Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 12 Исследование барьерных структур In/PbTe с промежуточным тонким диэлектрическим слоем й О.А. Александрова, А.Т. Ахмеджанов, Р.Ц. Бондоков, В.А. Мошников, И.В. Саунин, Ю.М. Таиров, В.И. Штанов, Л.В. Яшина Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина), 197376 Санкт-Петербург, Россия Московский государственный университет им. М.В. Ломоносoва, 119899 Москва, Россия (Получена 1 июня 2000 г. Принята к печати 1 июня 2000 г.) Эпитаксиальные слои n-PbTe были выращены из газовой фазы методом горячей стенки на подложках из монокристаллического BaF2 {111}. Выращенные слои выдерживались на воздухе в течение 15Ц30 дней, после чего напылялся In и защитный слой BaF2. На изготовленных таким образом барьерных структурах In/n-PbTe измерялись вольт-амперные и фотоэлектрические характеристики в диапазоне T = 80-300 K.

Анализ экспериментальных результатов позволил предложить модель механизма токопереноса и определить eff эффективную высоту барьера b, толщину диэлектрической прослойки и плотность поверхностных состояний DS.

образования инверсного слоя в полупроводниках n-типа за счет диффузии кислорода. Такой эффект наблюдался в n-PbSe [8]. Ввиду большей электроотрицательности Введение теллура образование инверсного слоя p-типа на поверхности n-PbTe возможно и при комнатной температуИнтенсивные исследования структур метал - хальре [9]. Состав окисного слоя (PbO, TeO2) зависит от когенид свинца проводятся в течение трех десятивремени выдержки структуры на воздухе [10]. Отмеченлетий с целью применения в качестве фотоприемниные особенности структур метал - халькогенид свинца ков излучения для ближнего и среднего инфракрасного предопределяют сильную зависимость вольт-амперных и (ИК) диапазонов длин волн [1]. Несмотря на большое фотоэлектрических характеристик от технологии изготоколичество экспериментальных результатов по вольтвления приборов.

амперным и фотоэлектрическим характеристикам таких Цель настоящей работы Ч исследование влияния структур, до настоящего времени не существует модельпромежуточных диэлектрических и инверсных слоев на ных представлений, объясняющих и предсказывающих характеристики структур In/n-PbTe.

экспериментальные результаты.

Большинство авторов при интерпретации полученных данных используют простейшие модели классических барьеров Шоттки и Бардина. При этом игнорируютМетодика эксперимента ся процессы диффузии примесей и дефектов решетки, а также окисления поверхности слоев. Эти проЭпитаксиальные слои теллурида свинца выращивали цессы способны существенно изменить как плотность из газовой фазы методом горячей стенки по методике, поверхностных состояний на границе раздела фаз, так подробно описанной в работе [11]. В качестве подложки и характеристики структур из-за образования новых фаз использовали свежесколотый BaF2. Скорость конденлибо инверсии типа проводимости в приповерхностном сации составляла 2.7 мкм/ч при температуре подложки слое [2,3]. Анализ влияния толщины промежуточного 600Ц630 K. Загрузка представляла собой шихту, предвадиэлектрического слоя и плотности поверхностных сорительно отожженную при условиях, обеспечивающих стояний на электрические и вольт-амперные характеристики барьеров металЦполупроводник проведен в [4].

В работах [5,6] обнаружено образование оксидных фаз на границе раздела металЦполупроводник и химическое Параметры структур In/n-PbTe при T = 80 K взаимодействие индия с халькогенидами свинца. Модели, eff учитывающие физические особенности процессов, про- Тип b,, R0A, Smax, n0 нм Ом см2 В/Вт текающих в структурах металЦполупроводник с тонки- структуры эВ ми диэлектрическими слоями, систематизированы в [7].

1 0.114 1.29 44.9 4.2 При анализе структур на основе халькогенидов свин2 0.121 2.61 59.3 22.8 ца необходимо дополнительно учитывать возможность 3 0.134 4.58 70.5 64.2 FAX: (812) 234-31-Примечание. n0 Ч коэффициент идеальности вольт-амперной харакE-mail: ME@eltech.ru теристики.

Исследование барьерных структур In/PbTe с промежуточным тонким диэлектрическим слоем минимальное общее давление паров в системе [12]. Полученные таким образом слои n-PbTe характеризовались подвижностью электронов 640 см2/(Вс) при 300 K и 850 см2/(Вс) при 80 K соответственно. Концентрация носителей заряда составляла 5 1017 см-3. Далее, на полупроводниковый слой n-PbTe через маску напылялся металл Ч висмут, свинец или индий. Вольт-амперные характеристики структур (Bi, Pb, In)/n-PbTe качественно не отличались друг от друга. При комнатной температуре они представляли собой прямые линии, а при охлаждении обнаруживалось появление барьера.

Подробный анализ вольт-амперных и фотоэлектрических характеристик проводили на структурах In/n-PbTe, схематически представленных на рис. 1, a. По описанной выше методике, в едином технологическом цикле выращивали слои PbTe n-типа проводимости. Выращенные слои в течение некоторого времени (от 15 мин до 1 месяца) выдерживались на воздухе при комнатной температуре. Формирование стуктур завершали напылением индия и защитного слоя BaF2. Анализ вольтамперных характеристик показал, что время выдержки существенно влияет на вид зависимостей. На рис. 1,b представлены вольт-амперные характеристики типичных структур с разным временем хранения слоев n-PbTe на воздухе перед нанесением индия. Здесь и далее (см. таблицу) для них применяются индексы 1, 2 и 3, причем время выдержки на воздухе составляло: t1 = 15 мин, t2 360 ч, t3 720 ч. Дифференциальное сопротивление этих структур при комнатной температуре составляло:

R1 = 50 Ом, R2 = 70 Ом, R3 = 90 Ом. Обратные ветви вольт-амперных характеристик всех типов структур не Рис. 1. a Ч схематический разрез типичной структуры In/n-PbTe, исследованной в работе; b Ч вольт-амперные харак- имеют участка насыщения.

теристики структур при T = 80 K. Время выдержки на воздухе:

Фотоэлектрические характеристики снимали в режиме 1 Ч15 мин, 2 Ч 360 ч, 3 Ч 720 ч.

генерации фотоэдс. Три типа исследуемых структур сильно различались по абсолютному значению вольтваттной фоточувствительности S. Максимальные значения S при 4.83 мкм и величины R0A представлены в таблице.

На рис. 2 показаны спектральные характеристики фоточувствительности для структуры типа 2 при 80 и 300 K.

Расчетное значение обнаружительной способности для структур типа 3 указывает на возможность их работы в режиме ограничения флуктуациями фонового излучения (BLIP-режиме).

Результаты эксперимента и их обсуждение Для объяснения полученных экспериментальных результатов была рассмотрена диаграмма контакта металЦполупроводник с тонким диэлектрическим слоем (рис. 3, a), образующимся в результате окисления поверхности. Поскольку диффузия кислорода в структуре In/n-PbTe приводит к образованию приповерхностного Рис. 2. Спектральные зависимости фоточувствительности для структур In/n-PbTe со временем выдержки на воздухе 360 ч, инверсного слоя p-PbTe, учитывалась также возможизмеренные при температуре T, K: 1 Ч 80, 2 Ч 300.

ность образования структуры In/-слой/p-PbTe/n-PbTe Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1422 О.А. Александрова, А.Т. Ахмеджанов, Р.Ц. Бондoков, В.А. Мошников, И.В. Саунин, Ю.М. Таиров Рис. 3. Качественная энергетическая диаграмма структуры In/n-PbTe с промежуточным диэлектрическим слоем (a) и в случае образования инверсного слоя p-PbTe (b).

(рис. 3, b). На рис. 3 приняты обозначения: qM Чрабо- в барьере Шоттки, Ч подвижность носителей заряда, та выхода металла; b Ч высота энергетического барье- n Ч концентрация электронов, ND Ч концентрация ра; b0 Ч ассимптотическое значение b при нулевом на- доноров, U Ч приложенное напряжение, b Ч выпряжении смещения; 0 Ч уровень электронейтрально- сота барьера Шоттки, измеренная относительно уровсти; U Ч падение потенциала на промежуточном ди- ня Ферми в металле. Тогда максимальное значение электрическом слое; Ч толщина промежуточного ди- d 3.5нм < l 34 нм и, следовательно, для струкэлектрического слоя; Ч понижение барьера за счет туры In/n-PbTe использование диодной теории является действия сил изображения; Ч электронное средство достаточно корректным.

полупроводника; DS Ч плотность заряда поверхностных Анализ механизмов протекания тока показал, что песостояний; EF Ч положение уровня Ферми; D и S Ч ренос заряда через границу раздела индий - теллурид диэлектрические проницаемости промежуточного ди- свинца осуществляется в основном термоэмиссией электрического слоя и полупроводника соответственно.

электронов над барьером. Заметную роль также играет Оценка роли диэлектрического и инверсного слоев рекомбинация носителей заряда в нейтральной области на границе раздела In/n-PbTe проводилась на основе как результат инжекции дырок. Туннелированием через анализа вольт-амперных и фотоэлектрических характе- барьер и рекомбинацией в области пространственного ристик. Во всех расчетах диэлектрический слой счи- заряда можно пренебречь.

тался туннельно-прозрачным, и его роль сводилась лишь Вольт-амперная характеристика в этом приближении к падению части приложенного напряжения U на может быть аналитически записана в виде:

нем. Условием применимости диодной теории является J = J0 exp(qU/kT - 1), критерий Бете: l d, где l Ч средняя длина свободного пробега, d = kT /qEmax Ч расстояние, на котором где барьер уменьшается на величину kT /q [2]. Величину l J0 = AT exp(-qb/kT ), рассчитывали по формуле:

l = (3nh3/8q3)1/3 34 нм. A =(4mqk2/h3) Максимальную величину электрического поля в области Ч постоянная Ричардсона для термоэмиссии, m Ч барьера рассчитывали как эффективная масса электрона.

В общем случае высота барьера b зависит от наEmax =[2qND(b - U - EF)/S]1/2.

пряжения смещения U и действия сил изображения В этих выражениях k Ч постоянная Больцмана, T Ч, поэтому при определении методом вольт-амперных температура, q Ч заряд электрона, Emax Ч макси- характеристик высота барьера является эффективной веeff мальное значение напряженности электрического поля личиной b. К такому выводу можно прийти и исходя из Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Исследование барьерных структур In/PbTe с промежуточным тонким диэлектрическим слоем сложной структуры границы раздела In/n-PbTe. В данной работе уменьшением высоты барьера, вызванным действием сил изображения, мы пренебрегали из-за его малой величины. Высоту барьера при нулевом смещении eff b0 b и коэффициент идеальности n0 вычисляли путем аппроксимации вольт-амперных характеристик к нулевому смещению. Их значения для трех выбранных типов структур приведены в таблице. Полученные нами eff значения эффективной величины барьера b относиeff тельно хорошо коррелируют со значением b, полученным для структур In/p-Pb1-xSnxTe в работе [13] и равным 0.09 эВ.

Представленные в таблице оценочные значения толщины слоя получены путем численного решения системы из двух нелинейных трансцендентных уравнений eff b = f (U) и n0 = f (U) методом Ньютона с использованием стандартного пакета MS EXELL-7.0. Величина плотности поверхностных состояний DS, равная Рис. 4. Влияние освещения на вольт-амперные характеристики структуры In/n-PbTe со временем выдеpжки на воздухе 360 ч.

1016 эВ-1м-2, рассчитана в предположении близости Характеристики измерены: 1 Чв темноте, 2 Ч при освещении.

уровня нейтральности 0 к положению уровня Ферми, совпадающего с дном зоны проводимости n-PbTe.

Значение диэлектрической проницаемости D принималось равным 400, что соответствует значениям D Как видно из таблицы, полученные в данной работе для PbO [14].

образцы характеризуются увеличением S при увелиКоэффициент инжекции дырок мы рассчитывали как чении толщины диэлектрического слоя. При этом, несмотря на достаточно хорошие фотоэлектрические p = Jp/(Jp + Jn), характеристики, данные структуры обладают высокой плотностью поверхностных состояний DS. В этом случае где Jn и Jp Ч плотности электронного и дырочного токов высота барьера будет фиксироваться поверхностными соответственно. Для всех типов структур коэффициент состояниями, приближаясь к пределу Бардина [2] инжекции принимал значения, близкие к 1. Это объясняется образованием инверсного слоя, который может qb Eg - q0, достаточно эффективно инжектировать дырки в нейтральную область полупроводника. Наличие инверсного где Eg Ч ширина запрещенной зоны полупроводника, слоя может быть учтено введением последовательно 0 Ч уровень, вплоть до которого поверхностные совключенного сопротивления R, зависящего от напряжестояния заполнены (или уровень электронейтральности).

ния смещения U. Расчет величины R показал, что она Наличие такого барьера возможно для найденных нами уменьшается с увеличением напряжения смещения U по значений 60-70 нм, DS = 1016 эВ-1м-2. Поскольку следующей зависимости:

плотность поверхностных состояний определяется только свойствами поверхности полупроводника, то легко R[кОм] =48.9exp(-6.1U[B]), объяснить слабую зависимость вольт-амперных характеристик от типа наносимого металла (Bi, Pb, In).

полученной в результате аппроксимации эксперименПричинами достаточно высоких значений DS могут тальной вольт-амперной характеристики выражением быть как классические поверхностные состояния, так и состояния, обусловленные хемосорбированными молеI = I0 exp[(U - IR)/kT ], кулами кислорода. Кислород, будучи окислителем, пригде I0 Ч экспериментально найденный ток насыщения. тягивает электроны из глубины полупроводника и тем При использовании R в качестве подгоночного параметра самым создает дополнительные поверхностные каналы было получено полное совпадение экспериментальных и протекания тока [15]. Поверхность слоя PbTe покрываетрасчетных кривых с точностью I = 5 10-4 мА. ся кислородом достаточно быстро [9]. Время выдержки На вид вольт-амперной характеристики туннельно- на воздухе образцов типа 1 Ч 15 мин. В течение этого диэлектрический слой влияет прежде всего падением времени маловероятно образование диэлектрического части потенциала U на нем. Что касается фотоэлек- слоя. Однако хемосорбирующийся за это время кислород трических характеристик, особое значение имеет его может инвертировать приповерхностный слой PbTe даже роль в связи с плотностью поверхностных состояний DS, под защитной пленкой BaF2. Поэтому на структурах так как уменьшение значения DS приводит к увеличению In/n-PbTe наблюдается как наличие барьера, так и зафоточувствительности S [13]. метная фотоэдс. При освещении образца наблюдается Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 1424 О.А. Александрова, А.Т. Ахмеджанов, Р.Ц. Бондoков, В.А. Мошников, И.В. Саунин, Ю.М. Таиров инверсия знаков напряжения холостого хода Uoc и тока Заключение короткого замыкания Isc (см. рис. 4), что позволяет Из анализа характера изменения вида вольт-амперных предположить, что основную роль в генерации фотоэдс и фотоэлектрических характеристик структур In/n-PbTe играет поверхностный p-n-переход.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам