НацІональна АкадемІЯ Наук УкраЇни

Інститут ФІзики НапІвпровІдникІв

МамикІн СергІй ВасильовиЧ

УДК 621.375.8,

621.315.592

ВнутрІшнІй фотоефект в контактІ метал-напІвпровІдник з мІкрорельЄфною межею подІлу

01.04.01- фізика приладів, елементів і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико - математичних наук

Київ-2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників

Національної Академії Наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Дмитрук Микола Леонтійович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Пасічник Юрій Архипович

Національний Педагогічний Університет

ім. М. Драгоманова

професор кафедри загальної фізики;

доктор фізико-математичних наук, професор

Ширшов Юрій Михайлович

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділом.

Провідна установа: Радіофізичний факультет Київського Національного Університету ім. Тараса Шевченка.

Захист відбудеться “20” жовтня 2000 р. о 1530 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01

в Інституті фізики напівпровідників НАН України,

за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ-28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий “19” вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поверхнево-бар'єрні структури типу діодів Шоткі широко використовуються як для визначення приповерхневих та об'ємних параметрів напівпровідників, так і для створення на їх основі приладів радіоелектроніки, фотоприймачів, сонячних елементів, високочутливих сенсорів різних речовин. Мікропрофілювання поверхні таких приладів є поширеним технологічним процесом, оскільки воно дозволяє підвищити чутливість фотодетекторів та коефіцієнт корисної дії сонячних елементів за рахунок зменшення оптичних втрат. Спеціальний тип мікрорельєфу дозволяє перевести такі кількісні зміни в якісно нові, коли з'являється анізотропія в оптичних та фотоелектричних характеристиках таких структур, на основі яких стає можливим створення нових приладів функціональної електроніки, сенсорів різних типів та призначення. Таке широке застосування мікропрофілювання потребує глибокого вивчення впливу різних типів мікрорельєфу з відомими геометрично-статистичними параметрами на оптичні, фотоелектричні та електрофізичні характеристики виготовлених на їх основі структур. Залишаються маловивченими оптичні параметри шаруватих мікрорельєфних меж поділу у видимій та ближній ІЧ області спектру, зокрема пропускання світла в фотоактивну область приладу.

Особливо цікавим є збудження поверхневих електромагнітних хвиль - поверхневих поляритонів (ПП) в таких шаруватих системах, та вивчення їх впливу на характеристики приладу, а також застосування цього резонансного високочутливого явища в сенсорах та фотодетекторах. Зокрема перспективним є застосування ПП в приладах вакуумної мікроелектроніки на основі мікрорельєфних поверхонь для збільшення виходу фотоеміссії, що також потребує додаткового вивчення. Також є необхідним з'ясування особливостей поєднання мікропрофілювання з різними пасивуючими обробками поверхні, зокрема сульфідним пасивуванням. Притаманне мікрорельєфним поверхням значне підсилення електричного поля на нерівностях призводить не тільки до зміни механізму струмопроходження, але й до зміни зонних енергетичних характеристик напівпровідника, зокрема, внаслідок ефекту Франца-Келдиша виникає модуляція коефіцієнта поглинання світла, що впливає на фотоелектричні характеристики структури і потребує додаткового дослідження.

Як базові напівпровідники для виготовлення діодів Шоткі з мікрорельєфною поверхнею, використовувались GaAs та InP - перспективні сполуки типу А3В5 з добре вивченими характеристиками, що широко використовуються в НВЧ техніці, мікро- і оптоелектроніці та сенсорній техніці.

Зв’язок з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках наступних тем.

1.«Дослідження електронно-поляритонних явищ в твердотільних структурах на основі напівпровідників А3В5 з мікрорельєфною поверхнею, розробка нових оптоелектронних приладів і автоматизованих методів електрофізичної діагностики матеріалів і структур мікро- і оптоелектроніки», 1990-1994 р.р. (Постанова Бюро ВФА АН України №10 від 19.12.1989 р., номер держ. реєстрації 0193U028658).

2. «Дослідження фізичних властивостей, розробка технологій і методів контролю складних плівкових систем на основі GaAs і SiC з метою створення приладів для сенсорної, електронної, оптоелектронної техніки», 1993-1997 р.р. (Розпорядження Мінекономіки України №12-5718 від 24.09.1993 р.)

3. «Дослідження механізмів структурної і компонентної модифікації матеріалів під дією зовнішніх чинників і створення технологій приладів і пристроїв оптоелектроніки», 1995-1999 р.р. (Постанова Бюро ВФА НАН України №9 від 20.12.1994 р., номер держ. реєстрації 0195U010991).

4. «Розробка поляризаційно-чутливих датчиків електромагнітного поля для цілей інтегральної оптики», 1992-1994 р.р. (Проект ДКНТ 5.44.09/011 Державної науково-технічної програми 5.44.09 «Дослідження і розробка фізико-технологічних принципів, методів, елементів та пристроїв інтегральної оптики»).

5. «Розробка елементів сенсорної та оптоелектронної техніки на основі нової технології виготовлення періодичних структур на поверхні напівпровідників», 1997-1998 р.р. (Проект №6.97.262; Договір №8/1470-97 від 10.10.1997 р. між Міннауки та ІФН НАН України).

Метою дисертаційної роботи є встановлення механізмів впливу спеціально сформованого мікрорельєфу поверхні напівпровідників А3В5 (GaAs, InP) на внутрішній фотоефект в контакті метал-напівпровідник як в області зона-зонної фотогенерації носіїв струму, так і в режимі внутрішньої фотоемісії в контакті, а також в умовах збудження поверхневих плазмових поляритонів; вдосконалення методів контролю електрофізичних, оптичних та фотоелектричних характеристик складних тонкоплівкових систем, та розробка високочутливих елементів сенсорної техніки на їх основі.

Для досягнення поставлених цілей необхідно було вирішити такі задачі:

·

· З'ясувати механізм струмопроходження в структурах з різними типами мікрорельєфу межі поділу;

· Дослідити вплив ефекта Франца-Келдиша на фотоелектричні характеристики бар'єра Шоткі і узагальнити відому методику визначення дифузійної довжини неосновних носіїв струму;

· Дослідити і розрахувати оптичні характеристики структур з конкретним типом мікрорельєфу, в тім числі розрахувати пропускання світла в фотоактивну область приладу;

· Дослідити фотоелектричні властивості діодів Шоткі в режимі збудження поверхневих поляритонів і можливе застосування ПП резонансу для визначення оптичних параметрів структури;

· Показати можливість застосування ПП для збільшення струму внутрішньої фотоемісії;

· Дослідити вплив пасивуючих обробок A3B5 на фотоелектричні та резонансні характеристики фотодетекторів на основі мікрорельєфних поверхонь, що працюють як у звичайному режимі, так і в режимі збудження ПП;

· На основі ПП резонансу створити оптохімічний сенсор рідинних середовищ, та визначити його параметри.

Об’єктом дослідження є процес взаємодії світла з мікрорельєфною межею поділу метал-напівпровідник як в звичайному режимі генерації, так і в режимі збудження поверхневих плазмових поляритонів. Предметом дослідження обрані фоточутливі поверхнево-бар’єрні структури (ПБС) типу діодів Шоткі з мікрорельєфною межею поділу. Як базові напівпровідники використовувались GaAs та InP, на поверхні яких методами анізотропного хімічного травлення та інтерференційного голографічного травлення створювались статистично невпорядковані (дендритні), частково впорядковані (квазігратки) та добре впорядковані (дифракційні гратки) мікрорельєфи. На отримані таким чином поверхні методом вакуумного напилення наносились напівпрозорі металеві плівки золота (Au) та срібла (Ag).

Застосовано такі методи дослідження як: вимірювання спектральних та кутових характеристик фотоструму в області фундаментального поглинання напівпровідника та в області внутрішньої фотоемісії, що дозволяє визначити рекомбінаційні характеристики фотодіодів та висоту бар’єру; вольт-амперні та вольт-фарадні характеристики, за допомогою яких можна визначити параметри бар’єру, поверхневі та об’ємні характеристики напівпровідника; вимірювання пропускання/відбивання поляризованого світла для визначення оптичних характеристик тонких металевих плівок та встановлення особливостей взаємодії світла з текстурованою поверхнею; атомно-силова мікроскопія (АСМ) для кількісної характеризації мікрорельєфу поверхні; багатокутова еліпсометрія для контролю товщини та оптичних параметрів напилюваних плівок.

Наукова новизна роботи полягає у наступному:

1. Враховано вплив ефекту електропоглинання (ефекту Франца-Келдиша) на фотоелектричні характеристики бар'єра Шоткі, внаслідок чого узагальнена відома методика визначення дифузійної довжини неосновних носіїв струму;

2. Встановлений вплив мікропрофілювання і пасивуючих обробок поверхонь деяких з напівпровідників A3B5 на фотоелектричні характеристики їх межі поділу з металом, і пояснено фізико-хімічну природу ефектів;

3. Дискриміновано два механізми польового підсилення внутрішньої фотоемісії структур з упорядкованим (анізотропним) мікрорельєфом межі поділу метал-напівпровідник (МН) - електростатичний та електродинамічний (поляритонний);

4. Розроблена методика визначення оптичних параметрів складових шарів поверхнево-бар’єрної структури МН за допомогою поверхневого поляритонного резонансу;

5. Показано, що збудження поверхневих електромагнітних хвиль є додатковим механізмом підвищення фоточутливості поверхнево-бар’єрних структур МН із квазівпорядкованим рельєфом.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1. Запропонована більш досконала методика врахування проміжного шару на межі МН та глибоких рівнів в області просторового заряду (ОПЗ) при визначенні параметрів бар'єра Шоткі та напівпровідника з вольт-фарадних характеристик;

2. Запропоновані способи розрахунку пропускання світла в фотоактивну область прилада з конкретним типом мікрорельєфу, в тім числі і в режимі збудження ПП;

3. З'ясовано особливості впливу сульфідної пасивації на ПП резонанс при її використанні для покращення фотоелектричних характеристик межі поділу МН;

4. Створена автоматизована установка для комплексного дослідження електричних та фотоелектричних характеристик ПБС;

5. В ході виконання роботи по договору між Міннауки та Інститутом фізики напівпровідників НАН України № 8/1470-97 від 10.10.1997 р. "Розроблення елементів сенсорної та оптоелектронної техніки на основі нової технології виготовлення періодичних структур на поверхні напівпровідників" створений оптохімічний сенсор компонент рідинних середовищ.

Особистий внесок здобувача в отриманні представлених в дисертаційній роботі наукових результатів полягав в обговоренні проблемних завдань, теоретичних розрахунках, підготовці та проведенні експериментів. Здобувачем була побудована автоматизована установка для дослідження характеристик поверхнево-бар’єрних структур, за допомогою якої були здійснені всі вимірювання їх фотоелектричних, електрофізичних та оптичних характеристик. На основі сучасного програмного забезпечення були проведені чисельна обробка результатів та моделювання властивостей об’єктів. Постановка завдання та інтерпретація результатів проведені в творчій співдружності із співавторами відповідних наукових робіт.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були представлені на багатьох міжнародних та вітчизняних наукових конференціях, зокрема: International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, ASDAM'96, ASDAM’98 (Smolenice, Slovakia, 1996, 1998); SPIE International Symposium, Optoelectronics Integrated Devices and Applications ( San-Jose, California USA, 1997); International Conference on Microelectronics MIEL’97, MIEL’99 (Nis, Yugoslavia, 1997, 1999); International Semicond. Conf. CAS'97, CAS’98, CAS’99 (Sinaia, Romania, 1997, 1998, 1999); International conference on vacuum microelectronics IVMC’98 (Asheville, USA, 1998); 2nd International Workshop on Vacuum Microelectronics of IVMC’99 Conference (Wroclaw, Poland, 1999); V Мiжнародна конференцiя з фiзики i технологiї тонких плiвок (Iвано-Франкiвськ, 1995); 2nd International Workshop on Surface and Interface Optics SIO’99 (Ste-Maxime, France, 1999);

Публікації. В дисертаційній роботі узагальнені наукові результати, опубліковані в 20 роботах, у тому числі 7 робіт - в реферованих фахових журналах, 10 - в матеріалах міжнародних конференцій, 3 - в тезах міжнародних конференцій.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох оригінальних розділів, висновків та списку цитованої літератури, що містить 127 найменувань робіт. Роботу викладено на 140 сторінках машинописного тексту, який містить 50 рисунків та 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, підсумовано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, коротко викладено зміст дисертації по розділах.

У першому розділі описана технологія мікропрофілювання напівпровідників А3В5 та формування діодів Шоткі на їх основі, а саме: Au-GaAs, Ag-GaAs, Au-InP. Дано короткий огляд методик дослідження ПБС типу діодів Шоткі, визначення їх електрофізичних характеристик, статистично-геометричних параметрів мікропрофільованої межі поділу. Приведений опис розробленої в ході виконання дисертаційної роботи автоматизованої експериментальної установки для комплексного дослідження ПБС. Приведена основна модель для аналізу вольт-амперних характеристик реальних бар'єрів Шоткі (тобто з проміжним шаром на межі МН), що включає термоемісійну, термопольову і генераційно-рекомбінаційну компоненти струму, враховує послідовний опір бази напівпровідника та шунтуючі струми витоку.

Запропонований удосконалений метод аналізу вольт-фарадних характеристик реальних бар’єрів Шоткі, що враховує вплив проміжного шару та глибоких центрів в ОПЗ на визначення параметрів бар’єру. В припущенні однорідного легування напівпровідника, аналізується похідна по напрузі від оберненої ємності бар’єра:

,

де Uo - дифузійний потенціал, а Nd -легування напівпровідника, q - заряд електрона s - площа контакту eo, es - діелектричні проникності вакууму та напівпровідника, Uscr - падіння напруги на області просторового заряду.

Для визначення висоти бар’єру і його температурної залежності використовувались спектральні (Фаулерівські) залежності фотоструму внутрішньої фотоемісії. При низьких температурах Т<200 K на зразках з мікрорельєфом типу квазігратки виявлено аномальний фотоемісійний струм (зворотнього напрямку), що пояснюється збудженням електронів квантами світла на поверхневі електронні стани з наступним їх тунелюванням крізь проміжний шар в метал. Аналіз спектрів фотоемісії, вольт-амперних та вольт-фарадних характеристик показує, що такі межі поділу характеризуються меншою ефективною висотою бар’єра (в порівнянні з плоскими) та приблизно вдвічі більшим температурним коефіцієнтом зміни висоти бар’єра. Внаслідок підсилення поглинання світла мікрорельєфною поверхнею покращуються умови спостереження аномального фотоструму. Крім того, внаслідок квазівпорядкованості такого мікрорельєфу, на відміну від дендритного, має місце інтенсивне збудження поверхневих плазмових поляритонів в тонкому шарі металу, що також підсилює аномальний фотострум.

У другому розділі досліджується фотострум короткого замикання бар’єрів Шоткі з плоскою та мікрорельєфними межами поділу в спектральній області зона-зонного поглинання напівпровідника.

Для коректного аналізу фотоструму, рекомбінаційних характеристик, умов збудження поверхневих плазмових хвиль в досліджуваних структурах необхідно знати оптичні характеристики металевого електрода. Відомо, що ці характеристики сильно залежать від умов виготовлення плівок. Тому були проведені дослідження оптичних властивостей тонких металевих плівок на сателітних зразках Au-SiO2 двох типів. В зразках першого типу золото напилювалось на гарячу підкладинку при різних температурах 75-200°С. Зразки другого типу після напилення золота при кімнатній температурі відпалювались в повітрі при різних температурах до 250°С на протязі 15 хвилин. Аналіз оптичних властивостей Au проводився в рамках моделі Друде. Знайдено, що із зростанням температури як відпалу, так і напилення, зменшується плазмова частота wp, що слід скоріше віднести до зменшення концентрації вільних носіїв ніж до збільшення їх ефективної маси. Збільшується також час релаксації електронів t, що відповідає збільшенню довжини пробігу електронів внаслідок зростання розмірів кристалітів, зменшення загальної площі їх границь і отже зменшення розсіяння. Аналіз зображень, зроблених за допомогою AСM показує, що з ростом температури відпалу/напилення швидко зростає шорсткість поверхні, та розмір кристалітів, що є причиною зменшення заповнення плівки металом, особливо суттєвого для тонких плівок. Хоча із зростанням температури ми спостерігаємо збільшення шорсткості поверхні, отже, зростає додаткове розсіяння електронів на ній, визначений експериментально час релаксації збільшується. Це означає, що зменшується внутрішня поверхня між зернами і, відповідно, внесок розсіяння на ній через збільшення розмірів окремих кристалітів. Час релаксації досягає найбільшого свого значення (t=2.3Ч10-14 с) для зразка, відпаленого при 250оС (для об'ємного матеріалу t=2.7Ч10-14 с). В цілому зразки, напилені на гарячу підкладинку, мають менше t, але більшу густину вільних носіїв, ніж зразки, що були відпалені при тій же температурі. Довжина пробігу вільних носіїв, визначена як добуток часу релаксації на швидкість електронів на рівні Фермі, для досліджуваних зразків становила від 4 до 32 нм, (для об'ємного матеріалу це 40 нм).

Для плоских структур пропускання світла в фотоактивну область напівпровідника розраховувалось з використанням класичних формул Френеля для одно та двошарової систем. Для фотодетекторів з поверхнею типу квазігратки з геометричними параметрами рельєфу у випадку GaAs: висота ~1 мкм, розкид періодів 1ё3 мкм, для розрахунку пропускання були використані закони геометричної оптики, які тим краще виконуються, чим менша довжина хвилі. Крім того, враховувалось, що для мікрорельєфних поверхонь: 1) товщина металевої плівки буде меншою, приблизно в стільки ж разів у скільки більша реальна площа за геометричну; 2) реалізується багатократне відбивання світла від мікрорельєфної поверхні. Ці причини збільшують пропускання світла. Як показує AСM переважний кут канавки квазігратки на GaAs є 90о±10o. При падіння світла перпендикулярно до площини зразка, безпосередньо на межу поділу світло падатиме під кутом 45о, і реалізується двократне відбиття.

Дендритна морфологія поверхні є ізотропною, випадковою і розвиненішою за квазігратку. Аналіз AСM зображень також показує, що переважний нахил нерівностей складає ~45o, отже і в цьому випадку працює проста модель подвійного відбивання світла (у актуальному спектральному діапазоні).

Такий розрахунок пропускання світла Т у фотоактивну область напівпровідника для мікрорельєфної поверхні з макрошорсткостями d>>l був доповнений врахуванням впливу мікрошорсткостей (d<<l) на відбивання (d - середньо-квадратична висота нерівностей): R=Roexp[-({4pdcosj}/l)2], T=Tk(1-R), де R0 - відбивання від плоскої поверхні структури, j - кут падіння світла на поверхню, Тк - пропускання світла металевою плівкою з плоско-паралельними поверхнями. Розрахунок показує, що пропускання світла в напівпровідник досліджуваних мікрорельєфних структур з макронерівностями мікронного розміру і мікронерівностями порядку d~0.2 мкм в 1.7-2.3 рази більше (в залежності від довжини хвилі), ніж у плоских структур.

Далі було розглянуто фотострум бар’єра Шоткі в умовах великого електричного поля в ОПЗ, яке виникає внаслідок високого легування напівпровідника, або ж як результат підсилення його на нерівностях мікрорельєфних поверхонь. За умови, коли поле E>105 В/см коефіцієнт поглинання світла напівпровідником внаслідок ефекту Франца-Келдиша стає функцією електричного поля. Для цього випадку в дисертації була отримана формула для залежності фотоструму від ширини області просторового заряду W:

(1)

де К*- деяка стала, aо -коефіцієнт поглинання світла напівпровідником у слабкому полі, , y=1/(3bW), , Сi - інтегральний косинус, m - ефективна маса електронів, h - постійна Планка, hn - енергія кванта світла, Eg - ширина забороненої зони напівпровідника. Вираз (1) відрізняється від випадку слабких полів наявністю осцилюючого множника 1-f(y) (див. вставку до рис. 1). Внаслідок цього і відсічка Lo залежності Ip(W) на осі W не дорівнює довжині дифузії неосновних носіїв L, як це було за умови слабкого поля, а стає функцією енергії світлового кванта (рис. 1). Знання істинної дифузійної довжини L неосновних носіїв струму дуже важливе, оскільки величина L визначає чутливість фотоприймачів та ККД сонячних елементів. Для перевірки теоретичної моделі були досліджені плоскі зразки Au-n-GaAs з різним рівнем легування (що задає напруженість поля в ОПЗ) напівпровідника в межах 1016-1018 см-3 і знайдені довжини дифузії неосновних носіїв з врахуванням ефекту Франца-Келдиша (рис.2). Отримані цим методом величини L узгоджувались з L, визначеними за допомогою спектральної залежності внутрішнього квантового виходу Q шляхом узгодження експериментальних і теоретичних спектрів Q(l), рис.2.

Рис.1. Експериментальні (точки) та розраховані (суцільні криві) залежності відсічки Lo для зразків Au-GaAs з легуванням Nd, см-3: 1-4.5Ч1016, 2-3.48Ч1017, 3-1.08Ч1018. Розрахована довжина дифузії неосновних носіїв L, мкм: 1-0.77, 2-0.35, 3-0.27. На вставці зображений вигляд функції f(y). Рис.2. Експериментальні та розраховані спектральні залежності внутрішнього квантового виходу для тих же структур, що і на рис.1. Параметри для розрахунку L, мкм: 1-0.57, 2-0.46, 3-0.32. На вставці- залежність довжини дифузії дірок від концентрації донорної домішки, L визначалось за методами: Ip(W)- квадратики, Q(l)- кружки.

Було досліджено також вплив мікропрофілювання та сульфідної пасивації (у водному розчині Na2SЧ9H2O як плоских, так і мікрорельєфних поверхонь) на фотоелектричні та електричні характеристики поверхнево-бар’єрних структур.

Порівняння фоточутливості структур Au-GaAs (InP) з плоскою та мікрорельєфною поверхнею показує, що досліджені типи мікрорельєфів поверхонь GaAs і InP призводять до збільшення фоточутливості діодів Шоткі в актуальній спектральній області. Сульфідування поверхні GaAs структур Au-GaAs з плоскою межею поділу збільшує фоточутливість у всій спектральній області. Основний ефект збільшення фоточутливості внаслідок сульфідування структур з мікрорельєфом дендритного типу проявляється у короткохвильовій області спектру. Для з'ясування природи ефекту сульфідування проведено комплексний аналіз зміни оптичних, електричних та рекомбінаційних параметрів структур. Відношення швидкості поверхневої рекомбінації до швидкості надбар’єрного переносу дірок (як неосновних носіїв) S/Vp визначалось узгодженням розрахованого спектру фотоструму з експериментальним. Результат для плоскої поверхні: S/Vp=0.2ё0.8 на вихідній непасивованій, і S/Vp ~0.01 - на сульфідованій межі поділу. Тобто, швидкість рекомбінації на плоскій межі поділу в результаті сульфідування зменшилась на 1-2 порядки величини. Аналогічний розрахунок для структур з мікрорельєфною межею поділу: S/Vp =0.2ё0.6 для непасивованої та 0.05ё0.4 для сульфідованої мікрорельєфної поверхні. Тобто, сульфідування мікрорельєфної поверхні призводить до зменшення швидкості поверхневої рекомбінації на межі поділу лише в 1.5ё4 рази. Збільшення фоточутливості структур Au-GaAs за рахунок створеного анізотропним травленням мікрорельєфу поверхні, в основному, зумовлене оптичними чинниками, оскільки зменшення швидкості рекомбінації на непасивованій межі поділу (у порівнянні з природною поверхнею росту епітаксіального GaAs) не перевищувало 1.3 раза. У випадку сульфідної пасивації як плоскої, так і мікрорельєфної поверхонь основний фактор збільшення фоточутливості - зменшення швидкості поверхневої рекомбінації S, що, в залежності від вихідної величини, може досягати 2-ох порядків.

Проведене дослідження стабільності ефекту сульфідування. Після трьох років зберігання зразків при кімнатних умовах спостерігалось загальне зменшення фоточутливості структур (в 1.5-2 рази), внаслідок збільшення товщини проміжного шару (i збільшення параметра неідеальності ВАХ n), але відносний ефект сульфідування не зменшився.

Досліджувався вплив сульфідування також на фоточутливість структур Au-ВО-InP (ВО - власний оксид) в залежності від технології приготування поверхні InP. Сульфідування призводило до збільшення фоточутливості, як на структурах з гладкою, так і з мікрорельєфною поверхнею, причому ефект був максимальним на гідротермально-окисленій поверхні. Не виключається і той факт, що сульфідування призводить також до формування бар'єру для взаємної дифузії елементів, що перешкоджає утворенню Au/Ga розчину, який призводить до зниження бар'єру у контакті Au-GaAs, тобто його деградації. Але, проведене комплексне дослідження показує, що як і у випадку структур Au-ВО-GaAs, основний ефект збільшення фоточутливості в результаті сульфідної пасивації зумовлений не зміною бар'єрних властивостей контакту, а зменшенням швидкості поверхневої рекомбінації на межі поділу внаслідок зменшення концентрації поверхневих електронних станів (ПЕС) дефектної природи.

У третьому розділі проведені фотоелектричні дослідження бар’єрів Шоткі з мікрорельєфною межею поділу в режимі збудження поверхневого плазмового резонансу (ППР). Викладений короткий огляд теорії збудження ППР за допомогою дифракційної фазової гратки. Для розрахунку спектру пропускання світла в напівпровідник та дифракційної ефективності граток була розроблена програма на основі теорії, що полягає в розгляді багатошарових граток із скінченною провідністю поверхні з використанням рівнянь Максвела в коваріантній формі в неортогональній системі координат, прилаштованій до геометрії гратки.

Досліджена можливість підсилення фотоструму внутрішньої фотоемісії за допомогою збудження ППР та статичного підсилення електричного поля на нерівностях мікрорельєфу типу квазігратки. За допомогою спектральних характеристик внутрішньої фотоемісії в поляризованому світлі доведено, що крім підсилення фотоструму за рахунок збільшення поглинання внаслідок багатократних відбиттів має місце збудження ППР в тонкій металевій плівці, що також збільшує фотострум бар’єрної структури (електродинамічне підсилення). Аналіз вольт-амперних характеристик показав, що основний механізм струмопроходження в таких структурах є термопольовий. На нерівностях мікрорельєфу відбувається підсилення електричного поля, що сприяє фотоемісії (електростатичне підсилення). Знайдено, що в середньому електричне поле для досліджених мікрорельєфних зразків більше ніж у плоских приблизно в ~10 разів.

Збудження ППР в діодах Шоткі з мікрорельєфною поверхнею типу фазової дифракційної гратки було використано для розробки нової методики визначення оптичних параметрів провідного електрода. Використовуються самі лише спектральні та кутові залежності фотоструму в спектральній області, де збуджується ППР. Таким чином можна уникнути додаткових оптичних вимірювань металевих плівок на пластинах-супутниках (наприклад, методом спектральної еліпсометрії), оптичні параметри яких, в загальному випадку, відрізняються від параметрів металевих плівок на напівпровідниках з періодично профільованою поверхнею. Для перевірки методики була обрана структура Au-GaAs з дифракційною граткою. Для опису оптичних властивостей плівки Au була використана двошарова модель. Верхній шар з невідомими коефіцієнтами заломлення та екстинкції n, k, та товщиною d1 описував вплив шорсткості поверхні, можливих забруднень та ін. Другий шар - Au з об’ємними оптичними параметрами та невідомою товщиною d2. Невідомі параметри n, k, d1 були знайдені із співставлення з розрахованою експериментальної відносної інтенсивності плазмового резонансу (фотоструму), його кутового положення та півширини (на кутових залежностях фотоструму, виміряних на різних довжинах хвилі падаючого світла). Доведена самоузгодженість результатів. Отримані спектральні залежності n, k були використані для розрахунку відбивання світла від структури, яке співпало з експериментально визначеним. Отримані оптичні параметри верхнього металевого шару дозволили розрахувати внутрішній квантовий вихід структури і знайти рекомбінаційні характеристики фотодетектора. Показана доцільність використання теорії ефективного середовища Бругемана для опису оптичних параметрів плівки Au і розрахунку інтенсивності ППР при невисоких інтенсивностях збудження.

Досліджений вплив на ППР сульфідної пасивації бар’єрних структур, що використовується для зниження швидкості поверхневої рекомбінації за рахунок зменшення густини ПЕС поверхнево-бар’єрних структур на основі напівпровідників A3B5. Темновий струм на прямих ВАХ помітно менший для сульфідованих ПБС, а на зворотніх ВАХ сульфідування проявляється слабкіше. Параметр неідеальності n, висота бар'єру jb в контакті слабко залежать від сульфідної пасивації. Низькі значення jb визначені з ВАХ для вихідного (до сульфідування) контакту Au-GaAs пояснюються впливом рельєфу межі поділу, а зменшення прямих струмів - пригніченням крайових ефектів по периметру металевого електрода та зниженням швидкості поверхневої рекомбінації в результаті сульфідної пасивації.

Вплив сульфідування затворних електродів призводить до зміщення максимуму ППР, що пов'язане зі зміною частоти ПП. Сульфідна обробка не тільки зсуває резонанс до більших величин хвильового вектора ПП, але також впливає на розподіл поля ПП на межі повітря - метал. Внаслідок цього змінюються умови перевипромінювання ПП в об'ємну світлову хвилю, що дещо зменшує фотострум. Поляризаційна ж фоточутливість (відношення фотострумів Ip/Is у резонансі) майже не змінюється, бо всі три умови: 1) зменшення рекомбінації по периметру польового електрода; 2) поглинання світла; 3) зміни проміжного шару на межі МН внаслідок поверхневої дифузії іонів сірки, позначаються однаковим чином на фоточутливості для світла обох поляризацій.

Четвертий розділ присвячений практичному застосуванню поверхневого плазмового резонансу при розробці сенсорів. Фізична основа роботи сенсора полягає в резонансному збудженні поверхневої плазмової хвилі на поверхні метал/досліджувана рідина або метал/повітря з гофрованою межею поділу (фазовою дифракційною граткою на поверхні напівпровідника) світлом р-поляризації певної довжини хвилі l та під певним кутом падіння Q. Оскільки при нанесенні металу на напівпровідник утворюється потенціальний бар’єр, генеровані у напівпровіднику носії струму просторово розділяються, утворюючи фотонапругу. ППР реєструється сенсором як різке збільшення фотосигналу і виглядає як вузький пік на спектральній або кутовій його залежності. Збудження ПП є резонансне явище, тому досягається висока чутливість до оптичних параметрів контактуючого середовища (у випадку, коли досліджувана рідина безпосередньо торкається поверхні металу), або до кута падіння світла Q на метал, коли досліджувана рідина відокремлена від нього, але впливає на кут падіння Q (рис. 3). Таким чином робочий елемент сенсора може бути використаний і як селективний фотоприймач. Досягнуті параметри одного з таких фотоприймачів наведені в Tаблиці 1. Досягнутий поріг чутливості детектування, наприклад, етанолу у воді складає 0.3%, що відповідає зміні показника заломлення рідини Dn=1.6Ч10-4.

Рис.3. Кутові залежності фотосигналу сенсора Au-GaAs, виміряні для різних концентрацій етанолу у воді: 1- 0%; 2- 7.32 %: 3- 13.64 %. На вставці - залежність зсуву резонансного кута (максимума фотосигналу) від концентрації етанолу у воді.

Таблиця 1. Досягнуті параметри робочого елемента сенсора Ag-GaAs, як фотоприймача видимого діапазону.

Найменування, та одиниця вимірювання Значення техніко-економічних показників

Структура Ag-GaAs

Робочий метал Ag

Товщина металу, нм 60

Поляризаційна чутливість, Ip/Is 6:1

Спектральна півширина максимума Dl, нм 10

Глибина гратки, нм 10

Період гратки, нм 652

Абсолютна фоточутливість, А/Вт 0.0024

ВИСНОВКИ

1. Запропонована вдосконалена методика врахування впливу проміжного шару на межі МН та глибоких рівнів в ОПЗ напівпровідника при визначенні параметрів бар’єра Шоткі з вольт-фарадних характеристик.

2. При низьких температурах Т<200 K в поверхнево-бар’єрних структурах з мікрорельєфом типу квазігратки виявлено аномальний фотоемісійний струм, механізм протікання котрого пояснюється збудженням носіїв струму квантами світла на поверхневі електронні стани з наступним їх тунелюванням крізь проміжний шар в метал. Дослідження показують, що такі межі поділу мають меншу ефективну висоту бар’єра (в порівнянні з плоскою) та приблизно вдвічі більший температурний коефіцієнт висоти бар’єра. Внаслідок додаткового поглинання світла мікрорельєфною поверхнею покращуються умови спостереження аномального фотоструму. Крім того, внаслідок квазівпорядкованості такого мікрорельєфу, на відміну від дендритного, більш ймовірне збудження поверхневих плазмових поляритонів в металевій плівці, що також підсилює цей фотострум.

3. Оптичні параметри вакуумно-напилених металевих плівок суттєво залежать від умов їх виготовлення, що необхідно враховувати при розрахунках фотоелектричних характеристик поверхнево-бар’єрних структур. Найбільша густина плівки Au досягається при напиленні на гарячу підкладинку при невисоких (80оС) температурах, в той час як розсіяння електронів в об’ємі мінімальне при найвищих застосованих температурах відпалу (250оС). В цілому, напилення на гарячу підкладинку не лише забезпечує більшу густину плівок, але й більше розсіяння електронів в об’ємі плівки, на відміну від напилення при кімнатній температурі з наступним відпалом.

4. Відома методика визначення довжини дифузії неосновних носіїв струму L за польовими характеристиками фотоструму удосконалена в застосуванні до реальних бар’єрів Шоткі з врахуванням ефекту Франца-Келдиша. Отримані значення L відображають реальні значення дифузійних довжин в GaAs, та дозволяють самоузгоджено описати спектральні та польові залежності фоточутливості структур з бар’єром Шоткі.

5. Показано, що сульфідування поверхні GaAs та InP у водному розчині Na2SЧ9H2O забезпечує збільшення фоточутливості структур Au-ВO-GaAs (InP) як з плоскою, так і з хімічно текстурованою поверхнею, причому ефект зберігається на протязі кількох років. Особливо ефективне поєднання сульфідування з хімічним текстуруванням, а у випадку InP - з додатковим гідротермальним окисленням поверхні. Ефект добре пояснюється у рамках моделі про локальне зменшення густини ПЕС дефектної природи на реальній межі метал-напівпровідник з проміжним шаром та створенням бар'єру для взаємної дифузії елементів.

6. Збудження поверхневих плазмових поляритонів є додатковим механізмом підвищення струму фотоемісії на зразках з мікрорельєфом типу дифракційної гратки та квазігратки; різкі краї мікрорельєфу типу квазігратки призводять до підсилення електричного поля приблизно в 10 разів по відношенню до плоского зразка (електростатичне підсилення - додаткове до електродинамічного підсилення внаслідок збудження ПП).

7. Використовуючи спектральні та кутові залежності фотоструму діода Шоткі в умовах збудження поверхневого плазмового резонансу в тонких металевих плівках, розроблено метод комплексної характеризації даного приладу, як фотодетектора. Визначені його оптичні та рекомбінаційні параметри; показана взаємоузгодженість отриманих результатів.

8. Розроблений сенсор для вимірювання малих концентрацій хімічних речовин в розчинах. Конструкція сенсора дозволяє виміри in situ, що особливо актуальне при моніторингу хімічних процессів, аналізі чистоти води або іншої рідини. Досягнутий поріг чутливості детектування, наприклад, етанолу у воді є 0.3%, що відповідає зміні показника заломлення Dn=1.6Ч10-4.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в наступних публікаціях:

1. Dmitruk N.L., Litovchenko V.G., Mamikin S.V. Photoemission of microrelief semiconductor surfaces with semitransparent Au films // J.Vac.Sci.Technol.B.- 1995.- Vol. 13, № 2.- P. 445-447.

2. Dmitruk N.L., Mamikin S.V. Optical properties and photoemission of microrelief surfaces of III-V semiconductors // Acta Physica Polonica A.-1994.- Vol. 86, № 5.- P. 811-815.

3. Дмитрук Н.Л., Борковская О.Ю., Мамыкин C.B. Измерение длины диффузии неосновных носителей заряда с использованием реальных барьеров Шотки // ФТП.- 1997.- Т. 31, № 7.- С. 781-785.

4. Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu., Mayeva O.I., Mamikin S.V., Yastrubchak O.B. Corrugation and passivation influence on Au-GaAs(InP) Schottky barrier characteristics // Functional Materials.- 1998.- Vol. 1.- P. 92-95.

5. Борковская О.Ю., Дмитрук Н.Л., Маева О.И., Мамыкин С.В., Котова Н.В. Влияние химического текстурирования и сульфидирования поверхности GaAs и InP на фоточувствительность барьерных структур металл-полупроводник с туннельно-тонким оксидом // Поверхность.- 1997.- № 12.- С. 96-101.

6. Дмитрук Н.Л., Маева О.И., Мамыкин С.В., Яструбчак O.Б. Влияние сульфидирования диодов Шотки Au-GaAs с профилированной границей раздела на поляритонный пик фотоответа // Письма в ЖТФ.- 1997.- Т. 23, № 9.- С. 52-58.

7. Dmitruk N.L., Borkovskaya O.Yu., Mamontova I.B., Mamykin S.V. Texturized interface as a basis of surface-barrier heterostrucure for solar cells application // Solar Energy Materials and Solar Cells.- 2000.- Vol. 60.- C.379-390.

8. Dmitruk N.L., Mamykin S.V. Surface enchanced photoemission in the Schottky diodes with microrelief interface // Proc. of International Vacuum Microelectronic Conference IVMC’98.- Asheville, USA.- 1998.- P.310-311.

9. Mamykin S.V. Optical characterization of thin semitransparent metal films in photodetectors of Schottky barrier type using plasmon-polariton resonance // Abst. 2nd International Workshop on Surface and Interface Optics (SIO’99).- Ste-Maxime, France.- 1999.- P.22.

АНОТАЦІЯ

Мамикін С.В. Внутрішній фотоефект в контакті метал-напівпровідник з мІкрорельєфною межею поділу. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук за спеціальністю 01.04.01- фізика приладів, елементів і систем. -Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена актуальній темі - дослідженню фотоелектричних та оптичних властивостей поверхнево-бар’єрних структур типу діодів Шоткі на основі напівпровідників А3В5 (GaAs, InP) з мікрорельєфною межею поділу, у видимій та ближній ІЧ області спектра, в тім числі, в режимі збудження поверхневих плазмових поляритонів, дослідженню впливу підсилення електростатичного та електродинамічного поля, ефекту електропоглинання світла (Франца-Келдиша) на електрофізичні та фотоелектричні характеристики, з’ясуванню впливу мікропрофілювання та пасиваційних обробок на рекомбінаційні характеристики меж поділу метал-напівпровідник, а також процесів деградації. Створено високочутливий сенсор компонент рідинних середовищ на основі резонансного явища - збудження поверхневих плазмових поляритонів на структурах метал-напівпровідник з мікрорельєфом типу дифракційної гратки.

Ключові слова: бар’єр Шоткі, мікрорельєфна поверхня, коефіцієнт пропускання світла, фотострум, ефект Франца-Келдиша, поверхнева рекомбінація, поверхневий плазмовий резонанс, сенсор.

АННОТАЦИЯ

Мамыкин С.В. Внутренний фотоэффект в контакте металл-полупроводник с микрорельефной границей раздела. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01- физика приборов, элементов и систем. -Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена актуальной теме - исследованию фотоэлектрических и оптических свойств поверхностно-барьерных структур типа диодов Шоттки на основе полупроводников А3В5 (GaAs, InP) с микрорельефной границей раздела, в видимой и ближней ИК области спектра, в том числе, в режиме возбуждения поверхностных плазменных поляритонов, исследованию влияния усиления электростатического и электродинамического поля, эффекта электропоглощения света (Франца-Келдыша) на электрофизические и фотоэлектрические характеристики, выяснению влияния микропрофилирования и пассивирующих обработок на рекомбинационные характеристики границ раздела металл-полупроводник, а также процессов деградации, построению высокочувствительного сенсора компонент жидких сред на основе резонансного явления - возбуждения поверхностных плазменных поляритонов на структурах с микрорельефом типа дифракционной решетки.

Вследствие анализа (на количественном уровне) влияния эффекта электропоглощения (Франца-Келдыша) на полевые зависимости фототока, обобщена известная методика определения длины диффузии (времени жизни) неосновных носителей тока из полевых зависимостей фототока. Показано, что сульфидирование микропрофилированных поверхностей полупроводника при изготовлении барьеров Шоттки приводит к уменьшению рекомбинационных потерь на поверхности (границе раздела), причем эффект стабилен на протяжении нескольких лет. Показано, что возбуждение поверхностных плазменных поляритонов является дополнительным механизмом усиления фоточувствительности барьеров Шоттки с частично упорядоченным анизотропным микрорельефом поверхности. Предложена оригинальная методика определения параметров барьера Шоттки (с микрорельефом типа дифракционной решетки) с использованием возбуждения поверхностного поляритонного резонанса. На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований разработан сенсор состава жидких сред, физический принцип действия которого основан на зависимости параметров поверхностного плазменного резонанса от показателя преломления света окружающей среды.

Ключевые слова: барьер Шоттки, микрорельефная поверхность, коэффициент пропускания света, фототок, эффект Франца-Келдыша, поверхностная рекомбинация, поверхностный плазменный резонанс, сенсор.

SUMMARY

Mamykin S.V. Internal photoeffect in metal/semiconductor junction with microrelief interface.- Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by speciality 01.04.01.- physics of devices, elements and systems.- Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine. Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to the research of photoelectric and optic properties of the surface barrier structures of Schottky junction type on the basis of A3B5 semiconductors (GaAs, InP) with microrelief interface. Actual spectral regions were near infrared and visible. Excitation of surface plasmon waves was taken into account. Influence of electric field enhancement and electro-absorption effect (Franz-Keldysh effect) on the electrophysical and photoelectric characteristics of metal-semiconductor contacts has been investigated. Special attention has been made for the investigations of the microrelief corrugation and sulfur passivation influences on the recombination properties of such structures and the degradation processes in them.

High sensitive sensor for detection of liquid medium components has been made on the basis of the structures with diffraction gratings. The physical background of sensing is dependence of surface plasmon resonance in thin metal films on the optical constants of surrounding medium.

Key words: Schottky junctions, microrelief surface, light transmittance coefficient, photocurrent, Franz-Keldysh effect, surface recombination, surface plasmon resonance, sensor.