Исследование контактов металл-фосфид галлия и разработка УФ фотоприемников на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Глава 1. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТОВ

МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1 Зонные диаграммы.

1.2 Эффект Шоттки.

1.3 Высота потенциального барьера контакта металл-полупроводник.

1.4. Механизмы протекания тока и вольт-амперные характеристики контактов металл-- полупроводник?.

1.5 Вольт-фарадные характеристики.

1.6 Методы определения высоты потенциального барьера.

1.7 Параметры и свойства фосфида галлия.

1.8 Фотоприемники на основе фосфида галлия.

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУР МЕТАЛЛ- GAP И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

2.1 Технология получения структур металл- GaP.

2.2 Экспериментальные установки для исследования характеристик контактов металл-фосфид галлия.

2.2.1 Установка для исследования вольт-фарадных характеристик.

2.2.2 Установка для исследования спектральных характеристик.

2.2.3 Установка для исследования вольт-амперных характеристик.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТАКТОВ МЕТАЛЛ- ФОСФИД

ГАЛЛИЯ.

3.1 Вольт-амперные характеристики.

3.1.1 Исследование прямой ветви вольт-амперных характеристик.

3.1.2 Исследование обратной ветви вольт-амперных характеристик.

3.2 Вольт-фарадные характеристики.

3.3 Диагностика интерфейса металл-фосфид галлия методом электронной Оже -спектроскопии.

3.4 Исследование спектральных характеристик структур металл-фосфид галлия.

3.5 Определение высоты потенциального барьера контактов металл-фосфид галлия.

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ.

4.1 Широкополосные фотоприемники.

4.1.1 Выбор оптимальной технологии.

4.2 Разработка селективных ФИ.

4.2.1 Свойства серебра.

4.2.2 Спектральные характеристики селективных фотоприемников.

4.3 Рабочие характеристики изготовленных фотоприемников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Структуры металл-полупроводник (диоды Шоттки) и металл-диэлектрик-полупроводник (МДП- структуры) продолжают привлекать внимание исследователей, поскольку на их основе работает целый ряд современных электронных приборов, в частности -фотоприемники. Поверхностно-барьерные структуры на основе фосфида галлия как широкозонного полупроводника (Е§ = 2,27 эВ) активно изучались еще в 70х-80х годах, однако трудности технологического плана не позволили в то время полностью реализовать потенциальные возможности этого материала. Успехи в технологии выращивания эпитаксиальных слоев высокого качества позволяют надеяться, что в настоящее время эти возможности могут быть реализованы.

Поверхностно-барьерные структуры на основе фосфида галлия представляют большой интерес для создания высокоэффективных фотоприемников УФ диапазона. Теоретические оценки показывают, что такие приборы могут иметь высокую фоточувствительность, повышенное быстродействие, стабильность характеристик и низкие темновые токи. Подобные фотоприемники требуются во многих областях человеческой деятельности: детектирование лазерного излучения, астрофизические исследования в космосе, колориметрия, медико-биологические исследования, экология (детектирование озоновых дыр), сенсоры возгорания (пожарная сигнализация), проверка износа механизмов и другие. Также существует большое число военных применений.

Несмотря на сказанное выше, к настоящему времени исследованы только поверхностно-барьерные структуры на основе фосфида галлия со свойствами близкими к идеальным, контакты с подбарьерным окисным слоем изучены слабо, но именно этот слой позволяет получать структуры с рекордными характеристиками. По теоретическим предпосылкам использование в качестве металлического контакта серебра может позволить создать уникальный селективный УФ фотоприемник, однако в литературе отсутствуют данные об исследовании барьеров фосфид галлия

- серебро.

Цель работы

Исследование электрических и фотоэлектрических свойств поверхностно-барьерных структур металл-фосфид галлия, и разработка широкополосных и селективных фотоприемников ультрафиолетового диапазона на их основе.

В соответствии с указанной целью в работе решались следующие задачи:

- получение поверхностно барьерных структур металл-фосфид галлия;

- создание установки для изучения вольт-амперных характеристик и их температурных зависимостей, а также модернизация установки для исследования спектральных характеристик;

- исследование свойств контактов металл-фосфид галлия и объяснение полученных результатов;

- определение высоты потенциального барьера реальных структур;

- выбор конструкции и обоснование оптимальной технологии для создания высокоэффективных фотоприемников ультрафиолетового диапазона;

- исследование характеристик и определение основных параметров изготовленных широкополосных и селективных фотоприемников;

Научная новизна работы

1. Показано, что для поверхностно-барьерных структур на основе фосфида галлия с промежуточным слоем от 3 до 10 нм основным механизмом протекания тока является термоэлектронная эмиссия и экспериментально доказано, что величина коэффициента неидеальности связана с толщиной этого слоя.

2. Определены значения высоты потенциального барьера для контактов Аи-ОаР, Р1>ОаР и А£-ОаР. Обнаружено, что в структурах Ag-n-ваР эти величины существенно отличаются от общепринятых и могут достигать 1.75 эВ. Показано, что высота потенциального барьера реальных поверхностно барьерных структур металл-фосфид галлия зависит от технологии обработки поверхности.

3. Впервые экспериментально установлено, что структуры серебро-фосфид галлия с полупрозрачной пленкой серебра толщиной порядка 15 нм чувствительны в видимой и ультрафиолетовой области спектра, а с толщиной пленки более 70 нм имеют узкую спектральную характеристику вблизи 322 нм.

Практическая ценность работы.

В результате проведенных исследований были разработаны и созданы :

1. Фотоприемник видимого и ультрафиолетового излучения на основе поверхностно барьерных структур металл-фосфид галлия на спектральный диапазон 200 - 500 нм с максимумом спектральной характеристики при 410 нм и фоточувствительностью 0,2 А/Вт.

2. Селективный фотоприемник УФ излучения на основе контакта серебро-фосфид галлия с максимумом спектральной характеристики при 322 нм,

I о полушириной спектра 30 нм, обратными токами порядка 10 А при напряжении 5 В и площади фоточувствительной области до 0,5 см .

Основные научные положения, выносимые на защиту;

1. Величина потенциального барьера структур металл-п-ОаР сильно зависит от способа обработки поверхности что, вероятно, связано с отсутствием жесткого закрепления (пиннинга) уровня Ферми.

2. Для реальных структур А§-п-ОаР величина потенциального барьера может достигать 1.75 эВ.

3. На основе структур Ag-n-GaP могут быть изготовлены селективные фотоприемники ультрафиолетового излучения с максимумом фоточувствительности 322 нм, полушириной спектра 30 нм и

13 обратными токами менее 10 А при напряжении 5В.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Информатика и микроэлектроника -98, -99" (Зеленоград, 1998, 1999г.);

- Научных молодежных школах по твердотельной электронике "Твердотельные датчики" и "Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлектроники", Петербург, 1998г. 1999г.;

-Научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава СПбГЭТУ (1997-1999гг.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 4 и находятся в печати 2 работы.

Работа выполнена на кафедре Микроэлектроники Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории оптических методов контроля.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 86 наименований. Основная часть

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. На основе анализа электрофизических параметров различных полупроводниковых материалов и проведенного цикла экспериментальных исследований обоснован выбор материала эпитаксиального п-ваР с концентрацией примеси порядка 1016 см"3 и Ag-бapьepa Шоттки как оптимальной структуры для создания высокоэффективных селективных ультрафиолетовых фотоприемников.

2. Экспериментально исследованы В АХ структур металл-ваР в диапазоне температур 20-100С. Подтверждено, что прямая ветвь В АХ при токах, меньших 10" А, описывается теорией термоэлектронной эмиссии с учетом сил зеркального изображения. Определен коэффициент неидеальности ((3) в зависимости от технологии обработки поверхности.

3. Коэффициент неидеальности структур Ме-ОаР определяется наличием тонкого промежуточного слоя, величина которого может изменяться от 3 нм для структур с (3, близким к единице, до 10 нм для структур с (3«4. Это подтверждается как данными Оже-анализа, так и вольт-фарадными измерениями.

4. Показано, что в структурах Ме-п-ОаР величина потенциального барьера сильно зависит от технологии обработки поверхности, что связано с отсутствием жесткого закрепления уровня Ферми на поверхности фосфида галлия. Получены структуры А§-п-ОаР с высотой потенциального барьера, существенно превышающей общепринятые данные.

5. Для получения селективной фоточувствительности в области 322 нм с полушириной 30 нм предложено использовать структуры Ag-п-ОаР, в которых слой серебра выполняет одновременно как функции

124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Braun F., Über die Stromleitung durch Schwefelmetalle // Ann. Phy. Chem.-1874. -V.153.-P.556.

2. Wilson A.H. The Theory of Electronic Semiconductors. // Proc. R. Soc. Lond. Ser.A-1931-V.133.-P.458.

3. Mott N.F. Note on the Contact between a Metal and an Insulator or Semiconductor. //Proc. Cambr. Philos. Soc.-1938- V.34.-P.568.

4. Schottky W. Halbleitertheorie der Sperrschicht. // Naturwissenschaften.-1938-V.26.-P.843.

5. Henisch H.K. Rectifying semiconductor contacts. // Clarendon, Oxford, -1957.

6. Mishaelson H.B. Relation between an Atomic Electronegativity Scale and the Work Function. // IBM J. Res. Dev.-1978. -V.22.-P.72.

7. Bardeen J. Surface States and Rectification at a Metal-Semiconductor Contact. // Phys. Rev.-1947.-V.71.-P.717.

8. Тамм И. О возможности связи электронов на поверхности кристалла. // ЖЕТФ-1933.-Т.3., N.1.-C.34.

9. Ржанов А. В. электронные процессы на поверхности полупроводников. // М: Наука-1973.

10. Ю.Зи С. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ./ Под ред. Суриса

11. P.A.- М.: Мир, 1984. 1 l.Rideout V. L. A Review of the Theory, Technology and Applications of Metal-Semiconductor Rectifiers. // Thin Solid Films-1978.-V.42.-P.261.

12. Cowley A. M., Sze S. M. Surface States and Barrier Height of Metal-Semiconductor Systems. // J. Appl. Phys.-1965.-V.36.-P.3212.

13. Rhoderick E. H. Metal-Semiconductor Contact. // Clarendon, Oxford, -1978.

14. Родерик Э.Х., Контакты металл полупроводник: Пер. с англ./Под ред. Степанова Г.В.- М.: Радио и связь.-1982.

15. Bethe H.A. Theory of the Boundary Layer of Crystal Rectifiers. // MIT Radiat. Lab. Rep.-1942.-V.43, N.12.

16. Crowell C.R., Sze S.M. Current transport in Metal-Semiconductor Barriers. // Solid State Electron.-1966.-V.9.-P.1035.

17. Crowell C.R., Sze S.M. Electron-Optical-Phonon Scattering in the Emitter and Collector Barriers of Semiconductor-Metal -Semiconductor Structures. // Solid State Electron.-1965.-V.8.-P.979.

18. Kao C. W., Anderson L., Crowell C.R. Photoelectron Injection at Metal -Semiconductor Interface. // Surface Sci.-1980-V.95-P.321.

19. Crowell C. R., Sze S. M. Quantum-Mechanical Reflection of Electrons at Metal — Semiconductor Barriers: Electron Transport in Semiconductor — Metal — Semiconductor Structures. // J. Appl. Phys.-1966.-V.37.-P.2685.

20. Chang C. Y., Sze S. M. Carrier Transport across Metal — Semiconductor Barriers. // Solid State Electron. 1970.-V.13.-P.727.

21. Царенков Б. В., Гольдберг Ю. А., Поссе Е. А. Механизм протекания прямого тока в GaP поверхностно-барьерных структурах. // ФТП-1973.-Т.7, N.12.-C.2326.

22. Царенков Б. В., Гольдберг Ю. А., Поссе Е. А. Механизм протекания прямого тока в GaAs поверхностно-барьерных структурах. // ФТП-1975.-Т.9, N.3.-C.513.

23. Yu A. Y. С., Snow Е. Н. Minority Carrier Injection of Metal—Silicon Contacts. // Solid State Electron.-1969.-V.12.-P.155.

24. Гольдберг Ю. А., Иванова О. В., Львова Т. В., Царенков Б. В. Влияние последовательного сопротивления на характеристику емкость-напряжение поверхностно-барьерной структуры. // ФТП-1983.-Т. 17, N.6.

25. Константинов О. В., Мерзин О. А. // ФТП-1983.-Т.17-С.305.

26. Mead С. A. Metal-Semiconductor Surface Barriers. // Solid State Electron.-1966.-V.9.-P.1023.

27. Crowell C.R., Sarace J.C., Sze S.M. Tungsten-Semi conductor Schottky-Barriers Diodes, Trans. Met. Soc. AIME, 233, 478.-1965.

28. Царенков Б. В., Гольдберг Ю. А., Изергин А. П., Поссе Е. А., Равич В. Н.,

29. Рафиев Т. Ю., Сильвестрова Н. Ф. Свойства поверхностно-барьерных127структур металл- n-GaP. // ФТП-1972.-Т.6, N.4.-C.710.

30. Chino К. Behavior of A1 — Si Schottky Barrier Diodes under Heat Treatment. // Solid State Electron.-1973.-V.16.-P.119.

31. Goodman A.M. Metal-Semiconductor Barriers Height Measurement by the Differential Capacitance Method. // J. Appl. Phys.-1963.-V.34-P.329.

32. ЗЬГольдберг Ю. А., Иванова О. В., Львова Т. В., Царенков Б. В. К вопросу об определении контактной разности потенциалов структуры с потенциальным барьером. // ФТП-1984.-Т.18, N.8.

33. Crowell С. R., Spitzer W. G., Howarth L. Е., Labate Е. Attenuation Length Measurements of Hot Electrons in Metal Films. // Phys. Rev.-1962.-V. 127-P.2006.

34. Fowler R. H. The Analysis of Photoelectric Sensitivity Curves for Clean Metals at Various Temperatures // Phys. Rev.-1931 .-V.38-P.45.

35. Cowley A. M., Heffner H. Gallium Phosphide-Gold Surface Barrier. // J. Appl. Phys.-1964.-V.35.-P.255.

36. Logan R. A., White H. G. // J. Appl. Phys.-1963.-V.34.-P.1990.

37. Smith B. L. Near Ideal Au-GaP Schottky Diodes. // J. Appl. Phys.-1969.-V.40.-P.4675.

38. Wronski C. R. Effects of Centers on n-Type Schottky Barriers. // J. Appl. Phys.-1970.-V.41-N.9-P.3805.

39. Lndolt-Bornstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology // 1982-Group 3 -V. 17,17a

40. Razeghi M., Rogalski A. Semiconductor Ultraviolet Detectors // Appl. Phys. Rev.-1996.-V.79, N.10.-P.7433.

41. Пятко С. H. Фотоприемники ультрафиолетового излучения на основе карбида кремния // ДисС. . канд. физ.-мат. наук. С.-Пб: СПбТУ-1991.

42. Goldschmidt V. М. // Trans. Farad Soc.-1929.-V.25.-P.253.

43. Горюнова Н. А. Сложные алмазоподобные полу проводники.-М.: "Сов.радио".-1968.-С.266. Goldschmidt V. М. // Trans. Farad Soc.-1929.-V.25,1281. P.253.

44. Zallen R., Paul W. Band Structure of Gallium Phosphide from Optical Experiments of High Pressure.-// Phys. Rev.-1964.-V.134, N.6A.-P.1628.

45. Cohen H. L., Bergstresser Т. K. Band Structures and Pseudopotential from Factors for Fourteen Semiconductors of the Diamond and Zincblande Structures. // Phys. Rev.-1966.-V.141, N.2.-P.789.

46. Pollak F. H., Higginbotham C. W., Cordon W. Band Structure of GaAs, GaP, InP and AlSb: the kp-method. // J. Phys. Soc. Japan.-1966.-V.21-P.20.л С

47. Оптические свойства полупроводниковых соединений А В . // под ред. Уиллардсона Р., Вира А.-М.: -Мир,-1970-С.488.

48. Пихтин А. Н., Копылов А. А. Непараболичность зоны проводимости и структура донорах в GaP. // ФТП-1977-Т.11, N.5.

49. Пихтин А.Н., Копылов А.А. Электрон-фононные взаимодействия на "мелких" донорных центров в фосфиде галлия. // Письма в ЖЭТФ-1976-Т.24, N.3.-C.193.

50. Пихтин А.Н., Яськов Д.А. Край собственного поглощения фосфида галия // ФТТ-1969-Т.11, N.3-C.561

51. Glinskii G.F., Kopylov А.А., Pikhtin A.N. Indirect Exciton Dispersion in III-V Semiconductors:Camel's Back in GaP // Solid State Comm.-1979, V.30, N.4 -P.631-434.

52. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках // Перевод с англ. / Под ред. Алферова Ж.И. и Вавилова В.С.-М.: Мир.-1973-С.456

53. Юнович А.Э. Излучательная рекомбинация и оптические свойства фосфида галия // В сб.: Излучательная рекомбинация в полупроводниках М:Мир.-1972-С.224

54. Мосс Т.,Баррел Г.,Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника // Перевод с англ. / Под ред. Медведева С.А.-М.: Мир.-1976-С.431

55. Справочник по электротехническим материалам. т.З // Под. ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М. / Л.: Энергоатомиздат-1988.

56. Peterson Р.Е., Sohulze R.G. Photoconductivity in LPE GaP:Cu // IEEE Internat- 1977- V.ED-2, N. 1 P.469.

57. Царенков Б.В., Гольдберг Ю.А., Гусев Г.В., Огурцов В.П. Фотоэлектрические свойства поверхностно-барьерных структур в УФ полосе спектра // ФТП- 1974- Т.8, N.3.- С.410.

58. Анисимова И.Д., Головин Ю.М., Дмитриева J1.A., Каляева В.П. УФ фотоприемник на основе фосфида галлия для астрофизических исследований // ОМП- 1983- N.12- С.34.

59. Вигдорович Е.Н., Гольдберг Ю.А., Мелебаев Д., Царенков Б.В. Коротковолновая фоточувствительность поверхностно-барьерных структур: влияние промежуточного диэлектрического слоя // ФТП- 1991-Т.25, N.8- С.1419.

60. Гудкин А.А., Коротченков Г.С., Маринова A.M., Слободчиков С.В. Характеристики тонкопленочных фосфидгаллиевых МДП фотоприемников // ЖТФ- 1982- Т.52, N .7- С. 1465.

61. Гольдберг Ю.А., Львова Т.В., Царенков Б.В. Химический метод создания поверхностно-барьерных фотоприемников ультрафиолетового и видимого излучения на основе GaP и GaAs // ПТЭ- 1976-Т.7, N .12- С.2326.

62. Андреев В.М., Долгинов JI.M., Третьяков Д.Н. Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов //М.: Сов. Радио- 1975- С.328.

63. Чернов А.А., Гиваргизов Е.И., Кузнецов В.А. и др. Современная кристаллография / том 3 // М.: "Наука" -1980.

64. Технология тонких пленок / Справочник под. ред. Майссела Л., Гленга Р.// М.: Сов. радио.-1972.

65. Козырь И .Я., Горбунов Ю.И., Чернозубов Ю.С., Пономарев A.C. Общая технология / книга 1 // М.: "Высшая школа" -1989.

66. Пихтин А.Н., Попов В.А., Яськов Д.А. Омические контакты к полупроводникам, полученные с помощью лазера // ФТП- 1969-Т.З, N.11-С.1646.

67. Попов В.А. Фотоэлектрические свойства фосфида галлия и твердых растворов на его основе в области экситонных переходов // ДисС. . канд. физ.-мат. наук -Ленинград:-1982.

68. Орлова Т.А. Датчики УФ излучения на основе барьеров Шоттки Ag-GaP // Твердотельные датчики: Тез. докл. Научной молодежной школы, Санкт-Петербург, 23-25 ноября 1998.-Санкт-Петербург, 1998.-С.7.

69. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела: Перевод с англ. Михайлова A.C. / под ред. проф. Каганова М.И. // Москва- "Мир"-1979.

70. Ehrenreich Н., Philipp Н. R. Optical Properties of Ag and Cu // Phys. Rev.-1962.-Vol.128, N.4.-P.1622.

71. Baertsch R.D., Richardson J.R. An Ag-GaAs Schottky-Barrier Ultraviolet131

72. Detector // J. Apll. Phys. -1969- V.40, N.l- P.229.

73. Huebner R.H., Haam R.N. Optical Constants of Vacuum-Evaporated Silver Films // J. of the Optical Society of America-1964 -V.54, N.l 2- P. 1434.

74. Chen Z., Kim W., Salvador A., Morkoc H. Schottky Barriers on Anodic-Sulfid-Passivated GaAs and their Stability // J. Apll. Phys. -1995- V.78, N.6- P.3920.

75. Hideki Hasegawa, Taketomo Sato Unpinning of Fermi Level in Sized Schottky Contacts on GaAs and InP // 7th International Conference on the Formation of Semiconductor Interfase- Goteborg, Sweden- 1999.

76. Kopylov A.A. The Xc' Camel's-Back Parameters for Cubic 111-V Semiconductors // Solid State Comm. -1985 -V.56, N.l -P.l.

77. Рекламный проспект фирмы Hamamatsu. // Япония. -1997.

78. Schroder D.K. Semiconductor material and device characterization. // New York: Wiley,-1990.

79. Metzger R.A. Ultraviolet Detectors, Compound Semiconductors, 2,3, -1996.