Оптическая спектроскопия структур «металл – твердый раствор» на основе арсенида галлия

Для структур на основе барьера Шоттки методы оптической спектроскопии являются основными методами исследования, поскольку позволяют быстро и точно получать данные о важнейших фундаментальных параметрах контакта, в том числе о ширине запрещенной зоны твердого раствора и его составе, а также о высоте потенциального барьера «металл – полупроводник». Особенно важны спектральные исследования таких структур при их использовании в качестве фотоприемников. В этом случае (кроме значений токовой чувствительности, диапазона работы и других параметров фотодетектора) спектроскопия позволяет оценить качество структуры, наличие дефектов и поверхностных состояний на границе раздела «металл – полупроводник».

В работе исследовались структуры«металл – твердый раствор арсенида-фосфида галлия». Доля арсенида галлия в составе твердого раствора изменялась от 1 до 0. Использовались эпитаксиальные слои полупроводника, полученные методами жидкофазной и газофазной эпитаксии по общепринятым методикам[7]. Толщина пленки составляла 20–50 мкм. Слои n-типа получали в результате легирования серой,

а слои р-типа – цинком и магнием.

Как показали эксперименты, эпитаксиальные пленки, выращенные методом жидкофазной эпитаксии, имеют неровности и избыточную концентрацию свободных носителей заряда вблизи поверхностиПоэтому.

перед изготовлением барьеров поверхность эпитаксиальной пленки подвергалась специальной обработке на глубину до 10 мкм, включая механическую полировку, химическую полировку и травление.

Контакты «металл – твердый раствор» создавались с помощью вакуумного универсального поста ВУП-4, обеспечивающего вакуум не хуже 10–5 мм рт. ст. Распыление металла производилось с помощью резистивного молибденового нагревателя. В качестве металла использовались золото, серебро, алюминий, никель и др. Толщина слоя металла составляла 0,01–0,1 мкм, а площади контактов находились в пре-

делах от 0,01 до 0,1 см2. Для улучшения адгезии подложка нагревалась до температуры 100–200 ºС.

119

Для анализа спектральных зависимостей структур на основе твердых растворов необходимо знать ширину запрещенной зоны материала. Определить эту величину для твердых растворов типа GaAs1–хPх можно

Поскольку фосфид галлия– непрямозонный полупроводник, а арсенид галлия – прямозонный, то существует некоторая точкаЕi, в

которой происходит перестройка зонной структуры. Значение этого параметра для GaAs1-хPх составляет 0,46 эВ.

Типичные спектры фототока короткого замыкания для структур «металл – твердый раствор GaAs1-хPх» приведены на рис. 2. Толщина пленки металла во всех структурах составляла15 нм. Такая пленка является полупрозрачной, т. е. пропускает практически все падающее излучение. Форма спектральных характеристик в этом случае будет задаваться оптическими свойствами полупроводникового твердого раствора.

Как известно, волновой диапазон, в котором можно получить заметный фототок, определяется зависимостью коэффициента поглощения полупроводника от длины волны. Длинноволновая граница фоточувствительности должна соответствовать значению ширины запрещенной зоны полупроводника и смещаться в сторону меньших длин волн при повышении значения x в твердом растворе GaAs1-хPх в соот-

ветствии с (1) и (2). Из рис. 2 видно, как резкий рост чувствительности, обусловленный межзонными переходами, смещается от 1,9 эВ для x = 0,4 до 2,5 эВ для x = 0,85. Однако начало диапазона чувствительности не совпадает со значениями, предсказанными (1), поскольку для

исследованных структур оно было обусловлено эффектом переноса носителей заряда над барьером Шоттки. Этот факт позволил определить из спектральных характеристик высоту потенциально барьера Шоттки для различных составов твердого раствора. Исследования показали, что зависимость высоты барьера от состава схожа по форме с соответствующей зависимостью изменения ширины запрещенной зоны

и, скорее всего, содержит излом в районе Еi.

120

Коротковолновая граница фотоответа обусловлена тем, что в области коротких волн коэффициент поглощения велик, и излучение поглощается в непосредственной близости от поверхности, где времена рекомбинации малы. Поэтому фотоносители рекомбинируют раньше, чем уходят из поверхностного слоя. Исследование спектральных характеристик структур позволяет судить о качестве образца, и в первую очередь – о скорости поверхностной рекомбинации. На рис. 2 наиболее качественным являлся образец GaAs0,6P0,4, поскольку спад фотоответа в нем наступает позже других.

Для создания необходимой степени селективности спектральной характеристики структуры был использован эффект широкозонного окна. Этот эффект можно получить в структуре с гетеропереходом, используя широкозонную часть в качестве окна, через которое проходит излучение. Такое окно прозрачно для света, поглощаемого в узкозонной части p–n-перехода. Спектральная характеристика фоточувствительности при этом ограничена с длинноволновой стороны шириной запрещенной зоны узкозонного, а с коротковолновой – широкозонного материала. Используя твердые растворы, можно изменять ширину запрещенной зоны и, следовательно, регулировать ширину и местоположение спектральной характеристики.

121

В случае применения контакта«металл – полупроводник» длинноволновая граница чувствительности определяется шириной запрещенной зоны полупроводника, а коротковолновая – высотой потенциального барьера. Таким образом, величина потенциального барьера оказывает серьезное влияние на спектр фотодиодных m–s-структур.

Спектральные характеристики структур типаMe–GaAs0,8P0,2/GaAs

изображены на рис. 3. При освещении со стороны металла характеристика соответствует спектру широкополосной фотодиодной структуры (как на рис. 2). При освещении со стороны подложки арсенид галлия начинает работать как широкозонное окно, пропуская свет с энергией, меньшей, чем ширина запрещенной зоны, и поглощая остальной. В этом случае в коротковолновой области рост чувствительности определяется надбарьерным переносом носителей заряда в контакте Шотки, а в длинноволновой области чувствительность ограничена высотой потенциального барьера контакта «металл – фосфид галлия». После увеличения энергии падающего излучения до значения ширины запрещенной зоны арсенида галлия чувствительность быстро падает до нуля, что объясняется началом эффективного поглощения света в полупроводнике.

122