Г. Д. . Мелебаев Д. .Рудь В.Ю. .Рудь Ю.В. Усиление Фотоплеохроизна в структурах Au-n-GaAs-Au.Письма й ХТФ. Т. 19.p. 18С1993).

15. Веркелиев А. .Жкляез Ю.В. .Назаров Н. .Рудь В. Ю., Рудь 10. В.. Федоров Л. М. ЭФФект усиления наведенного фотоплеохроизна в структурах р-п-СаР-р-51. ФТП. Т.2?. С. 1624C1S33J.

16. Konnlkov S.G. .«elebaev D.,Rud V.Yu..Rud Yu. V. .Berkellsv A.. Serginov И. .Tllevov 5.Photopleochroism of GaPxAsi-x Surf ace-Bar ler Structures.Jpn. J.Appl. Phys. V. 32. P. S15C1993)-.

17. Rud V. Yu. ,Rud Yu. V. Anlzotropy of ths Charge Carrier Transport in II-IV-V2 Single Crystals. Jpn. J. Appl. Phys. V. 32. P. 672C1993).

Отпечатано на ротапринте ПШО

Зак. 176, тир. 100, уч.-изд.лЛ; 6ЛВ-1995Г. Бесплатно