WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 4 Фотовольтаический эффект в области примесного поглощения в Si-структурах с блокированной проводимостью по примесной зоне © Б.А. Аронзон+, Л. Асадаускас-, Р. Бразис-, Д.Ю. Ковалев, Ж. Леотин-, В.В. Рыльков+ Российский научный центр ”Курчатовский институт”, 123182 Москва, Россия + Научно-исследовательский центр прикладных проблем электродинамики, 127412 Москва, Россия Laboratoire de Physique de la Matiere Condense, Universite Paul Sabatier, 31062 Toulouse Cedex, France Semiconductor Physics Institute, 2600 Vilnius, Lithuania (Получена 8 сентября 1998 г. Принята к печати 15 сентября 1998 г.) Исследована полевая зависимость фотопроводимости двухслойных Si : Sb- и Si : B-структур с блокированной проводимостью по примесной зоне с разной толщиной нелегированного (блокирующего) слоя. Концентрация примесей в легированном (активном) слое составляла 1018 см-3. Измерения проводились в диапазоне температур T = 4-15 K как при больших ( 1016 фотон/см2 · с), так и малых ( < 1014 фотон/см2 · с) потоках падающих фотонов. Обнаружен фотовольтаический эффект, проявляющийся в Si : B-структурах с малой толщиной (3мкм) блокирующего слоя. Установлено, что фотоэдс возникает при энергиях квантов, больших энергии ионизации бора, причем ее величина не зависит от интенсивности фотовозбуждения (при > 1013 фотон/см2 ·с) и в пределе низких температур близка к энергии активации прыжковой проводимости 3 активного слоя.

Фотовольтаический эффект объясняется баллистическим пролетом блокирующего слоя дырками, фотоэмиттированными из контакта, и последующим их остыванием в активном слое, а также наличием потенциального барьера 3 между активным и блокирующим слоями. С учетом этих факторов развита модель, описывающая основные закономерности в поведении фотоэдс в зависимости от температуры, интенсивности и энергии квантов возбуждающего излучения.

1. Введение блокирующего слоя, значительно снижающего темновую проводимость, обусловленную переносом носителей по примесной зоне в легированной области. При этом своИзвестно, что при монополярном фотовозбуждении неоднородно легированных полупроводников, снабжен- бодные носители, возникающие при фотовозбуждении, ных омическими контактами, стационарный фотоволь- могут беспрепятственно двигаться под действием внештаический эффект должен отсутствовать [1]. Исклю- него поля в сторону фронтального контакта к блокиручение представляет случай, когда один из контактов ющему слою, обеспечивая основной вклад в фототок.

является запорным типа Шоттки и освещается излуче- В последнее время значительное внимание уделяется нием с энергией квантов, превышающей высоту барьера исследованию BIB-структур с достаточно высоким уровШоттки. Возникающая при этом фотоэдс обусловлена нем легирования активного слоя, в которых в сильных фотоэмиссией носителей заряда из контакта вследствие электрических полях наблюдается существенный сдвиг того, что часть из них, поглотивших фотоны, в процессе порога фотопроводимости в длинноволновую область энергетической релаксации втягивается полем контакта спектра по сравнению с обычными фотопроводникав объем полупроводника [1].

ми Si [3–5]. При этом, однако, актуальной оказываетВ данной работе сообщается о наблюдении фотоволь- ся проблема уменьшения темновых токов, обусловлентаического эффекта при примесном фотовозбуждении ных термической генерацией свободных носителей и их в кремниевых структурах (далее BIB-структурах [2]) с умножением вследствие эффектов ударной ионизации омическими контактами, состоящих из двух эпитакси- примесей. В данной связи возникает интерес к изучению ально выращенных слоев: активного с высоким уров- механизма фотопроводимости BIB-структур при малых нем легирования и блокирующего с низким содержа- напряжениях смещения Vb. Естественно ожидать, что нием примесей (рис. 1, тип A). Интерес к этим определяющую роль в этих условиях должно играть структурам связан с возможностью создания на их поле потенциального барьера, возникающего у границы основе миниатюрных (в матричном исполнении) датчи- раздела активного слоя с блокирующим слоем из-за ков инфракрасного (ИК) излучения с обнаружительной наличия контактной разности потенциалов между матеспособностью, приближающейся к предельной, опре- риалами с сильно отличающимися уровнями легироваделяемой флуктуациями фона космического излучения ния [6]. Далее мы, однако, покажем, что существенную = 107-1012 фотон/см2 · с [2]. Высокая чувствитель- роль в формировании фотоотклика BIB-структур при ность BIB-структур достигается за счет использования Vb = 0 могут играть также фотоэмиссионные процессы в Фотовольтаический эффект в области примесного поглощения в Si-структурах с блокированной... Рис. 1. Структуры с блокированной проводимостью по примесной зоне на основе Si : B. Тип A: фронтальный контакт — p+ = 1019 см-3 (толщина d+ = 0.1мкм); блокирующий слой —NB <5 · 1013 см-3 (da = 3мкм); активный слой —NB =1018 см-(da = 6мкм); тыльный контакт — p+ = 1019 см-3 (d+ = 1.5мкм). Тип B: фронтальный контакт — p+-Ge0.12Si0.88 сплав; толщина активного слоя — 4.5 мкм; остальные параметры те же, что и для структуры типа A.

приконтактных областях. Интересно, что возникающая Исследовались вольт-амперные характеристики при этом фотоэдс не зависит от интенсивности фото- (ВАХ) структур в диапазоне температур T = 4-15 K возбуждения, а ее максимальное значение Vemf достигает как при больших ( 1016 фотон/см2 · с), так и величины, определяемой энергией активации прыжковой малых ( < 1014 фотон/см2 · с) потоках падающих проводимости 3 активного слоя. фотонов. Стандартным образом по пересечению кривых ВАХ с осью абсцисс и осью ординат определялись соответственно фотоэдс Vemf и ток короткого замыкания 2. Образцы и методы исследований Isc [1]. При больших уровнях фоновой подстветки были также изучены спектры тока короткого замыкания Isc Исследовались эпитаксиальные BIB-структуры на в диапазоне волновых чисел 280-480 см-1.

основе Si : Sb и Si : B с близкими уровнями легирования Измерения фототока Iph при высоких уровнях ИК активного слоя (NB NSb 1 · 1018 см-3). Технология = = подсветки проводились в оптическом криостате (Oxford изготовления образцов подробно описана в [4,5]. Si : B Instruments) с использованием малошумяшего предусиBIB-структуры были двух типов — A и B (рис. 1), лителя SR-580. Фотовозбуждение осуществлялось фокоторые отличались материалами контакта к активному ном комнатной температуры, поступающим на образец слою и, кроме того, последовательностью нанесения через охлаждаемый Si-фильтр от теплых частей криостаэпитаксиальных слоев на подложку. В структурах типа A та и спектрометра (Brucker IFS 113v).

роль контакта к активному слою играл вырожденный Исследования при малых интенсивностях фотовозбуSi : B, тогда как в структурах типа B — сильно легирождения были выполнены с помощью криогенной ячейки, ванный бором твердый раствор Ge0.12Si0.88. При этом в погружаемой в сосуд Дьюара с жидким гелием [7]. В первом случае вначале на подложку наносился активный качестве источника фотовозбуждения использовался разслой, а затем на нем выращивался блокирующий слой.

мещенный в ячейке полупроводниковый Pb1-xSnxSe-лаВо втором случае нанесение слоев осуществлялось в зер с длиной волны излучения = 5.25 мкм. Интенобратной последовательности. Тип структур на основе Si : Sb был аналогичен типу A, однако толщина блокиру- сивность излучения лазера была предварительно прокалибрована с помощью эталонного Si : Ga фотосопроющего слоя в них (db = 10 мкм) заметно превышала тивления. Фототок измерялся преобразователем ток– толщину блокирующего слоя в Si : B BIB-структурах напряжение с чувствительностью около 10-12 A. При (db = 3мкм). Толщины слоев и содержание примеси этом в силу высокоомности объектов независимо конв них определялись в процессе послойного травления тролировались потенциал контакта к активному слою структур в электролитической ячейке с использованием метода сопротивления растекания. Отметим, что особен- относительно земли a и потенциал контакта к блокируность изученных объектов заключалась в достаточно ма- ющему слою b; контакты были подсоединены к входу лых значениях концентрации компенсирующих центров преобразователя ток–напряжение и источника питания в легированных областях, а также примесей основного соответственно. Напряжение смещения на структуре Vb типа в слоях из нелегированного Si (< 1014 см-3) [4,5]. определялось как разность: Vb =(b -a). Такой способ Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 458 Б.А. Аронзон, Л. Асадаускас, Р. Бразис, Д.Ю. Ковалев, Ж. Леотин, В.В. Рыльков регистрации Vb исключал влияние на ВАХ шунтирующего действия входной цепи измерителя напряжения (мультиметра HP 3457A), а также паразитных эдс.

3. Результаты экспериментов ВАХ для BIB-структур на основе Si : B и Si : Sb, полученные при различных температурах и одном и том же потоке фотонов 1014 фотон/см2 · с, представлены на рис. 2–4. Для Si : Sb BIB-структур с толстым блокирующим слоем фототок Iph = 0 при Vb = 0, что указывает на отсутствие фотовольтаического эффекта.

Обратная ситуация наблюдается в Si : B BIB-структурах.

В этом случае кривые ВАХ не проходят через наРис. 4. Вольт-амперные характеристики Si : Sb BIB-структуры типа A с толстым блокирующем слоем (db = 10 мкм) при различных температурах. Условия подсветки такие же, как и в случае Si : B BIB-структур.

чало координат, причем значения фотоэдс, найденные по пересечению ВАХ с осью абсцисс, для структур типа A и B противоположны по знаку. В структурах типа A знак фотоэдс соответствует смещению дырок в сторону от блокирующего слоя к активному слою, тогда как в структурах типа B — в противоположном направлении (возникающие при этом знаки заряда на гранях структур показаны на рис. 1). На вставках к рис. 2, 3 приведены соответствующие температурные зависимости фотоэдс Vemf(T ) и тока короткого замыРис. 2. Вольт-амперные характеристики Si : B BIB-структуры кания Isc(T ) для структур типа A и B. Видно, что в типа A при различных температурах, полученные в условиях структурах типа BVemf и Isc достигают больших значений, подсветки от полупроводникового ИК лазера ( = 5.25 мкм, причем Vemf существенно слабее зависит от температуры.

1014 фотон/см2 · с). На вставке показаны температурные При увеличении T от 4 до 10 K величина фотоэдс в зависимости абсолютных величин фотоэдс Vemf и тока короткоструктуре типа A уменьшается в 5 раз и всего лишь го замыкания Isc.

на 20% в случае структуры типа B. Общим, однако, для этих структур оказалось отсутствие зависимости Vemf от интенсивности и спектральных особенностей возбуждающего излучения. В пределах точности эксперимента нам не удалось обнаружить в обоих случаях изменения фотоэдс при уменьшении приблизительно на порядок интенсивности лазерного излучения (рис. 5, a, b), хотя фототок короткого замыкания при этом падал достаточно сильно (Isc ). На рис. 6 показаны также зависимости Iph(Vb) для структуры типа A при облучении фоном комнатной температуры. ВАХ дают тот же знак фотоэдс, что и в случае лазерного фотовозбуждения; с хорошей точностью совпадают также и значения Vemf при различных температурах (ср. данные на вставках рис. 2 и 6).

Рассмотрим теперь результаты спектральных измерений фототока короткого замыкания (рис. 7, 8), полученРис. 3. Вольт-амперные характеристики Si : B BIB-структуры ные в условиях подсветки комнатным фоном. Из рис. типа B при различных температурах. Условия подсветки такие явствует, что в структурах типа A в спектре фототоже, как и в случае Si : B BIB-структуры типа A. На вставке ка Isc наблюдается отчетливый порог при 355 см-показаны температурные зависимости абсолютных величин фотоэдс Vemf и тока короткого замыкания Isc. (на рис. 7, отмечен стрелкой), что соответствует энерФизика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Фотовольтаический эффект в области примесного поглощения в Si-структурах с блокированной... спектре фототока, начиная с 310 см-1 (h = 38.4мэВ), а область резкого возрастания Isc (дополнительный порог) наблюдается выше 403 см-1 (h = 50.0мэВ), т. е. заметно сдвинута по сравнению со случаем структур типа A. Отметим, что наши недавние исследования [5] спектров фотопроводимости Si : B BIB-структур при достаточно больших обратных напряжениях смещения Vb > 0 (фотоотклик BIB-структуры при этом целиком определяется блокирующим слоем) показали, что основной примесью в блокирующем слое являются изолированные атомы бора. Учитывая этот факт, а также отмеченные выше особенности спектров тока короткого замыкания, можно заключить, что в структурах типа A фотоэдс определяется переходами, существующими вблизи границ раздела блокирующего слоя с p+-Si (p+/i-переход) и активным (i/p-переход) слоями.

Причем отсутствие фотовольтаического эффекта в Si : Sb BIB-структурах типа A, но с толстым блокирующим слоем, указывает на фотоэмиссионную природу фотоэдс.

В то же время в структурах типа B, как показано далее, Рис. 5. Вольт-амперные характеристики Si : B BIBструктур при различных потоках лазерного излучения ( 1014 фотон/см2·с): a — для структуры типа A, T = 4.3K;

b — для структуры типа B, T = 6.5K.

Рис. 7. Спектр тока короткого замыкания для Si : B BIBструктуры типа A при T = 6K.

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики Si : B BIB-структуры типа A при T = 6 и 9 K, полученные в условиях подсветки комнатным фоном. На вставке — температурная зависимость абсолютной величины фотоэдс Vemf.

гии фотонов h = 44.0 мэВ, практически совпадающей с энергией ионизации изолированных примесей бора EB = 44.39 мэВ [8]. С другой стороны, в структурах Рис. 8. Спектр тока короткого замыкания для Si : B BIBтипа B (рис. 8) проявляется ”длинноволновый хвост” в структуры типа B при T = 6K Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 460 Б.А. Аронзон, Л. Асадаускас, Р. Бразис, Д.Ю. Ковалев, Ж. Леотин, В.В. Рыльков существенную роль играют фотоэмиссионные явления в области границы раздела p+-Ge0.12Si0.88 гетероконтакта с активным слоем (p/p+-переход), где примеси бора уже не являются изолированными.

4. Обсуждение Рассмотрим вначале особенности зонной диаграммы данных объектов, которые собственно и дают ключ к пониманию механизма фотовольтаического эффекта.

При этом мы исключим из рассмотрения p/p+-переход Рис. 9. Зонная диаграмма в равновесных условиях:

в структурах типа A в силу отсутствия в них фотоэдс при a — для Si : B BIB-структуры типа A; b — гетероконтакта для большой толщине блокирующего слоя.

Si : B BIB-структуры типа B. IB — примесная зона, µ — уровень Ферми, Ev — потолок валентной зоны, EB — энергия Зонная диаграмма ионизации примесей бора, 3 — энергия активации прыжковой проводимости.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.