WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 2 02;06;07;12 Влияние водорода на фотоэлектрические свойства диодов Шоттки палладий/анодный окисел/арсенид галлия © С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, В.В. Подольский, С.Б. Левичев Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия e-mail: fdp@phys.unn.ru (Поступило в Редакцию 24 апреля 2002 г.) Исследовано влияние водорода на фотоэдс и вольт-амперные характеристики диодов Шоттки палладий/анодный окисел/арсенид галлия. Определены оптимальные значения толщины окисла, при которой диоды имели высокую чувствительность к водороду, и глубина проникновения атомарного водорода в окисел. Установлен механизм воздействия водорода, заключающийся в хемасорбции атомарного водорода на поверхности арсенида галлия, что приводит к уменьшению высоты барьера и увеличению рекомбинационной составляющей тока. Показана неоднородность пленки туннельно-тонкого анодного окисла по толщине и обнаружено увеличение вероятности туннелирования через окисел под действием водорода. Установлено, что регистрация водорода по отклику фотоэдс характеризовалась большей чувствительностью и обнаружительной способностью, но меньшим быстродействием по сравнению с откликом по обратному току.

Введение анодирования и микровзвешиванием соответственно и с точностью 0.3 nm на атомном силовом микроскопе Диоды Шоттки (ДШ) с туннельно-тонкой прослой- (АСМ) фирмы Topometrix по вытравленной ступеньке.

кой диэлектрика между каталитическим выпрямляющим На этом микроскопе неконтактным способом также контактом (Pd) и полупроводником преспективны для исследовался микрорельеф поверхности эпитаксиальных создания быстродействующих и потребляющих малую и окисных слоев.

мощность сенсоров водорода [1]. Относительно хорошо Исследовались фотоэдс в режиме разомкнутой цепи изучено воздействие водорода на свойства диодов на Si с при освещении неразложенным светом вольфрамовой туннельно-тонкой прослойкой специально выращенного лампы накаливания, спектральные зависимости фотоили естественного окисла [2–6]. Диоды на GaAs ме- эдс в интервале энергий фотонов 0.6-1.5eV и вольтнее изучены [7–9]. В большинстве работ исследования амперные характеристики ДШ в интервале темперапроведены на диодах с прослойкой естественного или тур 300-420 K на воздухе и в потоке воздушно-арготермического окисла фиксированной толщины. Настоя- новой смеси с объемной концентрацией водорода PH щая работа посвящена изучению воздействия водорода 0.04-0.22 [8].

на фотоэдс и вольт-амперные характеристики (ВАХ) диодов на GaAs с прослойкой анодного окисла (АО) Результаты эксперимента и обсуждение разной толщины.

Ф о т о э д с. Для исследованных диодов был найден диапазон температур 360-390 K, в котором их чувствиМетодика эксперимента тельность к водороду и быстродействие были максимальными и необратимого изменения свойств не проДиоды получались на основе эпитаксиальных слоев исходило.

n-GaAs с концентрацией электронов n0 3 · 1016 cm-3, выращенных методом газофазной эпитаксии из ме- В атмосфере, содержащей водород, фотоэдс Vph всегда таллорганических соединений (метод МОСГЭ) при ат- уменьшалась, что согласуется с имеющимися в литерамосферном давлении на подложке GaAs ориентацией туре данными и объясняется уменьшением потенциаль(100) +3 с концентрацией электронов n0 1016 cm-3. ного барьера в GaAs под воздействием водорода [8,9].

Пленки АО создавались методом жидкостного анодиро- На рис. 1 (кривые 1, 2) показаны зависимости фотоэдс вания в электролите состава 3%-ный водный раствор Vph и ее изменения Vph под действием водорода от винной кислоты в этиленгликоле (1: 2). Толщина пленок толщины окисла. Из рисунка видно, что наблюдался АО dАО варьировалась в пределах 0-20 nm. Полупро- рост величины Vph и Vph при увеличении толщины зрачный электрод из Pd площадью 8 · 10-3 cm-2 и АО до 3.0 nm, затем достигалось насыщение Vph, а Vph толщиной 10 nm (пропускание света 80%) нано- проходила через максимум (3.0-5.0nm) и уменьшасился на неподогретую окисленную поверхностью эпи- лось до нуля при dАО 16 nm. Рост Vph (кривая 1) таксиальной пленки методом термического напыления объясняется образованием встроенного отрицательного в вакууме. Номинальная толщина пленок АО и Pd заряда в приповерхностном слое АО, происходящем определялась классическими способами по постоянной при анодном окислении GaAs [10]. Чувствительность 88 С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, В.В. Подольский, С.Б. Левичев поверхностных состояний (ПС) на этой границе изза пассивирующего действия водорода. Чтобы выбрать один из этих механизмов, необходимо было найти способ тестирования плотности ПС, лежащих под равновесным уровнем Ферми и несущих отрицательный заряд, и установить влияние на них водорода. Согласно работе [13], наличие ПС, лежащих под равновесным уровнем Ферми, можно обнаружить по характерному протяженному участку примесной фоточувствительности S(Vph/L), экспоненциально возрастающей с ростом энергии фотона h и наблюдающемуся в системе электролит/арсенид галлия. Аналогичные измерения были проведены нами на исследуемых диодах.

На рис. 2 показаны типичные спектральные заРис. 1. Зависимость Vph (1), Vph (2) и VI (3) от толщины висимости S(h), измеренные в потоке воздуха и окисла. T 390 K, PH 0.22%.

воздушно-аргоновой смеси с разной концентрацией водорода. На рисунке видна протяженная область примесной фоточувствительности в интервале энергий к водороду появляется только после образования на - 0.72-1.32 eV, в которой величина S практически EC поверхности GaAs слоя окисла некоторой минимальной экспоненциально растет с ростом h из-за отклика толщины (кривая 2) и растет с ростом толщины окисла от ПС. Небольшая выпуклость, наблюдаемая на фоне из-за уменьшения доли образования нечувствительного экспоненты, обусловлена откликом от объемных дефекк водороду соединения GaAs с Pd [11].

тов в GaAs, возникающих за-за химического взаимодейСпад величины Vph с ростом толщины окисла при ствия Pd и GaAs [14]. В диодах с электродом из Au и постоянном значении Vph свидетельствует об уменьше- диодных структурах с электролитическим контактом [13] нии концентрации атомарного водорода, достигающего эта выпуклость не наблюдалась.

границы Pd/GaAs, и значение dАО 16 nm, при котором Видно, что воздействие водорода, уменьшая S почти чувствительность к водороду практически исчезает, ха- на два порядка величины, практически не уменьшает рактеризует, таким образом, глубину его проникновения примесного фотоотклика от ПС относительно собственв АО при температуре измерений (390 K). ного от GaAs. Следовательно, плотность ПС, лежащих Другой характеристикой чувствительности ДШ к во- под уровнем Ферми, в том числе и плотность акцепторных ПС, не изменяется под воздействием водорода дороду может служить сдвиг прямой ветви ВАХ при и уменьшение барьера в полупроводнике происходит изфиксированном значении тока VI [4]. Видно (кривая 3), за хемосорбции водорода на границе раздела АО/GaAs что в отличие от зависимости Vph(dАО) спад VI с образованием на ней заряда протонов. Этот вывод с ростом толщины окисла происходит при меньших согласуется с аналогичным выводом, сделанным в ратолщинах и наблюдается даже смена знака VI при боте [9] для водородочувствительных диодов Шоттки с dАО 7 nm, соответствующая уменьшению прямого термическим окислом.

тока под действием водорода.

Вольт- амперные характеристики и темпеБыло установлено, что при используемой для изратурные зависимости токов. На рис. 3 покамерений фотоэдс интенсивности света ее изменение соответствовало изменению величины барьера в полупроводнике. Наблюдающийся при этом меньший отклик на водород по VI, чемпо Vph, и его более резкий спад с ростом dАО естественно объяснить уменьшением тока и его водородочувствительной составляющей из-за роста сопротивления окисла.

Дальнейшие результаты, излагаемые в данной работе, относятся к диодам с dАО 3.4 nm, имеющим максимальную чувствительность к водороду как по изменению фотоэдс, так и по изменению тока.

Так как изменение работы выхода из контакта Шоттки обычно незначительно изменяет состояние поверхности GaAs [12], то уменьшение барьера Pd/GaAs под действием водорода можно связать для исследуемых диодов либо с ростом концентрации протонов на границе Рис. 2. Зависимость фоточувствительности от энергии фотоАО/GaAs из-за хемосорбции атомарного водорода, либо нов. dАО 3.4nm, T 366 K. PH, %: 1 — 0, 2 — 0.021, с уменьшением плотности отрицательно заряженных 3 — 0.084, 4 — 0.17, 5 — 0.42.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Влияние водорода на фотоэлектрические свойства диодов Шоттки... гии активации, изменяющимися в зависимости от знака и величины смещения и концентрации водорода.

Энергия активации обратного тока Er не зависела от напряжения смещения и составляла в потоке воздуха 1.0 eV. Это значение было близко к значению высоты барьера Pd/GaAs qB = qS + EC - F 1.1 eV, значение S определялось из зависимости барьерной емкости от напряжения.

Воздействие водорода с концентрацией 0.044% на порядок увеличивало величину обратного тока, но не изменяло значения Er qB. Этот результат может быть объяснен накоплением протонов в результате хемосорбции атомарного водорода на границе окисел/полупроводник, вызывающим утоньшение барьера для туннелирования и увеличение вероятности туннелирования через пленку диэлектрика [15].

Рис. 3. Влияние водорода на прямую (2, 3) и обратную(1, 4, 5) Дальнейшее увеличение PH до значения 0.22% приветвь вольт-амперной характеристики. 1, 2 —в потоке воздуха, водило к плавному уменьшению Er до значения 0.65 eV 3–5 — в потоке воздушно-аргоновой смеси с H2. PH, %:

(ср. кривые 3, 4 и 5). Максимальные изменения энергии 3, 5 —0.22, 4 — 0.022; T 390 K; dАО 3.4nm.

активации составили Er 0.35 eV, что, вероятно, равно изменению высоты барьера на границе Pd/GaAs после воздействия водорода.

заны ВАХ диодов, измеренные при 390 K в потоке Энергия активации прямого тока Ed уменьшалась с воздуха (кривые 1, 2) и в потоке воздушно-аргоновой ростом V > 0 и PH (рис. 4, кривые 1, 2). Максимальное смеси с H2 разной концентрации (кривые 3–5). Видно, уменьшение Ed под действием водорода PH 0.22% что воздействие водорода, увеличивая плотности токов j составило 0.19 eV.

(примерно на 1-2 порядка величины), вызывало зна- Общим для температурных зависимостей jr и jd был тот факт, что изменения токов при фиксированной темчительное изменение формы ВАХ. Прямая ветвь ВАХ пературе были значительно меньше, чем это следовало сильно отклонялась от экспоненты даже при малых бы ожидать из-за изменения значения энергии активации напряжениях, имея тенденцию к насыщению с ростом как при воздействии водорода, так и при увеличении величины прямого смещения (V > 0 на Pd). Обратная прямого смещения на диоде. Например, при T 333 K, ветвь практически насыщаласьс ростом V < 0 по как можно определить из рис. 4, при воздействии восравнению с зависимостью j V (ср. кривые 1 и 4, 5), дорода наблюдалось увеличение jd в 4 раза, а, исходя наблюдавшейся в потоке воздуха.

из уменьшения Ed на 0.19 eV, следовало ожидать увелиОбычно при анализе ВАХ диодов Шоттки с чения в 785 раз; для jr увеличение составило 13.6 раз туннельно-тонким окислом учитываются надбарьерная против ожидаемого 2.2 · 105 раз. Это расхождение естеэмиссия и туннелирование через окисел согласно форственно объяснить в рамках принятой модели влиянием муле [9,15] туннельно-тонкой диэлектрической прослойки.

j = AT Tn(V ) qS(V ) +qV + EC - F qV exp - exp - 1, (1) kT kT где A — постоянная Ридчарсона–Шоттки, Tn(V ) — вероятность туннелирования, q — заряд электрона, k — постоянная Больцмана, S(V ) — поверхностный потенциал полупроводника, EC-F — энергетический зазор между дном зоны проводимости EC и равновесным уровнем Ферми F в объеме полупроводника.

Для выяснения механизма токопереноса и влияния водорода на исследованные диоды были проведены измерения температурных зависимостей плотностей прямого jd и обратного jr токов при разных напряжениях и разной концентрации водорода. Эти зависимости поРис. 4. Температурные зависимости прямого (1, 2) и обратказаны на рис. 4. Видно, что все они имели экспоненного (3–6) токов при разной концентрации водорода. V, V:

циальный характер в соответствии с (1) и, как показал 1, 2 — +0.3; 3–6 — -1. PH, %: 2, 6 —0; 1, 3 — 0.22; 4 —0.11;

анализ, характеризовались большими значениями энер- 5 — 0.044. dАО 3.4nm.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 90 С.В. Тихов, Е.Л. Шоболов, В.В. Подольский, С.Б. Левичев Рис. 5. Изображение поверхности эпитаксиальной пленки (a) и слоя окисла (b) номинальной толщины 3.4 nm, полученное на атомном силовом микроскопе.

Согласно выражению (1), отношение эксперименталь- пленки малой толщины имеют утоньшения, обусловленно наблюдаемого увеличения тока к ожидаемому при ные зарощенными порами [17]. Очевидно, из-за этих данном уменьшении величины энергии активации под утоньшений эффективная толщина окисла оказывается действием водорода при фиксированных температуре и меньше его номинальной толщины dАО, и это может приводить к ошибке в определении высоты барьера для напряжении равно вероятности туннелирования через туннелирования при расчете по (2).

окисел. Тогда для обратно-смещенного диода при 333 K Наличие утоньшений в окисле можно установить с и V = -1V Tn 6.2 · 10-5 и расчет по формуле [15] помощью измерений на атомном силовом микроскопе, сравнивая микрорельефы исходной и окисленной по0 = ln(Tn) /(100d0), (2) верхностей эпитаксиального слоя GaAs. Морфология где 0 — эффективная высота барьера для туннелитаких поверхностей, полученная с помощью АСМ, порования в eV, а d0 — толщина барьера в nm, дает казана на рис. 5. Из рисунка видно, что исходная позначение 0 0.08 eV, если принять эффективную верхность характеризовалась наличием ступеней роста массу электрона равной массе покоящегося электрона с некоторыми зачатками бугорков по всей их протяженв вакууме, и d0 = dАО.

ности (a), а на поверхности, покрытой анодным окислом Такое же значение 0 получается для прямо сме- номинальной толщины 3.4nm (b), видно разрастание щенного диода. Это значение сильно расходится с вы- таких бугорков также по всей протяженности ступеней.

сотой барьера АО/GaAs (1.6 eV), полученной в [16]. Разрастание, вероятно, связано с преимущественным Используя формулу (2), при 0 = 1.6eV получим ростом окисла в области наибольшей напряженности значение d0 0.6 nm. Известно, что анодные окисные электрического поля (в местах зачатков бугорков). ТаЖурнал технической физики, 2003, том 73, вып. Влияние водорода на фотоэлектрические свойства диодов Шоттки... прямого и обратного тока от обратной температуры через диод с одним наклоном в исследованном сравнительно узком диапазоне температур и непрерывное уменьшение энергии активации тока с ростом концентрации водорода.

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.