WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 5 Фотоэлектрический эффект в поверхностно-барьерных структурах на основе GaAs: температурная зависимость коротковолновой квантовой эффективности © Ю.А. Гольдберг, О.В. Константинов, О.И. Оболенский, Е.А. Поссе, Б.В. Царенков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 июля 1996 г. Принята к печати 10 сентября 1996 г. ) Изучались температурные зависимости коротковолновой квантовой эффективности фотоэлектропреобразования поверхностно-барьерных структур на основе GaAs в интервале температур 78 300 K и энергий фотонов 1.8 4.7эВ.

Показано экспериментально, что квантовая эффективность возрастает с ростом температуры T ; при высоких температурах зависимость от T стремится к насыщению. Для объяснения температурного роста квантовой эффективности фотоэлектропреобразования в поверхностно-барьерных структурах на основе GaAs предложена модель, основанная на представлении о флуктуационных ловушках в слое объемного заряда структуры. Эта модель при достаточно хорошем согласии с экспериментом позволяет разделить зависимости квантовой эффективности от температуры и от энергии фотонов, т. е. выделить в явном виде температурную зависимость квантовой эффективности.

1. Предварительные замечания контакт (In); подложка была ориентирована по кристаллографической плоскости (100). Омический Данная работа продолжает наши исследования корот- контакт создавался вплавлением In в подложку, коволнового фотоэлектрического эффекта в полупровод- а барьерный — химическим осаждением Ni на никах AIIIBV [1], т. е. фотоэффекта, вызываемого фото- эпитаксиальный слой [5]. Толщина структуры 0.02 см, нами, энергия которых существенно превышает ширину площадь освещаемой поверхности 6 · 10-2 см2.

запрещенной зоны полупроводника.

В работе [1] изучалась температурная зависимость 3. Предмет исследования фотоэлектропреобразования поверхностно-барьерных структур на основе GaP в области прямых оптических Предметом исследования была температурная запереходов; было показано, что коротковолновая висимость коротковолновой квантовой эффективности квантовая эффективность структур с ростом поверхностно-барьерных структур на GaAs в температемпературы возрастает, и сделано заключение, что турном диапазоне 78 300 K и в интервале энергий фоэто возрастание вызвано температурным ростом тонов h = 1.84.7 эВ. Эффективная длина поглощения внутреннего квантового выхода фотоэффекта в GaP, а -света L (где — коэффициент поглощения) не температурным изменением потерь неравновесных в этом спектральном интервале изменяется от носителей заряда.

при h = 1.8эВ до 60 при h = 4.7эВ. Эта длина В настоящей работе излагаются результаты изучесущественно меньше ширины слоя объемного заряда ния температурной зависимости коротковолнового фотоструктуры (W0 = 104 ).

электропреобразования поверхностно-барьерных струкКвантовая эффективность определялась по отношетур на основе GaAs, которые используются в качению к падающему свету и вычислялась по стандартной стве детекторов видимого излучения. Известные нам исформуле = Ih/P, где I — фототок в А, P — поток следования коротковолновой квантовой эффективности падающего света в Вт, h — энергия фотона в эВ.

поверхностно-барьерных структур на GaAs относятся только к комнатной температуре (см., например, [2–4]).

4. Результаты эксперимента 2. Объект исследования Результаты изучения температурных зависимостей коротковолновой квантовой эффективности фотоэлектроОбъектами исследования были поверхностно- преобразования поверхностно-барьерных структур табарьерные структуры Ni–n-GaAs. Структура пред- ковы (рис. 1): — с ростом температуры квантовая ставляла собой сильно легированную подложку GaAs эффективность возрастает; — зависимость квантовой (концентрация электронов n 1017 см-3 при 300 K), на эффективности от температуры стремится к насыщению одной стороне которой находился слабо легированный в области высоких температур.

эпитаксиальный слой GaAs (n = 1 · 1015 см-3) толщиной Подобный эффект был уже представлен в нашей ра10 мкм с полупрозрачным барьерным контактом боте по температурной зависимости фотоэлектропре(слой Ni), а на противоположной — омический образования поверхностных структур на основе GaP [1].

4 564 Ю.А. Гольдберг, О.В. Константинов, О.И. Оболенский, Е.А. Поссе, Б.В. Царенков Рис. 1. Зависимость коротковолновой квантовой эффективности фотоэлектропреобразования от температуры при разных энергиях фотонов h, эВ: 1 —1.8, 2 — 4.11, 3 — 4.18, 4 — 4.68.

Сравнение температурных зависимостей квантовой эф- потери на поглощение в заданном диапазоне длин волн фективности поверхностно-барьерных структур на осно- при толщине слоя Ni 100 не превосходят 10 % и ве GaAs, полученнных в данной работе, и на основе не могут оказывать существенного влияния на наблюдаGaP, полученных в работе [1], показывает, что зависи- емые закономерности.

мость = (T ) для GaAs-структур существенно более Будем считать также, что все вошедшие в полупроводсильная, чем для GaP-структур. Так, при h = 3.98 эВ ник фотоны поглощаются с рождением в каждом случае одной электронно-дырочной пары.

увеличение температуры в 3 раза (от 100 до 300 K) Фотоныс энергиейh 1.8 эВ генерируют фотоносиприводит к увеличению для GaAs-структур в 6 раз, тели в слое объемного заряда, и они в той или иной мере тогда как для GaP-структур только в 1.4 раза. Отметим, подвержены воздействию барьерного электрического почто пока еще не ясно, какова причина такого различия — ля. Часть этих фотоэлектронов и фотодырок барьерное химический состав полупроводника или степень его поле разделяет.

легирования, поскольку структура на основе GaP имела Если энергия фотоносителя достаточна для преодолелегирование 1017 см-3, а на основе GaAs 1015 см-3.

ния потенциального барьера, то существует вероятность В нашей работе [1] для объяснения температурной того, что фотоэлектрон уйдет в металл и (или) фотодырзависимости = (T ) в структурах на основе GaP ка — в толщу полупроводника, т. е. эти фотоносители бубыла предложена экситонная модель фотоэффекта. Оддут исключены из процесса фотоэлектропреобразования.

нако экситонная модель фотоэффекта не может быть Таким образом, чем больше энергия фотона, т. е. чем выиспользована для поверхностно-барьерных структур на ше кинетическая энергия рожденного фотоносителя, тем основе GaAs, поскольку энергия связи экситона в GaAs меньше квантовая эффективность фотоэлектропреобрав 4 раза меньше, чем в GaP.

зования. В том случае, если рожденные фотоносители По этой причине для объяснения температурного успевают термализоваться, их дальнейшая судьба будет изменения фотоэлектропреобразования полупроводниопределяться барьерным полем.

ковой поверхностно-барьерной структуры предлагается Традиционно считается, что если пренебречь поверхиная модель.

ностной рекомбинацией и термоэмиссией фотоэлектронов в металл, то барьерное поле разделяет все терма5. Модель лизованные фотоэлектроны и фотодырки. В этом случае квантовая эффективность фотоэлектропреобразоваДля построения модели экспериментально наблюдае- ния не должна зависеть от температуры. Однако, как мой зависимости квантовой эффективности от темпера- следует из эксперимента, квантовая эффективность фототуры и энергии падающих фотонов проанализируем все электропреобразования поверхностно-барьерной струкэтапы фотоэлектропреобразования.

туры зависит от температуры и довольно сильно.

Будем считать, что в металле (Ni) излучение не Будем полагать, что потери горячих фотоносителей поглощается, и все фотоны, не отразившиеся от по- от температуры на зависят. Тогда остается рассмотреть верхности, попадают в полупроводник. Действительно, возможность существования в слое объемного заряда Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Фотоэлектрический эффект в поверхностно-барьерных структурах на основе GaAs... будет расти за счет термодиссоциации электроннодырочных пар, захваченных ловушками, и, следовательно, чем выше температура, тем больше квантовая эффективность фотоэлектропреобразования; это происходит до тех пор, пока не наступит полное опустошение ловушек.

Все сказанное отразим в выражении для квантовой эффективности фотоэлектропреобразования.

Прежде чем падающий на структуру фотон даст вклад в фототок, происходит ряд событий, каждое из которых характеризуется соответствующей вероятностью.

Поскольку все эти события протекают последовательно, результирующая квантовая эффективность равна произведению вероятностей всех событий.

Вероятность попадания фотона в полупроводник равна (1-R), где R— коэффициент отражения; вероятность рождения фотоном электронно-дырочной пары (квантовый выход внутреннего фотоэффекта) примем равной 1;

вероятность того, что рожденная электронно-дырочная пара остынет в слое объемного заряда и тем самым будет Рис. 2. Флуктуации дна зоны проводимости (c) и потока иметь возможность участвовать в процессе фотоэлектровалентной зоны (v) в отсутствие (a, b) при наличии (a, b ) преобразования, равна 1 - hot, где hot — коэффициент электрического поля.

потерь горячих фотоносителей; вероятность разделения термализованной электронно-дырочной пары электрическим полем и завершения процесса фотоэлектропреобрарекомбинационных потерь термализованных (остывших) зования равна 1-therm, где therm — коэффициент рекомносителей и связь этих потерь с температурой.

бинационных потерь термализованных фотоносителей.

Рекомбинация термализованных свободных электроТаким образом, квантовая эффективность фотоэлекнов со свободными дырками в слое объемного заряда матропреобразования ловероятна. Для того чтобы рекомбинация происходила, необходима пространственная локализация электрона и =(1 -R)(1 -hot)(1 - therm). (1) дырки, т. е. необходимо существование захватывающих носители ловушек, причем ловушка должна одновременКоэффициент потерь горячих фотоносителей hot опрено локализовывать в небольшой области пространства деляется глубиной поглощения света, т. е. положением и электрон, и дырку. Естественно было предположить рожденных фотоносителей по отношению к границам вначале, что ловушками являются разрешенные состояобласти пространственного заряда, и их энергией. Мы ния в запрещенной зоне (примесные центры и дефекты).

будем полагать hot не зависящим от температуры.

Однако результаты теории, построенной для такого типа Коэффициент потерь термализованных носителей ловушек, не согласуются с экспериментом. Это связано с therm не зависит от энергии фотона и зависит только их большой энергией активации. Поэтому мы предлагаем от отношения концентраций захваченных в ловушки иную модель: ловушками могут служить потенциальные фотоносителей nloc и концентрации свободных фотоноямы и (или) горбы, образованные флуктуациями дна сителей nf:

зоны проводимости и потолка валентной зоны.

nloc Флуктуации дна зоны проводимости и потолка валентtherm =. (2) nf + nloc ной зоны в отсутствие электрического поля приводят к локализации одного лишь только типа носителей: на Считая, что с ростом температуры высвобождение носирис. 2, a локализован электрон, а на рис. 2, b —дырка.

телей из ловушек происходит по простому экспоненциОднако электрическое поле превращает эту флуктуацию альному закону, получаем в ловушку одновременно для электрона и для дырки (см.

рис. 2, a, b ). Захваченная такой ловушкой электронно1 - therm = e-E/kT, (3) дырочная пара через некоторое время рекомбинирует вследствие туннельного эффекта.

где E — энергия активации, k — постоянная БольцмаИзменение температуры приводит к изменению конна, T — температура.

центрации свободных термализованных фотоносителей Таким образом, за счет захвата части из них флуктуационными ловушками, т. е. к изменению квантовой эффективности =(1 -R)(1 - hot)e-E/kT. (4) фотоэлектропреобразования. С ростом температуры концентрация свободных термализованных фотоносителей Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 566 Ю.А. Гольдберг, О.В. Константинов, О.И. Оболенский, Е.А. Поссе, Б.В. Царенков 6. Сравнение модели с экспериментом определяется рекомбинационными потерями термализованных фотоносителей в флуктуационных ловушках, Предложенная нами формула (4) дает линейную завирасположенных в слое объемного заряда, а зависимость симость ln от 1/T. Энергия активации E определяет квантовой эффективности фотоэлектропреобразования наклон этой прямой, а коэффициент потерь горячих от энергии фотонов определяется потерями горячих носителей hot определяет величину отсечки по оси фотоносителей, не разделенных барьерным полем.

ординат (коэффициент отражения для любой энергии Работа выполнена при поддержке Российского Фонда может быть найден из соответствующих таблиц — см., фундаментальных исследований (грант № 95-02-04121).

например, [6]).

h, эВ E, мэВ hot R Список литературы 1.8 25.4 0.23 0.[1] Ю.А. Гольдберг, О.В. Константинов, Е.А. Поссе, Б.В. Ца4.11 22.0 0.58 0.ренков. ФТП, 29, 421 (1995).

4.18 20.8 0.70 0.[2] R. Kalibijan, K. Mayeda. Sol. St. Electron., 14, 529 (1971).

4.68 15.9 0.88 0.[3] А.А. Гуткин, Н.В. Дмитриев, Д.Н. Наследов, А.В. Пашковский. ФТП, 5, 1673 (1972).

Экспериментальные зависимости от 1/T полуло[4] Ю.А. Гольдберг, Т.В. Львова, О.А. Мезрин, С.И. Трошков, гарифмическом масштабе в соответствии с моделью Б.В. Царенков. ФТП, 24, 1835 (1990).

оказались линейными для всех энергий фотонов (рис. 3), [5] Ю.А. Гольдберг, Б.В. Царенков. А.с. СССР, N а определенные из экспериментальных данных энергия (1975).

активации и коэффициент потерь горячих носителей при[6] Landolt-Burnstein. Numerical data and functional ведены в таблице. Как и следовало ожидать, коэффициент relationship in science and technology (Springer Verlag, потерь горячих фотоносителей растет с ростом энергии Berlin–Heidelberg–N. Y., 1982) v. 17 Semiconductors, фотонов, а энергия активации не зависит от нее. С subvol. a Phys. of group IV elem. and III–V compounds.

погрешностью не более 25 % можно принять энергию Редактор Л.В. Шаронова активации равной 20 мэВ.

Итак, в настоящей работе экспериментальные реThe photoeffect in GaAs surface barrier зультаты по исследованию температурной зависимости квантовой эффективности фотоэлектропреобразования structures: temperature dependence of поверхностно-барьерных структур на основе GaAs свеshort-wave quantum efficiency лись к достаточно простым эмпирическим закономерYu.A. Goldberg, O.V. Konstantinov, O.I. Obolensky, ностям. Для объяснения этих закономерностей предлоE.A. Posse, B.V. Tsarenkov жена простая модель, которая в первом приближении позволяет считать, что зависимость квантовой эффекA.F. Ioffe Physicotechnical Institute, тивности фотоэлектропреобразования от температуры Russian Academy of Sciences, 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

Pages:     || 2 |



© 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.