Книги по разным темам
Pages: | 1 | ... | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ... | 9 | 1/Общие выражения для этих составляющих довольно NEP Вт Гц-1/2 см-1 = Vn/Vp f S1/max сложны, они приведены, например, в работе [94]. Для несимметричного перехода, в котором поглощение света определяют обнаружительную способность фотоприемпроисходит исключительно в p-области, эти выражения ника упрощаются. Если омический контакт находится на расD Вт-1 Гц1/2 = 1/NEP стоянии нескольких диффузионных длин от p-n-перехои удельную обнаружительную способность фотоприемда, то ника ()Lp () =(1 - R), D Вт-1 Гц1/2 см = 1/NEP, 1 + ()Lp причем где R Ч коэффициент отражения, Ч коэффициент D = G1/2(2hct)-1/2, поглощения, Ч длина волны излучения, Lp Ч диффузионная длина дырок в n-области. Если расстояние d от где G Ч скорость генерации, t Ч толщина детектора.
p-n-перехода до омического контакта меньше, чем Lp, Верхний теоретический предел D при комнатной то температуре [95] для УФ области спектра составляет () =(1 - R) 1 - exp -()d.
1017 Вт-1 Гц1/2 см, в то же время экспериментальные значения D для УФ фотопреобразователей составляют 1012-1015 Вт-1 Гц1/2 см. Величина D возрастает 4.3. Шумы с ростом длины волны излучения квантовой эффективШумовые свойства структур с потенциальным ности фотоприемника и с уменьшением темнового тока.
барьером определяются:
- тепловым (джонсоновским) шумом, возникающим 4.4. Быстродействие вследствие хаотического теплового движения электронов; Постоянная времени фотодиодов с p-n-структурой - дробовым шумом, связанным с хаотическими флукту- определяется средним квадратичным от времени переациями тока через барьер; носа заряда электрическим полем через обедненную - фликкер-шумом (1/ f ), обусловленным хаотическими область c, временем диффузии от места их генерации изменениями сопротивления структуры (хаотически- до слоя объемного заряда d и постоянной времени ми изменениями концентрации и подвижности носи- RC-цепи RC:
2 телей заряда).
= c2 + d2 + RC.
Общий шумовой ток IN равен среднеквадратичному Для обычных p-n-переходов от этих трех токов IJ, Is, I :
f c = W /vs < 1нс, I2 = I2 + I2 + I2, I2 = 4kT f R0, N J s f J SRT s 0qN I2 = 2qI f, I2 = kI f / f, RC = поглощения света RC >d и RC (W Ч ширина слоя Тепловой шум преобладает в структурах с низкими объемного заряда, vs Ч насыщенная скорость дрейфа токами утечки, в особенности в структурах, работающих в режиме фотоэлектрогенератора при больших сопро- для данного полупроводника, 0 и s Ч диэлектрическая тивлениях нагрузки. проницаемость вакуума и полупроводника, S Ч плоДробовой шум преобладает в структурах большой щадь, N Ч концентрация нескомпенсированных носитеплощади, работающих в режиме фотодиода, при боль- лей заряда, Vop Ч рабочее напряжение). ших токах утечки и в случае детектирования особо Для диодов Шоттки практически всегда RC, слабых сигналов. поскольку c очень мало, а диффузия несущественна, Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра... при этом сопротивление RT зависит от последователь- Омический контакт обычно образуется в случаях, ного сопротивления структуры Rs, дифференциального когда (рис. 7): сопротивления Rd и сопротивления нагрузки RL: - потенциальный барьер между металлом и полупроводником отсутствует, т. е. для полупроводника n-типа Rd(Rs + RL) RT =, проводимости с низкой плотностью поверхностных Rd + Rs + RL состояний в запрещенной зоне выбирается металл Rd = kT(I + I0)/q, где I Ч постоянный ток через структуру, I0 Ч предэкспоненциальный множитель в I-V -характеристике. При оптимальной геометрии быстродействие диодов Шоттки достигает времени релаксации носителей по энергии 10-9 с, в то время как для обычных p-n-структур Ч времени жизни носителей заряда 10-7 с. 4.5. Фоторезисторы Фоторезистор Ч это полупроводниковый прибор, в котором электрическое сопротивление уменьшается под действием света. Когда световой поток падает на фоторезистор, дифференциальная фоточувствительность определяется как dIph wtVop d SI = =. d q d Квантовая эффективность и вольтовая фоточувствительность SV составляют [94]: (1 - R) 1 - exp(t) =, 1 - R exp(t) Vop Vs SV = =. P lwthcnЗдесь Vop Ч рабочее напряжение, Ч внутренний квантовый выход, R Ч коэффициент отражения от освещаемой поверхности, Ч коэффициент поглощения света, Vs Ч напряжение холостого хода, P = Sh Ч поглощаемая мощность монохроматического света, n0 Ч средняя концентрация носителей заряда в термическом равновесии, Ч время жизни неравновесных носителей заряда; t, w, l Ч толщина, ширина и длина фоторезистора, Ч изменение его проводимости в результате действия света. Фоторезисторы обладают очень высокой фоточувствительностью, могут работать в режиме усиления, однако их Iph- -характеристика нелинейная и они не могут работать без напряжения смещения. 5. Омические контакты металл-полупроводник Рис. 7. Энергетические диаграммы трех типов омических 5.1. Образование омического контакта контактов к полупроводникам n-типа проводимости: a Ч полупроводник не содержит поверхностных состояний в заКак известно, контакт металл-полупроводник может прещенной зоне и димости и валентной зоны. Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1040 Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг Таблица 10. Механизмы протекания тока в омическом контакте Механизм Приведенное сопротивление Rc = f (T ) Rc = f (N) qB k Термоэлектронная эмиссия Rc = exp RcT exp qAT kT T 2 s 0m B Туннелирование Rc exp Не зависит Rc exp N1/N Примечание. k Ч постоянная Больцмана, T Ч температура, A Ч эффективная постоянная Ричардсона, B Ч высота потенциального барьера, Ч постоянная Планка, N и m Ч концентрация и эффективная масса нескомпенсированных носителей, 0 и s Ч диэлектрическая проницаемость вакуума и полупроводника. с работой выхода электронов из металла, меньшей, барьера с термоэмиссионным механизмом протекания чем сродство к электрону полупроводника (контакт тока, и его сопротивление определяется формулой первого типа); k - потенциальный барьер присутствует, но он узкий Rn-n =, + qAT ln 1 + exp(/kT ) (туннельно-прозрачный), что достигается сильным легированием приповерхностной области полупрогде A Ч эффективная постоянная Ричардсона, водника (контакт второго типа); A = Am/m0 (A = 120 А/см2 K2), m/m0 Ч относи- потенциальный барьер присутствует, но он низкий тельная эффективная масса основных носителей заряда, и легко преодолевается за счет термоэлектронной Ч энергия уровня Ферми в n-области, отсчитанная эмиссии носителей, что чаще всего достигается измеот дна зоны проводимости. Если в слабо легированном нением химического состава полупроводника вблизи полупроводнике kT/q, то контакта, например, созданием узкозонного приконтактного слоя (контакт третьего типа). kNc Rn-n =. + qATN 5.2. Сопротивление контакта В результате при N = 1017-1019 см-3 для GaAs это Основной характеристикой омического контакта сопротивление составляет 10-7 Ом см2. является его сопротивление, приведенное к единице Теперь перейдем к определению сопротивления, свяплощади. Сопротивление контакта состоит из последозанного с прохождением потенциального барьера. Сувательно соединенных: ществуют два основных механизма протекания тока в - сопротивления приконтактной области, омическом контакте Ч термоэлектронная эмиссия и - сопротивления, связанного с прохождением электротуннелирование. нами потенциального барьера. Согласно теории термоэлектронной эмиссии [71] приСопротивление приконтактной области Ч это сопроведенное сопротивление контакта, равное Rc = dV /dJ тивление сильно легированной области и сопротивлепри V 0, экспоненциально зависит от обратной темние n-n+- или p-p+-перехода. Сопротивление сильно пературы (табл. 10). егированной области обычно очень мало. Например, Согласно туннельной теории [71], сопротивление консопротивление слоя n+-GaAs с концентрацией электакта, приведенное к единице площади, составляет тронов n+ = 1019 см-3, подвижностью 103 см2/В с, толщиной 1 мкм составляет 6 10-8 Ом см2. Со1 mq2 T (E) противление n-n+-перехода обратно пропорционально = dE, Rc 2 3 exp (E - )/kT - концентрации электронов [96,97]: LDNc Rn-n, + где T (E) Ч вероятность прохождения носителя, име qn kBNN+ ющего энергию E, через барьер, меньший qB на вегде LD Ч дебаевская длина для n-области, Nc Чплот- личину E. Согласно [99], Rc экспоненциально зависит ность состояний в зоне проводимости, n Ч подвиж- от N-1/2 и практически не зависит от температуры. Теоретическая зависимость минимально возможного соность электронов в n-области, N и N+ Ч концентрация электронов в n- и n+-областях, kB Ч коэффициент, противления контакта от уровня легирования полупропоказывающий во сколько раз концентрация электронов водника в случае термоэлектронной эмиссии приведена на уровне Ферми в n+-области превосходит N+. Для в работе [98], а в случае туннелирования в работе [100]. омического контакта к GaAs это сопротивление дает Теоретическое сопротивление туннельного контакта основной вклад в сопротивление при N < 5 1017 см-3. к p-GaN при учете туннелирования легких и тяжелых В работе [98] было показано, что n-n+-переход можно дырок зависит от кристаллографической ориентации рассматривать как диод Шоттки без потенциального GaN [101] и показано на рис. 8. Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра... удалить возможный промежуточный слой, что достигается термообработкой при температуре T > 200 K [103]. Сопротивление контакта In-n-ZnSe было получено менее 10-3 Ом см2 [104]. В то же время в случае p-ZnSe не существует металлов с работой выхода, большей суммы сродства к электрону и ширины запрещенной зоны ( >s + Eg); m кроме того, невозможно создать туннельно-прозрачный контакт с сильно легированной приповерхностной областью, так как максимально достижимая концентрация дырок в ZnSe не превышает 5 1017 см-3. Поэтому приходится создавать контакты третьего типа (с промежуточным слоем) за счет наращивания на поверхности p-ZnSe варизонного слоя p-ZnSex Te1-x и использования в качестве металлической пленки HgSe ( = 6.1эВ). m В результате высота барьера HgSe-p-ZnSe, составляющая 0.55 эВ [105], уменьшается до 0.4 эВ при наращиваРис. 8. Теоретическое сопротивление омического контакта к нии сплава ZnSe0.8Te0.2. p-GaN при учете туннелирования легких и тяжелых дырок в заПохожая ситуация наблюдается и в случае омическовисимости от концентрации нескомпенсированных акцепторов го контакта к n-GaN. Уровень Ферми на поверхности для различной кристаллографической ориентации поверхности GaN почти не закреплен [106,107], однако обычные GaN [101]. химически стабильные металлы имеют работу выхода, большую сродства к электрону для GaN (s = 4.1эВ). Поэтому чаще всего используются многокомпонентОтметим случай омического контакта к гетерострукные контакты на основе Ti ( = 3.8-4.3эВ) и Tix N m турам с двумерным электронным газом [102], например ( = 3.74 эВ). В случае p-GaN также не существует m к GaN/AlxGa1-x N. В этом случае ток, текущий из пометаллов с >s + Eg = 7.5 эВ, и используются либо m лупроводника в металл, состоит из термоэмиссионного соединения с высокой работой выхода, либо создается и туннельного тока через структуру и туннельного тока, узкозонный приповерхностный слой [108]. Например, обусловленного квантовыми ямами, причем последний при вплавлении Au/Ni в GaN при 600C образуется ток является определяющим. Вероятность туннелированесколько бинарных интерметаллических фаз, понижаюния электронов в i-подзоне с энергией Ei равна щих потенциальный барьер [109], а вплавление Au/C/Ni позволяет дополнительно легировать приповерхностный qB - qV - (Ei - EF) слой [110], так как C действует как акцептор. Для p-GaN T (Ei) =exp Eможет использоваться также контакт Ru/Ni с отжигом в среде O2. RuO2 уменьшает эффективную высоту (EF Ч энергия уровня Ферми), а контактное сопротивпотенциального барьера, а NiO действует как барьер ление составляет против диффузии высвобождающихся атомов Ga и N. 2qmkT q q Такой контакт имеет высокое пропускание света (84.6%) Rc = Ei ln 2 + и низкое сопротивление (4.5 10-5 Ом см2) [111]. В ра2h3(i + 1) E00 2kT Ei Rc = 5.5 10-4 Ом см2. В качестве контактов к твердым kT Eрастворам AlxGa1-xN обычно используются Ti/Al/Ni/Au В частности, контактное сопротивление структур с двуили V/Al/Ni/Au [113]. В табл. 11 приведены значения мерным электронным газом Al/Ti/Ta-n-GaN/AlxGa1-xN сопротивлений некоторых наиболее распространенных уменьшается с температурой по закону, близкому к омических контактов к GaN [114Ц128]. экспоненциальному, от величины 10-4 А при 77 K до Полупроводники групп AIV и AIIIBV (кроме нитридов 10-6 А при 300 K. и n-InAs) обычно имеют высокую концентрацию поверхТеперь рассмотрим экспериментальные результаты. ностных состояний, расположенных в глубине запрещенКонтакты первого типа (без потенциального барье- ной зоны, что приводит к жесткому закреплению уровня ра) изготавливаются, например, на ZnSe, в котором Ферми на поверхности. Поэтому для образования омиплотность поверхностных состояний мала. Так, оми- ческого контакта к ним можно поступить двумя спосоческий контакт к n-ZnSe дает In или сплав Ti/Pt/Au бами: 1) понизить плотность поверхностных состояний, ( = 4.3эВ), и при создании контакта требуется лишь 2) использовать второй или третий тип контакта. Книги по разным темам