ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

СКЛЯРчук

ОЛЕНА ФЕДОРІВНА

УДК: 537.311.322:53.082.52

621.383.52

ОСОБЛИВОСТІ МЕХАНІЗМІВ ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ,

ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ І ЛЮМІНЕСЦЕНТНИХ ПРОЦЕСІВ

У ДІОДАХ ШОТТКІ НА ОСНОВІ SiC i CdTe

01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Чернівці – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор КОСЯЧЕНКО Леонід Андрійович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри оптоелектроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор ІЛЬЧЕНКО Василь Васильович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри фізичної електроніки

доктор фізико-математичних наук, професор САВЧУК Андрій Йосипович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри фізики напівпровідників і наноструктур

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України (м. Київ)

Захист відбудеться 29 квітня 2005 р. о 15.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий 28 березня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.В. Курганецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Запропонована і теоретично обґрунтована В. Шотткі ще в кінці 30-х років минулого століття бар’єрна структура на контакті металу з напівпровідником відіграє важливу роль у сучасній електроніці. На відміну від електронно-діркового переходу, діоди Шотткі працюють на більш високих частотах як випрямляючі, лавинно-прольотні діоди, швидкодіючі перемикачі. Завдяки простішій технології виготовлення та кращій сумісності з інтегральними схемами, контакти Шотткі все більше витісняють p-n переходи у цифровій та комп’ютерній техніці. Прилади з бар’єром Шотткі широко застосовуються також в оптоелектроніці, особливо, як фотоприймачі у волоконно-оптичних лініях зв’язку. Завдяки високій концентрації електричного поля в області просторового заряду структури з бар’єром Шотткі можуть застосовуватись як тонкоплівкові оптичні хвилеводи, швидкодіючі оптичні модулятори та інші елементи інтегрально-оптичних схем.

Для виготовлення діодів Шотткі, окрім розповсюджених Ge, Si, GaAs та InP, застосовуються інші напівпровідники, серед яких важливе місце займають телурид кадмію (CdTe) та карбід кремнію (SiC). У 1980-х рр. доведена перспективність сонячних елементів з діодом Шотткі на основі CdTe. Також з’ясовано, що в таких пристроях метал можна замінити тонкою плівкою напівпровідника, прозорою в області сонячного спектра, наприклад, SnO2, In2O3, CdS. У такій гетероструктурі широкозонний напівпровідник фактично виконує тільки функцію прозорого електрода, а електричні властивості приладу мало чим відрізняються від діода Шотткі. Досягнуто ~16% перетворення сонячної енергії в електричну, запроваджене дрібносерійне виробництво сонячних елементів на основі CdTe. Спеціалісти сходяться на тому, що незважаючи на досягнутий прогрес, збільшення коефіцієнту корисної дії (теоретична межа складає 28-30%) та ресурсу роботи стануть можливими тільки після розв’язання ряду фізичних проблем. З 1960-х рр. проводяться також інтенсивні дослідження з метою створення детекторів X- і -випромінювання на основі CdTe, здатних працювати без кріогенного охолодження. У кінці 90-х років була доведена можливість реалізації CdTe детекторів з діодом Шотткі, які мають ряд переваг у порівнянні з Ge- чи Si-детекторами.

Необмежені природні ресурси, з одного боку, й унікальні властивості з іншого, відкривають широкий спектр практичного застосування карбіду кремнію. Широка заборонена зона цього напівпровідника робить його перспективним матеріалом для створення фотоприймачів в ультрафіолетовій області спектра. Доведено переваги використання SiC для конструювання детекторів різного призначення, насамперед для роботи в особливих умовах: при високому рівні радіації, в агресивному середовищі, при високій температурі.

Хоч тепер електронні прилади на основі SiC і CdTe з діодами Шотткі знайшли застосування у техніці, медицині, астрофізиці, їх розповсюдження і здешевлення виробництва потребує проведення подальших фізичних досліджень, оскільки ряд механізмів, що визначають характеристики та параметри цього класу приладів, далеко не з’ясовані.

У дисертації представлено результати досліджень, що виявляють ряд особливостей явищ переносу заряду, фотоелектричних і люмінесцентних процесів у діодах Шотткі на основі SiC та CdTe.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана в рамках Координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України, які виконувались у Чернівецькому національному університеті впродовж 1990-2004 років, зокрема, “Гарячі носії заряду в діодних структурах на основі широкозонних напівпровідників” (номер державної реєстрації 0193U023716) та “Дослідження явищ переносу заряду і фотоелектричних процесів у напівпровідникових структурах на основі сполук елементів ІІ і VI груп періодичної системи з метою створення високоефективних детекторів оптичного і рентгенівського випромінювання” (номер державної реєстрації 0100U005495). Роль дисертанта у виконанні науково-дослідних робіт полягала в дослідженні електричних, фотоелектричних і люмінесцентних властивостей бар’єрних структур на основі CdTe, SiC та інших широкозонних напівпровідників.

Мета і задачі дослідження

Мета роботи з’ясування фізичних процесів, які визначають електричні, фотоелектричні та люмінесцентні властивості діодів Шотткі на основі монокристалів SiC та CdTе. Для досягнення цієї мети необхідно було розв’язати такі задачі:

·

·

·

Об’єкт досліджень – поверхнево-бар’єрні діодні структури на основі карбіду кремнію і телуриду кадмію.

Предмет досліджень – електричні, оптичні, люмінесцентні та фотоелектричні процеси в діодних структурах на основі SiC та CdTе.

Методи досліджень – вимірювання електричних, фотоелектричних, оптичних і люмінесцентних характеристик зразків, аналітичні та комп’ютерні розрахунки, комп’ютерне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів

·

·

·

·

Практичне значення одержаних результатів

Результати дослідження поглиблюють розуміння фізичних механізмів, які визначають характеристики діодів Шотткі на основі SiC та CdTе. Одержані результати можуть бути застосовані в розробці і виробництві конкурентноздатних випрямляючих діодів, фотодіодів широкого призначення, високостабільних напівпровідникових джерел оптичного випромінювання, детекторів X- і -випромінювання.

Публікації й особистий внесок здобувача

За результатами дослідження опубліковано 13 праць: 9 статей в українських і зарубіжних наукових журналах і 4 тез доповідей на міжнародних конференціях. Список публікацій наведено в Додатку 1. У працях [Д1 – Д3, Д13] особистий внесок дисертанта полягає у проведенні усіх досліджень електролюмінесцентних та електричних характеристик зразків, комп’ютерної обробки одержаних даних, зіставлення результатів з теоретичними виразами, які описують внутрішньозонне випромінювання; у працях [Д4 - Д6, Д9, Д11] - у проведенні експерименту, комп’ютерній обробці результатів, зіставленні розрахованих характеристик з результатами експерименту, визначенні важливих параметрів, якими є дифузійна довжина і час життя нерівноважних носіїв заряду; в роботах [Д7, Д8, Д10, Д12] - участь у розробці методики досліджень, вимірювання всіх характеристик діодів Шотткі, виготовлених на кристалах з різним питомим опором, безпосередня участь у обговоренні результатів і їх фізичній інтерпретації. Зразки для досліджень діодних структур на основі CdTe та SiC виготовлені на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького національного університету при безпосередній участі дисертанта. Монокристали CdTe вирощені на кафедрі електроніки та енергетики цього ж університету, карбіду кремнію – на Хіміко-металургійному заводі (м. Подольськ, Росія).

Апробація результатів дисертації

Основні результати досліджень, викладених у дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на кафедрі оптоелектроніки ЧНУ, а також на таких наукових конференціях: International Conference on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics. (Kiev, Ukraine, May 1997), 8th International Conference on II -VI Compounds (Grenoble, France, August 1997), International Conference on Polycrystalline Semiconductors. (Schwabisch Hall, Germany, September,1998), III International School-conference of Physical Problems in Material Science of Semiconductors (Chernivtsi, October 1999), XXXIII International School on the Physics of Semiconductor Compounds (Jaszowiec, Poland, May-June 2003).

Структура дисертації

Дисертаційна робота складається зі вступу, аналітичного огляду з теми дослідження (розділ 1), трьох основних розділів, висновків, списку цитованої літератури з 127 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 130 сторінок і містить 50 рисунків і 2 таблицi.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв’язок з науковими програмами і темами досліджень Чернівецького національного університету, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено дані про апробацію роботи, публікації та особистий внесок дисертанта.

У першому розділі подано аналітичний огляд літератури з теми дослідження. Розглянуто основні фізичні властивості телуриду кадмію і карбіду кремнію та основні сфери застосування діодів Шотткі на основі цих напівпровідників. Проаналізовані основні характеристики кращих поверхнево-бар’єрних діодів на SiC і CdTe, що використовуються в якості ультрафіолетових фотодіодів, сонячних елементів, детекторів Х- і -випромінювання. Обґрунтовано необхідність подальшого дослідження електронних процесів в означених структурах з метою поліпшення характеристик приладів.

Другий розділ присвячений дослідженню генераційно-рекомбінаційних процесів у CdTe поверхнево-бар’єрних діодах.

Досліджувані діоди виготовлені на монокристалах CdTe р-типу провідності з питомим опором =103-104 Омсм методом вакуумного напиленням алюмінію при бомбардуванні тиглю електронним пучком. Після стравлювання алюмінію на поверхні залишався провідний шар, контактування до якого в одній точці забезпечувало роботу всієї площі діода.

При прямому зміщенні (рис.1,б) струм Iпр через діод пропорційний exp(eV/2kT), (е – заряд електрона, k - стала Больцмана, Т – температура, V – прикладена напруга). Така залежність характерна для генераційно-рекомбінаційного механізму проходження струму. Застосування теорії Саа-Нойса-Шоклі [1] і результатів роботи [2] (з урахуванням особливостей процесів у поверхнево-бар’єрній структурі) приводить до залежності:

(1)

де E*=Eg+kT.ln(noNv/poNc), no і po – часи життя відповідно електронів і дірок, Еg – ширина забороненої зони, – енергетична віддаль рівня Фермі від краю валентної зони, o – висота потенціального бар’єра, ni – власна концентрація носіїв, d – ширина області просторового заряду(ОПЗ), Nv, Nc- ефективна густина станів відповідно у зоні провідності та валентній зоні,. Величина ., визначена для нерівноважної концентрації дірок 1014-1015 см – 3, складала 0,27-0,33 еВ при mp=0,35 mo (mp , - ефективна маса дірки, mo - маса вільного електрона).

Вольт-амперні характеристики, розраховані за формулою (1), добре збігаються з експериментальними результатами в широкому температурному інтервалі (рис.1), за умов, коли ефективний час життя в області просторового заряду, який є підгінним параметром, складає =5 10–10 с. Відхилення в області струмів, більших ~10–5А, можна пояснити спадом напруги на послідовному опорі кристала.

Вольт-амперні характеристики при оберненому зміщенні визначаються генерацією в області просторового заряду:

(2)

де Еt –глибина залягання рівня, через який відбувається генерація-рекомбінація. Множник враховує неоднорідність генерації носіїв в бар’єрній області.

Фоточутливість досліджуваних діодів охоплює широку спектральну область з максимумом, що відповідає ширині забороненої зони. Зовнішній квантовий вихід з ext урахуванням поверхневої рекомбінації описується формулою:

(3)

де R – коефіцієнт відбивання, – коефіцієнт поглинання, – Dn – коефі-цієнт дифузії електронів, Ln – дифузійна довжина електронів, v – швид-кість емісії носіїв в метал, s – швидкість поверхневої рекомбінації.

За умови, коли d<<1, світло проникає глибоко в напівпровідник, можна знехтувати поверхневою рекомбінацією і спростити формулу (3):

ext=(1–R) (Ln+d)/(1+Ln), (4)

зіставлення якої з експериментом дозволяє знайти дифузійну довжину електронів (рис.2). Одержані значення Ln складали 10–4 см. Знання всіх необхідних параметрів, а також кривої оптичного поглинання CdTe, дозволяє розрахувати спектр фоточутливості діода. Розраховані спектральні залежності зовнішнього квантового виходу добре узгоджуються з експериментально знайденими кривими для швидкості поверхневої рекомбінації 106 cм/с (рис.3).

Досліджено також електричні та фотоелектричні характеристики поверхнево-барєрних діодів на полікристалічному CdTe. Розміри зерна складали від 3-7 до 10-15 мкм, тобто були більшими за ширину області просторового заряду, тому струми при малих напругах, як прямих, так і обернених, визначались провідністю вздовж границь зерен. При більших прямих напругах можна виділити рекомбінаційну складову струму. Спектри фоточутливості подібні до одержаних на монокристалах, але більше різняться від зразка до зразка і дещо розширені в довгохвильову область через виникнення “хвостів” густини станів” у забороненій зоні напівпровідника.

У третьому розділі наведено результати дослідження електричних і фотоелектричних характеристик діодів Шотткі, виготовлених на монокристалах та епітаксійних шарах 6Н-SiC n-типу провідності з концентрацією некомпенсованих донорів 1017-1019 см-3. Висота потенціального бар’єра на контакті Au-SiC i Al-SiC складала 1,75-1,95 еВ. Аналіз електричних характеристик свідчить про те, що, завдяки застосовуваній технології діелектричний прошарок між металом і напівпровідником практично не впливає на властивості досліджуваних діодів.

Вольт-амперні характеристики при прямому зміщенні (eV>>kT) описуються функцією I~exp(eV/nkT). При кімнатній температурі n=2, що характерно для рекомбінаційного механізму проходження струму. Однак при підвищенні температури n стає значно меншим 2, а слабка температурна залежність струму засвідчує тунельний характер механізму переносу заряду. При прямому зміщенні величина тунельного струму

(5)

де D(E,V) – коефіцієнт прозорості бар'єра, fn(E) і 1fm(E) ймовірність того, що рівень з енергією Е у напівпровіднику заповнений, а в металі не заповнений, jo – величина, що не залежить від напруги й визначається густиною станів у металі та зоні провідності напівпровідника. У квазікласичному наближенні Вентцеля-Крамерса-Бріллюена (ВКБ) коефіцієнт тунельної прозорості

(6)

де х1 і х2 – точки повороту, а (х) потенціальна енергія електрона в бар'єрі, яка для шару Шотткі товщиною d рівна (х)=(o eV)(1–x/d)2 (координата х відраховується від межі поділу метал-напівпровідник). З урахуванням викладеного

(7)

де m* ефективна маса електрона, d1=d/(oeV)1/2 = [(2o/e2(NdNa)]1/2, Nd,Na – концентрації донорної й акцепторної домішки відповідно.

Розраховані тунельні струми добре збігаються з експериментально виміряними (рис. 4,б). При оберненому зміщенні і низьких температурах струм також визначається тунельними процесами. При малих значеннях зворотної напруги суттєву роль усе ж відіграє генерація в області просторового заряду, внесок якої зростає при підвищенні температури (рис. 4,а). При значних напругах спостерігається різке зростання струму внаслідок лавинних процесів.

Досліджувані Au-SiC діоди фоточутливі в ультрафіолетовій області спектра (рис. 5) в результаті генерації фотоносіїв в області просторового заряду (дрейфовий струм) і у нейтральному шарі, що прилягає до неї (дифузійний струм). Без урахування поверхневої рекомбінації (значна концентрація електричного поля біля поверхні) зовнішній квантовий вихід

, (8)

де () коефіцієнт поглинання, Lp дифузійна довжина дірок, K() залежний від довжини хвилі безрозмірний коефіцієнт, який враховує оптичні втрати (в основному за рахунок відбивання) на поверхні Au-SiC.

Зіставленням формули (4) з експериментальними даними визначено дифузійну довжину дірок і її залежність від температури (рис.6). Низьке значення дифузійної довжини (~8.10-6 см) є свідченням високої густини власних дефектів і залишкових домішок.

З вимірів спектра фоточутливості при різних напругах визначено коефіцієнт оптичного поглинання для SiC в області 0,23-0,32 мкм, що дало можливість розрахувати спектральну залежність внутрішнього квантового виходу і коефіцієнту K() у формулі (8). Внутрішній квантовий вихід в області 0,23-0,27 мкм складав 0,7-0,8, отже, з використанням антивідбиваючого покриття можливо одержати зовнішній квантовий вихід Au-SiС, який дорівнює квантовому виходу для діодів з р-n-переходами. Область високої фоточутливості можна розширити до > 0,3 мкм використанням епітаксійних плівок з меншою густиною дефектів і неконтрольованих домішок, тобто з більшою дифузійною довжиною носіїв (рис.7).

Фотострум у SiC діодах Шотткі, окрім зазначених механізмів, виникає також в результаті фотоемісії електронів із металу за моделлю Фаулера , що проявляється у виникненні фоточутливості діода Шотткі в області енергії фотонів, меншій від ширини забороненої зони напівпровідника. В Аl-SiC діодах з непрозорим шаром Аl товщиною 10-15 мкм збудження фотоструму Ір можливе лише при освітленні з боку підкладинки.

Фотони з енергією h, яка перевищує ширину забороненої зони напівпровідника Eg=3 еВ, не досягають бар’єрної області, і фоточутливість припадає лише на спектральну область h<Eg, яка відповідає фотоемісії електронів з металу. Фотоелектричні характеристики досліджуваних діодів (рис.6), однак, не вписуються в теорію Фаулера: (1) зростання струму з напругою більш різке, ніж Ір ~ (o – eU)1/2 (2) швидкість його наростання залежить від енергії збуджуючих фотонів, (3) фотострум суттєво зростає при підвищенні температури, (4) спостерігається фоточутливість в області енергій, менших o+ ( - енергетична віддаль рівня Фермі від дна зони провідності). Урахування пониження потенціального бар'єра силами дзеркального відображення , а також тунелювання фотозбуджених носіїв дає можливість задовільно пояснити одержані експериментальні дані (рис. 8).

Відповідно до запропонованої моделі (рис. 9), струм фотоемісії електронів з металу є сумою надбар’єрного і тунельного струмів:

(8)

Проведені розрахунки показали, що навіть при h>о+ лише мала частина збуджених світлом електронів проникає y напівпровідник над бар’єром. Більша їх частина тунелює крізь бар’єр, причому при збільшенні напруги частка електронів, що тунелюють, помітно зростає.

Четвертий розділ присвячений люмінесцентним процесам у діодах Шотткі. Досліджено випромінювання, не описане раніше в літературі, яке спостерігається при прямому зміщенні діода з високим потенціальним бар’єром.

Спектри досліджуваної електролюмінісценції описуються монотонно спадаючою функцією енергії фотона h, яка різко обривається при енергіях, що практично збігаються з величиною висоти потенціального бар’єра оm (рис.10). Спектральний розподіл випромінювання малочутливий до зміни температури і рівня збудження, що якісно відрізняє його від інжекційного випромінювання, для якого характерні рекомбінаційні смуги з інтенсивністю, що сильно залежить від прикладеної напруги і температури зразка. Характеристики досліджуваного свічення подібні до характеристик гарячої електролюмінесценції напівпровідника у передпробійному режимі діода. Проте умови його збудження принципово відрізняються: свічення при прямому зміщенні спостерігається за умов, коли зовнішня напруга не створює сильного поля, а, навпаки, компенсує контактне поле, що діє у збідненому шарі. Електролюмінесценція діода при зворотному зміщенні зумовлена розігрівом носіїв заряду в умовах сильного електричного поля у збідненому шарі та їх переходами на більш низькі енергетичні рівні в межах зони дозволених станів з випромінюванням квантів світла.

При прямому зміщенні діода Шотткі електрони, інжектовані з напівпровідника в метал, потрапляють туди гарячими, оскільки мають енергію, яка перевищує рівень Фермі в металі ЕF на величину оm., і можуть здійснювати випромінювальні переходи у межах незаповненої частини зони дозволених станів у металі. Спектр такого свічення широкосмуговий і обмежується енергією квантів, рівною оm, оскільки рівні, що знаходяться нижче рівня Фермі в металі, заповнені. Природа металу, як і напівпровідника, не впливає суттєво на властивості свічення. Інжекція неосновних носіїв може спричиняти виникнення смуг випромінювання, які накладаються на безструктурну спектральну криву (рис.10,б).

З аналізу вольт-амперних характеристик випливає, що при значних прямих зміщеннях (коли й спостерігається випромінювання) струм через діод визначається надбар’єрним проходження електронів з напівпровідника в метал. При математичному описуванні випромінювання було прийнято, що досліджуване свічення виникає у ході термалізації гарячих носіїв у металі (рис. 11). Повне число випромінювальних переходів електрона упродовж усього часу термалізації:

, (11)

де t(E)=dt/dE величина, обернена швидкості втрат енергії dE/dt, v(E, h) час випромінювального переходу, EF – енергія рівня Фермі в металі.

Було прийнято, що основним механізмом релаксації гарячого носія в металі є міжелектронні зіткнення. Виходячи з принципу детальної рівноваги, для часу випромінювального переходу як процесу, зворотному до поглинання фотона вільним носієм, одержано:

(12)

де oe22/ocnom, =e4n/4o22(2m*)1/2, no – коефіцієнт заломлення в матеріалі, с– швидкість світла, n – концентрація електронів в металі, o – діелектрична стала, – діелектрична проникливість матеріалу.

З урахуванням (11) і (12) формула для спектрального розподілу квантового виходу випромінювання має вигляд

. (13)

Експериментально знайдений квантовий вихід випромінювання складав ~10–9, що узгоджується з розрахованим значенням . Внаслідок низької ефективності досліджуване явище раніше в літературі не описане.

Важливі можливості для збудження гарячої люмінесценції металу дає використання діода з проміжним діелектричним прошарком. Оскільки частина прикладеної прямої напруги спадає на діелектрику, то електрон потрапляє в метал на енергетичний рівень, який знаходиться вище рівня Фермі більше, ніж на величину оm , причому при збільшенні прикладеної напруги початкова енергія електрона зростає. Це дає можливість, змінюючи прикладену напругу, керувати спектральним складом випромінювання, зокрема розширювати його в короткохвильову ділянку. При цьому зростає ефективність свічення, а енергія квантів, що випромінюються, може перевищувати оm і навіть Еg.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Представлені в дисертаційній роботі результати досліджень поверхнево-бар’єрних діодів на CdTe і SiC зводяться до таких найголовніших результатів і висновків:

1. Доведено, що вольт-амперні характеристики поверхнево-бар’єрних структур з провідним інверсійним шаром на поверхні р-CdTe визначаються генераційно-рекомбінаційними процесами в області просторового заряду. На основі моделі Саа-Нойса-Шоклі одержано кількісний збіг експериментальних даних з результатами розрахунків.

2. Показано, що фотогенерація носіїв в області просторового заряду (час життя електронів ~109 с) і шарі, що прилягає до неї (дифузійна довжина ~104 см ) , а також поверхнева рекомбінацію (швидкість рекомбінації ~106 см/с) є домінуючими механізмами, які визначають спектральні характеристики CdTe діодних структур.

3. Доведено, що зворотний струм в Au-SiC фотодіодах Шотткі при підвищених напругах, а також прямий, визначаються тунелюванням електронів і тільки при низьких зворотних напругах – генеруванням носіїв в області просторового заряду. У рамках ВКБ-наближення для тунельних переходів одержано кількісний опис спостережуваних вольт-амперних характеристик.

4. Знайдена дифузійна довжина та час життя неосновних носіїв в епітаксіальних шарах n-SiC і їх залежність від температури (300-500К), а також коефіцієнт оптичного поглинання в широкому спектральному діапазоні. Розраховані спектри фоточутливості Au-SiC діодів, які кількісно узгоджуються з експериментальними даними.

5. Запропоновано механізм фотостимульованого тунелювання електронів з металу в зону провідності напівпровідника в Al-SiC діодах Шотткі. З урахуванням пониження потенціального бар’єра силами дзеркального відображення одержано кількісний збіг розрахованих і експериментальних характеристик фотоемісії електронів з металу.

6. Виявлено новий вид випромінювання, відмінного від рекомбінаційної люмінесценції, при прямому зміщенні діодних структур на контакті металу (Au, Pt, Ni, Cr) з SiC та іншими напівпровідниками (ZnS, ZnSe, GaP). Запропонована модель непрямих внутрішньо зонних переходіввисокоенергетичних електронів, інжектованих з напівпровідника у метал кількісно описує спостережувані характеристики .

Список цитованої літератури

1 | Sah C., Noyce R., Shockley W. Carrier generation and recombination in pand p-n-junctions characteristics // Proc. IRE. –1957. –Vol. 45, №9. –P. 1228-1243.

2. | Косяченко Л.А., Махний В.П., Потыкевич И.В. Генерация-рекомбинация в области пространственного заряда контакта металл-SiC // УФЖ. –1978. –Т.23. – С.279-286.

3. | Фань Н.И. Поглощение инфракрасного излучения в полупроводниках // УФН. –1958. –Т. 64. –С. 315 .

4. | Lavagna M., Pique J.P., Marfaing Y. Theoretical analysis of the quantum photoelectric yield in Schottky diodes // Solid State Electron. –1977. –V.20. –P.235.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в таких публікаціях:

Д1. | Л.А. Косяченко, Е.Ф. Кухто (Е.Ф.Склярчук), В.М. Склярчук. Излучение света металлом при прямом смещении диода Шоттки // ЖТФ. 1984. Т.54, №6. С. 1185-1186.

Д2. | Л.А. Косяченко, Е.Ф. Кухто, В.М. Склярчук. Излучение карбид-кремниевых поверхностно-барьерных диодов при прямом смещении. // ЖПС. 1984. Т. 412, №.4. С.615-619.

Д3. | Л.А. Косяченко, Е.Ф. Кухто, В.М. Склярчук. Излучение МДП-диода SiC при прямом смещении. // УФЖ, 1987. Т. 32, №10. С. 2556-1559.

Д4. | Л.А. Косяченко, В.М. Склярчук, Е.Ф.Склярчук. Особенности фотоэмиссии электронов из металла в SiC диодах Шоттки // ФТП. 1997. Т.31, № 2. С. 207-212.

Д5. | L.A. Kosyachenko, V.V. Guts, І.S. Kabanova, V.M. Sklyarchuk, О.F. Sklyarchuk. Determination of SiC, GaP and CdTe surface-barrier structure parameters from photoelectric measurements. // Abst. of Int. Conf. on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics. (Kiev, May 1997). P. 55-56.

Д6. | L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, О.F. Sklyarchuk. Surface-barrier p-CdTe based photodiodes and X-ray detectors // Abst. of 8-th Int. Conf. on II-VI Compounds. (Grenoble, France, August, 1997). - P. 339.

Д7. | В.М Склярчук., О.Ф. Склярчук, С.М.Палагнюк, К.С. Ул’яницький. Механізми переносу заряду в поверхнево-бар’єрних структурах на р–CdTe // Вісник Чернівецького національного університету. Фізика, випуск 32. 1998. С. 78-85.

Д8. | L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, О.F. Sklyarchuk. Electrical and photoelectric properties of Au-SiC Schottky barrier diodes // Solid-State Electronics. – 1998. – V.42, № 1. – P. 145-151.

Д9. | L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, О.F. Sklyarchuk, K.S. Ulyanitsky. Surface-barrier p-CdTe-based photodiodes // Semicond. Sci. Technol. 1999. – №.14, – P. 373-377.

Д10. | L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, О.F. Sklyarchuk, K.S. Ulyanitsky. Charge transport and photoelectron processes in polycrystalline cadmium telluride surface-barrier structures // Solid State Phenomena. 1999. V. 67-68. - P. 315-320.

Д11 | I.M. Rarenko, Z.I. Zakharuk, S.M. Palagnyuk, L.A. Kosyаchenko, V.M. Sklyarchuk, O.F. Sklyarchuk. Single crystalline CdMnTe alloys as material for photodetectors //Abst. of 3th International School-conference of Physical Problems in Material Science of Semiconductors.(Chernivtsi, Ukraine, October, 1999). P. 275.

Д12 | Л.А Косяченко, И.М Раренко, З.И. Захарук, И.С.Кабанова, В.М. Склярчук, Е.Ф. Склярчук, И.В. Солончук. Электрические свойства CdZnTe поверхностно-барьерных диодов // ФТП. –2003. –Т. 37, №2. –С. 238-242.

Д13 | L.A. Kosyachenko, O.L. Maslyanchuk, O.F. Sklyarchuk, and V.M. Sklyarchuk Optical emission from metal in forward-biased Schottky diode // Abstracts of XXXIII International School on the Physics of Semiconductor Compounds (Jaszowiec, Poland, May-June 2003). Р. 54.

Олена Склярчук. Особливості механізмів переносу заряду, фотоелектричних і люмінесцентних процесів у діодах Шотткі на основі SiC і CdTe . – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2005.

У дисертації представлено результати дослідження фізичних процесів, що визначають електричні, фотоелектричні та електролюмінесцентні характеристики діодів Шотткі на основі телуриду кадмію і карбіду кремнію.

Описана методика виготовлення Аl-SiC и Au-SiC діодів зі значним вигином зон біля поверхні напівпровідника (аж до 2.4-2.5 еВ). Запропонована технологія виготовлення фоточутливої бар’єрной структури на основі р-CdTе з інверсійним шаром на поверхні, яка забезпечує роботу діода без фронтального металевого електрода. Аналіз електричних і фотоелектричних характеристик діодів проводиться на основі теорії Саа-Нойса-Шокклі для генерації-рекомбінації в ОПЗ с урахуванням особливостей процесів у діоді Шотткі. З фотоелектричних характеристик визначені дифузійна довжина неосновних носіїв та їх час життя. Проаналізований внесок тунелювання в перенос заряду в SiC діодах Шотткі. Запропоновано механізм фотостимульованого тунелювання електронів з металу в зону провідності в Аl-SiC діодах.

Досліджено електролюмінісцентне випромінювання при прямому зміщенні діодів Шотткі, яке, на відміну від інжекційної електролюмінесценції, представлено безструктурним широкосмуговим спектром, який монотонно спадає в короткохвильову область і практично не залежить від рівня збудження й температури, природи напівпровідника й металу. Запропонована модель внутрішньозонних випромінювальних переходів електронів, інжектованих з напівпровідника в метал, кількісно описує характеристики спостережуваного випромінювання.

Ключові слова: діод Шотткі, CdTe, SiC, висота бар’єра, генерація, рекомбінація, тунелювання, фотостимульоване тунелювання, фотоелектричний квантовий вихід, електролюмінесцентне випромінювання.

Olena Sklyarchuk. Peculiarities of charge transport, photoelectric and electroluminescent mechanisms in SiC- and CdTe-based Schottky diodes.- Manuscript.

Thesis for a Candidate's Sciences degree by speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - Yuri Fed’kovych Chernivtsi National University, 2005.

The dissertation reports the study of the physical processes determining electrical, photoelectric and electroluminescent characteristics of Schottky diodes based on cadmium telluride (CdTе) and silicon carbide (SiC) .

The procedure for fabrication of Аl-SiC and Au-SiC Schottky diodes with a large band bending near the semiconductor surface is presented. To allow the operation of a diode without a front metallic electrode, the technique of making the photosensitive barrier structure based on p-CdTе with the inverse layer at the surface is proposed. The electrical and photoelectric properties of the diodes are interpreted in terms of the Sah-Noyce-Shockley generation-recombination model taking into account the peculiarities of the processes in a Schottky diode. The diffusion length of minority carriers and their lifetime are determined from the photoelectric characteristics. The contribution of the tunneling process to charge transport in the SiC Schottky diodes is analyzed. The mechanism of electron photostimulated tunneling (from metal to the conduction band of the semiconductor) in Аl-SiC diodes is substituted.

Electroluminescent radiation from Schottky diodes under forward-bias conditions is also investigated. The emission observed from diodes fabricated on different semiconductors at their contact with different metals exhibits the featureless spectrum in a wide range of the photon energy h, monotonously falling down with increasing h. Unlike to an injection electroluminescence, the spectral distribution and quantum efficiency are almost independent of the applied bias voltage and junction temperature. The offered model of intraband radiative transitions of hot electrons, injected from semiconductor into metal, quantitatively describes the characteristics of observed luminescence.

Key words: Schottky diode, CdTe, SiC, barrier height, generation, recombination, tunneling, photostimulated tunneling, photoelectric quantum yield, electroluminescent radiation.

Елена Склярчук. Особенности механизмов переноса заряда, фотоэлектрических и люминесцентных процессов в диодах Шоттки на SiC и CdTe. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2004.

В диссертации представлены результаты исследования физических процессов, определяющих электрические, фотоэлектрические и электролюминесцентные характеристики диодов Шоттки на основе теллурида кадмия (CdTе) и карбида кремния (SiC).

Описана методика создания Аl-SiC и Au-SiC диодов Шоттки, включающая механическую и химическую обработку поверхности, нанесение выпрямляющих и омических контактов. Предложена технология изготовления фоточувствительной барьерной структуры на р-CdTе с инверсионным слоем на поверхности, позволяющая использовать диоды без фронтального металлического электрода.

Анализ электрических и фотоэлектрических характеристик диодов проводится на основе теории Саа-Нойса-Шоккли для генерации-рекомбинации в области пространственного заряда с учетом особенностей процессов, происходящих в диоде Шоттки. Вольт-амперные характеристики поверхностно-барьерных диодов с инверсионным слоем на поверхности р-CdTe определяются генерационно-рекомбинационными процессами в области пространственного заряда. Спектральные характеристики фоточувствительности количественно описываются в рамках модели, которая учитывает фотогенерацию носителей в области пространственного заряда и прилегающем к ней слое (диффузионная длина 104 см) с учетом поверхностной рекомбинации (скорость рекомбинации 106 см/с). Из фотоэлектрических характеристик определены диффузионная длина неосновных носителей и их время жизни. Проанализирован вклад генерационных процессов и туннелирования в перенос заряда в карбид-кремниевых диодах Шоттки. С использованием найденных параметров произведен расчет фотоэлектрического квантового выхода, результаты которого согласуются с полученными экспериментальными данными. Для обнаруженных особенностей в спектрах фоточувствительности Аl-SiC диодов предложен механизм фотостимулированного туннелирования электронов из металла в зону проводимости полупроводника. Характеристики фотоэмиссии электронов из металла, рассчитанные с учетом понижения барьера силами зеркального изображения, согласуются с экспериментальными данными.

Исследовано электролюминесцентное излучение при прямом смещении диодов Шоттки, которое, в отличие от инжекционной электролюминесценции, представлено практически не зависящим от уровня возбуждения и температуры широкополосным спектром, монотонно спадающим в коротковолновой области. Природа полупроводника и металла не оказывает существенного влияния на характеристики излучения. Коротковолновая граница спектра определяется величиной высоты потенциального барьера на контакте металл-полупроводник. Предложена модель внутризонных излучательных переходов электронов, инжектированных из полупроводника в металл. Исходя из принципа детального равновесия и теории поглощения света свободными носителями, найдено время излучательных внутризонных переходов, рассчитаны спектры излучения, удовлетворительно согласующиеся с измеренными кривыми. Изготовлены диодные структуры металл-диэлектрик-полупроводник, позволяющие расширить спектральный диапазон излучения при прямом смещении в коротковолновую область; особенности излучения находят объяснение в рамках предложенной модели внутризонных излучательных переходов..

Ключевые слова: диод Шоттки, CdTe, SiC, высота барьера, генерация, рекомбинация, туннелирование, фотостимулированное туннелирование, фотоэлектрический квантовый выход, электролюминесцентное излучение.