Механизм токопрохождения и фотоэдс диодов Шоттки на основе арсенида индия и фосфида индия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

- £

О е? §

С^ ^ На правах рукописи

I

Малинин Юрий Гордеевич

УДК 621:315 592

МЕХАНИЗМ ТОКОПРОХОЗДЕНИЯ И ФОТОЭДС диодов шоттки НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ИНДИЯ И ФОСФИДА ИНДИЯ

01.04.07-физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Казань 1997 г.

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.И.И04 РАН и Казанском высшем артиллерийском командно-инженерном учиго им. маршала артиллерии M.Н.Чистякова.

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, профессор C.B. Слободчиков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических

наук, профессор Н. С. Барышев

кандидат физико-математических

наук, доцент В.В. Парфенов

Ведущая организация:Санкт-Петербургский государственный технический университет

Защита состоится . 1997 г.

часов на заседании Диссертационного Совета Д. 053.29.02 в Казанском государственном университете по адресу Казань, 420000, ул.Кремлевская, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГУ Автореферат разослан "<лк" ..

1997 I

Ученый секретарь Диссертационного

Совета, доктор физико-математических

наук, профессор 8- , М.В.Еремин.

Общая характеристика работы «

Актуальность темы. Контакты металл-полупроводник с барьером Иоттки в настоящее время широко используются в полупроводниковых фиборах и интегральных схемах для детектирования электрических солебаний, регистрации оптического излучения и ядерных частиц, утя выделения и преобразования высокочастотных колебаний, созда-шя элементов оптических волноводов, модуляторов оптического изучения и т. д. Важную роль играют контакты металл-полупроводник в ¡сследованиях физических свойств и самих контактирующих материа-юв. Различные области применения контактов металл-полупроводник ¡азируются на ряде общих физических явлений, протекающих в таких сонтактах, однако,в литературе в настоящее время мало обобщающих >абот, посвященных полупроводниковым приборам с барьером Шоттки.

Развитие полупроводниковой электроники и расширение областей >.е применения сопровождается интенсивными экспериментальными исс-¡едованиями и таких полупроводников как интерметаллические соеди-[ения элементов III и V группы периодической системы Д. И. Менделе-¡ва, которые сочетают в себе весьма разнообразные электрические и отоэлектрические свойства и представляют исключительный интерес : точки зрения использования их для создания целого ряда приборов азличного технического назначения. Весьма перспективными в этом аправлении являются такие материалы,как арсенид индия и фосфид ндия.

Достаточно узкая ширина запрещенной зоны, малая эффективная асса и высокая подвижность носителей заряда и ряд других свойств елают арсенид индия превосходным материалом для создания на его снове различных приборов. Так известны датчики Холла на основе nAs, туннельные диоды, источники спонтанного и стимулированного-злучения и т.д. Близость ширины запрещенной зоны Eg и энергии пин-орбитального расщепления Д ("резонанс" зон) обуславливают озможность применения арсенида индия для создания на его основе ысокоэффективных малошумящих фотоприемников, лавинных фотодио-ов, фотодиодов с барьером Шоттки.

Другим перспективным соединением элементов III и V групп, ериодической системы Д.И.Менделеева является фосфид индия, прак-ическому использованию которого в последние годы уделяется много нимания. фосфид индия и диодные структуры на его основе исследу-

ются в св^зи с возможностью создания фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии в электрическую, лавинных Фотодиодое для спектрального диапазона 1.1-1.5 мкм, работающих при более высокой температуре, чем Се и 51. Для этих же целей создаются V изучаются диодные структуры на основе тройных и четверных систек с использованием полуизолирующих кристаллов этого материала в качестве подложки.

Эти и другие замечательные свойства арсенида индия и фосфидг индия обуславливают перспективность их широкого применения. Не для ведения целенаправленней работы по созданию различного типе приборов на основе 1пАз и 1пР, необходимо знать электрофизические, фотоэлектрические свойства, природу рекомбинационных процессов в этих материалах.

Вопросам изучения свойств фосфида индия посвящено большое количество работ, однако, к примеру, сведения о его валентной зоне ограничены. Много работ посвящено также изучению барьеров Шоттки на основе 1пР, однако недостаточно освещены вопросы, касающиеся электрофизических и фотоэлектрических свойств диодны* структур с промежуточным слоем.

Важную проблему представляет также изучение механизма то-копрохождения в диодных структурах на основе 1пАз и 1пР. Этг проблема имеет не только научный, но и практический интерес пр1 разработке различного вида фотоприемников. Между тем, для диодньи структур на основе 1пАб и 1пР эти вопросы изучены относительнс слабо.

Практически нет сведений о влиянии магнитного поля на фотоэффект диодов Шоттки, хотя фотоэлектромагнитные приемники на основе материалов 1пАб и 1пР находят практическое применение.

Все вышесказанное свидетельствует об актуальности темы настоящего исследования.

Работа была выполнена в лаборатории электронных полупроводников ФТИ им. А. И.Иоффе РАН и на кафедре физики Казанского высшей артиллерийского командно-инженерного училища им.М.Н.Чистякова I является составной частью научно-исследовательских работ, прозод! мых в вышеупомянутых организациях.

Цель работы.

Целью данной работы было проведение исследований электрофи-

[ческих и фотоэлектрических свойств диодных структур металл-по-гпроводник на основе кристаллов 1пАс и 1пР в широком температур->м интервале с различными концентрациями носителей тока, а также ¡учение влияния магнитного поля на характеристики полученных ди-(ных структур.

Для достижения поставленной цели необходимо было:

-разработать элементы методики исследования стационарной фо-1чувстзительности,кинетики фотоответа и фотомагнитного эффекта юдных структур в широком температурном диапазоне (70^300 К);

-разработать элементы технологии изготовления диодных струк-гр металл-полупроводник на основе кристаллов 1пАб и 1пР;

-провести комплекс измерений электрических характеристик ди-|ных структур и их температурной и концентрационной зависимостей и определения механизма токопереноса;

-выполнить измерения фотоэлектрических характеристик диодных •руктур в том числе и их зависимости от некоторых внешних факто-)в, включающих температуру, газовую среду, влажность;

-выполнить измерения фотомагнитных характеристик диодных ■руктур в интервале магнитных полей 0+2 Т.

Научная новизна.

1. В результате анализа ВАХ и ВФХ определены механизмы то-трохождения диодных структур Аи-р-1пАз с концентрациями носите-!Й в кристаллах 5-1015-1 -Ю17 см"3.

2. Установлено, что сложный характер зависимости фотоответа юдов Шоттки на основе 1пАб от магнитного поля как спектральной (ивой, так и полевой объясняется вкладом токовых компонент базы инверсного п-слоя.

3. Созданы диоды Шоттки Аи-п-1пР с промежуточным слоем с су-¡ственно сниженной величиной тока насыщения и с увеличенной на 15-0.25 эВ высотой барьера.

4. Установлено, что в механизм токопрохоадения диодов Шотт-I Аи-р-1пР с компенсированным субстратом основной вклад вносит :нерационно-рекомбинационный ток, а процессы генерации и реком-¡нации в слое истощения, идущие с участием глубоких уровней, из-няют вид спектральной кривой.

5.Созданы и исследованы продольные фотоэлементы на основе

Аи-п-1пР с линейными инверсионными характеристиками.

6. Обнаружено высокое усиление фототока (ЧО3) в диодных структурах Аи-п-1пР<Ре> и показано, что это усиление и сдвиг спектральной характеристики в электрическом поле обязаны образованию статического домена высокого поля и модуляции его лроводи-мости излучением.

7. Установлено резкое уменьшение фотоэдс диодных структур Р(1-п-1пР в атмосфере водорода по сравнению с изменением токов ВАХ (почти на порядок величины), а также сильное увеличение фотоэдс с увеличением влажности.

Практическая ценность.

1. Полученные результаты исследований механизма токопрохож-дения, фотоэлектрических и фотомагнитных характеристик диодов Шотт ки на основе р-1пАб имеют практическое значение при разработке и создании эффективных фотоприемников ИК диапазона.

2. Разработаны и изготовлены элементы и узлы измерительной установки, которые могут быть использованы при исследовании и изготовлении новых полупроводниковых фотоэлектрических приборов.

3. Результаты исследования диодных структур на основе 1пР представляют практический интерес для создания продольных фотоэлементов, фотодетекторов с усилением фототока и фотогазоанализаторов для обнаружения водорода и водяных паров. , ,, -

Защищаемые положения.

1. Механизмы токопрохождения диодных структур на основе Р-1пАб определяются, концентрацией носителей заряда, причем в диодах с концентрацией дырок р=1-1017 см"3 преобладающий вклад вносит генерационно-рекомбинационный ток .области истощения (пространственного заряда); в диодах с концентрацией дырок р=2•1016 см"3 в области низких температур преобладает генерационно-реком-бинационный ток, а'в области высоких- диффузионный ток, причем существенна роль инверсного п-слоя; в диодах с концентрацией дырок р=5-1015.см"3 основной вклад вносит туннельный ток через промежуточные состояния (глубокие центры).

2. Величина фотоответа диодных структур на основе р-1пАй в интервале длин волн 0. 5-4.5 мкм определяется последовательно тремя процессами: фотоэмиссией носителей через барьер Шоттки, меж-

зонным возбуждением электронно-дырочных пар, разделяемых барьером Шоттки, и ударной ионизацией. Резкий рост фотответа структур в коротковолновой области определяется ударной ионизацией дырками, высокая эффективность которой связана с "резонансом" зон, т. е. когда ширина запрещенной зоны Eg полупроводника близка к величине спин-орбитального расщепления Д (условие, когда Eg .

3. В структурах с концентрацией носителей р=5-1015 см"3 величина фотоответа пропорциональна интенсивности падающего излучения и определяется двумя компонентами тока: слоя истощения и под-контактного инверсного слоя, в структурах же с концентрацией носителей р> 5•1О15 см"3- зависимость сублинейна, т.е. пропорциональна ~11/2 и определяется только компонентой тока инверсного п-слоя свободной поверхности p-InAs.

4. Промежуточный слой в структурах Au-n-InP позволяет существенно снизить величину тока насыщения и увеличить на 0.15-0.25 эВ высоту барьера. Генерационно-рекомбинационный ток вносит основной вклад в механизм токопрохождения структур Au-n-InP с компенсированным субстратом, а эффективные процессы генерации и рекомбинации в слое истощения, идущие с участием глубоких центров, существенно изменяют вид спектральной характеристики.

5. Высокое усиление фототока (~103) в структурах Au-n-InP<Fe> обязано образованию статического домена высокого поля и модуляции его проводимости излучением.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории электронных полупроводников физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН, кафедры физики твердого тела Казанского государственного университета, кафедры физики Казанского ВАКИУ, а также научно-технических конференциях Казанского высшего артиллерийского командно-инженерного училища им. маршала артиллерии Н.Н.Чистякова (г.Казань, 1985, 1987, 1989-1996 г).

Публикации

По материалах! диссертации опубликовано 19 печатных работ.

Структура и объем работы

Работа изложена на 137 страницах, в том числе 109 страниц машинописного текста, содержит 45 рисунков. Список цитируемой литературы включает 132 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность темы и выбор объектов исследований, сформулирована цель работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту и краткое содержание работы.

Первая глава посвящена литературному обзору экспериментальных и теоретических работ, в которых рассматриваются электрические и фотоэлектрические свойства кристаллов арсенида индия и фосфида индия, а также диодные структуры металл-полупроводник на основе данных материалов.

Свойства арсенида индия и фосфида индия рассматриваются лишь в той мере, в которой они помогают интерпретации экспериментальных результатов и способствуют лучшему пониманию основных вопросов исследования диодных структур на основе 1пАб и 1пР. Отмечено, что механизм токопрохождения в диодных структурах металл-полупроводник на основе 1пАв и 1пР изучен недостаточно, местами поверхностно как дополнение к другому анализу. Между тем, детальное исследование механизма токопереноса, помимо научного интереса, дает возможность найти пути совершенствования целого ряда приборов на основе соединений 1пАб и 1пР. Исследования же зависимости фотоэффекта от ряда внешних факторов, например, магнитного поля либо не проводились совсем, либо проводились в недостаточной степени. Здесь же можно ожидать новых данных по влиянию этих факторов на структурные, электрические и фотоэлектрические характеристики.

Все это предопределило выбор темы диссертации и ее значение в научном и практическом отношении.

Во второй главе описана методика экспериментальных исследований. Методика включала в себя изготовление и физико-химическую подготовку образцов 1пАб, 1пР и диодных структур на их основе для электрических, фотоэлектрических и фотомагнитных измерений. Процесс подготовки образцов для исследований включал ряд операций: шлифовку, полировку, вплавление омических контактов, утоньшение образцов электрохимическим травлением, напыление Аи или РЬ, либо электрохимическое осаждение Рб. Отработаны элементы подготовки

кристаллов-субстратов и технология изготовления диодных структур металл-полупроводник на основе 1пАб и 1пР. Отработана также технология изготовления фотоэлементов с продольным фотоэффектом на основе 1пР.

Приведено описание экспериментальной установки.позволяющей в зависимости от того, какие конкретно приборы и устройства подключены к исследуемому образцу, обеспечить измерение электрических характеристик, спектральной фоточувствительности, стационарной и нестационарной фотопроводимости, фотомагнитного эффекта и других параметров исследуемых образцов в температурном интервале 77-300 К,

При изготовлении установки разработаны и смонтированы:

- система поддержания промежуточных температур вакуумных -сриостатов для исследования электрических, фотоэлектрических и 1>отомагнитных характеристик полупроводников и диодных структур на ах основе в диапазоне температур 77-300 К. Точность поддержания гемпературы ~ 0.1 К, расход жидкого азота - 0. 5 л/ч.

- широкополосный малошумящий предусилитель с коэффициентом усиления к=100 в рабочей полосе частот 100 Гц^20 МГц и эффективны значением приведенных по входу собственных шумов ~ 2 нВ/Гц1/г.

- полупроводниковый квантовый генератор с регулируемой дли-гельностыо импульсов (0.06-6 мкс), фронт и спад которых составля-эт ~15 не. Частота следования импульсов может меняться в пределах 50 Гц-6 кГц.

- устройство световой синхронизации осциллографа с примене-шем волоконного световода для обеспечения устойчивой работы в условиях сильных электромагнитных полей.

В третьей главе приводятся результаты исследований механизма 'окопрохождения в диодах Шоттки на основе р-1пАз в температурном [нтервале 78-300 К.

Для анализа механизма токопрохождения в диодных структурах «ли исследованы свойства кристаллов р-1пАз с целью определения ¡ремени жизни носителей тока и выявления механизма рекомбинации. > этой связи были выполнены температурные измерения стационарной ютопроводимости и фотомагнитного эффекта.

Установленно, что фотопроводимость образцов экспоненциально

растет с понижением температуры от комнатной до -200 К постепенно достигая насыщения. Энергия активации, определенная из наклона экспоненциального участка, составляет -0.25 эВ, что примерно соответствует положению рекоыбинационного уровня в п-1пАб /1/.

Время жизни ца, вычисленное при Т=90 и 300 К равно, соответственно, 2-10 и 8-10"10 сек. При Т=300 К время жизни по фотомагнитному эффекту „«4-10"10 сек. Разница во временах жизни и температурное гашение немодулированной подсветкой могут свидетельствовать об участии в процессах захвата и рекомбинации неравновесных носителей тока двух уровней. Для выявления возможных фотоактивных примесей исследован длинноволновый участок спектральной фоточувствительности при различных температурах. При Т=77 К четко выявляется примесный пик Е}«0.38 эВ, который превращается в ступеньку с повышением температуры. Если учесть, что Е8=0. 41 эВ, то ДЕиО.03 эВ, что примерно соответствует энергии активации марганца /27. Пик 0.38 эВ, вероятно, соответствует оптическому переходу из мелкого акцепторного уровня Мп в зону проводимости. Проведенные измерения кинетики релаксации фотопроводимости показали наличие быстрой и медленной компонент спада фотопроводимости.

Таким образом, как и в образцах п-1пАб, в дырочном материале существенную роль в процессах захвата и рекомбинации может играть глубокий центр ДЕ*0.25 эВ.

Диодные структуры для удобства исследования были разбиты на 3 группы в зависимости от концентрации дырок в кристалле-подложке: А-диоды (р=1-1017 см"3), В- диоды (2-Ю16 см"3) и С-диоды (5-Ю15 см'3).

Вольтамперные характеристики структур изучались в интервале температур 78-233 К.

В общем случае в А и В- диодах ток может быть представлен как сумма нескольких различных видов токопереноса:

¿=ио1 [ехр^и/пкТМ]. (1)

где коэффициент неидеальности п=1.4 для А- диодов при Т=233 К и растет с понижением температуры, достигая при Т=153 К значения 2.0, для В- диодов "п" изменяется с понижением температуры в интервале 1.05+1.8. Следует отметить, что для С-диодов, наоборот, характерны более высокие значения "п" при этом же изменении температуры.

- И -

В результате анализа ВАХ и ВФХ определены механизмы токопро-ождения диодных структур Аи-р-1пАБ, при этом установлено, что в -диодах преобладающий вклад вносит генерационно-рекомбинационный ок области истощения (пространственного заряда). В В-диодах в бласти низких температур преобладает генерационно-рекомбинацион-ый ток, а в области высоких (близких к комнатной)- диффузионный ок, причем существенна роль инверсного п- слоя /3/. Ширина ин-ерсного слоя является, в частности, функцией степени легирования и, высоты барьера Ф„, приложенного смещения и и температуры Т:

И^гекТА^гу^/С! [п(о)/Ма]1/2, (2) десь с1=[21п(М3/п1)-(чи/кТ)-1; п(о)=(п?/Г^)ехр^Фв/кТ).

Наименьшее значение в А- диодах, причем при Т=77 К -инимально и составляет несколько ангстрем. Резко возрастает ^ с эстом температуры и для В- диодов этот рост составляет почти два эрядка величишл.

При условии, что и=0.1 В, Фв =0.41 эВ и Т=233 К увеличение ^ ряду образцов А-»В-»С составляет почти 50 раз.

ВАХ С-диодов могут быть выражены зависимостью .Ьехр^и/Е!),

де

Е1=Е00с1пП(Е00/кТ) и Е00=ч^а1/г/ф*е)1/г (3)

Установлений, что прямое туннелирование через барьер Шоттки, данном случае не играет существенной роли. С учетом того, что ри обсуждении результатов исследования фотопроводимости и фото-агнитного эффекта в кристаллах р~1пАб отмечалась роль глубоких ентров захвата в механизме рекомбинации, показано, что механизм окопрохоадения в С-диодах связан с туннелированием через эти ентры как промежуточные состояния. Естественно, что число центов захвата ¡^ и их распределение по энергиям будет определять еличину туннельного тока и область туннелирования

Л~ехр [-Б0 (Фв-и-1 ) /2] (4)

емпературное же корректирование по-преаснему определяется Е5 (3).

Следует отметить, что в А-диодах при низких температурах и алых смещениях туннельная компонента такие вносит большой вклад.

Измерения вольтфарадных характеристик (ВФХ) показали частот-

ную зависимость, более заметную в А-диодах, что свидетельствует о значительном влиянии глубоких центров захвата. Увеличение емкости при прямых смещениях связано с диффузионной емкостью, вносимой инжектируемыми электронами из-за наличия инверсного п-слоя. Отсутствие линейности в зависимости с"2=Г(1!) при низких частотах связано не только с влиянием неосновных носителей, но и с перезарядкой центров захвата у краев области истощения. Высота барьера в вышеуказанных структурах лежит в интервале 0.25-Ю.44 эВ.

Температурный коэффициент изменения Ф„ оказался « равным 1.2-10"3 эВ/К, т.е. существенно больше, чем температурный коэффициент изменения Е^.

Наличие инверсного п- слоя и эффективных центров захвата играет определяющую роль в поведении ВФХ и ВАХ. Благодаря этому, сделан вывод, что механизм токопрохождения в диодных структурах Аи-р-1пАБ в большой степени похож на механизм токопрохождения в р-п- переходах на основе 1пАб.

В четвертой главе приводятся результаты исследования и анализа фотоэффекта в диодах Шоттки на основе 1пАз и влияния на него магнитного поля.

Исследование спектральной фоточувствительности диодов Шоттки на основе р~1пАб показало, что величина фотоответа структур во всем исследованном интервале длин волн определяется последовательно тремя процессами: фотоэмиссией носителей через барьер Шоттки, межзонным возбуждением электронно-дырочных пар, разделяемых барьером Шоттки, и ударной ионизацией.

Резкий рост фотоответа при 11У>0.8 эВ (т.е. при ^ЙЕ^) связан, очевидно, с процессами ударной ионизации в сильном контактном поле инверсного п- слоя на поверхности р-1пАБ. При указанных значениях энергии фотонов коэффициент поглощения велик, что приводит к преимущественной генерации электронно-дырочных пар в тонком п-слое, т.е. ударная ионизация осуществляется дырками. В результате исследований процессов ударной ионизации и Оже-рекомбинации была установлена большая роль дырок из спин-орбитально расщепленной зоны. Значение пороговой энергии для процесса ударной ионизации с участием электрона зоны проводимости и двух дырок, одна из которых из зоны тяжелых дырок, а другая-из спин-орбитально рас-

^пленной зоны (СН&Н- процесс) можно представить

Е3=ш3(ЕЕ-Д)/(2т,1+ше-ю;5), (5)

де Д - спин-орбитальное расщепление,

п^, иь, Ез - эффективные массы электрона, тяжелых дырок и ¡ырок спин-орбитально расщепленной зоны соответственно.

Как видно из (5), при близких значениях Д и юроговые энергии для СНБН- процесса могут вообще отсутствовать, даффициент рекомбинации СНБН - процесса для случая (Е8-Д)/Ее«1 и :ри корректной оценке интегралов перекрытия может быть редставлен в виде

(Шд/га0) 1 (г)/т?щ,г (гаь /ш0)3Е83) де Иг) -функция безразмерного параметра г=(Ер,-Д)/кТ.

Таким образом, благодаря эффекту "резонанса" зон в 1пАБ/про-есс рекомбинации (1,определяемый (5) очень эффективен и вероят-ость ударной ионизации весьма велика, что и приводит к росту фо-оответа в коротковолновой области. При освещении же более длин-оволновым светом генерация электронно-дырочных пар начинает идти р-области, умножение носителей будет определяться электронами, о поскольку их коэффициент ударной ионизации существенно ниже, ем дырок, то увеличение фотоответа будет менее значительным.

Анализ длинноволнового участка спектральной кривой показыва-т, что фотоответ здесь связан с разделением фотоносителей на арьере Шоттки, причем высота барьера Ф„, определенная из зависи-:ости (ифа)1/2=Г(М, равна ~ 0.30 эВ.

В результате анализа зависимости фотоответа от интенсивности злучения" и температуры показано, что объяснение столь различных ависимостей иф=Ш0) может быть дано только с учетом вклада ин-ерсного п-слоя на свободной поверхности р-1пА&. Фототок в этом лучае можно представить следующими компонентами: -

где Л!- компонента тока подконтактной инверсной области, - Зг-омпонента тока п-слоя свободной области; компонента фотото-а, определяемая генерацией электронно-дырочных пар в слое исто-,ения; Ль- компонента фототока, связанная с вкладом базы (субстра-а).

В структурах с концентрацией носителей р=5-1015 см 3 величи-а фотоответа пропорциональна интенсивности падающего излучения и

определяется двумя компонентами тока: подконтактного инверсного слоя и слоя истощения.

В структурах с концентрацией носителей р> 5 1015 см"3 зависимость величины фотоответа от интенсивности падающего излучения сублинейна, т.е.- 101/г и определяется компонентой тока инверсного п- слоя свободной поверхности р-1пАз.

Для температурной зависимости фотаэдс, практически одинаковой для образцов всех серий, характерно относительно слабое изменение в интервале температур 80-150 К и резкий спад с дальнейшие ростом температуры. Этот спад можно связать с падением коэффициента собирания из-за уменьшения диффузионной длины . Это изменение Ьп обусловлено частично температурной зависимостью подвижности электронов, но главным образом падением Выполнен расчет различных механизмов рекомбинации в 1пАз, включая межзонные, из-лучательную и Оже-рекомбинации. Расчеты показали, что резкий экспоненциальный спад времен жизни при излучательной рекомбинации Хр и Оже хк характерен для температур, существенно превышающих комнатную. Наклон экспоненциального участка кривой соответствует энергии активации ~ 0.13 эВ.

Исследования влияния магнитного поля на фотоэффект диодны; структур были проведены в температурном интервале 80-300 К в режиме эдс холостого хода. Характер зависимостей был совершение одинаков для структур как Аи-р-1пАБ, так и РЬ-р-ХпАБ.

Основной особенностью кривых в низкотемпературной облает! является наличие двух участков: коротковолнового, гд< Ди$ = Ш(Н)-и(0)]>0 и длинноволнового, где Аиф = Ш(Н)-и(0)]<0.С ростом температуры характер зависимости меняется и во всем спектральном интервале ДЦ,>0, причем различными для этих температурим; областей были также зависимости Диф от величины магнитного пол при монохроматическом освещении. При повышенных температурах и н( слишком низких магнитных полях наблюдается вначале рост Ди ~ Н, < затем при более высоких магнитных полях зависимость ДИф=Г(Н) становится сублинейной. При низких температурах в длинноволновой области |Ди$|~|1пН|.

В результате исследования влияния магнитного поля на фотоответ диодов Шоттки на основе р-1пАэ показано, что сложный характе; зависимости от магнитного поля как спектральной кривой, так и по-

левой с наличием "отрицательных" и "положительных" максимумов объясняется вкладом токовых компонент базы и инверсного п- слоя.

Пятая глава посвящена исследованию электрофизических и фотоэлектрических свойств диодных структур на основе 1пР.

Структуры Аи-п-1пР с промежуточным слоем были получены двумя различающимися способами обработки поверхности перед нанесением металла. Наличие промежуточного слоя накладывает определенные ограничения на применение соотношений для идеальных диодов в анализе ВАХ и ВФХ. Из полученных нами результатов следует,что высокие значения коэффициента неидеальности п соответствуют аномальным значениям А**. Величина п определяется поверхностными состояниями \ параметрами промежуточного слоя, а эти эффекты в конечном итоге злияют на механизм токопрохождения; А** также зависит от механизма токопрохождения. Хотя полученные нами значения толщины промежуточного слоя б значительны (50-70 А для диодов группы А и ^сколько больше для диодов группы В), туннелирование также вносит существенный вклад в механизм протекания тока.

Из результатов фотоэлектрических измерений,прежде всего,мож-ю сделать вывод, что исследованные диодные структуры, полученные жислением поверхности двумя различными способами, содержат прожиточный слой и имеют высоту барьера на --,0.15 эВ (диоды А) и на -0.25 эВ (диоды В) выше, чем у почти идеальных диодов Шоттки. Мы [редполагаем, что это добавочное увеличение высоты барьера вно-:ится окисным слоем, т. к.

Фв=кТ1п(А*Т2/^)/ч , (7)

о наличие окисного слоя приводит к тому, что электроны должны уннелировать через барьер, образованный этим слоем, а это приво-ит к снижению З3, т.е. к увеличению высоты барьера Фв.

В результате исследования структур Аи-р-1пР установлено, что механизме токопрохождения диодов Шоттки Аи-р-1пР с компёнсиро-анным субстратом существенный вклад вносит генерационно-рекомби-ационный ток, а эффективные процессы генерации и рекомбинации в лое истощения, идущие с участием глубоких уровней, изменяют вид пектральной характеристики.

Созданы и исследованы продольные фотоэлементы на основе ц-п-1пР с линейными инверсионными характеристиками при фронталь-

ном и заднем (через субстрат) освещении и достигнута высокая интегральная чувствительность.

Исследованы электрические и фотоэлектрические характеристики структур Аи-п-1пР<Ре>. Обнаружено высокое усиление фототока 103), показано, что это усиление и сдвиг спектральной характеристики в электрическом поле обязаны образованию статического домена высокого поля и модуляцией его проводимости излучением.

В результате исследования электрических и фотоэлектрических характеристик диодных структур Рс1-п-1пР, включая влияние водорода и влажности, установлено: а) более сильное изменение (уменьшение) фотоэдс в атмосфере водорода по сравнению с изменением (увеличением) прямых и обратных токов ВАХ (почти на порядок величины); б) сильное увеличение фотоэдс с увеличением влажности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате выполнения диссертационной работы:

1. Показано, что механизм токопереноса в структурах Аи-р-1пАБ существенно зависит от концентрации основных носителей тока в субстрате и если при р=1017 см"3 преобладает генерационно-реком-бинационный ток, то при р=2-1016 см"3 этот ток существенен только при низких температурах, а при температурах, близких к комнатной преобладает диффузионный ток; туннелирование же через глубокие центры характерно при более низких концентрациях (р~1015 см"3).

2.Установлено, что спектральный фотоответ диодов Шоттки на основе р-1пР определяется последовательно тремя процессами: фотоэмиссией носителей через барьер Шоттки, межзонным возбуждением электронно-дырочных пар и ударной ионизацией дырками, связанной с "резонансом зон" т.е. когда

3.Показано, что величина фотоответа структур пропорциональна интенсивности освещения при концентрациях носителей р=1015 см"3, а при более высоких концентрациях наблюдается сублинейная зависимость (~101/г), которая связана с компонентой тока инверсной п-области свободной поверхности р~1пАб.

4. Сложный характер зависимости фотоответа барьеров Шоттки на основе р-1пАа от магнитного поля объяснен вкладом токовых компонент базы и инверсного п-слоя.

5.Созданы диоды Шоттки Аи-п-1пР, обладающие сниженной величиной тока насыщения и увеличенной на 0.15+0.25 эВ высотой барьера.

6. Установлен структурный переход Аи-р(п)-1пР -> Аи-п-1пг03-р(п)-1пР в результате длительной выдержки на воздухе, причем полученная гетероструктура имеет туннельный характер проводимости и обладает внутренней фотоэмиссией.

7. Созданы и исследованы продольные фотоэлементы с линейными инверсионными характеристиками на основе Аи-п-1пР с промежуточным слоем и на основе гетероструктур.

8.Обнаружено высокое усиление фототока МО3) в структурах Аи-п-1пР<Ре>, причем это усиление и сдвиг спектральной кривой обусловлены образованием статического домена высокого поля и модуляции его проводимости излучением.

9.Обнаружено сильное влияние водорода и влажности на фотоэдс структур Рй-п-ШР, причем изменение фотоэдс с водородом превышает изменение темновых токов; эти эффекты связаны с изменением структурных и физических характеристик диодов.

10.Разработаны основные элементы технологии изготовления ди-эдных структур металл-полупроводник на основе 1пАб и 1пР, и создала высокочувствительная измерительная установка для исследования электрических, фотоэлектрических и фотомагнитных характеристик этих структур в широком температурном интервале (77-300 К).

11. Результаты проведенных экспериментальных исследований 1редставляют практический интерес для создания различных фотоде-гекторов, в том числе продольных фотоэлементов, а также детекто->ов водорода и влажности на основе фотоэффекта.

В заключении можно так же отметить, что разработанные и из-'отовленные элементы и узлы измерительной установки (устройства стабилизации и поддержания температуры образца, малошумящий широ-сополосный усилитель, световая синхронизация осциллографа, ПКГ) югут найти более широкое применение как при исследовании других !олупроводниковых структур, так и для других целей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих »аботах:

1. Андрушко А.И., Малинин Ю.Г., Салихов X. М. Запуск осцил-

лографа световым импульсом // ПТЭ-1980. Вып.2.-с. 307.

2. Исхаков Р.А., Малинин Ю.Г/1 Высокоточная система поддержания промежуточных температур вакуумных термостатов для области 80-300 К // НТС.-Казань:КВВКИУ.-1982.-с. 89-92.

3. Андрушко А.Й., Малинин Ю.Г. Широкополосный малошумящий предусилитель // НТС.1-Казань: КВВКИУ 1978,- с. 59-63.

4. Слободчиков С.В., Малинин Ю.Г., Смирнова H.Н., Андрушко А. И. 0 механизме токопрохождения в диодных структурах на основе Au-p-InAs // ФТП.-1984. -т.18. -Вып.4. -с. 759.

5. Малинин Ю.Г.. Слободчиков C.B., Андрушко А.И. 0 механизме токопрохождения в диодных структурах //MPC ВИМИ. Техника, технология, экономика:М. -1984. -№13, серия ЭР.

6. Малинин Ю.Г., Слободчиков С.В., Филаретова Г. М. Спектральная фоточувствительность диодов Шоттки // ФТП.-1986.-т. 20. -Вып. 5-С. 903-905.

7. Малинин Ю.Г., Слободчиков C.B. Фотомагнитный эффект в фотоприемниках с диодом Шоттки при лицевом освещена //НТС. -1990, -Казань. КВВКИУ PB.-с.79-82.

8. Малинин Ю.Г., Слободчиков С.В., Филаретова Г. Н., Фетисова В. М. Влияние магнитного поля на фотоэффект диодов Шоттки нг основе p-InAs //ФТП.-1985.-т.19.-Вып.6.-с. 1119-1122.

9. Малинин Ю.Г., Мередов M.М., Слободчиков С.В. Электрические и фотоэлектрические свойства диодных структур металл-фосфид индия //НТС.-1995.-Казань. КВАКИУ. -с. 87-89.

10. Малинин Ю.Г., Слободчиков C.B. Продольный фотоэффект в диодных структурах Au-n-InP с промежуточным слоем // НТС. -1995.-Казань.КВАКИУ. -с. 89-92.

11. Малинин Ю. Г., Салихов Х.М., Слободчиков С. В. Явление усиления фототока в структурах Au-n(p)-InP<Fe>.// НТС.-1996. "Казань. КВАКИУ.-с. 90-93.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михайлова М.П., Наследов Д.Н., Слободчиков С. В. Температурная зависимость времен жизни носителей тока в InAs /у ФТТ. -1963. -т. 5. -Вып. 8-с. 2317-2323.

2. Муравьев Ю.Б., Савельев А. С. // ФТП.-1977- т. 11.-Вып. 7

3. Deraolin Е., Van de Wiel F.. //Sol.-St. Elecir.-1974- 17, 8, 825.