Электрические и фотоэлектрические явления в гетероструктурах и диодах шоттки на основе полупроводников a 3 b 5 и кремния и их применение в сенсорах водорода

Вид материала

Автореферат

Содержание Основные результаты и выводы работы

Подобный материал:

• Курс "Оптические и фотоэлектрические свойства полупроводников", 9.84kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплина «физика твёрдого тела» Челябинск, 194.36kb.
• 1992 physics and technics of semiconductors vol. 26. N 6 Вольт-амперные характеристики, 37.12kb.
• Программа вступительного экзамена по специальности 05. 27. 06 "технология и оборудование, 82.94kb.
• Урок-лекция по химии. 11 Класс. Тема: «изучение кремния и его соединений», 141.78kb.
• Авторы программы: доцент Морозов В. Б., доцент Соломатин В. С., профессор Шувалов, 87.32kb.
• «Электрические явления», 107.49kb.
• 1 Электрические сигналы, их классификация и параметры, 101.06kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика полупроводников., 53.9kb.
• Руководитель проекта, 71.87kb.

Основные результаты и выводы работы

В представленной работе были проведены комплексные экспериментальные
и теоретические исследования электрических, фотоэлектрических свойств и рекомбинационных процессов в гетероструктурах диодах Шоттки на основе полупроводников A³B⁵ и кремния, в том числе, с палладиевыми контактами и рассмотрены перспективы
их практического применения. Получены следующие основные результаты:

1. При теоретическом расчете температурной (77  500 K) и концентрационной
   (n₀, p₀ = 10 ¹⁴10¹⁷ см^-3) зависимостей времен жизни носителей заряда в InAs
   показано, что при высоких температурах T >300 K и больших концентрациях (n₀, p₀>10¹⁶ см^-3) время жизни неравновесных носителей лимитировано
   Оже-рекомбинацией, причем CHSH - процесс преобладает над СНСС - процессом; при n₀, p₀  10¹⁵ см^-3 доминирует излучательная рекомбинация.
   При промежуточных концентрациях время жизни определяется совместным вкладом излучательного и Оже-процессов. В собственном полупроводнике при T = 300 K, а также в примесном при концентрации ~10¹⁶ см^3 для Т < 300 К
   времена жизни излучательной и ударной рекомбинации уравниваются. Экспериментально определенные значения времен жизни согласуются с расчетными.
   
2. Анализ произведения R₀A в InAs p-n переходах позволил рассчитать оптимальные условия повышения интегральной чувствительности и обнаружительной способности фотодетектора. Показано, что при Т = 200-300 K:
   

а) в градиентном симметричном p-n переходе для повышения R₀A необходимо использование слаболегированных кристаллов InAs (n₀, p₀10¹⁶см^3) с малым градиентом (a<10²¹ см^4);

б) в резком p-n переходе достигается максимальная величина R₀A, причем
необходимо использовать p⁺- n структуры с n₀  10¹⁷ см^3.

3. В результате теоретического и экспериментального исследования температурного хода времен жизни в кристаллах p-InAs_1XYSb_XP_Y установлено, что необходимо учитывать совместный вклад межзонной излучательной и Оже-рекомбинации с учетом вклада времени захвата и рекомбинации на глубоких центрах E_f = 0,13эВ. Время жизни в n InAs_1XYSb_XP_Y в температурном интервале 80 – 300 K при концентрациях равновесных носителей n₀ >(3 5)10¹⁵ см^3
   определяется межзонными рекомбинационными процессами; вклад глубоких центров может быть существенен при низких концентрациях n₀10¹⁴ см^3.
   
4. Показано, что в эпитаксиальных структурах с p-n переходом на основе твердых растворов InAs_1XYSb_XP_Y прямой ток в основном состоит из двух составляющих: при низких температурах(T<200 K) и смещении V<80 mV преобладает
   рекомбинационная составляющая, а при T>200 K более существенен вклад
   диффузионного тока. Избыточные токи в области малых смещений и низких температур определяются туннельным механизмом переноса носителей через дефектные уровни в запрещенной зоне.
   
5. Разработана технология создания и исследованы электрические и фотоэлектрические характеристики диодов Шоттки на основе Au-p-InAs. Установлены механизмы прохождения тока в диодных структурах и определена высота барьера
   в зависимости от температуры и концентрации носителей.
   
6. Созданы и исследованы диоды Шоттки на основе n-InP с промежуточным
   окисным слоем. В структурах достигнуты токи насыщения более,
   чем на три порядка величины ниже, чем у ранее известных.
   
7. Результаты исследования продольного фотоэффекта на основе диода Шоттки Au-p-InP показали потенциальную возможность создания продольного фотоэлемента с оптимизированными характеристиками.
   
8. Впервые разработаны основные технологические элементы создания диодных
   и гибридных структур на основе n-(p)-InP(InGaAs) с палладиевыми контактами.
   
9. Установлено, что в диодных структурах на основе Pd-n-InP с напыленным
   Pd механизм прохождения может быть описан двойной инжекцией носителей
   в диффузионном приближении, а в аналогичных структурах с электрохимически осажденным Pd ток обусловлен туннелированием электронов через промежуточный слой.
   
10. Исследован перенос тока в диодных структурах на основе n-GaP и показано,
    что он обусловлен двойной инжекцией.
    
11. Показано, что в диодных структурах p -InP - n- In₂O₃ - P₂O_5­ - Pd механизм
    токопереноса в температурном интервале 110 - 300 К может быть объяснен
    тремя каналами туннелирования — через барьер Шоттки, через глубокие центры захвата и межзонным. Установлено, что рост фотоэдс в атмосфере водяных
    паров в этих структурах определяется изменением кинетики рекомбинации
    на связанных состояниях на гетерогранице - n- In₂O₃ - P₂O_5­ вследствие поглощения молекул Н₂О в окисле Р₂О₅. Фотоэдс растет линейно с концентрацией водяных паров и релаксация импульса фотоэдс составляет ~1 2 с. Экспериментально показано, что такая диодная структура может служить основой для создания
    детектора тройного назначения: ближнего и инфракрасного излучения (0,7 0,9 мкм), влажности и водорода.
    
12. Изучено изменение электрических характеристик (прямого и обратного тока)
    и фотоэлектрических (фотоэдс) в диодных структурах Pd - n – InP. Показано,
    что они качественно и количественно различаются в газовой смеси с водородом. При этом изменение фотоэдс существенно больше, чем изменение темновых
    токов и определяется снижением высоты барьера Шоттки и коэффициента
    прозрачности. Такие структуры могут быть использованы для создания
    детекторов водорода.
    
13. Установлено, что в гибридной изотипной гетероструктуре p - InP - p - InGaAs
    с барьером Шоттки Pd - p - InP увеличение фотоэдс и падение обратного тока
    в газовой смеси с водородом определяется ростом высоты барьера Шоттки,
    при этом главный вклад вносится основными носителями в области объемного заряда.
    
14. Показано, что гибридная структура Pd-p-InP-p-InGaAs обладает эффектом
    усиления фототока в зависимости от обратного смещения. Этот эффект связан
    в основном с модуляцией барьера на гетерогранице с InGaAs. Предложено
    использование гибридной структуры для создания детектора двойного назначения – ближнего ИК-излучения (0,7-1,7 мкм) и водорода.
    
15. Исследованы механизм прохождения тока и фототок в диодных структурах
    Pd-SiO₂-n(p)-Si с туннельно тонким слоем SiO₂(≤100 Å). Показано, что усиление фототока при обратном смещении (M~10 100) обусловлено наличием высокого поля в области пространственного заряда. Усиление фототока в структурах
    с толстым слоем SiO₂ (~ 1000 Å) связано с экспоненциальным ростом времени жизни одного типа носителей вследствие захвата экспоненциально распределенными ловушками другого типа носителей. Токоперенос в этих структурах
    при высоких уровнях инжекции определяется током, ограниченным объемным зарядом.
    
16. Изучен механизм протекания тока и фототока в диодных структурах на основе n⁺-Si-n-Si-Al₂O₃-Pd с промежуточным окисным слоем. Обнаружено возрастание фотоэдс более, чем на порядок величины по сравнению с аналогичной структурой без окисного слоя.
    
17. Установлено, что в диодных структурах на основе пористого кремния Pd-n-porSi в температурном интервале77-300 K темновой ток определяется двойной
    инжекцией в диффузионном приближении. Влияние водорода на фотоэдс
    и темновые токи количественно соответствует данным для структур на основе монокристаллического кремния, отличаясь бóльшими временами релаксации
    (до 10-20 мин). Этот эффект может быть использован для накопления водорода
    в топливных микроэлементах на основе пористого Si, а также в электронных устройствах памяти.
    
18. Проведенные в диссертации исследования впервые выявили общую закономерность, состоящую в том, что для всех изученных структур на основе диодных полупроводников A³B⁵ и Si с палладиевыми контактами изменение фотоэдс
    в газовой смеси с водородом на порядок больше, чем изменение электрических характеристик (прямого и обратного токов). Это позволило предложить новый чувствительный фотоэлектрический метод детектирования водорода
    и водородосодержащих газов.
    
19. Предложена и разработана конструкция низкоэнергетичного малогабаритного сенсорного модуля для регистрации водорода, включающего оптопару светодиодный элемент – фоточувствительный элемент с палладиевым контактом,
    холодильник и термосенсор.
    
20. Исследованы спектры оптического поглощения чистой нефти разных пород
    и нефти с содержанием различных концентраций воды. Совместно
    с ООО «АИБИ» при ФТИ им. А.Ф. Иоффе впервые предложен и создан экспериментальный образец оптического анализатора содержания воды в нейти
    на основе матрицы трехцветных ИК-светодиодов, излучающих на трех длинах волн 1,65 мкм (поглощение нефти), 1,94 мкм (поглощение воды) и 2,2 мкм
    (опорная длина волны). Экспериментальный образец прошел предварительные испытания в ОАО «Татнефть».