Разработка технологии получения и исследование свойств интегральных фотодилдных структура на основе AlxGa1-xP/GaP/GayIn1-yP тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ФИЗИКА-СОЛНЦЕ" им. С.А. АЗИМОВА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В. СТАРОДУБЦЕВА

На правах рукописи УДК 621.315.592; 621.383

АХМЕДОВА Ноднра Аминджановна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ФОТОДИОДНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ А^Са^Р/СаР/СаДп^Р

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ташкент -1999

Работа выполнена в Физико-техническом институте НПО «Физи Солнце» и Институте ядерной физики АН РУз

Научный руководитель:

член-корреспондент АН РУз, доктор физико-математических на; профессор, заслуженный деятель науки Узбекистана, Лауреат преми им. А.Р. Бируни М.С.ЮНУСС

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Л.РАХИМО

кандидат физико-математических наук М.Н.ТУРСУНС

Ведущая организация:

Ташкентский Государственный Технический Университет име! А.Р.Бируни

л 00

Защита состоится "Л.6 "L£*c£a¿bsZ. 2000 г. в часов на заседани

Специализированного Совета Д 015 08 01 по защите диссертаций и

соискание ученой степени доктора физико-математических наук по адресу

700084, г. Ташкент, ул. Г. Мавлянова, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физике технического института АН РУз.

Автореферат разослан " " 1999 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор физ.-мат. наук

Ф.А. АХМЕДОВ

гг-о/о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Полупроводниковые фотоприемники (ФП) нашли широкое применение в системах автоматики и спектрофотометрии [1,2]. Усовершенствование систем, использующих дифференциальные методы обработки фотосигнала, идет по пути как дальнейшего улучшения характеристик однопереходных ФП, так и поиска новых принципов их конструирования. Наиболее перспективным из них является функциональное усложнение приемников излучения и переход к созданию многоцветных ФП [3,4]. Применение ФП подобного рода способствует улучшению тактико-технических характеристик традиционных оптико-электронных устройств и открывает возможности для решения на более высоком научно-техническом уровне целого ряда новых задач, в частности, селекция и детектирование, контроль и стабилизация дрейфующих по длине волны и мощности световых потоков [5] и т.д.

Практическая реализация многоцветных ФП, как известно, сопряжена с исследованиями по разработке технологии получения и оптимизации фотоэлектрических характеристик многопереходных структур с гомо и гетеропереходами для заданных диапазонов спектра. Для создания коротковолновых ФП, функционирующих в сине-фиолетовой и ближней УФ полосах спектра, весьма перспективны гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений АЮаР и Оа1пР [6,7] в силу их большой ширины запрещенной зоны, благоприятных оптических свойств, управляемости параметров зонной структуры с изменением состава твердых растворов [8]. Вместе с тем, к моменту начала наших исследований в литературе отсутствовали работы, посвященные систематическому исследованию многоцветных ФП на основе широкозонных соединений А3В5, крайне ограничены сведения, позволяющие судить об их потенциальных возможностях.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется недостаточной изученностью многоцветных ФП коротковолнового диапазона спектра, перспективностью их использования в оптоэлек-тронных устройствах.

Основная цель работы состояла в исследовании особенностей получения и свойств двухцветных фотодиодов (ФД) для спектрального диапазона 0,3<Х<0,6 мкм, в изучении перспектив их использования в оптоэлек-тронных системах, основанных на дифференциальном поглощении световых потоков.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Разработка структуры интегрального ФД, способного с достаточной селективностью регистрировать и детектировать световые потоки видимого и ближнего УФ диапазонов спектра.

2. Анализ фазовой диаграммы тройной системы Al-Ga-P и Ga-In-P, получение кристаллически совершенных гетероэпитаксиальных слоев AlxGai_xP и GayIni_yP на подложках GaP.

3. Разработка способов формирования р-n переходов в многопереходных гетероструктурах.

4. Получение гетероструктуры с AlxGa,_xP и Ga;In|.,P р-n переходами, исследование электрофизических и фотоэлектрических свойств широко- и узкозонного р-n переходов и интегральных характеристик двухпереходной структуры.

5. Изучение возможности создания интегральных ФД, чувствительных в видимой и ближней УФ полосах спектра, выявление перспективы их использования в оптоэлектронных системах с дифференциальным методом формирования аналитического сигнала.

Новые научные результаты

1. Впервые предложены структуры интегральных ФП на основе р-n AlxGa,.xP/nGaP/n-pGayIn|.yP (0<х<0,5; 0,7<у<0,73) и p-nAl0,6Ino,jP/nZnSe/ /n-pGao,5|In0,49P. основанные на усилении дифференциального поглощения света при введении между р-n переходами объемного полупроводника (ПП) с шириной запрещенной зоны E0i>Eg>Eo2, где Е0|, E0i - пороговые энергии прямого межзонного перехода носителей в широко- и узкозонном ПП соответственно.

2. Разработана технология получения ■ фоточувствительных p-nAlxGa|.xP/nGaP/n-pGayIni_yP гетероструктур путем совмещения капиллярной жидкофазной эпитаксии и диффузии примесей из газовой фазы. Показано, что низкотемпературная (<800К) диффузия цинка из газовой фазы позволяет формировать р-n переходы с субмикронными слоями р- типа проводимости одновременно с двух сторон исходного ПП.

3. Показано, что эффективному сбору фотогенерированных носителей в р-n переходах интегральных ФД структур способствует образование в процессе диффузии примесей из газовой фазы ускоряющего и отталкивающего квазиэлектрических полей градиента концентрации примесей на лицевой и тыльной областях гетероструктуры соответственно.

4. Выявлено, что ограничение суммарной толщины узкозонного (базового) слоя в пределах длины диффузии неосновных носителей заряда ослабляет вклад рекомбинационной компоненты темнового тока и увеличивает фоточувствительность (ФЧ) р-n перехода вблизи края поглощения за счет рециклирования отраженных от тыльного омического контакта фотоактивных длинноволновых фотонов.

5. Установлено, что протяженность полосы минимума в спектре ФЧ p-nAlxGai.xP/nGaP/n-pGayIn|.yP гетероструктур увеличивается с ростом содержания AIP в твердом растворе вследствие смещения максимума ФЧ широкозонного р-n перехода в сторону коротких волн.

6. Установлено, что фотоэффект в двухпереходных фотопреобразовательных гетероструктурах на основе непрямозонных ПП А^Сао.зР и ваР обусловлен прямыми межзонными • переходами фотоносителей, приводящими к селективному преобразованию фиолетовой и ближней УФ полосы оптического спектра.

7. Показано, что селективная ФЧ АЦСа^Р и Оау1п|.уР р-п переходов к видимому и ближне УФ излучению позволяет прецизионно контролировать флуктуации длины волны световых потоков дифференциальным методом.

8. Показана применимость А1хОа|.хР/ОаР/Оау1п,.уР ФД гетеро-структур в качестве фотодатчиков в абсорбционных газоанализаторах для обнаружения молекул диоксида азота в -газовых средах с пороговой концентрацией 20 мг/м3.

Основные научные положения, выносимые к защите

1. Физическими свойствами субмикронных слоев р-типа проводимости, формируемых с двух сторон ПП кристаллов, можно управлять путем введения акцепторных примесей в процессе низкотемпературной диффузии из газовой фазы.

2. Степень дискретности спектра ФЧ интегральных фотодиодных гетероструктур с А1хОа|.хР и Оау1п|.уР р-п переходами возрастает при введении между широкозонным и узкозонным р-п переходами подложечного кристалла с шириной запрещенной зоны Ео^Е^Еог, где Е0ь Е<к " П0Р°" говые энергии прямого межзонного перехода носителей в' широко- и узкозонном ПП соответственно.

3. Смещение максимумов спектра ФЧ р-пА1хСа1.хР /пСаР/п-рСау1п|.,.Р гетероструктур от состава твердых растворов носит линейный характер вследствие преобладания в фотоэффекте прямых межзонных оптических переходов.

Практическая ценность. Результаты проведенных исследований представляют практический интерес в создании высокоэффективных опто-электронных систем на основе широкозонных ПП. Разработанные ФД и технология их получения имеют важное значение в улучшении характеристик дифференциальных фотометров и устройств абсорбционного спектрального анализа.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на VII Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Ташкент, 1991 г.), Международной конференции по экологически чистым огневым технологиям (Ташкент, 1992 г.), Республиканской научно-технической конференции по проблемам развития и эксплуатации междугородной и международной телефонной связи в Республике Узбекистан (Ташкент, 1993 г.), научно-технической конференции "Цифровизация узлов и систем связи Республики" (Ташкент, 1994 г.), I Международной конференции молодых физиков по твердотельной электронике (Наманган, 1994г.)

и на семинарах лаборатории технологии компонентов волоконно-опти ческой техники и научно-производственного предприятия "ИСТАЛ".

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликован! 14 печатных работ, в том числе получено 2 предварительных патент: Республики Узбекистан на изобретения.

Структура, объем диссертации. Диссертационная работа состоит и введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы Общий объем работы составляет 135 страниц машинописного текста включая основной материал из 115 страниц, 30 рисунков, 9 таблиц, списо! цитированной литературы из 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложены цель ^ задачи исследования. Показана научная новизна, основные научные положения, практическая значимость работы.

В первой главе изложены данные литературных источников по теме диссертации. Приведены принцип работы и свойства ФД с гомо- и гетероструктурой, используемые в фиолетовой и УФ оптоэлектронике Отмечена перспективность широкозонных соединений А3В5 для создания интегральных ФП коротковолновой полосы оптического спектра.

Описаны основные направления использования коротковолновых ФД. Проведен анализ методов получения и свойств ФД, а также физические свойства широкозонных соединений А3В5 с целью определения перспектив их использования в разработке интегральных ФД. На основании проведенного анализа литературных источников сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию возможности получения гетероструктур с эпитаксиально-диффузионными А1чСа1.хР и GajIni.jP р-п переходами, созданию структуры интегрального ФД на их основе.

Описаны технологическая аппаратура и методика получения эпитак-сиальных слоев А1хСа|.хР и GajIni.jP на подложках СаР методом капиллярной жидкофазной эпитаксии.

Контейнер для выращивания эпитаксиальных слоев в основном состоит из трех подложкодержателей и камеры для раствора-расплава. Первые два подложкодержателя выполнены с учетом взаимного перемещения относительно друг-друга и предназначены для основной подложки, а третий подложкодержатель - для вспомогательной (буферной) подложки.

Движением верхнего подложкодержателя относительно нижнего создавался капиллярный пакет. При совместном перемещении подложкодержателей капиллярный пакет приводился в контакт с раствором-расплавом.

За счет сил поверхностного натяжения раствор-расплав заполняет капиллярный пакет и начинается рост эпитаксиального слоя. Время выдержки подложки при Т=сопб1 изменялось от 10"' до 104 с.

Определены условия, при которых монокристаллическая ваР подложка устойчива в трехкомпонентной жидкой А1-Оа-Р фазе.

Показано, что переохлаждение раствора-расплава, представляющего собой разность-температур ликвидуса жидкой фазы и температуры равновесия, зависит от состава равновесной с ним твердой фазы, причем, чем сильнее состав выращиваемого слоя отличается от бинарной подложки, тем больше переохлаждение жидкой фазы необходимо для предотвращения травления подложки.

Методом изотермического смешивания двух расплавов была рассчитана толщина слоя, образующегося на подложке ваР при ее контакте с ненасыщенным раствором-расплавом Са-А1-Р. Кроме того, толщина слоя определялась временем контактирования подложки с раствором-расплавом и степенью ее перегрева (ненасыщенности). Полученные результаты подтверждают образование тонкого А1хОа|.хР слоя в основном за счет эпитаксиального роста, а не диффузии алюминия.

. Проанализирован индиевый угол диаграммы состояния жидкой Оа-1п-Р фазы, произведен расчет кривых ликвидуса и солидуса в диапазоне температур 973... 1073К.

С целью получения совмещенного на единую кристаллографическую структуру интегрального ФД выращивание твердых растворов Оау1п1.уР производилось на обратной стороне структуры п А1хСа|.хР/пСаР, используя поверхность ЮО(ОаР). Получены гетероструктуры с двумя эпитаксиаль-ными слоями Сау1п|.уР. Первый Сау1п1.уР слой имел состав у~0,85 и выполнял роль буферной зоны между подложкой и активным Сау1п1_уР (0,7<у<0,73) слоем.

Структурное совершенство эпитаксиальных слоев изучалось металлографическим методом. Дислокационные структуры выявлялись применением травителя, состоящего из 55 г РеС1з, 50 мл НС1 и 70 мл ЬЬО. Установлено, что в Оао,831по,15Р слое плотность ямок травления колеблется в пределах ЗхЮ5^ <8х105см'2, а в Сао.тз^о^Р 7x1 О^И^Зх105см"2. Следовательно, введением "залечивающего" Сао^^о.^Р слоя структурное совершенство активного Сао,7з1по,27Р слоя заметно улучшается и приближается к свойствам эпитаксиальных слоев, применяемых в приборных структурах.

Ширина запрещенной зоны твердых растворов оценивалась путем измерения краевых полос в спектрах фотолюминесценции (СФЛ) при 77 и 300 К.

СФЛ гетероструктур при возбуждении со стороны А1хСа|_хР слоя характеризуется двумя ярко-выраженными пиками. Обнаруженный низкоэнергетический пик с заметно высокой интенсивностью краевой люми-

несценции обусловлен поглощением фотонов на прямых межзонных переходах в Gaj.Ini.yP благодаря прохождению возбуждающей энергии через прозрачные области AlxGai.JP и йаР. При этом величина энергии фотонов, соответствующая положению обнаруженных пиков удовлетворительно согласуется с расчетными значениями Ее согласно

Ее = 2,25 +0,2 х (1)

для твердых растворов А^Са^Р и

Е8= 1,351 + 0,643у +0,786 у2 (2)

для твердых растворов GayIni.jP.

При возбуждении гетероструктуры со стороны GajIni.jP СФЛ характеризовались наличием одного ярко-выраженного пика, соответствующегс поглощению квантов в р-п GayIni.jP с прямыми межзонными переходами.

Изучены особенности формирования рА1хОа).хР и pGayIni.jP в одном процессе низкотемпературной (750...850 К) диффузии цинка из газовой фазы. Диффузия проводилась в квазизамкнутом объеме из графитовой лодочки вертикальной конструкции в атмосфере очищенного водорода Источником цинка служил расплав 0а+2п.

Приведены зависимости поверхностной концентрации дырок е рА1хОа1.хР и pGajini.jP от концентрации цинка в источнике.

Выявлено, что концентрация дырок в GajIni.jP превышает концентрацию дырок в слоях А1хОа|.хР, обусловленных, видимо, разной величиной энергии ионизации 2п в данных ПП. Поэтому нижний предел поверхностной концентрации дырок в исследуемых слоях ограничивался параметром > твердого раствора А1хСа|.хР. Экспериментально полученная линейная зависимость глубины залегания р-п переходов от 11/2 (I - время проведения диффузии) свидетельствует о том, что процесс диффузии описывается вторым законом Фика, связанным с диффузией по междоузлиям. При этом зависимость глубины залегания р-п переходов от температуры диффузии описывается

с1~А01 |/2ехр(-А,/кТ), (3)

где Ао и А| - постоянные величины. Наблюдаемая относительно мала* глубина залегания р-п перехода в А1хОа|.хР ( при прочих равных условиях^ свидетельствует о том, что константа связи А) в решетке А1хСа|.хР выше чем в GayIni.jP.

Формирование диффузионных слоев из газовой фазы позволилс получить переменно-легированные слои р+-рА1хСа|.хР и р-р+Оау1п1.уР с поверхностной концентрацией примесей, близкой к пределу растворимости Ъп при соответствующих температурах. При этом образуемые встроенные электрические поля градиента концентрации примесей в областях р-типг проводимости в зависимости от глубины залегания р-п перехода 1! температуры диффузии достигают 102...103В/см.

Предложена структура интегрального ФД, состоящая из широкозонного А1хСа1.хР (0<х<0,5) и узкозонного Оау!п|.уР (0,7<у<0,73) р-г

переходов. Особенностью предложенного интегрального ФД является наличие между р-п переходами подложечного кристалла из ОаР, где ее ширина запрещенной зоны больше Ев прямозонного Сау1п|.уР, но меньше энергии прямого межзонного перехода в непрямозонном А1хСа,.хР, т.е. выполняется условие Е0]>Ее>Ео2, где Еоь Е02- энергии прямых межзонных переходов в А1хОа|.хР и Сау1п ].уР соответственно.

Третья глава диссертации посвящена исследованию электрофизических и фотоэлектрических свойств интегральных ФД структур с эпитак-сиально-диффузионными А1хОа,.хР и Оау1п|.уР (0<х<0,5; 0,70<у<0,73) р-п переходами. Исследования проводились в трехэлектродном режиме, где омический контакт пваР служил общим электродом для широко- и узкозонного р-п переходов.

Для обоих р-п переходов зависимость барьерной емкости от напряжения описывается выражением С63~(иос -и), где иос - емкостное напряжение отсечки. Найденные значения концентрации ионизированных акцепторов в рА1хСа1.хР и рСау1п1.уР и максимальной напряженности электрического поля в области объемного заряда (003) удовлетворительно согласуются с расчетными.

В диапазоне температур 300...600 К прямая ветвь ВАХ состоит из двух участков

1=1,+12=1о,ехр(Чи/р,кТ)+1о2ехр(Чи/р2кТ) (4)

На первом участке 01^1,8...2,6, на втором р2~ 1,1... 1,3 для А1хОа|.чР (0<х<0,5) р-п перехода. Для Gaj.Ini.yP (0,7<у<0,73) р-п перехода Р|~2,0...2,3, Р2«1,3...1,5.

Выявлено, что в исследованных р-п переходах наблюдается экспоненциальная зависимость 1о|хТм от температуры. Экспериментально найденные значения Ев А1хОа1_хР и Gaj.Ini.yP составляют Е8«2,31.. .2,33 и Ее» »2,2...2,23 эВ соответственно в зависимости от состава твердых растворов.

Механизм пробоя исследованных р-п переходов связан с тем, что максимальное поле в ООЗ достигает >105В/см, электроны и дырки, создающие обратный ток р-п переходов, приобретают кинетическую энергию,-достаточную для ударной ионизации валентных электронов, т.е. в результате электрон-электронного столкновения валентный электрон перебрасывается в зону проводимости. Возникшие при этом вторичные носители могут быть разогнаны электрическим полем и способны создать путем ударной ионизации новые носители и т.д.

Далее описана методика измерения спектральной чувствительности р-п переходов, где погрешность измерения положения максимума полосы ФЧ не превышает ±3 МэВ. Фотовозбуждение гетероструктур осуществлялось путем засветки лицевого pAlxGai.JP слоя, где фотоны падают перпендикулярно плоскости р-п переходов.

В исследованных GayIn|.jP р-n переходах наблюдаются спектры ФЧ с длинноволновым краем, характерным для прямозонных ПП, где интенсивный рост ФЧ соответствует энергии фотонов, равной Eg ПП. Коротковолновый край спектра ФЧ ограничивается длинноволновым краем спектра пропускания подложечного GaP. Обнаруженный рост ФЧ в длинноволновой области основной полосы поглощения объясняется влиянием отталкивающего поля на сбор фотогенерированных носителей за счет образования отрицательного градиента концентрации примесей тыльной области р-n перехода. Кроме того, увеличивается "оптическая" толщина поглощающего слоя за счет наличия отражающего контакта на основе Ag, что приводит к росту количества оптически генерированных носителей благодаря фотонному рециклированию квантов в р-n структуре.

Результаты исследования свойств AlxGai.4P р-n перехода снодятся к тому, что фотоэлектрический эффект вблизи фиолетовой и ближней УФ полосах спектра обусловлен прямыми оптическими переходами носителей из V-зоны в минимум С-зоны, тогда как фотоэффект в более длинноволновой (Х>0,45 мкм) полосе обусловлен непрямыми оптическими переходами.

Показано, что образование тянущего квазиэлектрического поля градиента концентрации примесей способствует возрастанию ФЧ в коротковолновой полосе по сравнению с известными AlxGa|.4P р-n структурами с однородным распределением примесей по толщине освещаемого слоя.

Далее исследованы факторы, влияющие на ФЧ широко- и узкозонных р-n переходов в зоне перекрытия спектров и пути повышения их дискретности.

Показано, что в отличие от традиционных ФД на основе многослойных структур, дифференциальное поглощение излучения в исследуемых р-n структурах дополнительно возрастает благодаря введению подложки GaP между широко- и узкозонными р-n переходами. Варьированием суммарной толщины AlxGai.xP от 2 до 1 мкм выявлена возможность ослабления ФЧ широкозонного р-n перехода в полосе 2,25<hv<3,0 эВ до < 5% от максимума. С увеличением концентрации носителей заряда в поверхностном слое до одного порядка ФЧ в длинноволновой полосе возрастала на 15...20 %.

Обнаружено заметное влияние параметров подложки на свойства узкозонного р-n перехода. В частности, увеличение толщины подложки от 100 до 400 мкм приводило к ослаблению ФЧ р-n перехода на 20...25 %, а с ростом уровня легирования на 2 порядка ФЧ р-n перехода вблизи коротковолнового края спектра снижалась в 1,5 раза.

В конце главы описаны ФД свойства AIxGa|.4P и GayIni.yP р-n переходов. С ростом содержания AIP в твердых растворах AlxGai_xP наблюдается смещение максимума фототока в сторону уменьшения толщины активного слоя, что связано с ростом пороговой энергии прямых оптических

- ] ¡ -

переходов и соответствующим уменьшением глубины поглощения фотонов. В исследуемых структурах на основе широкозонных ГТП, благодаря малым темновым токам порог чувствительности ФД близок к 10'13... 10"'4 Вт/Гц"2.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию свойств интегральных ФД структур с AlxGai_xP и Са^п^Р р-n переходами в спектральной полосе 0,3<Я.<,6 мкм, разработке эффективных оптоэлектронных систем на их основе.

Исследованы двухпереходные AlxGa|.xP/GaP (х=0,5) гетероструктуры с целью изучения возможности создания на их основе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) фиолетового и УФ диапазонов спектра, прозрачных в длинноволновой области за краем основной полосы поглощения. Структуры ФЭП получены путем последовательного осаждения слоев nGaP, pGaP, p,n Alo,5Ga0,jP на подложках nGaP. Суммарная толщина p.nAlo.sGao.sP составляет 0,2...0,5 мкм, толщина pGaP - 0,5 мкм. Все омические контакты имели полосовую форму и нанесены на подложку, к слоям nAlo.5Gao.5P и pGaP. Свойства ФЭП изучены в трехэлектродном режиме.

При выбранной толщине и составе AlxGai.xP граница интенсивного поглощения света соответствует началу УФ полосы спектра (энергия фотонов 3,0<hv<3,2oB), а спектральная чувствительность GaP р-n перехода ограничена, в основном, фиолетовой полосой спектра с энергией фотонов 2,7<Ьу<3,1эВ, что обусловлено поглощением квантов на прямых межзонных переходах.

Показано, что твердые растворы AIo.5Gao.5P в исследованных структурах могут выполнять функцию эффективного разделителя оптического спектра на границе фиолетового и УФ полос и служить для пассивации лучевоспринимающей поверхности GaP р-n перехода.

Приведены расчетные и экспериментальные параметры световых характеристик ФЭП структур при освещении от имитатора солнечного света (соответствующего условию AMO). Выявлено, что за счет ослабления рекомбинационных потерь на поверхности узкозонной структуры спектральная чувствительность GaP р-n перехода в основной полосе поглощения улучшается по сравнению с известными GaP гомо р-n структурами.

Далее изучена возможность использования интегральных ФД для обнаружения и контроля флуктуации длины волны световых потоков дифференциальным методом. Для экспериментальных исследований выбраны интегральные ФД структуры с широкозонным AlxGa|.xP (х~0,2) и узкозонным GavInj.yP (уя0,73) р-n переходами. Эксперименты проводились на автоматических блочных газовых горелках. Особенностью режима работы горелки является изменение спектра излучения пламени как в сторону длинных, так и в сторону коротких волн в зависимости от скорости потока

газа. Показано, что наиболее эффективное управление и контроль режима работы газовой горелки достигается в широкозонном А1хОа|.хР р-п переходе за счет высокой селективной ФЧ в фиолетовой и ближней УФ полосах спектра и монотонной зависимости фототока р-п перехода от режима работы газовой горелки. При этом, ФД на основе узкозонного Сау1п|.уР р-п переходов могут служить в качестве опорных ФП при регистрации А1хОа|.хР р-п переходом фиолетового и ближнего УФ излучения.

Дальнейшие исследования посвящены изучению перспектив использования интегральных ФД структур для абсорбционного спектрофотомет-рического анализа концентрации диоксида азота в газовых средах, используя полосы поглощения Я« 0,45±0,01мкм и Я«0,56±0,01 мкм. Установлено, что интегральные ФД структуры с А1хСа|.хР и Оау1п|.уР р-п переходами позволяют определить содержание 1Ч02 газовой среде до пороговых концентраций 20 мг/м3. Пороговые концентрации анализируемого вещества, в основном, ограничиваются темновыми токами и величиной ФЧ образцов при Я.тах- Выявлено, что благодаря вертикальному расположению фотоактивных элементов по пути распространения светового потока влияние неоднородности распределения интенсивности излучения по площади структуры на пороговые параметры газоанализатора, ослабляется.

В конце главы предложена новая структура интегрального ФД, где широкозонный и узкозонный р-п переходы выполнены на основе твердых растворов А1о,б1по,4Р и Gao.51Ino.49P соответственно, а подложка - из пгпБе. Суммарная толщина слоев р- и п-типа проводимости в каждой р-п структуре вне области подложки не превышает суммы длины диффузии неосновных носителей заряда и толщины 003 р-п переходов, тыльная сторона узкозонной Gao.51Ino.49P р-п структуры покрыта отражающим омическим контактом.

Показано, что предложенная структура интегрального ФП позволяет обеспечить более полное разделение спектральных характеристик широко-и узкозонных р-п переходов, устраняет оптические перекрестные помехи в полосе разделения спектров, улучшает выделение из спектра излучения фиолетовых и УФ световых потоков благодаря использованию в качестве подложки и разделителя спектров кристалла с резким краем оптического поглощения, что способствует повышению эффективности контроля флуктуации длины волны света в исследуемых объектах.

На основе проведенных исследований были разработаны интегральные фотодиодные структуры с параметрами, приведенными в таблице.

Основные параметры фотоприемников, используемые в спектральном диапазоне 0,3...0,6 мкм

Параметры Б! фотодиод (ФД-К-142) -Г21 СёБ фото-, резистор (ФПФ-7А)[2] АЮаРЛЗаР/ Оа1пР фотодиод

1 Количество р-п переходов 1 1 2

2 Фоточувствительная

площадка, см2 0,43 0,14 0,02.. .0,05

3 Интегральная чувстви-

тельность, А/Вт 0,2 0,2 0,2.. .0,3

4 Диапазон спектральной

чувствительности, мкм 0,3...1,1 0,4...0,7 0,3.. .0,6

5 Длина волны максимума 0,55.. .0,59

чувствительности, мкм 0,72...0.85 0,55...0,60- 0,43... 0...45

6 Порог чувствительности,

Вт/Гц1/2 8 х10'12 1х Ю-'2 1x10

7 Быстродействие, с ю-7 2,4 10 8

8 Темновой ток, А 10"7 6x10"6 10 9

9 Рабочее напряжение, В 120 6 2.. 5

10 Диапазон рабочих

температур, К 213...358 213...358 213.. 600

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения интегральных ФД структур на основе р-пА^Оа^Р/пОаР/п-рОауЬиуР (0<х<0,5; 0,7<у<0,73) путем совмещения капиллярной жидкофазной эпитаксии и низкотемпературной диффузии акцепторных примесей из газовой фазы.

2. Впервые исследованы особенности формирования слоев рА1чОа|.хР и рОау1п|.уР в одном процессе низкотемпературной (750...850 К) диффузии цинка из газовой фазы. Выявлено, что процесс диффузии цинка из газовой фазы на широкозонных соединениях А1хСа|.хР и GayIni.jP подчиняется второму закону Фика и связан с диффузией примесей по междоузлиям.

3. Исследованы электрофизические и фотоэлектрические свойства интегральных ФД структур с А1хОа|.хР и Сау1п|.уР р-п переходами. Выявлено, что ограничение суммарной толщины узкозонного (базового) слоя в пределах длины диффузии неосновных носителей заряда ослабляет вклад рекомбинационной компоненты темнового тока.

Установлено, что наличие между широко- и узкозонной р-п переходами подложечного кристалла с шириной запрещенной зоны Ео|>Ее>Е03,

где Е0|, Ей - пороговые энергии прямого межзонного перехода носителей в широко- и узкозонном ПП соответственно, дополнительно ослабляет чувствительность узкозонного р-n перехода в полосе перекрытия спектров за счет усиления дифференциального поглощения света и способствует более полному разделению спектра ФЧ р-n переходов. Показано, что протяженность полосы минимума в спектре ФЧ интегральной ФД структуры линейно зависит от состава твердых растворов и расширяется с увеличением концентрации AIP и InP в AlxGa|.xP и GayIn|.yP.

4. Показано, что наличие отталкивающего квазиэлектрического поля градиента концентрации примесей на тыльном поверхностном слое гетеро-структур позволяет улучшить сбор фотогенерированных носителей р-п переходом. Выявлено, что присутствие тыльного отражающего" металлического контакта на расстоянии от р-n перехода, соизмеримого с длиной диффузии неосновных носителей заряда, увеличивает количество поглощенных фотонов за счет рециклирования их длинноволновой фотоактивной части в р-n структуре.

5. Впервые исследованы фотоэлектрические свойства двухпереход-ных n-pAlo,5Gao,5P/p-nGaP гетероструктур под световым воздействием солнечного излучения (AMO). Показано, что фотоэффект на двухпере-ходных ФЭП структурах на основе непрямозонных ПП Alo.5Gao.5P и GaP обусловлен, в основном, прямыми оптическими переходами носителей из валентной зоны в зону проводимости, позволяющими селективно преобразовать фиолетовые и УФ полосы солнечного спектра.

6. Установлено, что высокая селективная ФЧ GayIni.yP и AlxGa|.xP р-n переходов в фиолетовой и ближней УФ областях спектра позволяет использовать их для обнаружения, контроля и регулирования дрейфующих по длине волны коротковолновых световых потоков дифференциальным методом.

7. Исследованы возможности использования интегральных ФД структур в абсорбционных спектрофотометрических устройствах для анализа концентрации диоксида азота в газовых средах дифференциальным методом, используя подосы поглощения Xi«0,45±0,01 мкм, Л.2«0,56±,01 мкм. Показана применимость разработанных интегральных ФД с AlxGai.xP и Gaj.Iii|.yP р-n переходами для определения содержания NO2 в газовой среде до пороговых концентраций 20 мг/м3.

8. Впервые предложена структура интегрального ФД, где широкозонный и узкозонный р-n переходы выполнены на основе А1061п0,4Р и Gao.51Ino.49P соответственно, а подложка - из ZnSe, суммарная толщина слоев р- и п- типа проводимости в каждой р-n структуре вне области подложки не превышает суммы длины диффузии неосновных носителей

заряда и толщины 003 р-n переходов, тыльная сторона узкозонной Gao,5|In0>49P р-n структуры покрыта отражающим омическим контактом.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

I

1. ЮнусовМ.С., Абдурахманов Ю.Ю., Объедков Е.В., Абдурахма-нов Б.С., Ахмедова H.A. Термодинамический анализ устойчивости соединений А3В5 в трехкомпонентной жидкой фазе // Узбекский физический журнал, 1993, N 1,с.68-71.

2. Юнусов М.С., Абдурахманов Ю.Ю., Объедков Е.В., Ахмедова H.A., Абдурахманов B.C. Изотермическая жидкостная эпитаксия тонких (-1000А) Ga|.xAlxP слоев (модельное рассмотрение) // Узбекский физический журнал, 1993, N4, с.52-54.

3. Абдукадыров М.А., Абдурахманов Ю.Ю., Ахмедова H.A., Патга-хов A.A. Дифференциально-интегрально-фоточувствительные р-n структуры GaxIn|.xP/GaP для спектрального диапазона 0,3-0,6 мкм // Узбекский физический журнал, 1995, N2, с.89-91.

4. Абдукадыров М.А., Абдурахманов Ю.Ю., Ахмедова H.A., Патта-хов A.A. Дифференциально-интегральные фотоприемники на основе GalnP/GaP гетероструктур // ЖТФ, 1996, т.66, в.8. с. 197-199.

5. Абдукадыров М.А., Ахмедова H.A. Двухпереходные AlGaP/GaP фотопреобразователи для коротковолновой части солнечного спектра // Гелиотехника ,1998, N 4, с.31-35.

II

6. Абдукадыров М.А., Абдурахманова М., Ахмедова H.A., Буста-нов Х.Х., Маматкулов М. Предварительный патент Республики Узбекистан N 4928. "Переносная солнечная установка". Опубликован в "Расмий ахборотнома" 1998, N 1.

7. Абдукадыров М.А., Ахмедова H.A., Бустанов Х.Х., Исаев Р. Предварительный патент Республики Узбекистан N 4949. "Чувствительный элемент интегрального фотоприемника". Опубликован в "Расмий ахборотнома", 1998, N 1.

III

8. Абдукадыров М.А., Акбаров Н.Ф., Алаев A.A., Ахмедова H.A., Бустанов Х.Х., Ганиев A.C., Мирзабаев М. Полупроводниковые фотодатчики для системы контроля пламени // Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену, Ташкент, 1991, с. 172.

9. Абдурахманов Ю.Ю., Рахматуллаева М.Ф., Ахмедова H.A. Использование полупроводниковых фотоприемников для определения концентрации вредных веществ в газовой среде // Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену. Ташкент, 1991, с. 174.

10. Абдукадыров М.А., Ахмедова H.A., Ганиев A.C. Фотоприемники с транзисторной структурой для оптоэлектронных модулей спектрального

диапазона 0,8...0,9 мкм // Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции по проблемам развития и эксплуатации междугородной и международной телефонной связи в Республике Узбекистан. Ташкент, 1993, с.45.

11. Паттахов A.A., Ахмедова H.A. Электрические свойства p-nAlGaP-nGaP-n-pGalnP гетероструктур // Тезисы докладов Научно-технической конференции "Цифровизация сетей и систем связи республики". Ташкент, 1994, с.70.

12. Абдурахманов Ю.Ю., Паттахов A.A., Ахмедова H.A. Фотоэлектрические свойства p-nAlGaP/nGaP/n-pGalnP гетероструктур // Тезисы докладов Научно-технической конференции "Цифровизация сетей и систем связи республики". Ташкент, 1994, с.71.

13. Абдукадыров М.А., Акбаров Н.Ф., Ахмедова H.A., Бустанов Х.Х., Паттахов A.A. Исследование фотодиодов со структурой n+GaAs-n°GaAs-p+AlGaAs // Тезисы докладов 1 - Международной конференции молодых физиков по твердотельной электронике. Наманган, 1994, с.82.

14. Абдурахманов Ю.Ю., Абдукадыров М.А., Ахмедова H.A., Объедков Е.В. Электрические и фотоэлектрические свойства AlGaP/GaP/GalnP р-п гетероструктур // Тезисы докладов I Международной конференции молодых физиков по твердотельной электронике. Наманган, 1994, с.88.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Бузанова Л.К., Глиберман А.Я. Полупроводниковые фотоприемники. - М.: Энергия, 1976, 64 с.

2. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения. Справочник.- М.: Радио и связь, 1987,296 с.

3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984, кн.2,

456 с.

4. Техника оптической связи: Фотоприемники // Пер. с англ. под ред. У.Тсанга,- М.: Мир, 1988, 526 с.

5. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. -М.: Энергоатомиздат, 1984, 208 с.

6. Алферов Ж.И., Арсентьев И.Н., Гарбузов Д.З., Румянцев В.Д., Улин В.Д. О предельных значениях энергии генерации инжекционных GalnPAs гетеролазеров работающих в желто-зеленой области спектра при 77 К // Письма в ЖТФ, 1976, Т.2, в.11, с.481-483.

7. Абдурахманов Ю.Ю., Бессолов В.Н.,. Именков А.Н., Поссе Е.А., Царенков Б.В., Яковлев Ю.П. Спектры фоточувствительности варизонных Ga,.xAlxP р-п структур//ФТП, 1983, Т.17, с.125-128.

8. Марина Л.И., Нашельский А.Я., Колесник Л.И. Полупроводниковые фосфиды AnlBv и твердые растворы на их основе. -М.: Металлургия, 1974,232 с.

КПСКАЧА МЛЗМУНИ

Дисеертацияда p-n A]x.Ga,.xP/nGaP/n-pGayIn,.yP (0<х<0,5; 0,7<у<0,73) ва p-nAI() (jliigjP/nZnSc/n-pGao^glno 5]Рлар асосмдагн интеграл фотока-бу.-щилгпчларпннг тузилмаси таклиф цилиигаи булиб, у р-н утшплар оралнрнга тацнкланган зонасшшнг кенглиги E0i>E„>E02 ораликда булган хажмни ярпмутказгнч кпрптишга асослангап, бу ерда Е0| Е02 - мое ра-вишда кенг па тор .зоналн яримутказгнчларда заряд ташупчиларнпнг зоналараро тугридан-тугри утнишдаги зиг нам эпергнялар.

Фотосезгир p-nAIxGa].xP/nGaP/n-pGayIri].yP гетсротузилмаларни cyioi\ фазали капилляр эпнтаксня па газ ())азасидан аралашмалар диффу-з'пясини бирлаштпрнш нули бплан олшн техпологияси ишлаб чицплдп.

Газ фазасидан рухнпнг паст (<800К) хароратли диффузпясн 6n¡>-ла.мчн яримутказгичннпг нкки то.монндан бнр ва^тда р-турдаги утка-зувчанлнкка ora булган субмикрон катламлар олнш мумкннлпгн курсатнлдн.

Интеграл фотодиод тузилмаларининг р-n утпшларнда фотоге-нерацияланган ташувчиларнинг самаралн нипипшига аралашмаларшшг газ фазасидан диффузпясн жараёиида гетеротузнлманннг мое рапишда олд ва орца томонларида аралашмалар граднентпнппг тезланувчан ва кайтарупчан квазнэлектрпк майдонларининг ташкил топншп ёрда.м бершнн курсатнлдн.

Тор зоналп катллм умумпи калпнлнпшппг асосий булмагап заряд ташувчпларнинг диффузия узунлиги оралишда чекланишн ^оронкулпк токи рекомбинанион ташкил этувчненшшг улушнни суеаитирншп ха.мда ютилпш чсгараси якшшда р-н \тшинннг фотосезувчанлиппш орка томондагн омпк контактдан каптгап фотофаол узун тулкннлн фотонларнпнг цайта ютилшин хнеобпга ортнпш аннкланди.

p-nAlxGai_xP/nGaP/n-pGavIii|.vP гетеротузилма фотоссзувчанлик спектридаги лиг нам оралиц кенглиги цаттпц аралашмадагн AIP мнцдорининг усиши бплан кепгзоналп р-n утнш фотосезупчанлпк

макснмумшшнг циска тулкиплар тара<|)га сурилшпп оцибатида ортнпш урнатплдп.

AlxGai.xP па GavIiij_vP р-н утишларшшнг бнна(|)ша па яцнн YB нурлашппларнга селектин ФС ёр\тлпк оцпмлари тулкин узунлигн флукту-ацияеп шароитпда писца тулкимлп нурларшг цаид дплшпга имкон бериши курсатнлдн.

AlxGa].xP/GaP/GavInvP (фотодиод гстеротузнлмалариииг абсорбцион газоаиалпзаторларда газ му.чптидаги лиг кам мнадорп 20мг/м,! гача булган азот днокенди молскулаларнни аппклаш учун ёругликни еезунчи ен(|)атида цулланинш курсатнлдн.

SUMMARY

In this work suggested structures of integral photodetectors on the base of p-nAlxGa,.xP/nGaP/n-pGayIn,.yP (0<x<0,5; 0,7<y<0,73) and p-nAlo,6In0,4P/ /nZnSe/n-pGao 5|Ino.49P based on amplification of differential light absorption at putting between p-n junction of bulk semiconductor with prohibite width range Eoi>Eg>Eo2, where E0|, E02 are threshold energy of direct interzone junction of carriers in wide and narrow semiconductors appropriately.

The technology of getting photosensitivity p-nAlxGa:.xP/nGaP/n-pGayIn|.yP heterostructures by combining capillary liquid epitaxy and diffusion of impuries from gas phase is developed.

It is shown, that low temperature (<800K) diffusion of zinc from gas phase enables to form submicrone layers of p-type conductance simultaneously from both sides of originating semiconductor.

It is shown, for efficient gathering of photogenerating carriers in p-n junction of integral photodiode structures promote the creation of impurities in diffusion process from gas phase of accelerating and reflecting quasi-electrical fields end of impurities concentration on front and rear areas of heterostructures appropriately.

It is cleared, that limitation of summary thickness of mentioned layers in the range of the one. diffusion length of not main charge carriers weaken contribution of recombination component of dark current and increase photosensitivity of p-n junction near the edge of absorption for account of recycling of reflected from rear ohmic contact photoactive long-wave photons.

It is set, that extent of band of minimum in the range of photo-sensitivitv p-nAlxGai.xP/nGaP/n-pGayIni_yP heterostructures increase with growth of contents in solid solution because of shift of photo-sensitivity maximum of wide area p-n junction to short wave area.

It is shown, that selective of p-n AlxGa|.xP and GayIni_yP junction of violet and near to ultraviolet radiation enables to register short wave optical signals in conditions of fluctuation of wave length of light streams.

It is shown the application area of photodiode AIxGa^P/GaP/Gaylni^P heterostructures in. absorption spectrometer devices for determination of molecules ofNC>2 in gas spheres with threshold concentration 20mg/m3.