Электрофизические и спектральные характеристики трехбарьерного фотодиода на основе арсенида галлия

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НПО «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ» им. С.А.АЗИМОВА

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.В.СТАРОДУБЦЕВА

На правах рукописи

УДК 621.315.592

Зоирова Лола Хамидовна

Электрофизические и спектральные характеристики трехбарьерного фотодиода на основе арсенида галлия

01.04.10 – Физика полупроводников

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

ТАШКЕНТ –2010

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. С.В. Стародубцева НПО “Физика-Солнце” им. С.А. Азимова АН Республики Узбекистан

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Каримов Абдулазиз Вахитович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бахадырханов Мухаммадкабир Саидхонович

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Матчанов Нуриддин Азатович

Ведущая организация:

Национальный университет Узбекистана

Защита состоится «______» ____________2010 г. в ________ часов на заседании Специализированного совета Д.015.08.01 при Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз по адресу: 100084, г. Ташкент, ул. Бодомзор йули 2Б. Тел: (8-10-99871)- 233-12-71. Факс: (8-10-99871)-233-42-91. Е-mail: lutp@uzsci.net

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз

Автореферат разослан «_______» ________________2010 г.

Ученый секретарь Специализированного совета Д.015.08.01 доктор технических наук

Турсунов М.Н.

1. Общая характеристика диссертации

Актуальность работы. На современном этапе развитие оптоэлектроники и систем телекоммуникации связано с изучением эффектов взаимодействия между оптическим излучением и электронами вещества, и охватывает проблемы создания оптоэлектронных приборов, в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, хранения и отображения информации. Предстоящие задачи оптоэлектроники и систем телекоммуникации - миниатюризация элементной базы, интеграция элементов и функций, ориентация на специальные технологии и материалы. Исключительно важны и перспективны для оптоэлектроники гетероструктуры, в которых внутри единой структуры контактируют полупроводники с различными значениями ширины запрещенной зоны. При использовании гетеропереходов реализуются те приборы, которые невозможно получить на основе гомопереходов. Так в гомо p-n-переходе толщину переходной области практически невозможно сформировать меньше диффузионной длины или осуществить инжекцию носителей в заданном направлении, перераспределить напряженности электрических полей в p- и n-областях, управлять коэффициентом поглощения фотонов. Распределение электрического поля и потенциала в области пространственного заряда для гетероперехода такое же, как и в случае p-n-перехода, но с различными значениями диэлектрических постоянных для p- и n-областей. Функциональная зависимость электрического поля и потенциала в области пространственного заряда гетероперехода от координаты будет соответственно линейной и квадратичной, как и в случае p-n-перехода. Различные значения диэлектрических постоянных и приводят к скачку электрического поля в гетеропереходе на металлургической границе. В этом случае, согласно теореме Гаусса, то есть в индийсодержащих гетерослоях, перспективных для оптоэлектроники, изменяя параметры образующих гетеропереход области можно управлять функциональными свойствами полупроводниковых приборов на его основе. При этом за счет корреляции толщины фотоприемного гетерослоя можно выйти на область максимального поглощения для выбранного спектрального рабочего диапазона.

В связи с этим установление физической природы процессов протекающих в областях объемного заряда гетероперехода на основе арсенида галлия и его соединений, а также исследование влияния выпрямляющих барьеров на токовые и спектральные характеристики трехбарьерной структуры с различным составом гетерослоя является актуальной задачей.

Степень изученности проблемы. К настоящему времени скопилось большое количество научных работ посвященных исследованию электрофизических свойств гетеропереходов и гетероструктур на основе соединений АВ, однако в них не рассматриваются электронные процессы происходящие при последовательном соединении двух-трех потенциальных барьеров применительно к конкретному гетеропереходу (например, AlGaInAs-GaAs). В частности, в работах [1,2] изучена зависимость электрических характеристик структур с барьером Шоттки на основе арсенида галлия от материала барьерообразующего контакта из Pd, Pd+Ni+W и показано, что любые взаимодействия металла с полупроводником ответственны за искажения электрических характеристик приборов с барьером Шоттки. В работе [2] показано, что создание охранного кольца к барьеру Шоттки приводит к образованию дополнительного барьера Шоттки между металлом и областью р-типа включенного последовательно к р-n-переходу. В результате большая часть приложенного напряжения оказывается на дополнительном барьере Шоттки. Как отмечено в работе [3], создание выпрямляющих контактов металл-полупроводник-металл к гетерослою GaInAs приводит к сильной неоднородности электрического поля, приводя к снижению быстродействия МПМ фотодиода. На основании исследования фотоэлектрических характеристик трехбарьерной m-n-р-m-структуры с гетеропереходом nAlGaAs-рGaAs [4] показано, что в режиме запирания гетероперехода охват квазинейтральных областей гетерослоя объемным зарядом приводит к повышению фоточувствительности в видимой области спектра 0.5-0.9 мкм. Пути достижения поставленной цели – расширение функциональных возможностей полупроводниковых приборов в известных работах осуществляются различными способами. Широкомасштабные работы ведутся школой Ж.И. Алфёрова по созданию эффективных полупроводниковых солнечных элементов, светодиодов, лазеров, фотодиодов за счет применения гетеропереходов [5]. Путем введения конструктивных изменений группой С.В.Аверина, Н.М. Ушакова создаются фотодиодные структуры на основе перехода металл-полупроводник, металл-полупроводник-металл, в которых изучаются эффекты усиления фототока и механизмы токопереноса [3]. На основе интегрирования полупроводникового p-n-перехода и перехода металл-полупроводник группой А.В. Каримова проводятся исследования фотодиодных, транзисторных структур по уменьшению их темновых токов, процессов модуляции базовых областей рабочим напряжением [6,7]. По изучению свойств барьеров металл-полупроводник на основе твердых растворов SiGe определенные результаты достигнуты группой И.Г. Атабаева [8].

Результаты выше проводимых работ указывают на то, что в фотодиодных структурах на инжекционном усилении спектральные характеристики определяются примесными уровнями базовой области. Однако, плавное управление их спектральной областью в необходимом для оптоэлектроники диапазоне практически невозможно. Кроме того, в инжекционных фотодиодах требуемые низкие значения темновых токов получаются за счет их использования при температурах ниже комнатной. При этом в трехбарьерной m1-p-n-m2-структуре изменение состава гетерослоя от широкозонного до узкозонной приводит к смене области спектральной чувствительности. Однако эти работы не отражают закономерности влияния на электронные процессы поэтапного формирования к гетеро р-n-переходу фотодиодной структуры дополнительных потенциальных барьеров металл-полупроводник и изменения состава гетерослоя.

Таким образом, известные к настоящему времени работы не содержат сведений о физико-технологических путях создания структур специального назначения и процессах протекающих в областях объемного заряда гетеропе-рехода, полезных для выяснения природы токовых и спектральных характеристик фотодиодной структуры с различным составом гетерослоя и количеством потенциальных барьеров, что является актуальной задачей на сегодня.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР. Работа выполнена в Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» АН РУз в рамках Государственной программы научно-исследовательских работ РУз ГНТП № А-6-049 «Разработка технологии изготовления полупроводниковых фотоэлектропреобразователей с избирательной фоточувствительностью» и ФПФИ № 01-06 «Исследование влияния полевых эффектов на физические процессы в потенциальных барьерах».

Целью диссертационной работы является установление механизмов определяющих физические процессы, протекающие в областях объемного заряда гетероперехода на основе арсенида галлия и его соединений, а также изучение влияния выпрямляющих барьеров на токовые и спектральные характеристики трехбарьерной структуры с различным составом гетерослоя.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

-изучить физические процессы, возникающие в арсенидгаллиевых диодных структурах с барьером металл-полупроводник и интегрированным гетеропереходом (AlGa)InAs-GaAs при воздействии светового излучения;

-определить механизмы токопереноса и спектральной чувствительности р(AlGa)InAs-nGaAs гетероструктуры с последовательно соединенными потенциальными барьерами.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются фотодиодные Au-nAlGaAs-рGaAs-Ag, Au+Zn-p(AlGa)InAs-nGaAs-Au, Au-p(AlGa)InAs-nGaAs-Ag-структуры, изготовленные методом жидкостной эпитаксии. Предметом исследования являются физические процессы и механизмы токопереноса, а также закономерности формирования спектральных характеристик трехбарьерной фотодиодной структуры.

Методы исследований:. экспериментальные методы снятия вольт-амперных, вольт-емкостных и спектральных характеристик. Методики определения характеристических параметров на основе экспериментальных данных токовых, спектральных и емкостных измерений, а также анализ полученных экспериментальных данных.

Гипотеза исследования базируется на возможности изменения спектральной характеристики посредством увеличения количества последовательно соединенных потенциальных барьеров и состава гетерослоя в трехбарьерной фотодиодной структуре.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Физико-технологические критерии варьирования количества индия в гетерослое обеспечивающий возможность создания фотоприемников для фиолетового, инфракрасного, а также уплотненного спектрального диапазона оптических систем с рабочим напряжением от 2 до 70 В.

2. Технология получения алюминий-индийсодержащего гетерослоя на основе арсенида галлия обеспечиваюший подавление инжекции темновых основных носителей в базу гетероперехода рAlGaInAs-nGaAs, который позволяет получить преобладание примесного фототока над собственным за счет создания выпрямляющего барьера к гетерослою.

3. Механизм токопереноса в трехбарьерной Au-pAlGaInAs-nGaAs-Ag-структуре обусловленный генерационными процессами с участием примесных уровней и истощением электронов в базовой области, а также генерацию неосновных носителей в области объемного заряда запираемых барьеров.

4. Динамика изменения спектральных характеристик во взаимосвязи с составом гетерослоя и модификацией гетероперехода последовательно соединенными потенциальными барьерами.

Научная новизна:

1. Впервые разработаны трехбарьерная структура на основе гетероперехода рAlGaInAs-nGaAs и показана роль выпрямляющих барьеров в расширении спектрального диапазона в длинноволновую область.

2. Впервые предложены принципы создания трехбарьерных фотодиодных Au-рAlGaInAs-nGaAs:О-Ag-структур, основанные на варьировании количества индия и алюминия в гетерослое для различного назначения.

3. Экспериментально показано, что при возбуждении Au-рAl0.08Ga0.82In0.1As-nGaAs-Ag-структуры со стороны гетерослоя создаются высокие значения фототока, обусловленные мелким залеганием области разделения фотоносителей и поочередным сужением квазинейтральной части гетерослоя слоем объемного заряда запираемых переходов, когда пропорционально толщине области объемного заряда возрастает фототок.

4. Экспериментально показано, что в фотодиодной структуре увеличение толщины гетерослоя до размеров в два раза больших диффузионной длины может привести к низким значениям обратного тока перехода металл-полупроводник по сравнению с обратным током гетероперехода, что объясняется улучшением границы металл-полупроводник и сменой термоэлектронного механизма генерационным.

Научная и практическая значимость результатов исследования. Результаты и выводы диссертации способствуют расширению физических представлений о процессах протекающих в области объемного заряда металлополупроводникового перехода одно и двухбазовых гетеропереходных структур при полевых и оптических воздействиях. На основе этих результатов предлагается возможность управления спектральной чувствительностью фотодиодной структуры на основе гетероперехода p(AlGa)InAs-nGaAs в видимой и инфракрасной областях спектра, перспективных для приема и обработки оптических сигналов.

Практическое значение полученных результатов состоит в том, что предлагаемые рекомендации упрощают процесс согласования выходных параметров фотоприемника с входными параметрами усилительного каскада фотоприемных устройств оптоэлектроники и систем телекоммуникации.

Реализация результатов. Полученные результаты являются основой для разработки фотоприемных устройств для приема и передачи оптического сигнала в научно-производственных объединениях АН РУз и других приборостроительных организациях.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и республиканских научных конференциях «Ломоносов-2006» (Москва, 2006); «Современные информа-ционные и электронные технологии (СИЭТ)» (Одесса, 2006); «Оптическая и беспроводная связь» (Ташкент, 2006); «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2006); «Неравновесные процессы в полупроводниках и в полупроводниковых структурах» (Ташкент, 2007); «Ломоносов-2007» (Москва, 2007); «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» (Ташкент, 2007); «Современные информационные и электронные технологии (СИЭТ)» (Одесса, 2008); «Ломоносов-2008» (Москва, 2008), на объединенном семинаре при Специализированном совете Физико-технического института НПО “Физика-Солнце” АН РУз.

Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 5 статей, 9 докладов в трудах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и 2 приложений. Она изложена на 117 страницах, включая 59 рисунков и 8 таблиц.

2. Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность проблемы и темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературных данных по выбору характеристических параметров базовых и квазинейтральных областей для формирования гетеропереходов в зависимости от функционального назначения. Проанализированы особенности излучения и приема оптических сигналов в полупроводниковых гетероструктурах, а также основные параметры, характеризующие электронные процессы в области пространственного заряда барьера Шоттки. Обсуждаются некоторые особенности фотоэлектрических свойств фотодиодов на основе элементарных полупроводников и соединений А3В5.

Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию влияния состава гетерослоя на перераспределение электрического поля и толщины обедненных слоев гетероперехода, исследованию влияния запираемых барьеров на механизмы токопереноса, а также спектрального диапазона трехбарьерных структур в зависимости от состава гетерослоя.