авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Электрические и фотоэлектрические явления в гетероструктурах и диодах шоттки на основе полупроводников a3b5 и кремния и их применение в сенсорах водорода

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

САЛИХОВ Хафиз Миргазямович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ И ДИОДАХ ШОТТКИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ A3B5 И КРЕМНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СЕНСОРАХ ВОДОРОДА

специальность 01.04.10 – физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской Академии наук.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Яковлев Юрий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор – Конников Семен Григорьевич

доктор физико-математических наук, профессор - Воробьев Леонид Евгеньевич

доктор технических наук, профессор – Тришенков Михаил Алексеевич.

Ведущая организация: Казанский Государственный Университет.

Защита состоится «10» июня 2010 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.01 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29, учебный корпус II, ауд. 470.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный политехнический университет ”.

Автореферат разослан ___ марта 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Коротков А.С.

Общая характеристика работы

Актуальность темы: В течение последних десятилетий интенсивное исследование полупроводников A3B5, их соединений и гетероструктур привели к бурному развитию
оптоэлектроники и созданию широкого класса полупроводниковых приборов, включая светодиоды, лазеры, фотодетекторы, транзисторы, солнечные элементы и др. Перспективными для экологического мониторинга являются приборы ближнего и среднего
ИК-диапазона (1-5 мкм) на основе InAs, InP, InSb, GaSb и их твердых растворов,
поскольку в этом диапазоне лежат полосы поглощения основных природных и промышленных газов. Поиски путей улучшения параметров таких приборов и расширения
их функциональных возможностей требуют детального изучения фундаментальных
процессов рекомбинации и переноса носителей, исследования электрических
и фотоэлектрических явлений в кристаллах и гетероструктурах. И хотя исследованию
материалов и гетероструктур на основе полупроводников A3B5, а также структур
на основе Si посвящено значительное число работ, однако целый ряд физических явлений, связанных с протеканием тока через гетерограницу и границу металл-полупроводник,
механизмы рекомбинации носителей, изучение поведения носителей под воздействием света и электрического поля, контактных явлений на интерфейсе и других оставался
в значительной степени слабо изученным. Эти исследования важны как для улучшения параметров существующих оптоэлектронных приборов, так и для создания новых типов сенсоров.

В последние годы в связи с проблемой глобального потепления основное внимание мирового научного сообщества обращено к поискам альтернативных источников энергии, при этом возник стойкий интерес к развитию водородной энергетики.



Важность этой проблемы была отмечена в 2006 г. в Столетнем Меморандуме,
обращенном к главам ведущих держав (Великобритания, Германия, Италия, Канада,
Россия, США, Франция) и подписанном ведущими учеными и специалистами в области водородной энергетики [1]. Меморандум призывает эти страны обратить серьезное
внимание на развитие и поддержку водородной энергетики и включение ее в свои рабочие программы. В этом плане важными представляется разработка топливных элементов, проблема транспортировки и хранения водорода, а также создание различного типа
сенсоров водорода и водородосодержащих газов, способных регистрировать как утечки водорода, так и обеспечить безопасность окружающей среды.

В рамках настоящей работы существенное внимание было уделено также поискам новых методов регистрации водорода и водородосодержащих газов, что и явилось одним из побудительных мотивов для постановки данной работы. Для этой цели были детально исследованы электрические и фотоэлектрические явления и механизмы в структурах
и диодах Шоттки на основе полупроводников A3B5 и кремния, в том числе с палладиевыми контактами. Это позволило не только изучить фундаментальные физические процессы на интерфейсе сложных гетероструктур и диодов Шоттки и обнаружить ряд новых
эффектов, но и предложить новый чувствительный фотоэлектрический метод регистрации водорода. Исследование влияния факторов окружающей среды на механизм переноса темновых и световых носителей в диодных структурах представляло интерес не только
в отношении стабильности электрических и фотоэлектрических характеристик,
но и выявление их потенциальных возможностей с целью создания новых типов приборов и устройств. На основе данного комплексного исследования был предложен новый
фотоэлектрический метод детектирования водорода и водородосодержащих газов, а также созданы экспериментальные макеты оптоэлектронных сенсоров на основе фотодиодов
и светодиодов полупроводников A3B5 для экологического мониторинга и охраны
окружающей среды.

Все вышеперечисленное и определило актуальность темы и обусловило постановку данной диссертационной работы.

Целью работы являлись фундаментальные исследования,
электрических, рекомбинационных и фотоэлектрических явлений в кристаллах и диодных структурах на основе полупроводников A3B5 и кремния и применение их для создания
на их основе сенсоров нового типа для задач водородной энергетики и охраны
окружающей среды.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

проведения исследований электрических свойств полученных структур и механизмов протекания тока на гетерограницах структур различного типа;

экспериментальных исследований фотоэлектрических и рекомбинационных свойств кристаллических и диодных структур на основе InAs и InAsSbP в зависимости
от концентрации носителей и температуры;

разработки технологии структур металл-полупроводник на основе p-InAs, n(p)-InP, InGaAs, a также Si с использованием в качестве контактов диодов Шоттки Au и Pd,
а также создания гибридных структур диод Шоттки – изотипный гетеропереход;

исследования фотоэлектрических явлений в гетероструктурах и диодах Шоттки
на основе полупроводников A3B5 и Si с палладиевыми контактами, в том числе, в зависимости от влияния окружающей среды (водорода и влажности);

исследования потенциальных возможностей прикладных применений результатов научных исследований для создания сенсоров водорода и водородосодержащих газов,
а также оптоэлектронных сенсоров.

Объекты и методы исследования

Объектами исследований являлись кристаллы и гетероструктуры соединений A3B5 InAs, InP, InAsSbP, а также сложные структуры на основе Si-SiO2 и пористого кремния
с палладиевыми контактами. В работе применялись комплексные методы исследования электрических, рекомбинационных и фотоэлектрических характеристик, а также методики исследования влияния водорода и влажности на параметры исследуемых структур.
Это позволило изучать детали физических процессов в исследуемых системах. Объектами исследования являлись также макеты фотоэлектрических и оптоэлектронных сенсоров
водорода, водородосодержащих газов и влажности, созданных на основе изученных
материалов и структур.

Научная новизна работы

Состоит в обнаружении и исследовании новых физических эффектов. Проведены комплексные экспериментальные и теоретические исследования фотоэлектрических
и рекомбинационных явлений и механизма протекания тока в кристаллах и сложных
гетероструктурах с барьерами Шоттки на основе полупроводников A3B5 и Si.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

обнаружено, что сильное изменение фотоэдс в атмосфере водорода
в структурах на основе InP, InGaAs, Si с палладиевым контактом, превышающее
на один-два порядка изменение темнового тока, связано с увеличением или понижением высоты барьера диода Шоттки, что важно для практических применений,

установлено, что изменение фотоэдс в атмосфере водорода в структурах
Pd-SiO2-n(p)Si с туннельно-тонкими слоями SiO2 составляет 2-3 порядка величины
и на 2 порядка превышает изменение темнового тока. Фотоэдс изменяется главным
образом из-за изменения высоты барьера вследствие перезарядки на границе Pd-SiO2,

установлено, что изменение фотоэдс в диодных структурах с палладиевым
контактом на основе n-InP и n-InGaAs существенно выше, чем изменение электрических характеристик (прямого или обратного тока), что принципиально важно для создания
сенсоров водорода с использованием фотоэффекта,

определены времена жизни носителей зарядов для процессов межзонной
излучательной и безызлучательной рекомбинации, связанные с переходом носителей
в зону проводимости (CHCC процесс) или в спин-орбитально отщепленную валентную зону (CHSH) для объемных материалов InAs и твердых растворов InAsSbP,

установлено, что в эпитаксиальных структурах InAsSbP c p-n переходом механизм токопереноса обусловлен двумя составляющими: при низких температурах – рекомбинацией в области объемного заряда, а при высоких (T>200 K) – диффузией носителей,

определены параметры оптимизации обнаружительной способности фотодиодных структур на основе InAs. Проведен расчет произведения R0A в зависимости от температуры и концентрации носителей в плавных и резких p-n переходах,

в диодах Шоттки Au-p-InAs определена высота барьера B и установлена
ее зависимость от концентрации носителей и температуры,

разработаны основные элементы технологии создания гетероструктур на основе n(p)-InP, InGaAs, Si и диодов Шоттки с палладиевыми контактами,

показано, что механизм токопереноса в сложных диодных структурах на основе
n- и p-InP с промежуточными слоями (n-InP-n-In2O3-P2O5-Pd) обусловлен туннелированием носителей через барьер Шоттки и глубокие центры,

показано, что в диодных структурах на основе пористого кремния Pd-porSi
темновой ток обусловлен двойной инжекцией. Обнаружены большие времена релаксации фотоэдс при воздействии водорода, которые могут быть использованы в топливных
микроэлементах и электронных элементах памяти.

Научная и практическая значимость работы

Научная и практическая значимость работы обусловлена тем, что совокупность
полученных в ней результатов представляет собой решение ряда проблем, важных
как в фундаментальном, так и в практическом отношении. В фундаментальном плане
проведены комплексные исследования электрических, рекомбинационных и фотоэлектрических свойств в полупроводниках A3B5 и Si и гетероструктурах на их основе. Детально изучен механизм токопереноса в диодах Шоттки и сложных гетероструктурах на основе соединений A3B5 и Si. Впервые изучено влияние палладиевых контактов на фотоэлектрические свойства исследуемых структур, что привело к новым практическим применениям. Наши исследования диодных структур на основе полупроводников A3B5 и кремния
впервые выявили общую закономерность, состоящую в том, что изменение фотоэдс
во всех изученных структурах с палладиевым контактом в газовой смеси с водородом
на порядок больше, чем изменение электрических характеристик (прямого и обратного токов). Это позволило предложить новый чувствительный фотоэлектрический метод
регистрации водорода и водородосодержащих газов.

В работе предложен также новый физический подход к расширению
функциональных возможностей полупроводниковых приборов, в том числе, созданию сенсоров двойного и тройного назначения. Предложены сенсоры водорода, влажности
и водородосодержащих соединений нового типа на основе фотовольтаического эффекта
в сложных гетероструктурах и диодах Шоттки с палладиевыми контактами, перспективные для решения задач водородной энергетики. Разработаны также экспериментальные оптоэлектронные портативные сенсоры метана и оригинальный анализатор содержания воды в нефти. Результаты исследований могут быть использованы также при разработке оптоэлектронных приборов для задач экологического мониторинга, медицины и других применений.





Научные положения, выносимые на защиту

  1. В объемных кристаллах InAs время жизни неравновесных носителей при высоких температурах T300 K и больших концентрациях носителей (n0, p0>1016 см-3)
    лимитировано Оже-рекомбинацией, при этом преобладает процесс с переносом
    дырки в спин-орбитально отщепленную зону (CHSH процесс). При низких
    концентрациях носителей (n0,p0<1015 см-3) доминирует межзонная излучательная рекомбинация.
  2. В эпитаксиальных структурах с p-n переходом на основе твердых растворов InAsSbP токи через переход в области прямых смещений определяются двумя составляющими: при низких температурах (T<200 K) и малых смещениях – рекомбинацией носителей в области пространственного заряда. При высоких температурах (T>200 K) существенным становится вклад диффузионной компоненты, обусловленный рекомбинацией носителей в нейтральной области.
  3. Механизм протекания тока в диодах Шоттки Au-p-InAs определяется генерацией-рекомбинацией при концентрации носителей p=1016-1017 см3, а при низких концентрациях – туннелированием через глубокие центры.
  4. Впервые обнаруженное сильное изменение фотоэдс в атмосфере водорода
    в структурах палладий-полупроводник (InP, InGaAs, GaP, Si), превышающее
    на один-два порядка изменение темнового тока, происходит. главным образом,
    за счет изменения высоты барьера диода Шоттки (увеличение или понижение),
    что может быть использовано для детектирования водорода.
  5. Усиление фототока при обратном смещении в структурах на основе Pb-SiO2-n-Si
    с туннельно-тонким слоем диэлектрика обусловлено увеличением туннельного тока между металлом и полупроводником вследствие наличия сильного электрического поля в области пространственного заряда (E>104 В/см).
  6. Перенос тока в диодах Шоттки на основе пористого кремния Pd-por-Si обусловлен двойной инжекцией электронов из подложки n-Si через гетерограницу в пористый слой и дырок через барьер Шоттки. Долговременная релаксация фотоэдс
    и темнового тока при воздействии водорода (до 10-15 мин) обусловлена перезарядкой глубоких уровней в слое пористого кремния. Этот эффект может быть использован в устройствах памяти и накопления водорода в микротопливных элементах.
  7. Предложен новый тип фотоэлектрических сенсоров водорода и водородосодержащих соединений, использующих изменение фотоэдс в диодах Шоттки и гетероструктурах на основе полупроводников A3B5 и Si.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы были доложены на 2ом Международном Форуме по Нанотехнологиям RUSSNANOTECH, Москва 6-8 октября 2009 г.; 16th Int. Conference IMECO–TC2, Prague, Czech. Rep., 25-27 August, 2008; Международной конференции
SPIE-Europe “Optical Sensors and Applications”, Czech. Rep., Prague, 2007; Первой и Второй Российских конференциях по водородной энергетике, Санкт-Петербург, 2004 и 2005 гг.; XVI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, 2000; 2nd Intern. Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, Slovakia, Smolenice, 1998; Международной конференции Infrared
Spaceborn, Remote Sensing V, Boston, USA, 1997; Научно-технических конференциях
командно-инженерного училища (ВАКИУ), Казань, 1984, 1987, 1995, 1996 и 1997 гг.;
Всесоюзной конференции «Фотоэлектрические явления в полупроводниках», Ашхабад, Туркмения, 1991 г., а также на научных семинарах Физико-Технического института им. А.Ф. Иоффе РАН и кафедры физики Казанского филиала Санкт-Петербургского
артиллерийского университета; Всесоюзной конференции «Тройные полупроводники
и их применение», Кишинев, 1984. Результаты работы как в целом, так и отдельные
ее части докладывались также на семинарах и научно–технических совещаниях
на кафедре общей физики в Казанском инженерном училище им. М.Н. Чистякова
и на семинарах в Физико–Техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской Академии Наук.

Публикации

Список публикаций автора по теме диссертации, включающий 36 печатных работ
в рецензируемых изданиях, 22 публикации в материалах научно-технических сборников и научных конференций и 1 монографию, приведен в конце диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 277 страниц, включая 139 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 59 наименований авторских публикаций и 131 наименование цитируемой литературы.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель
и научная новизна работы, перечислены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены излучательные и безызлучательные процессы
в кристаллах арсенида индия n- и p- типа с различной концентрацией носителей заряда
и проведено сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими.
Исследованы фотопроводимость и фотомагнитный эффект, и проведена оценка времен жизни неосновных носителей тока. Показано, что преобладающим механизмом безызлучательной рекомбинации являются для n-InAs процесс с переносом избыточного электрона в зону проводимости (CHCC процесс) и процесс с участием дырки из спин-орбитально отщепленной зоны (CHSH–процесс) для p-InAs. Установлено, что основным механизмом излучательной рекомбинации является межзонная рекомбинация. Показано, что при высоких температурах T>300 K
и больших концентрациях
(n0, p0>1016 см-3) время жизни лимитировано безызлучательной Оже-рекомбинацией,
при этом преобладает процесс, обусловленный участием спин-орбитально отщепленной
зоны. При низких концентрациях преобладает излучательный механизм рекомбинации. Полученные результаты согласуются с данными теоретических работ [3,4]. Сравнительные значения температурной зависимости времен излучательной R и безызлучательной A рекомбинации представлены на рис. 1.

В данной главе приведены также расчеты произведения R0A (дифференциального сопротивления в нуле смещения R0 на площадь A диодной структуры)
в InAs p-n переходах с учетом различных механизмов протекания тока для резких
и плавных p-n переходов [A12] в зависимости от температуры и уровня легирования. Этот важный параметр позволяет прогнозировать эксплуатационные характеристики инфракрасных детекторов излучения [5].



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.