федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
advertisement
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») На правах рукописи Ламкин Иван Анатольевич Создание и исследование фоточувствительных структур на основе контакта металл-широкозонный полупроводник Специальность: 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель Доктор физико-математических наук, профессор Соломонов Александр Васильевич Санкт-Петербург – 2015 2 Оглавление Введение Глава 1. Обзор литературы 1.1 Контакт металл-полупроводник 5 13 13 1.1.1 Омический контакт, барьер Шоттки 13 1.1.2 Высота барьера Шоттки 15 1.2 Омические контакты к эпитаксиальным слоям твердых растворов AlxGa1-xN 18 1.3 Фоточувствительные структуры на основе широкозонных полупроводников 27 1.3.1 Особенности фоточувствительных структур для УФ-диапазона спектра 27 1.3.2 Фоточувствительные структуры на основе полупроводниковых твердых растворов AlxGa1-xN и алмаза 29 1.3.3 Фоточувствительные структуры на основе барьера Шоттки металл-GaAs1-xPx 42 1.3.4 Области применения фоточувствительных структур на основе широкозонных полупроводников 1.4 Выводы по главе 1 44 46 Глава 2. Установки для создания структур и исследования их характеристик 47 2.1 Вакуумная установка для формирования фоточувствительных структур металл - полупроводник и ее модернизация 47 2.2 Установка для исследования спектров фоточувствительных структур и ее модернизация 52 2.3 Установка для измерения электрических характеристик структур и ее автоматизация 54 2.4 Выводы по главе 2 57 3 Глава 3. Разработка технологии создания омических контактов к широкозонным полупроводникам: AlxGa1-xN, CVD алмаз 58 3.1 Технология создания Al омических контактов к эпитаксиальным слоям n-AlxGa1-xN 58 3.2 Технология создания Ti/Al омических контактов к эпитаксиальным слоям n-AlxGa1-xN 60 3.4 Выводы по главе 3 71 Глава 4. Фоточувствительные структуры металл-широкозонный полупроводник 73 4.1 Технология создания фоточувствительных структур на основе AlxGa1-xN 73 4.2 Исследования свойств барьеров Шоттки к n-AlxGa1-xN 76 4.3 Влияние технологических факторов на характеристики фоточувствительных структур на основе AlxGa1-xN 78 4.4 Фоточувствительные структуры с барьером Шоттки Ag-AlxGa1-xN 89 4.5 Фоточувствительные структуры с барьером Шоттки Au-AlxGa1-xN 93 4.6 Исследование свойств барьеров Шоттки к p-CVD алмазу 103 4.7 Выводы по главе 4 110 Глава 5. Исследование свойств фоточувствительных структур Ag-GaAs1-xPx 112 5.1 Технология создания фоточувствительных структур Ag-GaAs1-xPx 112 5.2 Характеристики и параметры фоточувствительных структур Ag-GaAs1-xPx 113 5.3 Высота барьера Шоттки Ag-GaAs1-xPx 118 5.4 Выводы по главе 5 120 Заключение 122 Список литературы 124 4 Список сокращений и условных обозначений AlxGa1-xN – твердый раствор нитридов галлия и алюминия, где х – мольная доля AlN в твердом растворе; GaAs1-xPx – твердый раствор арсенида-фосфида галлия, где х – мольная доля GaP в твердом растворе; CVD - алмаз – химически осажденный из пара алмаз (CVD - метод производства синтетических алмазов); СВЧ – сверхвысокие частоты; HEMT – транзистор с высокой подвижностью электронов; Me – металл; δ – толщина слоя; QSS – плотностью заряда поверхностных состояний; φBn – потенциал барьера металл – полупроводник; χ – сродство к электрону полупроводника; φm – потенциал работы выхода электрона из металла; Eg – наименьший энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости в полупроводнике; Е0 – пороговая энергия прямых переходов в полупроводнике; hν – энергия фотона; λ – длина волны; q – заряд; k – постоянная Больцмана; Т – температура; JS – плотность тока насыщения; п/п – полупроводник. 5 Введение Актуальность. В настоящее время большой интерес проявляется к устройствам на основе твердых растворов широкозонных полупроводников. Подобные материалы могут быть использованы при создании ряда высокоэффективных оптоэлектронных и СВЧ-элементов, в частности, светоизлучающих диодов белого свечения и коротковолновых фотодетекторов, а также HEMT-транзисторов большой мощности [1, 2, 3]. Весьма перспективно применение широкозонных полупроводниковых соединений и их твердых растворов при разработке ультрафиолетовых фотоприемников для таких приборов, как датчики пламени, детекторы радиационной дозиметрии, приборы для мониторинга атмосферного озона, устройства солнечнослепого детектирования и обнаружения загрязнений. Особенно актуально с этой точки зрения использование твердых растворов AlxGa1-xN. Кроме перечисленных выше применений, фотоприемники на основе AlxGa1-xN востребованы при создании датчиков регистрации ракетного шлейфа, а также приборов калибровки и мониторинга устройств для медицинских, биологических и других коммерческих приложений, таких как плазменная диагностика и контроль. Сейчас эти роли в основном выполняют фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и кремниевые детекторы. К сожалению, ФЭУ являются весьма громоздкими, требуют использования высоких напряжений питания и обладают повышенной стоимостью. Кремний имеет сравнительно малую ширину запрещенной зоны (1,1 эВ) и, следовательно, при создании селективных ультрафиолетовых фотодетекторов на его основе практически невозможно обойтись без применения дорогостоящих фоточувствительность Si в оптических фильтров. ультрафиолетовой области Кроме того, существенно снижается. Главным преимуществом твердых растворов AlxGa1-xN является возможность изменения ширины запрещенной зоны полупроводника в диапазоне между 3,4 и 6,2 эВ за счет регулирования доли AlN, что позволяет 6 создавать фотодиоды с длинноволновой границей фотоответа, лежащей в диапазоне 360 – 200 нм. Это дает очевидные преимущества по сравнению с фотодиодами на основе Si, поскольку не требует использования дополнительных устройств фильтрации видимого излучения. Широкий диапазон температур, допустимых при функционировании приборов на основе AlxGa1-xN (до 700 °С), а также высокая химическая стойкость этих твердых растворов, позволяет использовать их в экстремальных условиях эксплуатации. Другим перспективным материалом для создания коротковолновых фотодетекторов может быть карбид кремния, однако он не позволяет достичь столь широкого диапазона изменения фоточувствительности, как это может быть реализовано при использовании твердых растворов полупроводниковых нитридов. Поэтому при создании солнечнослепых SiC-фотоприемников, чувствительных в диапазоне длин волн меньших 300 нм, также может потребоваться применение оптических фильтров. В настоящее время развивается новое перспективное направление – приборы на основе полупроводникового алмаза. Однако технология создания эпитаксиальных фоточувствительных структур на основе синтетического алмаза пока еще не отлажена. Вследствие дефицита пригодных для легирования алмаза примесей сейчас можно говорить лишь о более-менее воспроизводимом изготовлении эпитаксиальных слоев р-типа. Дополнительные преимущества могут быть получены при создании полупроводниковых фотодетекторов на основе барьера Шоттки. Такие приборы обладают высокой эффективностью и быстродействием, малым весом и небольшими габаритами, слабо чувствительны к магнитным полям. Важно, что в отличие от фотодиодов на основе p-n-перехода или p-i-n структур требуется эпитаксиальный слой только с одним типом электропроводности, что существенно упрощает технологию их создания и понижает стоимость. В настоящее время все еще существует ряд проблем, затрудняющих 7 реализацию фоточувствительных приборов на основе твердых растворов AlxGa1-xN с оптимальными характеристиками. В частности, до сих пор не решена полностью задача создания низкоомного контакта к AlxGa1-xN с большой долей AlN. Для фотодетекторов также очень важны параметры полупрозрачного выпрямляющего контакта (барьера Шоттки), поэтому весьма актуальным является исследование их свойств и характеристик. Альтернативой приборам на основе полупроводниковых нитридов для ультрафиолетовой области с длинноволновой границей фотоэффекта около 410 нм могут быть фотоприемники на базе GaAs1-xPx. В частности, структуры на основе барьеров Шоттки Ag-GaAs1-xPx могут быть использованы в качестве селективных фотоприемников с максимумом фоточувствительности, соответствующим длине волны 322 нм. Особенно важное влияние на функционирование подобных приборов оказывает потенциальный барьер металл-полупроводник, поэтому актуальным является исследование факторов, влияющих на его высоту и другие характеристики. Объектом исследования являлись контакты металл- полупроводниковые твердые растворы AlxGa1-xN и GaAs1-xPx, а также фоточувствительные структуры на их основе. Целью работы являлось создание фоточувствительных структур на основе AlxGa1-xN и GaAs1-xPx с различной степенью селективности для диапазона длин волн 200 – 900 нм. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: Разработка низкозатратной технологии создания низкоомных омических контактов к твердым растворам AlxGa1-xN. Создание и исследование фоточувствительных структур на основе барьера Шоттки Ме-AlxGa1-xN для ультрафиолетового диапазона спектра. Исследование технологических влияния факторов их свойств создания металлических на слоев и фотоэлектрические 8 характеристики фотоприемников на основе Ме-AlxGa1-xN. Создание видимослепых селективных фоточувствительных структур на основе Ag-AlxGa1-xN с повышенной чувствительностью к УФизлучению. Создание селективных фоточувствительных структур с чувствительностью, лежащей в диапазоне длин волн 355 - 366 нм. Исследование влияния состава твердого раствора GaAs1-xPx на величину потенциального барьера Шоттки Ag-GaAs1-xPx. Научная новизна работы состоит в следующем: Разработана низкозатратная технология создания низкоомных омических контактов к твердым растворам AlGaN, которая объединила в себе технологические операции отжига и напыления и позволила не использовать для отжига газы высокой чистоты. Впервые созданы видимослепые селективные фоточувствительные структуры с повышенной чувствительностью к УФизлучению на основе Ag-AlGaN с максимумом фотоответа при λ = 322 нм и с управляемой селективностью фоточувствительности (полуширина спектра фотоответа 13 нм - 32 нм). На основе структур Au-AlGaN созданы фоточувствительные структуры с повышенной степенью селективности (полуширина спектра чувствительности 5 - 6 нм) на длины волн 350 - 370 нм. Исследовано влияние состава твердого раствора GaAsP на высоту потенциального барьера Шоттки Ag-GaAsP во всем диапазоне составов. Определена количественная зависимость высоты потенциального барьера металл-полупроводник Ag-GaAsP от состава твердого раствора GaAsP. Практическая значимость заключается в следующем: Разработана низкозатратная технология создания низкоомных омических контактов к твердым растворам AlxGa1-xN, которая объединила в себе технологические операции отжига и напыления и позволила не 9 использовать для отжига газы высокой чистоты. Изучено влияние разных металлических слоев и технологических факторов на фотоэлектрические характеристики приемников на основе контакта Ме-AlxGa1-xN. Показано, что использование предварительной обработки в КОН позволило увеличить фоточувствительность в 5,5 раза. Отжиг структур увеличил фотоответ в 5 раз. Применение диэлектрического окна уменьшило токи утечки в 3 раза. Разработаны и созданы фоточувствительные структуры на основе барьера Шоттки Ме-AlxGa1-xN с красной границей фотоэффекта 250 нм, 255 нм, 270 нм, 290 нм, 355 нм. Созданы видимослепые селективные фоточувствительные структуры с повышенной чувствительностью к УФ-излучению на основе контакта Ag-AlxGa1-xN с максимумом фотоответа, соответствующему длине волны λ = 322 нм, и с управляемым диапазоном фоточувствительности (полуширина спектра фотоответа 13 нм - 32 нм). На основе эффектов широкозонного окна и надбарьерного переноса в структурах Au-AlxGa1-xN созданы селективные фоточувствительные структуры с полушириной 5 - 6 нм для диапазона длин волн 350 - 370 нм. Научные положения, выносимые на защиту: Для достижения низкого сопротивления однослойных омических контактов Al-n-AlxGa1-xN и двуслойных контактов Ti/Al-n-AlxGa1-xN может быть использован отжиг в вакууме, что позволяет исключить применения инертных газов высокой чистоты. Подбор состава твердого раствора AlxGa1-xN в сочетании с использованием оптических свойств Ag позволяет на основе контакта AgAlxGa1-xN создать фотоприемник с максимумом фотоответа при λ = 322 нм (окно прозрачности серебра) и с управляемой селективностью фоточувствительности (полуширина спектра фотоответа 13 нм - 32 нм). 10 Использование сочетания эффектов надбарьерного переноса и широкозонного окна из AlxGa1-xN позволяет на основе контакта Au-AlxGa1-xN создать селективные фотоприемники с полушириной 5-6 нм и максимумом фотоответа, лежащим в диапазоне 350 - 370 нм. Высота барьера Шоттки в структуре Ag-GaAs1-xPx от состава твердого раствора подчиняется зависимости qφБ = 1,96x2 + 0,24x + 0,88 (при x ≤ 0.46) и qφБ = 0,30x2 - 0,17x + 1,42 (при x ≥ 0.46) с погрешностью 0,1. Результаты работы используются при чтении лекций, проведении практических занятий и включены в цикл лабораторных работ по дисциплинам «Квантовая и оптическая электроника», «Полупроводниковые оптоэлектронные приборы» и «Фотоника» бакалаврской и магистерской подготовок по направлению «Электроника и наноэлектроника» на кафедре Микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ. Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах: VII международная конференция молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2011» 2011 г.; 4th International Symposium on Growth of III-Nitrides 2012 г.; 13-я, 14-я научная молодежная школа «Физика и технология микро- и наносистем» 2010 г., 2011 г.; 64-я, 66-я, 67-я научно-техническая конференция профессорскопреподавательского состава университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2011 г., 2013 г., 2014 г.; 66-я, 68-я научно-техническая конференция СПбГЭТУ «ЛЭТИ», посвященная Дню радио 2011 г., 2013 г.; Конференции по физике и астрономии для молодых ученых СПб и Северо-запада «ФизикаА.СПб» 2011 г., 2012 г., 2013 г., 2014г.; 11 13-я, 14-я, 15-я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике 2011 г., 2012 г., 2013 г.; 15-я научная молодежная школа «физика и технология микро- и наносистем. «Карбид кремния и родственные материалы»; 5-я Всероссийская конференция молодых ученых «Микро-, нанотехнологии и их применение» им. Ю.В. Дубровского 2012 г.; 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2013»; 9-я всероссийская конференция нитриды галлия, индия и алюминия, структуры и приборы 2013 г.; 11 Российская конференция по физике полупроводников 2013 г.; 16-я молодежная школа «Материалы и технологии гибкой электроники» 2013 г.; 1st International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures 2014 г.; Конференция молодых специалистов «Техника и технология современной фото-электроники», проходящая на ЦНИИ «Электрон» 2012 г, 2013 г, 2014 г. Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 научных статьях, 5 из которых зарубежные, индексируемые в базах данных Web of Science и Scopus, 3 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в перечне ВАК, 2 статьи в других журналах. В список работ также входит 1 объект интеллектуальной собственности. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемой литературы, включающего 86 12 наименований. Общий объем работы составляет 134 машинописного текста. Работа содержит 93 рисунка и 5 таблиц. страницы 13 Глава 1. Обзор литературы 1.1 Контакт металл-полупроводник 1.1.1 Омический контакт, барьер Шоттки При непосредственном контакте металла с полупроводником уровни Ферми этих материалов при термодинамическом равновесии должны совпадать. Это обуславливает возникновение процессов, связанных с перетеканием носителей заряда и призванных компенсировать разницу между потенциалами приконтактных областей металла и полупроводника. Рассмотрим идеальный случай, при котором промежуточные слои и поверхностные состояния в контакте отсутствуют. В зависимости от соотношения работ выхода и типа электропроводности полупроводника возможны четыре типичных ситуации. Если работа выхода φМ электрона из металла больше работы выхода φs из полупроводника, то электроны с большей вероятностью будут переходить из полупроводника в металл. Это приводит к образованию обедненного электронами приконтактного слоя в полупроводнике n-типа проводимости. В полупроводнике р-типа проводимости образуется обогащенный дырками слой. Если же соотношение работ выхода противоположное, то электроны переходят из металла в полупроводник. В результате в полупроводнике n-типа электропроводности образуется обогащенный электронами слой, а в полупроводнике р-типа — обедненный дырками слой. Таким образом, пространственный заряд формируется при контакте металла с полупроводником любого типа электропроводности вне зависимости от соотношения работ выхода. Однако в обедненных слоях пространственный заряд состоит из ионизированных атомов примеси (доноров или же акцепторов), и сами слои из-за обеднения основными носителями заряда обладают большим по сравнению с остальным объемом полупроводника электрическим сопротивлением. При наличии обедненного слоя контакт металл полупроводник в общем случае обладает выпрямляющими свойствами, так как внешнее напряжение, падая в основном 14 на высокоомном переходе, будет изменять высоту потенциального барьера, меняя тем самым условия прохождения носителей заряда через контакт. Приконтактный слой, обогащенный основными носителями заряда, имеет малое сопротивление (по сравнению с остальным объемом полупроводника) и не обладает свойством выпрямлять переменный электрический ток, т.е. в этом случае формируется омический контакт. На рисунке 1.1 изображены вольт-амперные характеристики (ВАХ) контактов. Контакт (рисунок 1.1а) обладает выпрямляющими свойствами (ВАХ несимметрична и нелинейна). ВАХ контакта, не обладающего выпрямляющими свойствами, показана на рисунке 1.1б, однако его сопротивление зависит от приложенного напряжения (ВАХ нелинейна). ВАХ омического контакта показана на рисунке 1.2в. Рисунок 1.1 – Идеализированные зависимости тока I от разности потенциалов U на различных типах контактов (вольт-амперные характеристики) Создание обогащенного основными носителями заряда приповерхностного слоя в полупроводнике (рисунок 1.1б, 1.1в) есть один из способов получения омических контактов. Альтернативой ему является использование для электрических контактов слоев сильнолегированных полупроводников (подлегирование контакта). В этом случае толщина образующегося слоя объемного заряда мала и будет иметь место туннельный перенос электронов из металла в полупроводник через энергетический барьер [4]. 15 1.1.2 Высота барьера Шоттки Рассмотрим энергетическую диаграмму реального контакта металлполупроводник n-типа (рисунок 1.2). При создании таких контактов практически неизбежным является формирование на границе раздела туннельнопрозрачного диэлектрического слоя толщиной δ, и поверхностных состояний с плотностью заряда QSS . Важнейшей величиной является высота барьера qφBn, который преодолевает электрон, двигающийся из металла в полупроводник. Этот барьер, называемый барьером Шоттки, во многом определяет свойства контакта металл-полупроводник и параметры приборов на его основе. Поэтому важно изучить факторы, влияющие на его высоту. Возможны два предельных случая: Рисунок 1.2 – Подробная энергетическая диаграмма металл-полупроводник 1. Если плотность поверхностных состояний стремится к бесконечности: qφBn = (Eg – qφ0) – qΔφ. В этом случае уровень Ферми на поверхности (2) фиксируется поверхностными состояниями на энергии, превышающей край валентной зоны на величину qφ0. При этом высота барьера не зависит от работы выхода 16 металла, а целиком определяется степенью легирования и поверхностными свойствами полупроводника. 2. Если плотность состояний стремится к нулю qφBn = q(φm - χ) – qΔφ. В этом случае высота барьера определяется фундаментальными свойствами металла и полупроводника (работой выхода и сродством к электрону). На практике часто возникает ситуация, когда желательно иметь возможность управлять высотой барьера выпрямляющего контакта. Простейший метод состоит в использовании сплава двух металлов (как правило, сплавы благородных металлов). Так в [5, 6] получена линейная зависимость высоты барьера от состава сплава, но практическое применение этого метода потребовало бы чрезвычайно тонкого контроля его состава. Эффективную высоту барьера Шоттки можно регулировать в достаточно широком интервале, вводя сильнолегированные поверхностные слои полупроводника. Такие слои были реализованы практически с помощью ионной имплантации. Для уменьшения эффективной высоты барьера поверхностный слой легировался примесью того же самого типа, что и объем полупроводника (т. е. донорами в полупроводниках n-типа). Для увеличения эффективной высоты барьера используется легирование приповерхностных слоев примесями типа, противоположного тому, которым легирован объем полупроводника (т. е. акцепторами в полупроводниках n-типа). Другим возможым методом является контроль толщины или какихлибо других свойств промежуточного слоя. Этот промежуточный слой можно рассматривать как диэлектрик несмотря на то, что он может быть настолько тонким (~ 1 нм), что не обладает зонной структурой, xaрактерной для толстого оксидного слоя. Наличие диэлектрического слоя приводит к трем эффектам: 1. Падению потенциала на слое, вследствие чего высота барьера при нулевом смещении оказывается меньше, чем для идеального диода. 17 2. Электроны должны туннелировать через барьер, образованный диэлектрическим слоем, что приводит к уменьшению тока при данном смещении. 3. При приложении напряжения смещения часть его падает на диэлектрическом слое, поэтому высота барьера зависит от напряжения смещения, что приводит к изменению формы ВАХ. Использование этих эффектов позволяет в некоторой степени регулировать высоту потенциального барьера за счет изменения толщины промежуточного слоя и состояния поверхности полупроводника. При обратных смещениях наличие промежуточного слоя приводит к тому, что эффективная высота барьера уменьшается при увеличении смещения и обратный ток не насыщается. Вследствие уменьшения высоты барьера обратный ток диода с относительно толстым промежуточным слоем может быть больше тока диода с очень тонким слоем (рисунок 1.3). Рисунок 1.3 – Барьер Шоттки с промежуточным слоем: _______________ Этот эффект - нулевое смещение; - - - - - прямое смещение является общей причиной «мягких» обратных характеристик диодов (рисунок 1.4), изготовленных в плохих вакуумных условиях или на загрязненной поверхности полупроводника. 18 Рисунок 1.4 – Обратные характеристики диодов Шоттки с оксидным промежуточным слоем различной толщины Наличие промежуточного слоя также оказывает влияние на емкость диода, поскольку такой слой видоизменяет саму зависимость распределения заряда в диоде от смещения. 1.2 Омические контакты к эпитаксиальным слоям твердых раствор AlxGa1-xN Омический контакт обычно образуется в случаях, когда: - потенциальный барьер между металлом и полупроводником отсутствует, то есть для полупроводника n-типа с низкой плотностью поверхностных состояний в запрещенной зоне выбирается металл с работой выхода электронов из металла меньшей, чем сродство к электрону полупроводника (контакт первого типа); - потенциальный барьер присутствует, но он узкий (туннельнопрозрачный), что обычно достигается сильным легированием приповерхностной области полупроводника (контакт второго типа); - потенциальный барьер присутствует, но он низкий и легко преодолевается за счет термоэлектронной эмиссии носителей, что обычно достигается изменением химического состава полупроводника вблизи 19 контакта, например, созданием узкозонного приконтактного слоя (контакт третьего типа). Наиболее технологически приемлемым металлом для омических контактов на основе полупроводников n-AlxGa1-xN является Al, однако вследствие ряда причин создание контакта с низким сопротивлением оказывается весьма затруднительным. Поэтому в большинстве случаев используются металлические композиции, состоящие из двух и более слоев. Сравнение свойств двухслойных омических контактов к n-AlxGa1-xN представлено в [7]. Было проведено исследование Ti/Al контактов. После отжига при температуре 650 °С длительностью 5 мин были получены значения удельных сопротивлений контакта 2 ∙ 10-5 Ом ∙ см2 и 2,2 ∙ 104 Ом ∙ см2 для n-Al0,12Ga0,88N и n-Al0,18Ga0,82N соответственно. Падение эффективности Ti/Al контактов с ростом доли Al связывается с увеличением высоты барьера Шоттки металлических контактов. Также изучалось использование в качестве омического контакта интерметаллической композиции Ni/Al, где соотношение между Ni и Al составляет 50 % : 50 % [7]. Композиция Ni/Al характеризуется точкой плавления при 1638 °С и стойкостью к окислению, поэтому данная композиция весьма стабильна при экстремально высоких температурах. Из рисунок 1.5 видно, что контактное сопротивление Ni/Al/n-Al0,18Ga0,82N уменьшается с ростом температуры от 800 °С до 900 °С и при увеличении длительности отжига в диапазоне поданных смещений от -3 В до 3 В. Причем отжиг в течении 1 мин при температуре 800 °С уже позволяет добиться небольших улучшений свойств контакта, а отжиг длительностью 5 мин при температуре 850 °С приводит к линейности ВАХ и значительному уменьшению контактного сопротивления. Дальнейшее увеличение температуры отжига до 900 °С также приводит к некоторому уменьшению сопротивления контакта. 20 Рисунок 1.5 – Влияние условий отжига на ВАХ структуры NiAl/n-Al0,18Ga0,82N [7] Помимо структуры Ni/Al/n-Al0,18Ga0,82N была исследована структура Ni/Al/n-Al0,12Ga0,88N, в которой наблюдалась сходная тенденция изменения ВАХ. С увеличением атомной доли Al с 0,12 до 0,18 контактное сопротивление возрастало. Также было исследовано влияние длительного отжига продолжительностью 100 ч при температуре 600 °С на структуру. При этом происходила деградация свойств контакта: сопротивление увеличилось с 4,7 ∙ 10-5 Ом ∙ см2 до 9,2 ∙ 10-5 Ом ∙ см2 (таблица 1). Таблица 1 – Удельное сопротивление Ni/Al контактов [7] Исследуемая структура Условия отжига Удельное сопротивление контакта, Ом ∙ см2 n-Al0,12Ga0,88N 900 °С/5 мин 2,1 ∙ 10-5 n-Al0,18Ga0,82N 900 °С/5 мин 4,7 ∙ 10-5 n-Al0,18Ga0,82N 900 °С/5 мин + 600 °С/100 ч 9,2 ∙ 10-5 Таким образом, сопротивление Ti/Al контактов оказывается несколько меньше, но Ni/Al контакты менее подвержены температурному влиянию с ростом доли алюминия в n-AlxGa1-xN. 21 В статье [8] было предложено добавлять в структуру омических контактов небольшое количество Pd или Pt, что позволило уменьшить сопротивление омических контактов Ti/Al без ухудшения свойств поверхности материалов контакта. В качестве полупроводника использовался n-Al0,2Ga0,8N, нанесением легированный контактов Si c концентрацией поверхность 2 ∙ 1018 см-3. подвергалась Перед травлению фтористоводороной кислотой в течение 5 мин. Контакты наносились при помощи термического испарения в вакууме. Термическая обработка контактов производилась при помощи быстрого термического отжига в течение 30 с в атмосфере N2. Рисунок 1.6 показывает удельное контактное сопротивление контактов на основе Ti/Al (16/200 нм), Ti/Pt/Al (20/3/200 нм) и Ti (20 нм)/Pd(3, 5 или 10 нм)/Al (200 нм) как функция температуры отжига. Наименьшее сопротивление Ti/Al омического контакта, которое составляет 5,9 ∙ 10-5 Ом ∙ см2 наблюдалось после отжига при температуре 650 °С. Добавление слоя Pd толщиной 3 нм привело к снижению сопротивления контакта. Снижение контактного сопротивления объяснялось образованием вакансий Ga или Al в AlxGa1-xN слое из-за взаимодействия Pd с Ga или Al. 22 Рисунок 1.6 – Влияние отжига на сопротивление контакта при различных сочетаниях металлов [8] Оптимальная толщина Pd слоя составила 5 нм, что позволило снизить контактное сопротивление до 4,1 ∙ 10-6 Ом ∙ см2 – на порядок по сравнению с бинарным Ti/Al контактом. Здесь наименьшее значение сопротивления контакта было достигнуто путем отжига при температуре 600 °С. Однако работа выхода Pd сравнительно высока (5,12 эВ). Слои из Pd с толщиной 23 более чем 5 нм будут покрывать поверхность AlxGa1-xN, поэтому будут причиной высокого барьера Шоттки к полупроводнику n-типа. Полагается, что это является причиной роста контактного сопротивления с возрастанием толщины Pd слоя от 5 нм до 10 нм. Добавление слоя Pt в Ti/Al омический контакт также привело к снижению контактного сопротивления. Наименьшее полученное сопротивление Ti/Pt/Al контакта составило 3,8 ∙ 10-5 Ом ∙ см2 после отжига при температуре 650 °С. В работе [9] были проанализированы омические контакты к AlxGa1xN/GaN на основе металлической композиции Ti/Al/Ni/Au (20/120/55/45 нм). Метод молекулярной лучевой эпитаксии улучшенной плазмой использовался для выращивания структуры AlxGa1-xN/GaN на сапфировой подложке. Содержание Al в активном слое AlxGa1-xN составляло x = 0,24. Образцы обрабатывались при помощи быстрого термического отжига в среде N2. Особенностью методики, использованной в работе, был многостадийный процесс отжига. На первом этапе, температуру отжига повышали до 400 °С и обрабатывали образцы в течении 3 мин. Затем температура резко поднималась до 700 °С и отжиг производился в течении 40 c – второй этап. Третьим этапом было повышение температуры до 830 °С и последующий отжиг в течении 30 с. Оптимальные температуры и времена отжига подбирались на каждом этапе. При времени отжига 30 c сопротивление контакта (ρс) было наименьшим. Первый этап отжига незначительно повлиял на контакт Шоттки c полупроводником (рисунок 1.7). Взаимодействие металлического контакта с AlxGa1-xN начиналось после второго этапа отжига. На этом этапе ток через барьер Шоттки значительно возрос, но ВАХ не стала омической. Однако после третьего этапа при достижении температуры отжига 830 °С характеристика выпрямилась, а контактное сопротивление значительно уменьшилось. Наименьшее сопротивление омического контакта, которое удалось достичь, составило 3,22 ∙ 10-7 Ом ∙ см2. 24 Рисунок 1.7 – ВАХ омических контактов после каждого из трех этапов многостадийного отжига (снизу вверх от первого этапа к третьему) [9] Методика многостадийного отжига была применена для получения хороших омических контактов на структуре AlxGa1-xN/GaN, выращенной в отличии от предыдущей работы MOCVD методом [10]. Доля Al в слое AlxGa1-xN составляла x = 0,3. Твердый раствор AlxGa1-xN легировался Si до концентрации электронов 2 ∙ 1018 см-3. В работе исследовались три образца с различными толщинами слоев Ti/Al/Ni/Au контактов. Наименьше удельное сопротивление было у образца Ti(20 нм)/Al(120 нм)/Ni(55 нм)/Au(45 нм) – образец В на рисунке 1.8. Контакт начинал проявлять омические свойства после второй стадии отжига при температуре 700 °С. Многостадийный отжиг позволил снизить удельное контактное сопротивление с 10-5 Ом ∙ см2, полученное при отжиге при температуре 830 °С в течении 45 с в среде N2, до 3,5 ∙ 10-6 Ом ∙ см2. 25 Рисунок 1.8 – Удельное сопротивление Ti/Al/Ni/Au контактов в зависимости от температуры отжига [10] В настоящее время, обычно на практике в качестве омического контакта к n-AlxGa1-xN используются многослойные металлические системы Ti/Al/Ni/Au. Где Al – контакт образующий металл, Au – металл, препятствующий окислению, Ni – препятствует смешению Al и Au. Титан в данной металлической системе играет двойную роль. С одной стороны он является адгезионным подслоем, с другой стороны, как выяснялось при глубоких исследованиях, титан способствует повышению уровня Ферми вблизи интерфейса металл/полупроводник. Причиной данного процесса является формирование при температурах более 800 °С фазы TixNy, которая обедняет приповерхностный слой азотом, создавая вакансии азота, которые в свою очередь являются донорами для нитридных материалов. В работе [11] было предложено использовать вместо многослойных контактов Ti/Al/Ni/Au повторяющуюся композицию структуру металлов, основанную Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al/Ni/Au, на Ti/Al которая была 26 призвана снизить сопротивление омических контактов. Контакты наносились на поверхность нелегированного Al0,25Ga0,75N слоя при помощи электроннолучевого испарения. Было исследовано три образца, основанных на повторяющейся структуре, где толщина слоев Ti составляла 5 нм, а толщина Ti слоя соотносилась с Al слоем как 1:4, 1:6 и 1:8 (толщина Al слоя составляла 20, 30 и 40 нм соответственно). На ещѐ один тип образца, сформированный Ti/Al/Ni/Au на той же структуре, контакт для сравнения с наносился четырехслойный повторяющейся структурой. Термическая обработка осуществлялась методом быстрого термического отжига (RTA) в среде N2. Исследование зависимости температуры RTA показало, что сопротивление контакта резко уменьшается при росте температуры от 750 до 900 °С, то есть оптимальным является отжиг при температуре 900 °С. В результате отжига сначала при температуре от 750 до 900 °С в течение 30 с, а затем при температуре 525 °С в течении 120 с в среде N2 было получено значение удельного контактного сопротивления 5,679 ∙ 10-7 Ом ∙ см2. При тех же условиях отжига были исследованы и остальные образцы. Наименьшее значение контактного сопротивления было получено при соотношении между Ti и Al 1:8, а в сравнении традиционного многослойного контакта Ti/Al/Ni/Au и контакта с повторяющейся структурой (сравнивался контакт с соотношением толщин слоев Ti и Al (1:8) меньшее сопротивление показывает контакт с повторяющейся структурой. В качестве омических контактов к p-AlxGa1-xN в основном используется двухслойный контакт Ni/Au. Такие контакты c толщиной слоя Ni 10 нм, и толщиной слоя Au 100 нм успешно использовались в работе по изучению влияния условий роста p-Al0,35Ga0,65N, легированного Mg до концентрации дырок 5 ∙ 1017 см-3 [12]. Рост p-Al0,35Ga0,65N осуществлялся методом MOCVD. Образцы обрабатывались термически, отжигом в течении 60 с при температуре 700 °С, а затем в течении 120 с при температуре 850 °С в атмосфере N2. Кроме того, могут применяться композиции Ni и Pd [13], 27 трехслойные схемы металлизации Pt/Pd/Au [14], а также четырехслойные контакты Pd/Ni/Pd/Ru [15]. Двухслойные металлические композиции с подслоем титана рассматриваются также и в качестве перспективных омических контактов к полупроводниковому алмазу. В литературе для получения омических контактов к эпитаксиальным слоям алмаза p-типа, легированных бором, использовались такие металлы, как Pt, Au / Ti, Al. Среди них Ti является самым интересным, т. к. при взаимодействии с алмазом он образует карбид уже при средних температурах [16]. Для улучшения качества получаемых контактов и уменьшения контактного сопротивления применяются следующие методы предобработки поверхности: формирование силицидов [17], сильное легирование эпитаксиальных слоев или гидрогенизация поверхности путем ее обработки в водородной плазме. Также в литературе сообщается, что при осаждении контактных слоев подложку следует подогревать [18]. В работе [19] для получения омического контакта наносились металлы Au (150 nm) / Pt (50 nm) / Ti (50 nm) с последующим отжигом в атмосфере аргона. 1.3 Фоточувствительные структуры на основе широкозонных полупроводников 1.3.1 Особенности фоточувствительных структур для УФ-диапазона спектра Длинноволновая граница идеального фотоприемника для ультрафиолетового диапазона спектра должна соответствовать границе видимой и УФ-областей (λ= 0,38 мкм), то есть коэффициент поглощения света в исходном полупроводнике должен быть как можно меньшим при длинах волн, больших этой границы, и как можно большим при длинах волн, меньших этой границы. Как правило, требуемая спектральная область достигается одним из трех способов: 28 1. Использование полупроводников с шириной запрещенной Eg зоны большей 3,2 эВ, таких как GaN, AlxGa1-xN, 6C-SiC, 4H-SiC, алмаз; 2. Использование непрямозонных полупроводников с величиной Eg существенно меньшей 3,2 эВ, но с пороговой энергией прямых переходов Е0, близкой к этой величине, например, GaP (Eg = 2,26 эВ; E0 - 2,8 эВ); при этом предполагается, что коэффициент поглощения света при hν < Е0 должен быть достаточно мал, а при hν >E0 - достаточно велик; 3. Использование хорошо освоенных промышленностью полупроводников, таких как Si, и применение корректирующих УФсветофильтров. 4. Путем фотоэлектропреобразования в структурах на основе широкозонных полупроводников. Весьма эффективны при использовании в уф-диапазоне фотоприемники на основе диодов Шоттки (поверхностно-барьерных диодов), поскольку область поглощения коротковолнового света находится в слое объемного заряда вблизи поверхности полупроводника, где присутствует высокое электрическое поле и, следовательно, происходит разделение фотогенерированных носителей заряда. Фоточувствитеяьность таких структур определяется: - генерацией электронов в металле и переходом их в полупроводник при hν > qφB; для случая qφB < hν < Eg зависимость фототока короткого замыкания Iph от квадрата энергии фотонов линейная, а ее экстраполяция к значению Iph = 0 соответствует высоте барьера на границе «металл полупроводник» φB (формула Фаулера): Iph ≈ (hν - φB)2. - генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике и разделением их полем объемного заряда при энергиях фотонов hν < Eg; при этом фототок не должен зависеть от энергии фотонов (формула Гартнера): Iph = -qηDФ((1 – eαW) / (1 + αLp)). 29 Второй процесс существенно более эффективный, чем первый, и поэтому длинноволновая граница спектра фототока короткого замыкания обычно близка к ширине запрещенной зоны Eg в прямозонных полупроводниках и к пороговой энергии прямых оптических переходов Е0 в непрямозонных полупроводниках. При hν >> qφB с ростом hν всегда наблюдается спад квантовой эффективности. Разработано несколько теорий для объяснения этого спада. В работе [20] предполагалось, что это связано с движением термализованных электронов против электрического поля, захватом их на поверхности полупроводника и рекомбинацией с дырками. В работах [21, 22] спад объяснялся диффузией термализованных электронов из полупроводника в металл. В работах [23, 24] предполагалось, что термоэлектронная эмиссия электронов и дырок в металл определяет коротковолновый спад квантовой эффективности, а в работе [25] в рамках диффузионно-дрейфового приближения теории термоэлектронной эмиссии были учтены рекомбинационные процессы на поверхности. В [26, 27] предполагалось, что уменьшение фоточувствительности фотоэлектронов в металл и обусловлено остыванием их транспортом в металле. горячих Однако экспериментальные данные согласуются с предложенными теориями потерь фотоносителей при hν ≈ Eg и hν ≥ Eg, и лишь в очень узких областях при hν >> Eg, хотя именно эта область наиболее актуальна для УФ-фотометрии. Экспериментально наблюдаемый спад квантовой эффективности при hν >> Eg хорошо объясняется образованием горячих экситонов в слое пространственного заряда или захватом их в ловушки [28-31]. 1.3.2 Фоточувствительные структуры на основе твердых растворов AlxGa1-xN и алмаза Полупроводниковые широкозонные материалы (нитриды и их твердые растворы, алмаз) перспективны для УФ-области спектра, поскольку их ширина запрещенной зоны близка к границе видимой и УФ-областей 30 спектра, а система AIN-GaN образует непрерывный ряд прямозонных твердых растворов, позволяющих создавать фотоприемники с резким длинноволновым краем фоточувствительности, расположенным в любом месте ближней УФ-области. Наиболее перспектривными структурами являются диоды Шоттки на основе благородных металлов - Au, Ag, Pd и других. Фотоприемник на основе структур Pd - n-GaN (n = 3∙10l6 ÷ 5 ∙ 1017см-3) - n+-GaN (n+= 3-1018см-3) [32] работают в спектральной области 0,25÷0,37 мкм, а величина чувствительности достигает значения SI = 0,18 А/Вт (квантовая эффективность γ = 0,6), которая мало меняется во всем спектральном диапазоне (рисунок 1.9) Рисунок 1.9 – Спектр фоточувствительности Pd-GaN фотоэлектропреобразователя с барьером Шоттки, Т = 300 К [32] Другая возможная структура Me-п/п-Me (двойной барьер Шоттки) была реализована в работе [33]. При некоторых технологических особенностях изготовления достигнутая чувствительность была немного меньшей и составила SI = 0,17 А/Вт. Также была предложена Ag-GaN:H-Auструктуры типа «сэндвич» [34], в которых GaN:H был сильно легирован 31 магнием, имели резкий край спектра фототока при λ = 0,36 мкм (γ=0,4, SI = 0,11 А/Вт при λ = 0,32 мкм, Id = 10-11 А при V = -1 В). С ростом обратного смещения до -5 В величина SI, существенно возрастает, а после -5 В достигает насыщения [35]. В работе [36] были изготовлены вертикальные и латеральные GaN-фотоприемники с барьером Шоттки и показано, что приемники с вертикальной структурой имеют большую эффективность. Вместо металлических плеток в фотодиодах Шоттки на основе GaN можно использовать оксиды In и Sn, что в некоторых случаях приводит к росту квантовой эффективности (до ≈40%) [37]. Для улучшения шумовых характеристик используютеся фотодиоды Шоттки на основе n-GaN, пассивированные слоем SiО2, или содержащие меза-структуры. Пассивированные диоды имели постоянную времени 15 нс, определяемую RC-цепью, и спектральную плотность шума 5∙10-23А2/Гц при частоте 10 Гц, причем наблюдалось внутреннее усиление при прямом смещении [38]. Это усиление связано с тем, что поверхностные состояния на m-s границе могут захватывать фотодырки, уменьшая высоту потенциального барьера qφB (например, в Ti/Pt-GaN-структурах при освещении величина qφB уменьшалась от 1,08 эВ до 0,75 эВ) [39]. Темновые токи меза - диодов Шоттки на основе Pd - n-GaN (n = 5∙1017 см-3) были очень низкими (Id= 2,1∙10-8 А/см2 при -2 В), а шум при 1 Гц составил 9∙10-29А2/Гц [40]. Кроме диодов Шоттки могут быть использованы структуры на основе p-n-переходов. В работе [41] на подложках n+-GaN (n+ = 1018 см-3) путем выращивания n- - слоя (n- = 1016 см-3) и р-слоя (р = 1018 см-3) создавались р-n структуры на основе GaN, которые продемонстрировали чувствительность SI = 0,11 А/Вт в максимуме (λ = 0,36 мкм) и τ = 8,2 мкс. В работе [42] р-π-n структуры, в которых компенсированный p-GaN был расположен между сильнолегированными р- и n- слоями, имели SI = 0,1 А/Вт при λ = 0,363 мкм, Id = 2,7 мкА при V= -3В, NEP = 6,6-10-15ВтГц-1/2, а постоянная времени определялась RC-цепью. 32 В работах [43, 44] были представлены p+-i-n+ лавинные GaNфотодиоды с коэффициентом умножения более 25 и эффективностью 13%. Токи утечки лавинных диодов были менее 20 нА при V= 0,9VBR; температурный коэффициент напряжения пробоя VBR был +0,2 В/К. Фоторезисторы на основе GaN имеют резкий длинноволновый край и очень высокую токовую чувствительность. При 5 ÷ 15 В они имели SI = 2000 А/Вт (согласно [45]) и даже SI = 3200 А / Вт (согласно [46]); при λ = 0,254 мкм величина SI = 125 А / Вт при V = -25 В (согласно [47]) и SI = 30 А / Вт при V= -14 В (согласно [48]). Высокие значения SI обусловлены модуляцией толщины вследствие GaN фотоэффекта в слое объемного заряда, присутствующего на поверхности GaN, и изменением его ширины при генерации носителей [49, 50]. Твердые растворы GaN-AIN используются для изготовления солнечнослепых фотоприемников. Под этим термином в литературе чаще всего подразумевается полное отсутствие чувствительности ко всему солнечному излучению, доходящему до Земли (λ < 0,3 мкм), а иногда отсутствие чувствительности к видимому и ИК-свету (λ < 0,38 мкм), но такие детекторы чаще называют видимослепыми С ростом содержания AlN в твердом растворе AlxGa1-xN длинноволновый край фоточувствительности сдвигается в сторону более коротких длин волн (рисунок 1.10). Он соответствует λ = 0,365 мкм (х = 0), 0,32 мкм (х = 0,35), 0,23 мкм (х = 0,75) и 0,2 мкм (х = 1) [46, 51]. Обычно этот край очень резкий: с ростом длины волны λ от 0,3 мкм до 0,36 мкм (при х = 0,36) [46] или от λ 0,285 мкм до 0,35 мкм (при х = 0,35) [52] токовая чувствительность SI уменьшается на четыре порядка величины. В УФобласти величина SI почти постоянна [53] и составляла 0,025÷0,03 А/Вт (при х = 0,22) [54], 0,05 А/Вт при 0 В и 0,11 А/Вт при V= -5 В (λ = 0,232 мкм) [53], 0,05 А/Вт (λ= 0,257 мкм) [54], 0,033 А/Вт (λ = 0,275 мкм) [55]. 33 Рисунок 1.10 – Спектр фоточувствительности AlxGa1-xN фотоэлектропреобразователя с барьером Шоттки при различном содержании AlN в твердом растворе. Т = 300 К. Теоретический анализ [56, 57] показал, что величина SI возрастает с уменьшением толщины слоя AlxGa1-xN в интервале 4÷1 мкм (из-за уменьшения последовательного сопротивления), с ростом концентрации электронов от 1∙1015см-3 до 1∙1016см-3 и с уменьшением содержания AlN (x). Удельная обнаружительная способность D*- фотодетекторов на основе AlxGa1-xN-диодов Шоттки составляла 1∙109÷3∙1010 Гц1/2Вт-1см, а постоянная времени ограничивалась RC-цепью (14 нc при х = 0,22). На основе композиции AlxGa1-xN могут быть созданы структуры на основе p-n-переходов или диодные структуры Шоттки (рисунки 1.11-1.12) [58, 59, 60]. Хорошие параметры демонстрируют и фотоприемники на основе p-i-n - структур (рисунок 1.13) [61]: величина SI = 0,12 А / Вт при λ = 364 нм и уменьшалась на три порядка величины при λ > 390 нм. В работе [52] были из готовлены p-i-n - фотодиоды с освещением как со стороны верхнего слоя (SI = 0,08 А/Вт при λ = 285 нм), так и со стороны подложки (SI = 0,033 А/Вт при 34 λ = 275 нм). Для таких фотоприемников величина D* = 4,85 ∙ 1013 Гц1/2Вт-1см (согласно [62]), а γ = 0,35 % при λ = 280 нм (согласно [63]). Особо низкие обратные токи (1 ∙ 10-10А при -5 В) и высокие D* (2,4 ∙ 1014 Гц1/2Вт-1см) были получены на гетероструктурах р-А10,13Ga087N-n-GaN [64]. Рисунок 1.11 – Конструкция (а) и спектральная характеристика (б) фотоприемника на основе GaN p-n-перехода Рисунок 1.12 – Конструкция (а) и спектральная характеристика (б) фотоприемника на основе барьера Шоттки к р-GaN 35 Рисунок 1.13 – Конструкция (а) и спектральная характеристика (б) фотоприемника на основе p-i-n-перехода в твердом растворе AlGaN На рисунке 1.14 изображены спектральная квантовая эффективности фотодетектора при различных обратных смещениях и спектр чувствительности фотодетектора при различных обратных смещениях [65]. 36 Рисунок 1.14 – а - Квантовая эффективность фотодетектора при различных обратных смещениях. b – Чувствительность фотодетектора при различных обратных смещениях [65] Другим популярным вариантом исполнения фотоприемников является использование фотоприемников с барьером Шоттки. В [66] описано создание и исследование фотоприемников на основе AlxGa1-xN со структурой металлполупроводник-металл и областью чувствительности 310-365 нм. Произведено сравнение спектров чувствительности фотоприемников на основе Al0.25Ga0.75N и GaN, результаты которого показаны на рисунке 1.15. 37 Рисунок 1.15 – Спектр чувствительности фотоприемников с барьером Шоттки на основе GaN и Al0.25Ga0.75N [66] Одной из главных проблем структур с барьером Шоттки являются высокие токи утечки. Для борьбы с этим явлением разрабатываются различные подходы. Авторы работы [67] изучили возможность уменьшения темновых токов в структуре металл-полупроводник-металл путем внедрения слоя пористого AlGaN. Высококачественные слаболегированные слои Al0.09Ga0.91N были выращены на кремнии (кристаллографического направления 111) с использованием AlN в качестве буферного слоя, методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Пористый AlxGa1-xN был получен электролитическим травлением в присутствии платины. Две тонкие пластинки платины толщинами в 300 нм были нанесены на образцы AlxGa1xN, далее образцы подверглись травлению раствором HF:CH3OH:H2O2 при освещении ультрафиолетовой лампы мощностью в 500 Вт в течении 15 мин. Дополнительной целью исследования было получение прибора, производство которого не требовало бы очень дорогого оборудования. В работе были измерены вольт-амперные характеристики образцов без освещения и при освещении ультрафиолетовой лампой. На рисунке 1.16 38 показаны вольт-амперные характеристики структур с использованием пористого слоя и без него. Видно, что правильный подбор технологических параметров позволяет понизить токи утечки на два порядка. Рисунок 1.16 – Вольт-амперные характеристики структур с использованием аморфного AlxGa1-xN [67] На спектр фоточувствительности может оказывать влияние различные способы модифицирования поверхности, в [68] рассмотрены фоточувствительные структуры на основе AlxGa1-xN на подложке из GaN с микроколончатой структурой и произведено сравнение характеристик со структурой без неровностей. Сделан вывод о значительно сузившейся области чувствительности и сдвиге максимума чувствительности в область больших длин волн. Спектры чувствительности сравниваемых структур представлены на рисунке 1.17. 39 Рисунок 1.17 – Спектры чувствительности образцов с микроколончатой структурой и без В работе [69] описаны исследование и принцип работы фотоприемника на основе гетероструктуры GaN/AlGaN с использованием множественных квантовых ям. Данная структура была получена методом молекулярнопучковой-эпитаксии на сапфировой подложке, была использована геометрия, подразумевающая освещение с обратной стороны. Введение в активную область множественных квантовых ям должно увеличить квантовую эффективность структуры за счет высокого коэффициента поглощения. Был исследован спектр чувствительности, на котором отдельно выделен практически ровный участок от 325 до 350 нм с чувствительностью 0.054 А/Вт, полученный на структуре с множественными квантовыми ямами и дополнительной механической обработкой поверхности. К достоинствам данной структуры отнесли возможность гибко регулировать область чувствительности за счет изменения параметров квантовых ям. Пиковая чувствительность увеличивается с понижением толщины барьера из-за усиления тунеллирования фотогенерированных носителей заряда. На рисунках 1.18 и 1.19 показано схематическое изображение структуры и спектр чувствительности. 40 Рисунок 1.18 – а – Схематическая структура образцов. b – схематическое изображение профилей МКЯ с изображением транспорта носителей заряда [69] Рисунок 1.19 – Спектр чувствительности исследованных образцов с множественными квантовыми ямами [69] Параметры фоточувствительных структур на основе твердого раствора AlxGa1-xN могут изменяться в зависимости от огромного количества различных факторов, что усложняет производство приборов на их основе, но при этом дает значительную гибкость в получении определенных 41 характеристик, возможности создания приборов заточенных для требуемых целей. С точки зрения расширения спектрального диапазона фотоприемников в область менее 300 нм очень перспективен алмаз, который обладает уникальным сочетанием ценных свойств (большая ширина запрещенной зоны, высокая теплопроводность, химическая и радиационная стойкость и др.). Так, фоторезисторы на алмазе оказываются чрезвычайно эффективными для регистрации "жесткого" ультрафиолета (рисунок 1.20) [58]. К настоящему времени фотопроводимость природных и синтетических поликристаллов и монокристаллических пленок алмаза изучена достаточно подробно [70, 71, 72]. Рисунок 1.20 – Спектральная характеристика чувствительного элемента датчика УФ-излучения на основе алмаза [58] На основе поликристаллических пленок газофазного алмаза также были созданы фоторезистивные датчики УФ излучения, обладавшие фотопроводимостью в УФ диапазоне даже большей, чем фотопроводимость 42 некоторых природных монокристаллов алмаза [58]. В плане практической реализации были изготовлены опытные образцы УФ фоторезисторов на природном алмазе, работающие в спектральном диапазоне 205-280 нм и обладающие темновым сопротивлением 0,015 ГОм. 1.3.3 Фоточувствительные структуры на основе барьера Шоттки металл-GaAs1-xPx Фотоприемники на основе широкозонных полупроводниковых материалов GaP, GaAs1-xPx и GaAs дают уникальную возможность создания фотоприемных устройств и приборов со спектральной чувствительностью в ультрафиолетовой (УФ) и видимой областях спектра (200 - 900 нм). Большая по сравнению с кремнием ширина запрещенной зоны приводит к таким преимуществам подобных фотодиодов, как более высокие рабочие температуры, высокая стабильность (в том числе и при повышенных уровнях засветки), радиационная стойкость. Использование GaAs1-xPx дает возможность создавать селективные фотодиоды, позволяющие работать без дополнительных фильтров, отрезающих длинноволновую область спектра. В статье [73] авторы исследовали фотоприемники с барьером Шоттки на основе GaAs1-xPx, GaAs и GaP. Фотодиоды с барьером Шоттки на основе GaP обладают фоточувствительностью в области (200 - 510) нм (рисунок 1.21). Максимум фоточувствительности (λmax) находится при (430 - 440) нм. Токовая чувствительность при λmax достигает значения 0,15 А/Вт. При λ = 300 нм токовая чувствительность равна 0,06 А/Вт. Просветляющее покрытие приводит к повышению фоточувствительности в ~ 1,5 раза. 43 Рисунок 1.21 – Спектральные характеристики фотодиодов на основе GaAs1-xPx [73] Фотодиоды на основе GaP обладают широким динамическим диапазоном – от 10-12 Вт/см2 до 10-2 Вт/см2, фототок линейно зависит от мощности падающего излучения. Фотодиоды на основе интерес, кроме возможности GaAs1-xPx представляют дополнительный перечисленных изменять форму выше областей спектральной применения, характеристики из-за путем изменения процентного содержания фосфора. Разработанные фотодиоды с барьером Шоттки на основе GaAs1-xPx обладают фоточувствительностью в области (250 - 680) нм при х = 0,39 и (250 - 740) нм при x = 0,25 (рисунок 1.21). Максимум фоточувствительности приходится на λ = 550 и 650 нм соответственно. Токовая чувствительность при λmax достигает значения 0,22 А/Вт, при λ = 300 нм – 0,03 А/Вт. Как и в случае фотодиодов на основе GaP порог чувствительности при λmax оценивался расчетным путем и был ~ 1 ∙ 1015 Вт ∙ Гц-1/2 для фотодиодов с диаметром площадки 1 мм. В составе фотоприемного устройства порог чувствительности ≥ 1,8 ∙ 10-14 Вт Гц-1/2. Динамический диапазон фоточувствительности охватывает область (10-12 10-2) Вт/см2. 44 Фотодиоды с барьером Шоттки на основе GaAs обладают широкой областью фоточувствительности от 250 до 900 нм (рисунок 1.21). Длина волны в максимуме фоточувствительности находится вблизи 800 нм. Токовая чувствительность при λmax достигает 0,5 А/Вт, при λ = 300 нм – 0,04 А/Вт. Типичное значение порога чувствительности при λmax для фоточувствительной площадки с диаметром 1 мм – 1,5 ∙ 10-14 Вт Гц-1/2. 1.3.4 Области применения фоточувствительных структур на основе широкозонных полупроводников В настоящее время в мире интенсивно развиваются полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра в связи с требованиями: - помехоустойчивой УФ локации (например, для регистрации ракетного шлейфа в дневное время); - детектирования ультрафиолетового и ионизирующих излучений; - экологии (например, для контроля «озонной дыры» над Землей); - биотехнологии (синтез витаминов D2 и D3); - медицины (физиотерапия, аутотрансфузия крови, профилактика простудных заболеваний, защита от канцерогенного излучения). Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи, особенно приемники с потенциальным барьером, имеют высокую эффективность, малый вес и габариты, не чувствительны к магнитным полям, имеют надежность большую, чем стеклянные вакуумные фотоэлементы, обладают способностью к накоплению заряда и интегрированию детектируемого сигнала. Важной задачей является разработка селективных и полосовых солнечнослепых приборов и приборов для отдельных участков УФ-области спектра (эритемного, бактерицидного, витамино-образующего, канцерогенного). Если проблема солнечнослепых приборов в основном 45 решена на основе использования твердых растворов GaN-AlN, то к решению других проблем практически не приступали. Широкое применение УФ-детекторы находят для мониторинга окружающей среды, в частности, для изучения озонной дыры: составление карт УФ-климата в различных областях Земли, моделирование процессов, происходящих при разрушении озонового слоя, разработка способов восстановления озонового слоя. Кроме того, можно выделить следующие важные области применения ультрафиолетового излучения и приборов для его регистрации [74, 75]: - медицина: физиотерапия, аутотрансфузия крови, облучение людей Солнцем; - сельское хозяйство: парниковая и тепличная агротехнология; - биотехнология: синтез витаминов D2 и D3; - обеззараживание воды, воздуха, одежды, инструментов и продуктов питания при длительном хранении и во время эпидемий; - астронавигация и ультрафиолетовая локация (в дополнение к инфракрасной локации); - астрономия: получение информации о физических процессах в космических объектах, способных излучать УФИ; - материаловедение: определение состава веществ и электронной структуры элементов; - экология: проблема озонной дыры, обнаружение загрязнений окружающей среды; - ядерная физика и энергетика: регистрация ядерных частиц с помощью сцинтилляторов; - дефектоскопия, криминалистика, искусствоведение: люминесцентный анализ вследствие способности ряда веществ люминесцировать под действием УФИ. 46 1.4 Выводы по главе 1 Обзор литературных данных показал огромный интерес научного сообщества к полупроводниковым твердым растворам AlxGa1-xN. На их основе в исследуются настоящее пути время создания создаются белые светодиоды, ультрафиолетовых активно светодиодов и фотоприемников. Показано, что основные трудности в создании УФприборов связаны с качеством выращиваемых эпитаксиальных слоев и качеством омических контактов. В параграфе 1.2 рассмотрены варианты создания омических контактов к эпитаксиальным слоям AlxGa1-xN n- и p-типа проводимости. Установлено, что характеристики омических контактов к широкозонным нитридам определяются не только напыляемым металлом, но и последующим отжигом структуры при высоких температурах. Описаны основные металлы, используемые при создании низкоомных омических контактов и их комбинации, а также режимы последующего отжига. В параграфе 1.3 были рассмотрены основные типы коротковолновых фотоприемников. Показано, что фотодиоды на основе твердых растворов AlxGa1-xN являются перспективным вариантом для ультрафиолетовой области спектра. Проведен обзор современной литературы по фоточувствительным структурам на основе AlxGa1-xN. 47 Глава 2. Установки для создания структур и исследования их характеристик В рамках выполнения диссертационной работы была проведена существенная модернизация научного оборудования для создания фоточувствительных структур и исследования их характеристик. Кроме того, в среде LabVIEW было разработано специализированное программное обеспечение, давшее возможность проведения измерений в автоматическом режиме и значительно повысившее их точность. В главе 2 представлено описание основного оборудования, которое использовалось в работе, а также рассмотрены результаты его модернизации. 2.1 Вакуумная установка для формирования фоточувствительных структур металл - полупроводник и ее модернизация Формирование плѐнок металла осуществлялось методом термического испарения в вакууме. Этот метод заключается в испарении металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки). Качество и прочность пленок в большой степени зависят от чистоты подложки. Поэтому поверхность подложки предварительно тщательно очищается. Во время напыления подложка нагревается при помощи специального нагревателя до температуры 100-500 °С. Подогрев позволяет частично снять внутренние напряжения в пленке, улучшить ее сцепление с подложкой, а также удалить загрязнения с поверхности. Блоксхема установки для получения тонких пленок методом термического испарения металлов и сплавов в вакууме показана на рисунке 2.1. Установка основана на диффузионном насосе, предварительный вакуум создается роторным вакуумным насосом. Глубина вакуума измеряется термопарными и ионизационными лампами. На рисунке 2.2 изображен рабочий объем вакуумной камеры, в которой происходит напыление тонких пленок и отжиг структур. 48 Рисунок 2.1 – Общая блок-схема установки для получения тонких пленок металла 49 Рисунок 2.2 – Рабочий объем для нанесения пленок методом термического испарения в вакууме. 1 – подложка, 2 – лодочка с испаряемым металлом, 3 – маска, 4 – пленка, 5 – нагреватель, 6 – корпус вакуумной камеры Металл, который должен быть осажден на подложку 1, помещают в испаритель 2. Через лодочку пропускается электрический ток, пока она не приобретет температуру, достаточно высокую для плавления исходного материала. Пары от расплавленного металла в виде атомарного пучка, распространяясь от испарителя, попадают на подложку 1 и осаждаются на ее поверхности, образуя слой в виде тонкой пленки (вакуумного конденсата). На подложку предварительно помещается маска с отверстиями 3, определяющими форму напыляемых контактов. Система напыления размещена в вакуумной камере 6. Давление в камере должно быть таким, чтобы атомы металла не сталкивались с молекулами остаточного газа при своем движении к подложке, то есть их траектории должны быть прямолинейными. Это условие выполняется, если в камере создается давление порядка (1-2)∙10-5 мм рт. ст. В этом случае расстояние от испарителя до подложки можно считать малым по сравнению 50 со средней длиной свободного пробега молекул газа и большая часть атомов металла будет достигать подложки, не испытывая столкновений с молекулами остаточного газа. Когда пары металлов достигают подложки, происходит переход атомов вещества из паровой фазы в конденсированное состояние. Для нанесения тонких пленок металлов, склонных к взаимодействию с материалом распылителя (Ti, Al, Ni, Sn) использовался вольфрамовый испаритель типа «каноэ». При напылении менее активных материалов, таких как Au, In, Ag, применялись лодочки, изготовленные из молибдена, так как они менее хрупкие и выдерживают большее число циклов испарения. Для напыления относительно легкоплавких материалов, например теллура, нагревание лодочки производилось медленно для исключения разбрызгивания металла. Основные технологические операции производятся в рабочем объеме, образуемом основанием и колпаком. Основание установлено на каркасе. К нижней части основания крепится термопарная манометрическая лампа (ПМТ-4М), вакуумная блокировка и остальная часть вакуумной системы. На основании смонтировано устройство термического напыления, которое включает в себя токоведущие стойки, держатели испарителей, столик для образцов, нагреватель и шторку. В работе был разработан и создан специализированный нагреватель резистивного типа (рисунок 2.3), давший возможность проводить быстрый нагрев образцов до температур 100-900 °С. 51 Рисунок 2.3 – Нагреватель образцов: 1 – керамическое основание, 2 – керамические втулки Нагреватель был закреплен внутри изготовленного столика. Передняя крышка закрывается путем установки ее сверху в пазы на передней части столика. Так же столик имеет еще две крышки, одна предназначена для закрывания верхнего окна, другая для нижнего окна, через которое производится напыление. Нижнее окно закрывается, если установка используется только для отжига образца. Это позволяет увеличить температуру внутри столика. Над нижним окном закрепляется держатель для масок, через которые происходит осаждение напыляемого металла. Этот элемент одновременно является и держателем для образцов. Управление температурой подогрева и отжига осуществляется при помощи компьютера. Программируемый источник питания задает напряжение питания на нагревателе. Температура образцов измеряется с 52 помощью термопары, подключеный к мультиметру. Так же как и источник питания, мультиметр управляется компьютером через интерфейс RS-232. Было создано специальное программное обеспечение в среде LabVIEW, позволяющая в автоматическом или ручном режиме задавать и поддерживать температуру подогрева и регулировать время отжига. Программное обеспечение также осуществляет мониторинг состояния в реальном времени, отображая показания на графиках и сохраняя данные в файл. Автоматизация системы подогрева и отжига образцов позволила более точно управлять параметрами процесса при напылении тонких слоев металла на поверхность полупроводника и исключить ошибки связанные с человеческим фактором. Особенно важное значение имеет мониторинг и автоматическая подстройка температуры подогрева при напылении на образцы с фоторезистом для последующей фотолитографии, так как при незначительном перегреве возможно разрушение фоторезистивного слоя. Проведенная модернизация позволила загружать большее количество образцов в камеру из-за увеличенного размера столика и нагревателя, повысить качество создаваемых структур и обеспечить хорошую повторяемость результатов. 2.2 Установка для исследования спектров фоточувствительных структур и ее модернизация Для исследования фотоэлектрических характеристик используется установка на основе дифракционного монохроматора МДР-3. При исследовании были использованы различные источники излучения, такие как ксеноновая лампа для ультрафиолетовой области спектра и лампа накаливания для видимой и ИК спектральной области. Свет от лампы 1 (рисунок 2.4) попадает на первый коллиматор 2, который фокусирует пучок через модулятор 3 на входную щель монохроматора 4. 53 Рисунок 2.4 – Схема установки для исследования спектральных характеристик: 1-лампа; 2-входной коллиматор; 3-модулятор; 4-монохроматор МДР-3; 5-выходной коллиматор; 6-держатель с фоточувствительной структурой; 7-прибор с синхронным детектированием; 8-ЭВМ Из выходной щели свет попадает на второй коллиматор 5, который фокусирует и направляет этот свет на специальный держатель для образца 6. Возникающий при освещении структуры фототок регистрируется с помощью прибора с синхронным детектированием. В установке могут быть использованы дифракционные решетки трех типоразмеров: 300, 600 и 1200 штрихов на миллиметр. Для УФ-диапазона длин волн, использовалась решетка 1200 шт/мм. Для отсечки высших порядков дифракционной решетки используется набор фильтров, пропускающих свет в диапазонах: 0,3-0,6 мкм; 0,6-1,0 мкм; 1,0-1,5 мкм. Выходная длина волны определяется углом поворота дифракционной решетки. Регулирование этого угла осуществляется с помощью шагового двигателя. Для обнаружения и измерения очень малых сигналов переменного тока - вплоть до нескольких нановольт в установке используется прибор с синхронным детектированием. Точные измерения могут производиться даже когда малый сигнал скрыт шумом источников, сигнал которого во много тысяч раз больше. Синхронное усиление использует технику, фазочувствительного обнаружения переменной компоненты сигнала на 54 опорной частоте и фазе. Шумовые сигналы на частотах, отличных от опорной частоты, не принимаются в расчет и не влияют на измерения. Синхронные измерения требуют опорного сигнала. Частота опорного сигнала задается модулятором SR540, который прерывает излучение от лампы с помощью диска модуляции. Устройство может модулировать поток света со скоростью от 4 Гц до 3,7 кГц. Универсальный выход обеспечивает синхронизацию сигналов, необходимых для нескольких режимов работы: один или два пучка, сумма и разность частот, модулированных до 20 кГц. Для управления шаговым двигателем и измерением сигнала с последующим сохранением их в файл на ПК была разработано программное обеспечение в среде LabVIEW. Управление организовано через интерфейс RS-232. При работе с ксеноновой лампой высокой интенсивности, мощность излучения которой в ультрафиолетовую области весьма высока, есть необходимость откачки возникающего газа озона, который может служить причиной ожога слизистых оболочек органов дыхания. Для откачки была разработана система принудительной вентиляции корпуса лампы, подключенная к системы вытяжки паров из химической лаборатории. 2.3 Установка для измерения электрических характеристик структур и ее автоматизация Установка для измерения вольт-амперных характеристик собрана из зондовой станции, программируемого источника напряжения – PSM-6003, мультиметра – GDM-8246 либо пикоамперметра Keithley 6485/E, компьютера (рисунок 2.5). Зондовая станция оснащена микроскопом и подвижными в трех плоскостях зондами, с помощью которых электрический контакт с поверхностью структуры. осуществляется 55 Рисунок 2.5 – Внешний вид установки Источник и мультиметр с помощью интерфейса RS-232 подключены к компьютеру. В ПК для реализации возможности подключения нескольких устройств был установлен PCI контроллер 6S serial ORIENT XWT-PS056. В программной среде LabVIEW была разработана программа, позволяющая проводить измерения ВАХ в автоматическом режиме и сохранять результаты в файл. На блок-схеме программы, изображенной на рисунке 2.6, представлен алгоритм определения начальных параметров. Выполнив указанный алгоритм, программа производит изменения значений тока и напряжения, а затем записывает полученные значения в файл, отображает его на графике и в окне текущего значения на панели программы. 56 Out Put On Измерение Запись в файл Построение графика f( ) нет > да да > 0,01 нет Out Put Off Рисунок 2.6 – Блок–схема программы Процесс измерения тока и напряжения повторяется необходимое число раз. В конце выполнения программы источник отключает выход, что позволяет безопасно установить новый образец и проводить измерения снова. 57 2.4 Выводы по главе 2 Рассмотрены основные экспериментальные установки, используемые в ходе диссертационной работы, такие как, вакуумная установка для термического резистивного напыления металлов и последующего отжига, установка на базе дифракционного монохроматора для исследования спектров и ВАХ фоточувствительных структур. Произведена модернизация вакуумной установки. Изменен столик со встроенным нагревателем и создано программное обеспечение на базе LabVIEW для автоматизации подогрева структур во время напыления и отжига. Разработанная программа позволяет автоматически управлять такими параметрами как температура отжига и его продолжительность, проводя постоянный мониторинг состояния столика в вакуумной установке и записывая данные на жесткий диск персонального компьютера с текущими временем и датой. Автоматизирована установка для исследования спектральных характеристик. Создана программа на базе LabVIEW, которая управляет шаговым двигателем и регистрирует показания усилителя с синхронным детектированием. Полученные данные отображает на мониторе ПК, а также сохраняет их в файл на жесткий диск. Автоматизирована установка для исследования вольт-амперных характеристик. Создана программа на базе LabVIEW, которая управляет источником питания и мультиметром. Данные, получаемы с приборов отображаются на мониторе ПК и сохраняются в файл на жестком диске. Модернизация оборудования позволила более четко контролировать технологию создания образцов. Создание программного обеспечения и автоматизация исследовательских установок позволила измерять большее количество образцов за значительно меньшее время, повысив точность измерений за счет статистической обработки. 58 Глава 3. Разработка технологии создания омических контактов к широкозонным полупроводникам: AlxGa1-xN, CVD-алмазу 3.1 Технология создания Al омических контактов к эпитаксиальным слоям n-AlxGa1-xN Первым этапом было создание омических контактов к эпитаксиальным слоям AlxGa1-xN. Существуют два основных способа формирования таких контактов. При использовании вертикальной структуры фотоприемника омические контакты создаются к слою GaN. Этот метод уже хорошо отработан, однако требует использования дополнительных технологических этапов при создании структур. В планарной структуре или при необходимости создания контакта непосредственно к твердому раствору AlxGa1-xN возникают сложности, т.к. при увеличении доли AlN в твердом растворе AlxGa1-xN уменьшается его сродство к электрону и увеличивается высота потенциального барьера металл-полупроводник. Кроме того в соответствии с запросом предприятия-партнера требовалось разработать малозатратную технологию, которая бы совмещала в себе операции напыления и необходимого отжига контакта. Для решения перечисленных проблем необходимо было выбрать металл с малой работой выхода, но обладающий при этом по возможности невысокой стоимостью и не требующий повышенных затрат при нанесении на поверхность AlxGa1-xN. Этим требованиям в значительной степени отвечает Al. На первом этапе контакты создавались к эпитаксиальным слоям AlxGa1-xN с долей AlN не больше 0,1. Из литературы известно, что для получения омического контакта необходим отжиг структуры при температуре не менее 750 °С в среде особо чистых газов N2 или Ar. Высокая чистота газовых сред необходима для достижения низких сопротивлений создаваемых контактов. Была разработана методика отжига структур в вакууме непосредственно после нанесения металлических слоев, позволяющая совместить технологические операции отжига и напыления. Установлено, что контакт становится омическим при отжиге в течении 30 59 мин при температуре 800 °С (рисунок 3.1). Линейность ВАХ достигается за счет подлегирования приповерхностной области и уменьшения толщины потенциального барьера на границе раздела металл-полупроводник. При этом инертные газы в разработанной методике не используются. Рисунок 3.1 – Влияние температуры отжига на вольт-амперные характеристики Al контакта (время отжига 5 мин) В результате при отжиге в течении 30 минут в вакууме 10 -2 мм рт. ст. получена омическая вольт-амперная характеристика Al контакта к AlxGa1-xN (рисунок 3.2). Малое сопротивление и омическая характеристика, возможно, объясняется формированием промежуточного высоколегированного слоя AlxGa1-xN из-за образования вакансий азота, действующих как доноры. 60 Рисунок 3.2 – Влияние времени отжига на вольт-амперные характеристики Al контакта (температура отжига 800 °С) В результате разработаны омические контакты на основе Al к эпитаксиальным слоям n-AlxGa1-xN. Рекомендуемые параметры технологии следующие: минимальная толщина слоя Al 50 нм, температура отжига 800 °С, время отжига 30 мин, давление остаточных газов не хуже 10-2 мм рт. ст. Однако, стоит отметить, что полученные однослойные Al контакты имели высокое сопротивление, а при увеличении доли AlN в твердом растворе AlxGa1-xN вообще теряли омические свойства. 3.2 Технология создания Ti/Al омических контактов к эпитаксиальным слоям n-AlxGa1-xN Чтобы получить более низкое сопротивление омического контакта, а также создать омический контакт к слаболегированным эпитаксиальным слоям исследовались двухслойные Ti/Al контакты, где Ti выступает в качестве подслоя к Al, ВАХ представлены на рисунке 3.3. 61 Рисунок 3.3 – Влияние температуры отжига на вольт-амперные характеристики Ti/Al контакта Толщина титанового слоя составляла 15 нм, а алюминиевого – 35 нм. Как видно из п. 3.1., для сильнолегированных образцов n-AlxGa1-xN можно было использовать однослойные алюминиевые контакты с последующим отжигом в вакууме при температуре 800 °С в течение 30 мин для получения омической вольтамперной характеристики. Однако использование двухслойного контакта Ti/Al позволяет снизить контактное сопротивление и уменьшить время и температуру отжига. Кроме того, использование сильнолегированных эпитаксиальных слоев невозможно при создании фоточувствительных структур на основе барьера Шоттки. Важным фактом также является то, что для слаболегированного твердого раствора n-типа AlN–GaN не удается добиться омической характеристики при использовании однослойного контакта даже в случае отжига при температуре 930 °С в течение длительного времени. Поэтому предпочтение было отдано двухслойным контактам Ti/Al. Для получения омической характеристики проводился отжиг при температуре 750 °С в течение 10 мин. Дальнейшее 62 увеличение температуры незначительно влияло на вольтамперную характеристику. Чтобы не допустить окисления титана и алюминия, особенно при высоких температурах, отжиг проводился в вакууме при давлении остаточных газов 10-3 мм рт. ст. Исследование влияние глубины вакуума на сопротивление контакта отображено на рисунке 3.4. Видно, что уменьшение давления остаточных газов понижает сопротивление контакта. Скорее всего, такое снижение сопротивления можно объяснить влиянием кислорода в остаточных газах, который вызывает окисление металлов (титана и алюминия) с последующим образованием высокоомных оксидов на поверхности контакта. При дальнейших исследованиях для отжига в вакууме было выбрано давление 10-3 – 10-4 мм рт. ст., которое позволяет получить низкое сопротивление контакта (на уровне литературных данных) при сравнительно малом времени откачки. Рисунок 3.4 – Влияние давления остаточных газов на сопротивление Ti/Al контакта Для выявления влияния легирования на параметры отжига омических контактов были исследованы эпитаксиальные слои n-AlxGa1-xN, имеющие различную концентрацию легирующей примеси (Si): 1019 см-3, 1018 см-3, 63 1017 см-3, 1016 см-3. Исследование Ti/Al омических контактов, где Ti является подслоем для Al, производилось для структур n-Al0,08Ga0,92N. Для каждой степени легирования исследовался набор из серии образцов с отличавшимися размерами контактных площадок. В результате для уровней легирования 1019 см-3, 1018 см-3, 1017 см-3 были получены вольтамперные характеристики близкие к линейным (рисунок 3.5). Это означает возможность получения омических контактов без проведения термической обработки при указанных выше концентрациях [76]. 1016 см-3 1017 см-3 а 1018 см-3 б 1019 см-3 в г Рисунок 3.5 – ВАХ контактов Ti/Al-n-AlxGa1-xN при уровне легирования AlxGa1-xN: а – 1016 см-3; б – 1017 см-3; в – 1018 см-3; г – 1019 см-3 64 Для уровня легирования 1016 см-3 наблюдалось отклонение характеристик от линейности. Некоторое различие ВАХ для одного и того же уровня легирования объяснялось отличием в площадях нанесенных контактов и их взаимным расположением относительно друг друга. Было проведено исследование влияния температуры и других параметров отжига на свойства омических контактов Ti/Al к n-AlxGa1-xN. Отжиг производился в вакууме не хуже 10–3 мм рт. ст. чтобы предотвратить окисление Ti и Al. Для уровня легирования 1019 см-3 контакты с омическим поведением были получены без термической обработки, однако отжиг позволил существенно улучшить их свойства после обработки образцов при температуре 640 - 650 °С в течение 20 - 25 мин. Отжиг позволил увеличить прямые токи при заданном напряжении приблизительно в полтора раза. Достигнутые при этом сопротивления были наименьшими. Дальнейшее увеличение температуры отжига вплоть до 950 °С приводило лишь к постепенному увеличению сопротивления вследствие деградации образцов при повышенной температуре. Для образцов с уровнем легирования 1018 см-3 отжиг в вакуумной среде также привел к уменьшению сопротивления контакта. После отжига ВАХ остались омическими. Однако в этом случае оптимальная температура оказалась выше по сравнению с образцами, легированными до 1019 см-3. Оптимум параметров лежал при температуре в пределах 680 - 700 °С при длительном отжиге в течение 25 - 30 мин или в пределах 720 - 750 °С при укороченном отжиге в течение 10 - 15 мин. Таким образом, добиться хорошего результата можно увеличением либо температуры, либо длительности отжига. После отжига значения прямых токов возросли в среднем в полтора - два раза, что говорит о его ключевом влиянии на параметры образцов. Дальнейшее повышение температуры отжига до 950 °С и времени отжига до 30 мин и более не привело к существенному улучшению характеристик структуры. 65 На образцы с уровнем легирования 1017 см-3 отжиг также оказал положительное действие. Наилучший эффект достигался при температуре 600 - 640 °С, причем увеличение длительности свыше 10 мин не оказывало заметного влияния на поведение характеристик. Отжиг при таких условиях позволил увеличить значения токов при напряжении 2 В в среднем на 10 15 мА. Это означает, что отжиг в случае легирования 1017 см-3 оказывает меньшее влияние, чем на образцы с повышенной концентрацией электронов. Дальнейший отжиг при температурах до 950 °С практически не влиял на характеристики – сопротивление контактов сохранялось неизменным. Таким образом, удалось получить омические AlxGa1-xN характеристики для уровней легирования равных 1019 см-3, 1018 см-3 и 1017 см-3 при доли AlN в твердом растворе AlxGa1-xN не более 0,1. Однако стоит отметить тенденцию роста сопротивления омического контакта при увеличении доли AlN в твердом растворе AlxGa1-xN. Объяснить результаты, полученные для омических контактов к nAlxGa1-xN, можно следующим образом. При высокой температуре (750 °С и выше) происходит взаимодиффузия Ti из металлического слоя и N из твердого раствора с формированием промежуточного слоя TiN. При этом, у поверхности AlxGa1-xN возникает большое количество вакансий N, что позволяет рассматривать верхний слой полупроводника как высоколегированный. Потенциальный барьер между этим слоем и TiN, повидимому, становится очень тонким, и оказывается туннельно-прозрачным для носителей заряда. Кроме того, слой TiN препятствует проникновению Al в полупроводник и связанному с этим уширением барьера. При низких температурах образование слоя TiN затруднено. При увеличении продолжительности отжига в этом случае, возможно, происходит деградация контактов с образованием оксинитрида алюминия, по аналогии с процессами, происходящими в контактах Al/AlxGa1-xN [77]. Для подтверждения этих предположений была проведена ОЖЕ-спектроскопия созданных структур до и после отжига. 66 На рисунке 3.6 изображен профиль электронной Оже-спектроскопии структуры Al/Ti/Al0,5Ga0,5N сразу после напыления металлов. Видно, что на поверхности структуры присутствует тонкий слой оксида, который неизбежно образуется, когда образец изымается из вакуумной камеры и оказывается под воздействием атмосферного кислорода. После слоя оксида сформирован слой Al, толщина которого изначально задавалась 35 нм. Подслоем для Al служил слой титана толщиной 15 нм. Однако из результатов электронной Оже-спектроскопии видно, что происходит частичное смешивание слоя титана с верхним слоем алюминия. Титан также проникает в эпитаксиальный слой твердого раствора Al0,5Ga0,5N. Рисунок 3.6 – Профиль электронной ОЖЕ-спектроскопии структуры Al/Ti/Al0,5Ga0,5N перед отжигом На рисунке 3.7 изображен профиль электронной Оже-спектроскопии структуры Al/Ti/Al0,5Ga0,5N после отжига в течении 10 мин при температуре 750 °С в вакууме Исследованию было при давлении подвержено остаточных несколько газов 10-3 мм рт. ст. одинаковых образцов, полученные профили которых практически полностью совпали. Из рисунка 3.10 видно, что во время отжига алюминий проник в слой титана, равномернее распределившись в нем [78]. Кислород, присутствующий в 67 вакуумной камере, незначительно окислил поверхность структуры. Чтобы исключить дополнительное сильное окисление металлов после отжига, перед извлечением образца, структура остывает в вакуумной камере до комнатной температуры. Рисунок 3.7 – Профиль электронной ОЖЕ-спектроскопии структуры Al/Ti/Al0,5Ga0,5N после отжига Для измерения сопротивления созданных контактов использовалась TLM-методика, которая базируется на измерении параметров структур с переменным расстоянием между контактными площадками. Набор омических контактов квадратной формы к Al0,5Ga0,5N создавался при помощи фотолитографии, как показано на рисунке 3.8. Расстояние L1 (между контактами 1 и 2) равнялось 100 мкм; L2 – 50 мкм; L3 – 25 мкм; L4 – 10 мкм; L5– 5мкм. Длина стороны квадратной контактной площадки составляла 400 мкм. 68 L2 L1 L4 L3 L5 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 W Рисунок 3.8 – Расположение омических контактов на исследуемых образцах В результате были получены семейства ВАХ, как показано на рисунке 3.9. В дальнейшем выбиралось постоянное значение напряжения, строилась зависимость сопротивления при выбранном напряжении от расстояния между смежными контактными площадками. Затем полученные данные аппроксимировались и экстраполировались до пересечения с осью расстояний между контактными площадками, чтобы определить искомые величины (рисунок 3.10). Для оценки удельного контактного сопротивления использовались следующие соотношения: Rs = W ∙ Rc / LT (3.1) ρc = Rs ∙ LT2. (3.2) 69 5 мкм 10 мкм 25 мкм 50 мкм 100 мкм Рисунок 3.9 – Семейство ВАХ омических контактов с различным расстоянием между контактными площадками R(L) 2Rc 2LT L1 L2 L3 L Рисунок 3.10 – Теоретическая зависимость сопротивления (R) от расстояния между смежными контактными площадками (L) Набор измеренных в соответствии с методикой TLM вольт-амперных характеристик для одного из образцов показан на рисунке 3.9. Затем ВАХ перестраивалась в координатах сопротивление-расстояние между контактными площадками при выбранном постоянном напряжении U = 5 В (рисунок 3.11). 70 Рисунок 3.11 – Зависимость сопротивления (R) от расстояния между смежными контактными площадками (L) Графически были найдены Rc = 15,25 Ом и LT = 44,3 мкм. После подстановки значений в формулы 3.1 и 3.2 была найдена искомая величина контактного сопротивления ρc = 2,7 ∙ 10-5 Ом ∙ см2. Аналогичные исследования, направленные на оптимизацию технологии нанесения контактов, были выполнены нами применительно к эпитаксиальным CVD-структурам алмаза в рамках проекта, выполнявшегося совместно СПбГЭТУ и Институтом прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Очевидно, что изготовление металлических контактов (выпрямляющих и омических) является одной из ключевых операций, необходимых как для корректных электрических испытаний полупроводниковых структур, так и для надежной работы конечного прибора на их основе. Подробнее содержание работы и основные результаты изложены в пункте 4.6 главы 4 диссертации. 71 3.3 Выводы по главе 3 В параграфе 3.1 кратко описана технология создания экспериментальных образцов и приведены схематические изображения используемых эпитаксиальных слоев. При создании омических контактов к сильнолегированному AlxGa1-xN n-типа с малой долей AlN (меньше 0,1) в качестве металла контакта можно использовать Al толщиной 50 нм с последующим отжигом в течении 30 мин при температуре 800 °С. Исследования эпитаксиальным омических слоям контактов n-AlxGa1-xN показали, к слаболегированным что предпочтительно использовать двухслойные контакты Ti/Al, где Ti толщиной 15 нм является подслоем для Al толщиной 35 нм с последующим отжигом в вакууме при давлении остаточных газов 10–3 мм рт. ст. Контакт становится омическим при отжиге в течении 10 мин при температуре 750 °С или в течении 5 мин при температуре 800 °С. Дальнейшее увеличении температуры слабо влияет на характеристики контакта. Для предотвращения окисления металлов отжиг необходимо проводить в вакууме, установлено, что глубина вакуума влияет на сопротивление омических контактов. Чем ниже давление остаточных газов, тем меньше сопротивление контакта, однако увеличивается время их производства. Омические контакты были получены к эпитаксиальным слоям n-AlxGa1xN разной степени легирования Si от 1017 до 1019 см-3. Проведение отжига улучшает характеристики контактов у образцов с любым уровнем легирования, однако получить качественный омический контакт к слаболегированному (1016 см-3) эпитаксиальному слою не удалось даже при длительном отжиге. Для исследования процессов, происходящих во время отжига, была проведена Оже-спектроскопия структур до и после отжига. Показано, что происходит перераспределение атомов Ti, Al и N. Видно, что Al проникает в слой Ti, равномернее распределяясь в нем. Так же происходит вытягивания N 72 из твердого раствора. Объяснить полученные данные можно следующим образом. При высокой взаимодиффузия Ti и температуре N из (750 °С твердого и раствора выше) с происходит формированием промежуточного слоя TiN. При этом, у поверхности AlxGa1-xN возникает большое количество вакансий N, что позволяет рассматривать верхний слой полупроводника как высоколегированный. Между этим слоем и TiN, видимо, существует очень тонкий барьер, который становиться туннельно- прозрачным для носителей заряда, благодаря наличию подлегированного вакансиями слоя. Образование TiN, возможно, препятствует проникновению Al в полупроводник, который может уширять барьер. При низких температурах образование слоя TiN затруднено, что подтверждает отсутствие возможности получения омических контактов даже после проведения очень подолжительного низкотемпературного отжига. Измерение сопротивления проводилось TLM-методом. Полученная величина контактного сопротивления составила ρ = 2,7 ∙ 10-5 Ом ∙ см2 для контакта Al/Ti/Al0,5Ga0,5N. 73 Глава 4. Фоточувствительные структуры металл-широкозонный полупроводник 4.1 Технология создания фоточувствительных структур на основе AlxGa1-xN При создании фотодиодов на основе контактов металл-полупроводник важное значение имеет качество поверхности эпитаксиального слоя AlxGa1xN. Основные проблемы получения идеального интерфейса связаны с методом выращивания эпитаксиальных слоев нитридов. Существует три основных метода выращивания эпитаксиальных слоев полупроводниковых нитридов: молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ), газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (МОГФЭ), хлоридно-гидридная эпитаксия (ХГЭ). В работе исследовались образцы, выращенные двумя методами: молекулярно-пучковой эпитаксией с плазменной активацией азота в металлобогащенных условиях и хлоридно-гидридной эпитаксией. Проблемы с большим количеством дислокаций связаны, в первую очередь, с резким снижением структурного качества Al xGa1-xN гетероструктур при увеличении содержания Al выше 20% [79]. При этом плотность прорастающих дислокаций (ПД) может достигать >1011 см-2, что при отсутствии сильно выраженных эффектов локализации, приводит к резкому снижению эффективности фотодиодов. Использование подложки Al2O3, обладающей большим кристаллическим сродством к материалам III-N, а также сравнительно толстых буферных слоев AlN дает более высокое качество поверхности структуры. Введение на начальных стадиях роста трехстадийного буферного слоя AlN и короткопериодной решетки AlN/ AlxGa1-xN позволило получить удовлетворительное структурное качество слоев, имевших плотность прорастающих дислокаций 109 – 1010 см-2 и полуизолирующие свойства при отсутствии легирования. Исследования кинетики роста слоев AlxGa1-xN при металлообогащенных условиях с 74 отношением общего потока элементов III группы к потоку активированного азота FIII/FN ≈ 1,5 - 2 показала, что поверхность становилась атомарногладкой даже при относительно невысоких температурах роста 700°C. Дополнительным достоинством металл-обогащенных условий является возможность относительно легкого управления содержанием Al в слоях, поскольку в этом режиме справедливо x = FAl / vAlGaN, где FAl - калиброванный поток Al, vAlGaN измеряемая скорость роста слоя, которая определяется потоком активного азота, т.е. vAlGaN=FN. В этом же режиме были выращены слои AlxGa1-xN (x = 0 - 1) (рисунок 4.1). Рисунок 4.1 – Структура исследуемых образцов AlxGa1-xN, выращенных методом МПЭ Высокая плотность дислокаций, а также сравнительно высокая себестоимость выращивания слоев AlxGa1-xN методами молекулярнопучковой эпитаксии и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений не позволяет создать качественные и дешевые фотоприемники. В качестве альтернативы использовались образцы, выращенные методом хлоридно-гидридной эпитаксии (Рисунок 4.2). Этот метод имеет ряд технологических преимуществ перед МПЭ, а также позволяет добиться значительного снижения себестоимости производства эпитаксиальных слоев твердых растворов AlN-GaN [80]. В частности, метод ХГЭ дает возможность управления скоростью роста в широких пределах (от долей микрометра до десятков и сотен микрометров в час) при сохранении высокого 75 кристаллического качества выращиваемых эпитаксиальных слоев. Плотность дислокаций в используемых образцах варьировалась в диапазоне от 9 ∙ 107 см-2 до 8 ∙ 108 см-2. Фотоприемники на основе контактов металл-полупроводник создавались методом вакуумного термического резистивного напыления металла на эпитаксиальные слои твердого раствора AlxGa1-xN (рисунок 4.1, 4.2). В настоящее время формирование тонких пленок методом вакуумного термического напыления является самой распространенной и дешевой технологией, используемой при создании элементов полупроводниковой электроники. Выбор такого метода создания омических контактов позволил существенно снизить расходы при создании фотодиодов. Рисунок 4.2 – Структура исследуемых образцов AlxGa1-xN, выращенных методом ХГЭ Проведению процесса напыления металлов предшествует подготовительный этап, который включает в себя обработку образцов, масок, держателя, испарителя, распыляемого металла, рабочего объема вакуумной установки. Обработка образцов производится погружением в изопропиловый спирт, четыреххлористый углерод, перекись водорода, различные кислоты. Маски обрабатывались изопропиловым спиртом с последующей промывкой в дистиллированной воде. Так же эффект очистки имеет нагрев образцов в вакууме до температур порядка 300 °С непосредственно перед напылением. 76 4.2 Исследования свойств барьеров Шоттки к n-AlxGa1-xN С целью создания качественных барьеров Шоттки были исследованы электрические характеристики однослойных контактов к n-AlxGa1-xN. На эпитаксиальные слои с различной степенью легирования (1019 см-3, 1018 см-3, 1017 см-3) напылялись такие металлы, как Ag, Sn, Ni, Au. Электрические характеристики измерялись между омическим Ti/Al контактом и выпрямляющим контактом. Полученные вольт-амперные характеристики представлены на рисунок 4.3. 1016 см-3 1017 см-3 а 1018 см-3 б 1019 см-3 г в Рисунок 4.3 – ВАХ выпрямляющих контактов при уровне легирования n-AlxGa1-xN: а – 1016 см-3; б – 1017 см-3; в – 1018 см-3; г – 1019 см-3 77 По результатам исследований можно сделать следующие выводы. В большинстве случаев нанесение металлических слоев на подложки n-AlxGa1xN в сочетании с правильной обработкой поверхности полупроводника и отжигом позволило реализовать выпрямляющие контакты, однако никель (Ni) проявил себя как омический контакт при уровнях легирования 1019 см-3, 1018 см-3, 1017 см-3. При одинаковых значениях напряжения наибольшие значения тока через барьер Шоттки были получены при использовании золота (Au) в качестве материала контакта. Остальные же материалы (Ag, Sn и др.) показали не столь хорошие результаты, но позволили получить выпрямляющий контакт для всех уровней легирования. Контакты из никеля (Ni) при уровне легирования 1016 см-3 также проявляют выпрямляющие свойства. Исследование влияния температурной обработки позволило определить наилучшие значения технологических параметров с точки зрения достижения наибольших значений прямых токов через контакт. Для контакта Ag-n-AlxGa1-xN с уровнями легирования 1018 см-3 и 1019 см-3 максимальные прямые токи через барьер Шоттки получены после отжига при температуре 650 °С в течение 15 мин, а для уровней легирования 1017 см-3 и 1016 см-3 после отжига в течение 10 мин при температурах 820 и 750 °С соответственно. Для этих концентраций было зафиксировано многократное возрастание токов через барьер Шоттки: в 4 раза для образца с легированием 1017 см-3 и в 3 раза для образца с легированием 1018 см-3. На образцы с легированием 1019 см-3 отжиг оказывает влияние в меньшей мере – токи увеличились в только в два раза. На контакты Au-n-AlxGa1-xN отжиг также в оказывает положительное влияние. Наилучшими температурами отжига для уровней легирования 1019 см-3, 1017 см-3 являются значения 650 °С и 700 °С соответственно. Оптимальным диапазоном температур отжига для контактов, на основе олова, являются величины 800-850 °С. В случае контактов Ni, которые проявляли омические свойства без термической обработки, отжиг в 78 основном не оказывал существенного влияния, а в некоторых случаях приводил к деградации контактов. Таким образом, было показано, что высокотемпературный отжиг позволяет многократно улучшать свойства выпрямляющего контакта Ni-p-AlxGa1-xN в случае слабого легирования, при повышении уровня легирования получить выпрямляющие контакты на основе Ni не удается. 4.3 Влияние технологических факторов на характеристики фоточувствительных структур на основе AlxGa1-xN На рисунке 4.4 представлены спектральные характеристики созданных структур фотодиодов на основе барьера Шоттки к AlxGa1-xN n-типа проводимости с различной долей Al в твердом растворе. Положение длинноволновой границы фоточувствительности регулировалось за счет изменения ширины запрещенной зоны твердого раствора. Видно, что при увеличении содержания фотодетектора смещается Al в в твердом область растворе более чувствительность коротких длин волн. Использование твердого раствора Al0,08Ga0,92N дало возможность создать видимослепой фотодетектор с диапазоном чувствительности 210 – 360 нм, полушириной 50 нм и максимумом фотоответа при 320 нм. Такой фотоприемник не чувствителен к излучению длиной волны более 370 нм, что позволяет его применять для детектирования ультрафиолетового излучения при сильной внешней засветки видимым светом (рисунок 4.5). 79 Рисунок 4.4 – Спектральные характеристики фотоприемников на основе барьера Шоттки Au-n-AlxGa1-xN Рисунок 4.5 – Спектральная характеристика фотодиода на основе барьера Шоттки к Al0,08Ga0,92N с различным металлом выпрямляющего контакта 80 Увеличение доли алюминия в структуре позволило сместить край чувствительности в коротковолновую область, в том числе создать солнечнослепой фотоприемник при значении х = 0,38 (см. рисунок 4.6). Красная граница солнечнослепого ультрафиолетового фотодиода составила 290 нм [81]. При значении x больше 0,8 диапазон чувствительности структуры AlxGa1–xN будет находиться уже в вакуумном ультрафиолете, длина волны которого меньше 200 нм [82]. Коротковолновый край определяется в первую очередь состоянием границы раздела металл – полупроводник и соответствующим значением скорости поверхностной рекомбинации. Наибольшую чувствительность в коротковолновой области демонстрировали структуры с золотым контактом, что можно объяснить наименьшей скоростью поверхностной рекомбинации в таких образцах. Рисунок 4.6 – Спектральная характеристика фотодиода на основе барьера Шоттки к Al0,38Ga0,42N с различным металлом выпрямляющего контакта Однако спектральная характеристика фоточувствительной структуры на основе эпитаксиального слоя с долей алюминия х = 0,65 (см. рисунок 4.4) имеет более резкий спад коротковолновой части спектра. Такой эффект 81 можно объяснить сильным поглощением ультрафиолетового света в этом диапазоне длин волн при проведении измерений в атмосфере. Для лучшего поглощения света, полупрозрачный выпрямляющий контакт делался как можно большей площади. Омический контакт напылялся вокруг тонкого полупрозрачного контакта (рисунок 4.7). Величина фоточувствительности будет напрямую зависеть от площади барьера Шоттки. Рисунок 4.7 – Геометрия контактов фотодиода на основе барьера Шоттки На эффективное разделение носителей сильное влияние оказывает расстояние между омическим и выпрямляющим контактом. Однако если расстояние слишком мало возможны утечки по поверхности полупроводника. Для снижения токов утечки применялись диэлекрические слои. Известно, что на чувствительность фотодиода на основе барьера Шоттки Me-AlxGa1-xN важное влияние оказывает металл выпрямляющего контакта. Существует два основных фактора, определяющих разницу чувствительностей структур на основе различных металлов. Первым фактором является величина работы выхода электрона из металла. Ее рост увеличивает изгиб зон в месте поглощения фотонов, что повышает 82 чувствительность фотодетектора на основе структур металл-полупроводник. Работа выхода электрона из Ni больше чем из Au, однако при исследовании влияния металла барьера Шоттки на чувствительность фотодиодов на основе Me-Al0.1Ga0.9N установлено, что фотодиоды Au-Al0.1Ga0.9N проявляют наибольший фотоответ. Структуры на основе Au продемонстрировали чувствительность в 7 раз больше чем фотодиоды на основе Sn и в 1.5 раза выше, чем на основе Ni. Фотодиоды на основе Au барьера Шоттки проявляют не только большую фоточувствительность, но также и обладают рядом других преимуществ, таких как, стойкость к окислению и простота разварки золотых проводников при монтаже кристалла в корпус. Другими факторами влияющими на чувствительность являются особенности спектров отражения и поглощения металлических слоев в УФдиапазоне, а также состояние поверхности полупроводника и качество пленки металла на ней. Улучшить последний фактор позволяет высокотемпературный отжиг. Показано, что отжиг в течении 10 минут при температуре 750 °С в вакууме при давлении остаточных газов 10-3 мм рт. ст. позволяет увеличить фотоответ в 5 раз (рисунок 4.8). Это обусловлено с более равномерным распределением металла и пассивацией дефектов на поверхности полупроводника, что подтверждается АСМ исследованиями поверхности металла до и после отжига структуры (рисунок 4.9). 83 Рисунок 4.8 – Влияние отжига на спектральные характеристики барьеров Шоттки Au-Al0,1Ga0,9N Рисунок 4.9 – Поверхности металла до и после отжига структуры Так же были созданы структуры Ni-Al0,1Ga0,9N и Au-Al0,1Ga0,9N, которые имели спектральный диапазон чувствительности 250 – 340 нм и максимумом фотоответа при 335 нм для образца с Au и 337 нм для Ni. Изначально фоточувствительная структура с выпрямляющим полупрозрачным Au контактом толщиной 10 нм имела чувствительность в 2,7 раза больше, чем образец с Ni контактом толщиной 10 нм. Из рисунка 4.10 видно, что отжиг при температуре 750 °С продолжительностью 30 мин в 84 вакууме при давлении остаточных газов 10-3 мм рт. ст., уменьшил фотоответ образца Au-Al0,1Ga0,9N на 20 %, c 150 мА/Вт до 120 мА/Вт в максимуме чувствительности. Аналогичная ситуация наблюдалась для образца с Ni полупрозрачным контактом, фоточувствительность которого уменьшилась в 11 раз, с 60 мА/Вт до 5,5 мА/Вт, в максимуме фотоотклика. Кроме того, уменьшилась полуширина спектра у фотодетектора AuAl0,1Ga0,9N с 32 нм до 30 нм, а у образца с Ni на 4 нм, с 37 нм до 33 нм. Рисунок 4.10 – Влияние отжига на спектральные характеристики барьеров Шоттки Ni-Al0,1Ga0,9N и Au-Al0,1Ga0,9N Уменьшение фоточувствительности происходит из-за деградации выпрямляющего контакта. Важным параметром, влияющим на шумовые характеристики фотодетекторов, является величина обратных темновых токов. Для уменьшения величины этих токов, во многом определяемых токами утечки, было использовано диэлектрическое окно. Для уменьшения темновых токов было применено диэлектрическое окно из SiO2 или Al2O3 (рисунок 4.11). 85 металл диэлектрик полупроводник Рисунок 4.11 – Cхематическое изображение диэлектрического окна. Использование диэлектрического окна позволило уменьшить утечки по краям контакта, что уменьшило темновые токи структуры и улучшило обнаружительную способность (рисунок 4.12). Применение окна из SiO2 для структур Ag-GaP позволило уменьшить токи утечки в 2 раза. Рисунок 4.12 – Спектральная характеристика селективного фотодиода Ag-GaP с применением и без диэлектрического окна SiO2 Для структур Au-AlxGa1-xN использовался диэлектрическое окно из Al2O3 (рисунок 4.9). Это позволило уменьшить токи утечки более чем в 3 раза, что улучшило обнаружительную способность в 2 раза. 86 Рисунок 4.13 – Спектральная характеристика селективного фотодиода Au-AlxGa1-xN с применением и без диэлектрического окна Al2O3 Для изучения влияния поверхности на характеристики фоточувствительных структур, были изучены ряд образцов с различной обработкой поверхности. Для получения спектров использовалась ксеноновая лампа. Состав твердого раствора в исследуемых образцах AuAl0,08Ga0,92N, степень легирования 1016 см-3. В таблице 2 приведены данные о полуширине спектров фоточувствительности исследованных образцов, величине фотоответа. Таблица 2 – Характеристики образцов с различной обработкой поверхности Обработка λImax, нм Imax, мА/Вт Полуширина, нм KOH (50%) 337 112,9 319 - 342 = 23 HF (20%) 338 108,6 321 - 342 = 21 HNO3:HCl 335 99,0 317 - 339 = 22 HCl (50%) 339 73,4 322 - 343 = 21 CCl4 (90%) 336 70,8 318 - 340 = 22 H3PO4 (80%) 333 44,3 316 - 344 = 28 H2SO4:H3PO4 (50%) 337 35,8 321 - 341 = 20 Без обработки 334 20,5 317 - 340 = 23 87 На рисунке 4.14 изображены спектры фоточувствительности для образцов с различной обработкой поверхности без учета спектра ксеноновой лампы, используемой в измерениях. Рисунок 4.14 – Спектры фоточувствительности структур на основе AlxGa1-xN с различной обработкой поверхности На относительных спектрах видно, что при различной обработке поверхности, спектры изменились не очень значительно. Полуширина изменилась только из-за некоторого сдвига левой части спектров, которая зависит от поверхностных состояний, однако, различия в полуширине не превышают 3 нм, что говорит о малом влиянии обработки структур в различных химических реагентах. При рассмотрении максимальных значений фоточувствительности (таблица 2) видно, что обработка поверхности существенно повышает чувствительность. При этом самую большую чувствительность продемонстрировали образцы, обработанные водным раствором KOH и 20% раствором плавиковой кислоты. Увеличение чувствительности связано с 88 уменьшением токов утечки из-за снижения дефектности поверхности полупроводника [83]. Для исследования влияния обработки поверхности на токи утечки, были измерены вольт-амперные характеристики. В таблице 3 показаны значения прямых и обратных токов при различных смещениях. Таблица 3 – Значения прямых и обратных токов I, мA Обработка Без обработки U=5 В U = -5 B U=1B U = -1 B 3,47 -11,7 0,457 -0,664 H2SO4:H3PO4:DI 1,19 -0,46 0,0535 -0,0193 0,00034 -0,594 0 0 1,71 -7,22 0,343 -0,472 HF (20%) 0,0752 -0,252 0,0068 -0,0131 HNO3:HCl 0,096 -4,95 0,02 -0,036 KOH+H2O 0,00388 -0,408 0,00016 -0,0053 HCl+H2O CCl4 Видно, что наименьшие токи утечки показывают образцы с обработкой щелочью KOH и плавиковой кислотой, а наибольшие – образцы без обработки и с обработкой азотной кислотой. На обратных вольт-амперных характеристиках, в общем, наблюдается аналогичная чувствительности зависимость от обработки поверхности. Видно, что три самых чувствительных образца расположились в соответствии со своими спектрами чувствительности, то есть самый чувствительный с обработкой водным раствором KOH обладает наименьшими токами утечки, за ним следует образец, обработанный плавиковой кислотой, а наибольшие обратные токи из этих трех образцов продемонстрировал образец обработанный азотной кислотой. Таким образом, можем сделать вывод о значительном влиянии обработки поверхности на 89 токи утечки и, как следствие, величину фотоответа структур, причем наилучшие результаты дала обработка в водном растворе щелочи KOH. 4.4 Фоточувствительные структуры с барьером Шоттки Ag-AlxGa1-xN На основе Ag барьера Шоттки к эпитаксиальному слою n-Al0,08Ga0,92N была создана экспериментальная структура селективного фотодиода с полушириной спектра фоточувствительности 10 нм при максимальном фотоответе 322 нм. На рисунке 4.15. Показано семейство спектральных характеристик фотодиода Ag-Al0,08Ga0,92N при разной толщине выпрямляющего Ag контакта, толщина которого изменялась от 15 до 150 нм. Видно, что при толщине слоя Ag чувствительность фотоприемника от 240 до 350 нм с максимумом фотоответа при 335 нм и полушириной 30 нм. Увеличение толщины слоя Ag приводит к сужению спектра при незначительном уменьшении фотоответа в максимуме. Рисунок 4.15 – Спектральная характеристики фотодиода Ag-Al0,08Ga0,92N при разной толщине Ag контакта Спектральная определяется зависимость фоточувствительности спектром поглощения полупроводника. в основном Максимальная 90 чувствительность фотодиода находиться в области наибольшего фотопоглощения, который соответствует энергии фотонам больше ширины запрещенной зоны. Предел чувствительности фотодиода определяется теоретическим пределом квантовой эффективности - ηmax, т.е. когда каждый упавший фотон генерирует электронно-дырочную пару. На рисунке 4.16. теоретический предел квантовой эффективности показан пунктирной линией. В реальных фотодиодах, коротковолновый край чувствительности фотодиода на основе барьера Шоттки сильно зависит от скорости поверхностной рекомбинации. Чем выше скорость поверхностной рекомбинации, тем меньше квантовая эффективность фотоприемника и тем более резкий спад спектральной характеристики в коротковолновой области. Рисунок 4.16 – Спектральные характеристики фотодиодов на основе Ag барьера Шоттки Принимая во внимание, что ширина запрещенной зоны твердого раствора AlxGa1-xN больше ширины запрещенной зоны полупроводника GaP, можно сделать вывод о том, что квантовая эффективность фотодетектора на основе эпитаксиального слоя AlxGa1-xN при 322 нм выше, чем у детектора на основе GaP, что наглядно отображает рисунок 4.16. Соответственно 91 селективный фотодиод на основе барьера Шоттки Ag- AlxGa1-xN будет обладать большей чувствительностью, чем фотодиод Ag-GaP. Установлено, что наибольшую чувствительность имеют образцы с малыми толщинами металлов, в первую очередь необходимо отметить образец с толщиной металла 15 нм, обладающий максимальными значениями чувствительности. Дополнительно управлять полушириной спектра фоточувствительности структур Ag-AlxGa1-xN можно не только путем изменения толщины слоя серебра, но и путем изменения состава твердого раствора AlxGa1-xN. Для уменьшения диапазона чувствительности были созданы структуры Ag-Al0,2Ga0,8N спектральные характеристики фоточувствительности которых при различных толщинах серебряного контакта приведены на рисунке 4.11. Рисунок 4.16 – Cпектры чувствительности для структур на основе твердого раствора Al0,2Ga0,8N при различных толщинах металла Ag На рисунке 4.16 видно, что при уменьшении толщины слоя контакта Ag происходит смещение только коротковолновой границы 92 фоточувствительности в область меньших длин волн, что объясняется изменением прозрачности металлического слоя. Установлено, что при использовании твердого раствора AlxGa1-xN с долей Al x = 0,2 изменение толщины слоя Ag-контакта влияет только на коротковолновый край фоточувствительности, а длинноволновый край фотоответа определяется составом твердого раствора в отличии от случая, когда Ag напыляется на Al0,08Ga0,92N. Кроме того, изменение состава твердого раствора на Al0,2Ga0,8N привело к увеличению чувствительности селективного фотодиода, т. к. была сдвинута длинноволновая граница фоточувствительности в стороны меньших длин волн, путем увеличения доли Al в твердом растворе эпитаксиального слоя (рисунок 4.17). При этом максимум поглощения твердого раствора совпал с окном прозрачности Ag. I , отн. ед. 1 15 нм 0.5 150 нм 0 260 280 300 320 340 λ, нм Рисунок 4.17 – Спектральная характеристики фотодиода Ag-AlxGa1-xN при разной толщине слоя Ag На основе такого эпитаксиального слоя также можно создать фотоприемники с фотоответом для спектральной области 300 – 330 нм, путем использования слоя Ag толщиной 65 нм. Использование различных сочетаний разных толщин Ag контакта с твердыми растворами AlxGa1-xN, у 93 которых разная доля AlN можно создавать селективные фотодиоды для требуемого диапазона ультрафиолета в области 322 нм [84]. 4.5 Фоточувствительные структуры с барьером Шоттки Au-AlxGa1-xN Произведено измерение спектров фоточувствительности образцов с выпрямляющими контактами, изготовленными из Au, и различными составами твердых растворов. На основе эффекта широкозонного окна и надбарьерного переноса в структуре Au-AlxGa1-xN возможно создать селективные фотоприемники с узким диапазоном фоточувствительности. Селективность чувствительности достигалась с помощью эффекта широкозонного окна (ШЗО). Для этого были изготовлены структуры AlxGa1xN с различными составами слоев. При освещении структуры со стороны металла наблюдаются широкополосный спектр фоточувствительности, а при освещении со стороны прозрачной сапфировой подложки - узкополосный. Исследование первого типа структур на основе твердого раствора Al0.1Ga0.9N (рисунок 4.18), при освещении со стороны металла выявило два максимума (рисунок 4.19). Длинноволновый максимум связан с проявлением эффекта надбарьерного переноса. Этот эффект возникает в барьере Шоттки в случае, когда энергия падающих фотонов меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, но превышает высоту потенциального барьера металл-полупроводник (qφB < hν < Eg). При этом электроны из металла могут переходить в полупроводник, преодолев потенциальный барьер qφB. Коротковолновый максимум связан с поглощением зона - зона в полупроводнике и наблюдается при энергии фотона, превышающей ширину запрещенной зоны (hν > Eg). Это означает, что поглощение происходит преимущественно в слое объемного заряда полупроводника аналогично тому, что происходит в фотодиодных структурах на основе p-n перехода. 94 Рисунок 4.18 – Структура образцов Al0.1Ga0.9 N При освещении образца со стороны металла структура проявляет фоточувствительность в диапазоне от 200 нм до 375 нм (рисунок 3.2). Максимум чувствительности на длине волны 353 нм связан с проявлением эффекта надбарьерного переноса. При увеличении энергии возникают межзонные переходы, что приводит к появлению максимума при 346 нм. Полуширина спектральной линии составила 30 нм. При освещении со стороны подложки, образец проявляет фотоответ в существенно меньшем диапазоне - от 350 нм до 375 нм. Максимум наблюдается при 355 нм, а полуширина спектральной линии составляет 6 нм. Таким образом, структура представляет из себя селективный ультрафиолетового диапазона. видимослепой фотодетектор 95 Рисунок 4.19 – Спектр фоточувствительности образца Al0.1Ga0.9N: (1) – освещение образца со стороны металла, (2) – освещение образца со стороны подложки. Рассмотрим более подробно процессы происходящие при освещении образца с разных сторо (рисунке 4.20). Когда образец освещается со стороны металлического контакта монохроматическим светом с энергией hν > qφB, в металле возбуждаются электроны с энергией, достаточной для преодоления барьера – процесс (1). Если при этом hν > Eg, а плѐнка металла достаточно тонкая, то свет большей частью проходит через неѐ и генерирует электроннодырочные пары в полупроводнике – процесс (2). При освещении образца со стороны подложки также возможно возбуждение электронов в металле с энергией, достаточно для преодоления потенциального барьера, т.е. с hν > qφB - процесс (1). Однако, когда hν > Eg, свет будет сильно поглощаться вблизи тыловой поверхности полупроводника и вероятность того, что генерированные здесь электронно-дырочные пары достигнут границы раздела металл-полупроводник, очень мала. 96 Рисунок 4.20 – Схема эксперимента для фотоэлектрического метода (а) и энергетическая диаграмма процессов фотовозбуждения (б) Управлять положением спектра фоточувствительности можно путем изменения состава твердого раствора, образующего барьер Шоттки с Au. Для демонстрации этой возможности была создана структура на основе эпитаксиального слоя AlxGa1-xN с долей AlN равной 0.06 (рисунок 4.21). 97 Рисунок 4.21 – Структура образцов Al0.06Ga0.94N Для такой структуры диапазон фоточувствительности при освещении со стороны металла от 200 нм до 380 нм и от 358 нм до 378 нм при освещении образца со стороны подложки (рисунок 4.22). Рисунок 4.22 – Спектр чувствительности образца Al0.06Ga0.94N: (1) – освещение образца со стороны металла, (2) – освещение образца со стороны подложки При освещении со стороны металла наблюдается максимум при 355 нм, причем на промежутке от 200 нм до 355 нм происходит плавное 98 нарастание характеристики фоточувствительности, а уже с 355 нм до 380 нм наблюдается ее резкий спад. Полуширина спектральной линии в таком случае охватывает расстояние от 323 нм до 363 нм и составляет 40 нм. При освещении образца со стороны подложки спектр фоточувствительности существенно сужается, так как слой твердого раствора AlxGa1-xN с долей AlN равной 0.06 выступает в качестве широкозонного окна. Наблюдается максимум при длине волны 362 нм. Полуширина спектральной линии в таком случае будет составлять 5 нм. Независимость в управлении границами чувствительности была достигнута за счет добавления дополнительного эпитаксиального слоя полупроводника в структуру, выполняющего роль широкозонного окна. В исследуемой структуре типа 3 (рисунок 4.23), в качестве широкозонного окна используется слой GaN, который смещает коротковолновую границу фоточувствительности на длину волны около 360 нм (рисунок 4.24). Рисунок 4.23 – Структура образцов Al0.1Ga0.9N Длинноволновая граница определяется высотой потенциального барьера контакта Au-AlxGa1-xN с долей AlN равной 0.1. Диапазон спектра фоточувствительности лежит в пределах от 200 нм до 375 нм при освещении образца со стороны металла и от 361 нм до 375 нм при освещении со стороны подложки. При освещении образца со стороны металла на характеристике 99 фоточувствительности также наблюдаются два максимума - при длинах волн 347нм и 353 нм соответственно. Полуширина спектральной линии в этом случае составляет 30 нм. При освещении образца со стороны подложки, наблюдается селективный спектр фоточувствительности, с максимумом при длине волны 366 нм. Полуширина спектральной линии – 5 нм. Рисунок 4.24 – Спектр фоточувствительности образца Al0.1Ga0.9 N с широкозонным окном из GaN: (1) – освещение образца со стороны металла, (2) – освещение образца со стороны подложки Несмотря на то, что при освещении со стороны подложки фоточувствительность в максимуме уменьшается, эта структура позволяет продемонстрировать, как сочетание эффектов широкозонного окна и надбарьерного переноса позволяет управлять спектром чувствительности фотодетектора. Основные параметры образцов с барьерами Шоттки из Au и различными (максимум составами, исследоваными фоточувствительности, в квалификационной полуширина спектральной работе линии, диапазон фоточувствительности образцов), для наглядности сведены в таблицу 4. 100 Таблица 4 - Характеристики образцов с барьерами Шоттки из Au и различными составами твердого раствора Тип структуры λmax при освещении со стороны металла, нм. λmax при освещении со стороны подложки, нм. Au- Au-Al0.1Ga0.9N/ Al0.06Ga0.94N GaN 355 347 и 353 346 и 353 362 366 355 40 30 30 5 5 6 от 200 до 375 от 200 до 375 от 361 до 375 от 350 до 375 Au-Al0.1Ga0.9N Полуширина спектральной линии при освещении со стороны металла, нм Полуширина спектральной линии при освещении со стороны подложки, нм Диапазон чувствительности при освещении со стороны металла, нм. Диапазон чувствительности при освещении со стороны подложки, нм. от 200 до 380 от 358 до 378 Видно, что чувствительность селективного фотодетектора выше, чем широкополосного. Уменьшение чувствительности широкополосного фотодетектора скорее всего связано с поглощением в слое Au. Для обоснования этого предположения Au было напылено на кварцевое стекло и измерен спектр пропускания металла (рисунок 4.25). 101 Рисунок 4.25 – Спектр пропускания Au толщиной 15 нм На рисунке 4.26 продемонстрировано, что если у спектра фотоответа селективного приемника (2) учесть пропускание золота, то селективная спектральная характеристика структуры Al0.06Ga0.94N (3) совпадет с частью спектральной кривой (1), отображающей эффект надбарьерного переноса широкополосного фотоприемника. 2 1 3 Рисунок 4.26 – Учет поглощения в слое Au структуры AlxGa1-xN с составом Al0.06Ga0.94N: 1 – спектр поглощения при освещении со стороны металла, 2 – спектр поглощения при освещении со стороны подложки, 3 - спектр поглощения при освещении со стороны подложки с учетом поглощения в Au Аналогичная ситуация наблюдается и для структуры с составом Al0.1Ga0.9N. Из рисунка 4.27 видно, что при учете спектра пропускания Au 102 часть кривой совпадает со спектральной характеристикой, отображающей эффект надбарьерного переноса широкополосного фотоприемника, а также максимум селективного фотоприемника совпадает со вторым максимумом широкополосного спектра. 2 1 3 Рисунок 4.27 – Учет поглощения в слое Au структуры AlxGa1-xN с составом Al0.1Ga0.9N: 1 – спектр поглощения при освещении со стороны металла, 2 – спектр поглощения при освещении со стороны подложки, 3 - спектр поглощения при освещении со стороны подложки с учетом поглощения в Au В результате были созданы селективные фоточувствительные структуры для трех диапазонов. На рисунке 4.28 видно, максимумы фоточувствительности находились при 355, 362 и 366 нм для структур с составами Al0.1Ga0.9N, Al0.06Ga0.94N, Al0.1Ga0.9N с ШЗО из GaN соответственно. 103 2 3 4 1 Рисунок 4.28 – Спектры фоточувствительности образцов при освещении структуры со стороны подложки: 1 – при освещении со стороны металла структуры Al0.1Ga0.9N, 2-4 при освещении структур со стороны подложки: 2 - Al0.1Ga0.9N, 3 - Al0.06Ga0.94 N, 4 - Al0.1Ga0.9 N с ШЗО из GaN Таким образом, была продемонстрирована возможность управления селективностью чувствительности структур на основе Au-AlxGa1-xN и получены селективные фотоприемники со следующими параметрами: полуширина 5-6 нм, диапазон фоточувствительности 351-373 нм с максимума при 355 нм, 362 нм, 366 нм и чувствительность до 140 мА/Вт. 4.6 Исследование свойств барьеров Шоттки к p-CVD алмазу В ходе выполнения работ были исследованы свойства нескольких видов контактов к образцам легированного бором эпитаксиального CVD алмаза. На первом этапе исследовались Образцы CVD алмаза с Pt контактами, нанесенными методом фотолитографии. В данных образцах эпитаксиальных слоев алмаза (образец № B8) выпрямляющие и омические электроды были выполнены из платины (рисунок 4.29). Вследствие очень большой разницы в площадях точечный контакт диаметром 80 мкм играл роль барьера Шоттки. 104 Рисунок 4.29 – Внешний вид образца алмаза с Pt контактами, Нанесенными методом фотолитографии. Желтые области – алмаз, серые – Pt-контакты Нанесение фотолитографических контактов производилось в Центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ по имеющемуся технологическому маршруту изготовления диодов Шоттки, включавшему очистку образца, кипячение в растворе HCl:HNO3 (3:1) – «Царская водка» и нанесение металлических Pt контактов при комнатной температуре. Измерения вольт-амперных характеристик образца проводились в диапазоне температур с целью определения качества контактов и напряжения открытия (рисунок 4.30). 105 Рисунок 4.30 – ВАХ образца № B8 при различных температурах Из вольт-амперных характеристик видно, что при температурах меньше 140 K в алмазе практически отсутствуют ионизованные атомы примеси, при этих температурах алмаз ведет себя как диэлектрик. Из обратной ветви ВАХ можно заключить, что изучаемая структура обладала удовлетворительными выпрямляющими свойствами, так как при значениях обратного напряжения более 10 В наблюдались токи утечки на уровне десятков микроампер. Для этого образца напряжение открытия составляло 2…2,1 В, а динамическое сопротивление на омическом участке прямой ветви ВАХ было порядка десятков-сотен килоом. По ВАХ оценивалась высота барьера Шоттки, образованного контактом платина–алмаз. Высота потенциального барьера определяется выражением φБ = (kT / q) ln[A**T2 / JS], где k – постоянная Больцмана; Т – 106 температура; q – заряд электрона; А – постоянная Ричардсона; JS – плотность тока насыщения. Для ее определения строилась зависимость плотности тока через контакт от приложенного напряжения в полулогарифмическом масштабе. Полученное значение высоты потенциального барьера составило 1,5 эВ. Однако на точности определения значения φB сказывалась погрешность определения JS. Известно также, что высота барьера Шоттки при контакте металлов с GaP, SiC и алмазом сильно зависит от состояния поверхности полупроводникового слоя и пленки металла на ней. Например, в [85] высота потенциального барьера незначительно изменялась за счет варьирования толщины слоя металла. Изменять состояние интерфейса «металл– полупроводник» можно отжигом. В [85, 86] показано, как отжиг структуры при различных температурах влияет на значение потенциального барьера «металл–алмаз». В частности, для контакта платина–алмаз отжиг уменьшил значение данного барьера на 0,24 эВ [85]. Как видно, вид полученной ВАХ не идеален. Это может быть: 1. из-за одинаковой технологии напыления омического и шоттковских контактов; 2. из-за того, что используется один и тот же металл для омического и шоттковского контакта. Кроме того оказалось, что диаметр шоттковского контакта 80 мкм слишком мал для обеспечения надежности измерений (измеряемая емкость оказывалась меньше 1 пФ). В качестве первого шага на пути улучшение качества контактов было предложено осуществить переход к другой технологии нанесения контактов – напылению металла через прижимную маску. На образец алмаза № 2St были напылены одинаковые Pt контакты диаметром 350 мкм на всю поверхность образца через маску (рисунок 4.31). 107 Pt контакт диаметром 350 мкм Рисунок 4.31 – Схема наенесения Pt контактов на образец № 2St Полученные вольт-амперные характеристики образца № 2St представлены на рисунке 4.32. Рисунок 4.32 – ВАХ образца № 2St Как видно из рисунка 4.32, контакты обладали выпрямляющими свойствами, но напряжение открытия было намного меньше ожидаемого. Кроме того, наблюдался эффект от двух встречно включенных диодов. Для того чтобы кардинально увеличить площадь контакта, используемого в качестве омического, на часть Pt контактов далее был напылено Au (рисунок 4.33). Рисунок 4.33 – Схема нанесения Pt и Au контактов на образец № 2St 108 Результаты измерения вольт-амперных характеристик при различных температурах представлены на рисунке 4.34. При этом наблюдалось некоторое увеличение напряжения открытия, все же неудовлетворительное. Поэтому далее было предложено напылять омические и выпрямляющие контакты при различных температурах осаждения. Рисунок 4.34 – ВАХ образца № 2St с Au и Pt контактами при различных температурах Следующая партия эпитаксиальных структур (в частности, образца № S11) была подвергнута высококачественной полировке, которая дала поверхность лучшего качества, с шероховатостью около 1 нм. На эту поверхность были нанесены: Pt омический контакт большого размера при температуре осаждения 300 ºC, затем напылены Pt контакты Шоттки диаметром 350 (380) мкм при температуре осаждения 100 ºC (рисунок 4.35). 109 Рисунок 4.35 – Вид образца № S11 Результаты измерения вольт-амперных характеристик при различных температурах представлены на рисунке 4.36. Рисунок 4.36 – ВАХ образца № S11 Сопротивление данного слаболегированного материала оказалось очень большим, поэтому даже при больших прямых смещениях (более 4 В) ток был на уровне наноампер. На данных структурах были измерены качественные вольт-фарадные характеристики, в которых на низких частотах 110 наблюдался близкий к квазистатике режим. Эти измерения позволили получить достоверную концентрацию носителей заряда. Таким образом, было показано, что напыление металлов различной площади для омического и шоттковского контактов при различных температурах позволяет получить ВАХ достаточно хорошего качества. Для дальнейшего использование улучшения различных ВАХ металлов для следует проанализировать создания омического и выпрямляющего контактов. Кроме этого, как отмечалось в главе 1, эффективным средством может являться обработка поверхности алмаза в плазме до нанесения контактов. 4.7 Выводы по главе 4 Изучено влияние состава твердого раствора AlxGa1-xN на положение длинноволновой границы фоточувствительности. Продемонстрировано, что при увеличении содержания Al в твердом растворе чувствительность фотодетектора смещается Использование твердого в область раствора более коротких Al0,08Ga0,92N длин позволяет волн. создать «видимослепой» фотодетектор с диапазоном фоточувствительности 210 – 360 нм, полушириной 50 нм и максимумом фотоответа при 320 нм. Увеличение доли алюминия в структуре позволило сместить край чувствительности в коротковолновую область, в том числе создать «солнечнослепой» фотоприемник при значении х = 0,38. Исследование различных металлов барьера Шоттки показало, что структуры на основе Au-контакта продемонстрировали чувствительность в 7 раз больше чем фотодиоды на основе Sn и в 1.5 раза выше, чем на основе Ni. Установлено, что величина фотоответа зависит от термообработки структуры после напыления выпрямляющего контакта. Показано, что чувствительность при коротком отжиге (< 15 мин) фоточувствительность увеличивается до 3 раз, а при длительном отжиге (> 30 мин) величина 111 максимального фотоответа падает, что также подтверждали исследования ВАХ выпрямляющих контактов в предыдущей главе. Исследование предварительной обработкой поверхности эпитаксиального слоя в различных химических реагентах показало, что обработка в КОН увеличивает фоточувствительность в 5,4 раза относительно образцов без обработки. Наибольший фотоответ продемонстрировали образцы подвергшиеся обработке, вызывающей наиболее сильное травление поверхности, а именно, с обработкой KOH и HF, наименьшие значения чувствительности показали образцы без обработки и обработанные в H2SO4:H3PO4:DI. Изменение шероховатости было исследовано на АСМ. Также были измерены вольт-амперные характеристики, которые показали картину аналогичную спектрам фоточувствительности, то есть наименьшие токи утечки показали самые чувствительные образцы, а наибольшие – наименее чувствительные. Созданы и исследованы селективные фотоприемники на основе AgAlxGa1-xN. Продемонстрировано, что управлять полушириной фоточувствительности можно за счет изменения толщины Ag контакта, который имеет окно прозрачности при 322 нм и путем изменения состава твердого раствора. Созданы фотодиоды на основе Ag-Al0,08Ga0,92N с полушириной фоточувствительности от 15 до 32 нм и на основе AgAl0,08Ga0,92N с полушириной фоточувствительности от 13 до 29 нм при толщинах Ag от 15 до 150 нм. Были созданы селективностивные фоточувствительные структуры на основе Au-AlxGa1-xN со следующими параметрами: полуширина 5-6 нм, диапазон фоточувствительности 351-373 нм с максимума при 355 нм, 362 нм, 366 нм и чувствительность до 140 мА/Вт. Установлено, что использование сочетания эффектов надбарьерного переноса и широкозонного окна из AlxGa1-xN позволяет на основе контакта Au-AlxGa1-xN создавать селективные фотоприемники с полушириной 5-6 нм и максимумом фотоответа лежащим в диапазоне 350 - 370 нм. 112 Глава 5. Исследование свойств фоточувствительных структур Ag-GaAs1-xPx 5.1 Технология создания фоточувствительных структур Ag-GaAs1-xPx В работе исследовались фоточувствительные структуры на основе контактов металл - арсенид-фосфид галлия, выращенные на подложке фосфида галлия или арсенида галлия. Контакты были сформированы путѐм термического распыления металла на эпитаксиальные слои. Структуры были созданы газофазной эпитаксией, путем осаждения из паро - газовой смеси. Структура исследуемых образцов представлена ниже. Рисунок 5.1 – Структура исследуемых образцов фоточувствительных структур на основе твѐрдых растворов арсенида-фосфида галлия Процесс создания образцов фоточувствительных структур: 1.Выращивание структур методом МПЭ GaAs1-xPx (на подложке GaAs или GaP) с заданным составом. 2.Резистивное напыление 15 нм – 20 нм слоя Ag (барьера Шоттки) на установке вакуумного распыления при давлении остаточных газов 10-5 мм рт. ст. 3. Создание омического контакта путем вжигания контакта из олова при помощи импульсного твердотельного рубинового лазера, микроскопа и призмы полного внутреннего отражения. 4.Нанесение индия в образовавшееся углубление для создания контакта. 113 5.2 Характеристики и параметры фоточувствительных структур Ag-GaAs1-xPx В ходе диссертационной работы были созданы и исследованы фоточувствительные структуры на основе твердых растворов GaAs1-xPx с различными составами. Перед напылением металла эпитаксиальный слой обрабатывался в различных химических реагентах. Для получения барьера Шоттки использовался контакт из Ag. В таблице 5 представлены подробные сведения о созданных структурах. Таблица 5 – Созданные серии фоточувствительных структур и их параметры Толщина Кол-во Эпитаксиальный образцов, шт слой А1 6 GaAs0,6P0,4 15 160 А2 6 GaAs0,11P0,89 15 160 А3 6 GaAs0,3P0,7 15 160 А4 12 GaAs0,82P0,18 15 150-170 А9 4 GaAs0,3P0,7 20 160 А10 12 GaAs 20 150-170 А11 4 GaAs0,62P0,38 20 170 А12 6 GaAs0,43P0,57 20 160 А13 12 GaAs0,8P0,2 20 150-170 А14 12 GaAs0,67P0,33 20 150-170 Серия металлического слоя, нм Температура напыления, ° С После создания, были измерены спектры фоточувствительности образцов и по полученным данным построены зависимости корня фототока от энергии, по которым была определена высота потенциального барьера металл-полупроводник. 114 На рисунке 5.2 показана общая зависимость фоточувствительности от состава для измеренных серий. Рисунок 5.2 – Зависимость фоточувствительности от длины волны для образцов с различным составом GaAs1-xPx Как видно из графиков, фотодиоды на основе GaAs1-xPx с составом, приближающимся к чистому арсениду галлия, имеют более пологий спад фоточувствительности в области больших длин волн (х стремится к 0) , что обусловлено непрямозонностью полупроводника. На рисунке 5.3 изображена зависимость положения максимума чувствительности структуры в зависимости от содержания фосфора в растворе GaAs1-xPx. 115 Рисунок 5.3 – Зависимость положения максимума фоточувствительности структуры от мольной доли фосфора в твѐрдом растворе GaAs1-xPx Исходя из полученной зависимости, можно сделать вывод о тенденции роста длины волны, на которой созданная структура имеет наибольшую чувствительность в зависимости от уменьшения доли фосфора в растворе и, соответственно увеличении доли мышьяка. На рисунке 5.4 показаны спектры фоточувствительности для фотодиодов на основе барьера Шоттки Ag-GaAs0,6P0,4. Измеренные выше образцы имеют состав GaAs0,6P0,4, расчѐтную ширину запрещѐнной зоны 1,95 эВ. Видно, что максимум спектральной чувствительности при 630 нм, что соответствует желтому свету. Диапазон чувствительности данной серии образцов составляет 390 – 770 нм при измерении 0,1 ∙ Imax. Полуширина спектра фоточувствительности в среднем 100 нм. 116 I , отн. ед. 1 x = 0,4 0,8 №1 №2 №3 №4 0,6 0,4 0,2 0 350 450 550 650 750 λ, нм Рисунок 5.4 – Спектры фоточувствительности для образцов Ag-GaAs0,6P0,4 При составе GaAs0,6P0,4 эпитаксиальный слой является прямозонным и надбарьерный перенос на графике фоточувствительности выражен изгибом при 665 нм. Однако для непрямозонных твердых растворов GaAs1-xPx надбарьерный перенос на спектральной характеристике фоточувствительности проявляется в качестве отдельного максимума поглощения при меньших энергиях (больших длинах волн), чем ширина запрещенной зоны, например как на рисунке 5.5. I , отн. ед. 1 x = 0,89 0,8 №1 №2 №3 №4 0,6 0,4 0,2 0 250 λ, нм 350 450 550 650 Рисунок 5.5 – Спектры фоточувствительности для образцов Ag-GaAs0,11P0,89 117 Длинноволновый край этого максимума будет определять высоту потенциального барьера Ag-GaAs0,11P0,89. Согласно полученным экспериментальным данным, максимум фоточувствительности структуры Ag-GaAs0,11P0,89 лежит на длине волны 463 нм. Диапазон фотоответа серии образцов лежит в диапазоне от 370 до 510 нм. При данных измерениях, ширина на полувысоте для образцов этой серии в среднем 80 нм. Величина высоты потенциального барьера для образцов состава GaAs0,11P0,89 с металлом Ag в среднем составила 1,19 эВ. Однако существует и противоположный случай проявления надбарьерного переноса носителей заряда на спектральной характеристике. Например, когда составы GaAs1-xPx приближаются к чистому GaAs, надбарьерный перенос слабо проявляется на фоне поглощения зона-зона, либо имеет короткий длинноволновый хвост после перегиба, например как на рисунке 5.6. I , отн. ед. 1 x = 0,38 0,8 №1 №2 №3 №4 0,6 0,4 0,2 0 350 550 750 λ, нм 950 Рисунок 5.6 – Спектры фоточувствительности для образцов Ag-GaAs0,62P0,38 На рисунке 5.6 изображены спектры фоточувствительности серии образцов Ag-GaAs0,62P0,38, которые имеют максимум фотоответа при 645 нм. Измеренная полуширина фоточувствительности в среднем составила 135 нм, диапазон чувствительности 215 нм. Величина потенциального барьера металл-полупроводник qφБ = 1,05 эВ. 118 Для серии образцов на основе GaAs0,82P0,18 максимум чувствительности наблюдается на длине волны 454 нм. Край поглощения при 728 нм, что так же примерно соответствует теоретическим расчѐтам в 730 нм. Аналогичные результаты наблюдались для образцов других составов. 5.3 Высота барьера Шоттки Ag-GaAs1-xPx Для определения высоты потенциального барьера металл- полупроводник использовалось 2 метода. Первым был фотоэлектрический метод, в котором строится зависимость корня фототока от энергии падающих фотонов и производится аппроксимация линейного участка характеристики до пересечения с осью абсцисс. Вторым способом, которым определялось значение высоты потенциального барьера металл-полупроводник был метод вольт-амперной характеристики. На рисунке 5.7 изображена типичная вольт-амперная характеристика фотодиода при отсутствии освещения. Обратные токи фотодиодов на основе GaAs1-xPx очень малы и для лучших образцов не превышали значений 5 ∙ 1014 , А. Рисунок 5.7 – ВАХ фотодиода на основе GaAs0,3P0,7 Для определения высоты барьера аппроксимировалась прямая ветвь ВАХ в соответствии с формулой J = JS exp [qU/(nkT)] и определялись 119 коэффициент неидеальности n и ток насыщения JS. Затем по формуле φБ = (kT / q) ln[A**T2 / JS] вычисляется высота барьера. Коэффициент неидеальности n показывает отклонение угла наклона касательной к графику от идеальной экспоненциальной зависимости и является индикатором качества образца. Для хороших структур он не превышал значения 1.1. На основании анализа полученных значений высоты потенциального барьера, определенных указанными выше методами, был построен график зависимости высоты потенциального барьера Шоттки от состава твердого раствора GaAs1-xPx (рисунок 5.8). Рисунок 5.8 График зависимости высоты барьера от состава твердого раствора соединения GaAs1-xPx Видно, что проявляется две зависимости: первая характеризует образцы с чистой поверхностью, эта зависимость высоты барьера Шоттки в структуре Ag-GaAs1-xPx от состава твердого раствора коррелирует с зависимостью ширины запрещенной зоны GaAs1-xPx от его состава (рисунок 5.9). 120 Рисунок 5.19 – График зависимости ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора GaAs1-xPx Вид второй зависимости в первую очередь определяется большим количеством поверхностных состояний, образцы этого типа обрабатывались в различных химических реагентах. В результате были аппроксимированы зависимости высоты потенциального барьера Ag-GaAs1-xPx от состава твердого раствора GaAs1-xPx для прямозонных и непрямозонных полупроводников GaAs1-xPx. Высота потенциального барьера Шоттки в структуре Ag-GaAs1-xPx от состава твердого раствора подчиняется зависимости: qφBn = 1,96x2 + 0,24x + 0,88, при x ≤ 0,46; qφBn = 0,30x2 - 0,17x + 1,42, при x ≥ 0,46, с погрешностью 0,1, где х – мольная доля GaP в твердом растворе GaAs1-xPx. 5.4 Выводы по главе 5 В процессе исследований образцов Ag-GaAs1-xPx с различно долей GaP были проведены измерения их спектров фоточувствительности. Продемонстрировано изменение положения длинноволновой границы при увеличении содержания GaP в твердом растворе GaAs1-xPx. На основе 121 полученных спектральных характеристик определены высоты потенциальных барьеров Ag-GaAs1-xPx для разного состава твердого раствора. Кроме того, высота барьера металл – полупроводник была вычислена методом вольт – амперной характеристики. По полученным данным построена зависимость высоты потенциального барьера Ag-GaAs1-xPx от состава твердого раствора. Установлено, что высота потенциального барьера Шоттки в структуре Ag-GaAs1-xPx от состава твердого раствора подчиняется зависимости: qφBn = 1,96x2 + 0,24x + 0,88, при x ≤ 0,46 qφBn = 0,30x2 - 0,17x + 1,42, при x ≥ 0,46, с погрешностью 0,1 122 Заключение Таким образом, в работе были решены следующие задачи: Разработана низкозатратная технология создания низкоомных омических контактов к твердым растворам AlxGa1-xN, которая объединила в себе технологические операции отжига и напыления и позволила не использовать для отжига газы высокой чистоты. Созданы фоточувствительные структуры на основе барьера Шоттки Ме-AlxGa1-xN с красной границей фотоэффекта 250 нм, 255 нм, 270 нм, 290 нм, 355 нм. Изучено влияние металлических слоев и технологических факторов на фотоэлектрические характеристики приемников на основе Ме-AlxGa1-xN. Созданы видимослепые селективные фоточувствительные структуры с повышенной чувствительностью к УФ-излучению на основе Ag-AlxGa1-xN с максимумом фотоответа при λ = 322 нм и с управляемой селективностью фоточувствительности (полуширина спектра фотоответа 13 нм - 32 нм). Созданы селективностивные фоточувствительные структуры на основе Au-AlxGa1-xN со следующими параметрами: полуширина 5-6 нм, диапазон фоточувствительности 351-373 нм с максимума при 355 нм, 362 нм, 366 нм и чувствительность до 140 мА/Вт. Установлено, что использование сочетания эффектов надбарьерного переноса и широкозонного окна из AlxGa1-xN позволяет на основе контакта Au-AlxGa1-xN создавать селективные фотоприемники с полушириной 5-6 нм и максимумом фотоответа лежащим в диапазоне 350 - 370 нм. Созданы и исследованы фотодиоды на основе барьера Шоттки AgGaAs1-xPx с различным составом твердого раствора. Измерена высота потенциального барьера Ag-GaAs1-xPx методом вольт – амперной характеристики и фотоэлектрическим методом. Установлено, что высота потенциального барьера Шоттки в структуре Ag-GaAs1-xPx от состава твердого раствора подчиняется зависимости: 123 qφBn = 1,96x2 + 0,24x + 0,88, при x ≤ 0,46 qφBn = 0,30x2 - 0,17x + 1,42, при x ≥ 0,46, с погрешностью 0,1 Можно выделить следущие важнейшие результаты, важные для науки и практики: Установлено, что использование Au для создания фотоприемника на основе контакта Me-AlxGa1-xN позволяет повысить фоточувствительность более чем 5 раз. Отжиг Au-AlxGa1-xN в течении 10 мин при температуре 750 °С повышает фоточувствительность в 5 раз. Применение диэлектрического окна из Al2O3 для структур Me-AlxGa1xN уменьшает токи утечки в 3 раза. Применение диэлектрического окна из SiO2 для фотодиодов Ag-GaP уменьшает токи утечки в 2 раза. Предварительная обработка поверхности AlxGa1-xN в KOH увеличивает фотоответ в 5,5 раза. Для создания низкоомного омического контакта к n-AlxGa1-xN необходимо использовать двухслойный контакт Ti/Al, где Ti толщиной 15 нм является подслоем для Al толщиной 35 нм с последующим отжигом при температуре 750 °С в течении 10 мин в вакууме при давлении остаточных газов 10-3 мм рт. ст. 124 Список литературы 1. Высокоэффективные приборы на основе барьера Шоттки металлAlGaN [Текст] / Б.В. Калинин, И.А. Ламкин, Е.А. Менькович, С.А. Тарасов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2012. – № 5. – С. 24 – 30. 2. UV LEDs for high-current operation [Text] / S.Yu. Kurin, A.A. Antipov, A.D. Roenkov, I.S. Barash, H.I. Helava, E.A. Menkovich, S.A. Tarasov, I.A. Lamkin, N.M. Shmidt, Yu.N. Makarov // Journal of Physics: Conference Series. – 2013. – Vol. 461. – P. 012028. 3. Efficiency of UVA LEDs grown by HVPE in relation with the active region thickness [Text] / S. Kurin, A. Antipov, I. Barash, A. Roenkov, Y. Makarov, A. Usikov, H. Helava, A. Solomonov, S. Tarasov, A. Evseenkov, I. Lamkin // Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics. – 2015. – Vol. 12. № 4 – 5. – P. 369 – 371. 4. Поклонский, Н. А. Физика электрического контакта металл/полупроводник [Текст]: Учеб. пособие по спецпрактикуму «Физика полупроводниковых приборов» / Н.А. Поклонский, Н.И. Горбачук, Н.М. Лапчук. – Мн.: БГУ, 2003. – 52 с. 5. Ohmic and Schottky Contacts to n-GaN [Text] / Z. Fan, S. N. Mohammad, W. Kim, O. Aktas, A. E. Botchkarev, K. Suzue, H. Morkoc, K. Duxstad, E. E. Haller // Journal of Electronic Materials. – 1996. – Vol. 25. – № 11. – P. 1703 – 1708. 6. Metal Contacts to n-type GaN [Text] / A. C. Schmitz, A. T. Ping, M. Asif Khan, Q. Chen, J. W. Yang, I. Adesida Journal of Electronic Materials. – 1998. – Vol. 27. – № 4. – P. 255 – 260. 7. Low resistance ohmic contacts to n-GaN and n-AlGaN using NiAl [Text] / D.B. Ingerly, Y. Chen, R.S. William, T. Takeuchi, Y.A. Chang // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77. – № 3. – P. 382 – 384. 8. Murai, S. Effect of Pd or Pt addition to Ti/Al ohmic contact materials for n-type AlGaN [Text] / S. Murai, H. Masuda, Y. Koide, Masanori Murakami // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 80. – № 16. – P. 2934–2936. 125 9. Analysis of the ohmic contacts of Ti/Al/Ni/Au to AlGaN/GaN HEMTs by the multi-step annealing process [Text] / Yan Wei, Zhang Renping, Du Yandong Han Weihua, Yang Fuhua // Journal of Semiconductors. – 2012. – Vol. 33. – № 6. – P. 064005-1 – 064005-6. 10. The improvement of ohmic contact of Ti/Al/Ni/Au to AlGaN/GaN HEMT by multi-step annealing method [Text] / Qian Feng, Li-Mei Li, Yue Hao, Jin-Yu Ni, Jin-Cheng Zhang // Solid-state Electronics. – 2009. – Vol. 53. – № 9. – P. 955 – 958. 11. Analysis on the new mechanisms of low resistance stacked Ti/Al Ohmic contact structure on AlGaN/GaN HEMTs [Text] / R. Gong, J. Wang, Z. Dong, S. Liu, M. Yu, C. P Wen, Y. Hao, Bo Shen, Y. Cai, B. Zhang, J. Zhang // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2010. – Vol. 43. – № 9. – P. 395102-1 – 395102-6. 12. Yu, H. MOCVD growth and electrical studies of p-type AlGaN with Al fraction 0.35 [Text] / H. Yu, E. Ulker, E. Ozbay // Journal of Crystal Growth. – 2006. – Vol. 289. – P. 419 – 422. 13. Ohmic contacts to p-type Al0.45Ga0.55N [Text] / B.A. Hull, S.E. Mohney, U. Chowdhury, R.D. Dupuis // J. Appl. Phys. – 2004. – Vol. 96. – № 12. – P. 7325 – 7331. 14. Low-resistance Pt/Pd/Au ohmic contacts to p-type AlGaN [Text] / HanKi Kim, Tae-Yeon Seong, Ilesanmi Adesida Chak Wah Tang, Kei May Lau // Appl. Phys. Lett. – 2004. – Vol. 84. – № 10. – P. 1710 – 1712. 15. Jang Ja-Soon Formation mechanisms of low-resistance and thermally stable Pd/ Ni/ Pd/ Ru Ohmic contacts to Mg-doped Al0.15Ga0.85N [Text] / Ja-Soon Jang, Tae-Yeon Seong, Seong-Ran Jeon // Appl. Phys. Lett. – 2007. – Vol. 91. – № 9. – P. 092129-1 – 092129-3. 16. Moazed, K. L. Metal/semiconductor interfacial reactions [Text] / K.L. Moazed // Metall. Trans. A. – 1992. – Vol. 23. – № 7. – P. 1999 – 2006. 17. Ion implantation and anneal to produce low resistance metal–diamond contacts [Text] / G. R. Brandes, C. P. Beetz, C. F. Feger, R. W. Wright and J. L. Davidson // Diamond Relat. Mater. – 1999. – Vol. 8, N 10. – P. 1936 – 1943. 126 18. Diamond–metal contacts: interface barriers and real-time characterization [Text] / D. A. Evans, O. R. Roberts, G. T. Williams, A. R. VeareyRoberts, F. Bain, S. Evans, D. P. Langstaff, D. J. Twitchen. // J. Phys.: Condens. Matter. –2009. – Vol. 21. – P. 364223. 19. Ohmic contacts on p-type homoepitaxial diamond and their thermal stability [Text] / Y. Chen, M. Ogura, S. Yamasaki, H. Okushi. // Semicond. Sci. Technol. – 2005. – Vol. 20. – P. 860 – 863. 20. Li, S. S. Quantum yield of metal‐semiconductor photodiodes [Text] / S.S. Li, F.A. Lindholm, C.T. Wang // J. Appl. Phys. 1972. – Vol. 43. – № 10. – P. 4123. 21. Гуткин, А. А. Спектры фоточувствительности барьеров Шотки Au /i-GaAs при высоких коэффициентах поглощения света в полупроводнике [Текст] / А.А. Гуткин, В.Е. Седов // ФТП. – 1975. – Т. 9. – № 9. – С. 1761 – 1765. 22. Caywood, J. M. Origin of field‐dependent collection efficiency in contact‐limited photoconductors [Text] / J.M. Caywood, C.A. Mead // Appl. Phys. Lett. – 1969. – Vol. 15 (1). – P. 14. 23. Lavange, M. Theoretical analysis of the quantum photoelectric yield in Schottky diodes [Text] / M. Lavange, J.P. Pique, Y. Marfing // Solid-State Electronics. – 1977. – Vol. 20(3). – P. 235-240. 24. Cowley, A.M. Surface States and Barrier Height of Metal‐Semiconductor Systems [Text] / A.M. Cowley, S.M. Sze // J. Appl. Phys. – 1965. – Vol. 36 (10). – P. 3212. 25. Резников, Б. И. Спектральная чувствительность m-s-структуры [Текст] / Б.И. Резников, Г.В. Царенков // ФТП. – 1991. – T. 25 (11). – C. 1922 – 1933. 26. Бланк, Т. В. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра [Текст] / Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг // ФТП. – 2003. – T. 37 (9). – C. 1025 – 1054. 127 27. Коротковолновая фоточувствительность поверхностно-барьерных структур GaAs [Текст] / Ю.A. Гольдберг, Т.В. Львова, О.А. Мезрин, С.И. Трошков // ФТП. – 1990. – T. 24 (10). – C. 1835 – 1840. 28. Фотоэлектрический структурах: температурная эффект в GaP зависимость поверхностно-барьерных коротковолновой квантовой эффективности [Текст] / Ю.A. Гольдберг, О.В. Константинов, Е.А. Поссе, Б.В. Царенков // ФТП. – 1995. – T. 29 (3). – C. 421 – 427. 29. Бланк, Т. В. Механизмы протекания тока в омических контактах металл–полупроводник [Текст] / Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг // ФТП. – 2007. – T. 41 (11). – C. 1281 – 1308. 30. Field and temperature dependencies of the quantum efficiency of GaAs and GaP Schottky diodes [Text] / Yu.A. Goldberg, O.V. Konstantinov, O.I. Obolensky, T.V. Petelina (Blank), E.A. Posse // Journal of Physics: Condensed Matter. – 1999. – Vol. 11 (2). – P. 455 – 463. 31. Влияние электрического поля в слое объемного заряда на эффективность коротковолнового фотоэлектропреобразования в диодах Шоттки на основе арсенида галлия [Текст] / Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг, О.В. Константинов, О.И. Оболенский, Е.А. Поссе // ФТП. – 1997. – T. 31 (10). – C. 1225 – 1229. 32. Schottky barrier detectors on GaN for visible–blind ultraviolet detection [Text] / Q. Chen, J.W. Yang, A. Osinsky, S. Gangopadhyay, B. Lim, M.Z. Anwar, M. Asif Khan, D. Kuksenkov, H. Temkin. Appl. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 70 (17). – P. 2277 – 2279. 33. Very low dark current metal–semiconductor–metal ultraviolet photodetectors fabricated on single-crystal GaN epitaxial layers [Text] / J.C. Carrano, P.A. Grudowski, C.J. Eiting, R.D. Dupuis, J.C. Campbell. // Appl. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 70 (15). – P. 1992 – 1994. 34. Shigeru Yagi Highly sensitive ultraviolet photodetectors based on Mgdoped hydrogenated GaN films grown at 380 °C [Text] / Shigeru Yagi // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 76 (3). – P. 345 – 347. 128 35. Metal–semiconductor–metal GaN ultraviolet photodetectors on Si(111) [Text] / Z.M. Zhao, R.L. Jiang, P. Chen, D.J. Xi, Z.Y. Luo, R. Zhang, B. Shen, Z.Z. Chen, Y.D. Zheng. // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77(3). – P. 444 – 446. 36. Katz, O. Anisotropy in detectivity of GaN Schottky ultraviolet detectors: Comparing lateral and vertical geometry [Text] / O. Katz, V. Garber. // Appl. Phys. Lett. – 2002. – Vol. 80 (3). – P. 347 – 349. 37. High-speed visible-blind GaN-based indium–tin–oxide Schottky photodiodes [Text] / N. Biyikli, T. Kartaloglu, O. Aytur, I. Kimukin, E. Ozbay. // Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 79 (17). – P. 2838 – 2240. 38. SiO2-passivated lateral-geometry GaN transparent Schottky-barrier detectors [Text] / V. Adivarahan, G. Simin, J.W. Yang, A. Lunev, M. Asif Khan, N. Pala, M. Shur and R. Gaska. // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77 (6). – P. 863 – 865. 39. Gain mechanism in GaN Schottky ultraviolet detectors [Text] / O. Katz, V. Garber, B. Meyler, G. Bahir, J. Salzman. // Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 79 (10). – P. 1417 – 1419. 40. Low-noise GaN Schottky diodes on Si(111) by molecular beam epitaxy [Text] / P.W. Deelman, R.N. Bicknell-Tassius, S. Nikishin, V. Kuryatkov, H. Temkin. // Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 78 (15). – P. 2172 – 2174. 41. Ultraviolet-sensitive, visible-blind GaN photodiodes fabricated by molecular beam epitaxy [Text] / J.M. Van Hove, R. Hickman, J.J. Klaassen, P.P. Chow and P.P. Ruden. // Appl. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 70 (17). – P. 2282 – 2284. 42. Low noise p-π-n GaN ultraviolet photodetectors [Text] / A. Osinsky, S. Gangopadhyay, R. Gaska, B. Williams, M.A. Khan, D. Kuksenkov and H. Temkin. // Appl. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 71 (16). – P. 2334 – 2336. 43. GaN avalanche photodiodes [Text] / J.C. Carrano, D. J.H. Lambert, C.J. Eiting, C.J. Collins, T. Li, S. Wang, B. Yang, A.L. Beck, R.D. Dupuis, J.C. Campbell. // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 76 (7). – P. 924 – 926. 129 44. Ultraviolet photon counting with GaN avalanche photodiodes [Text] / K.A. McIntosh, R.J. Molnar, L.J. Mahoney, K.M. Molvar, N. Efremow Jr., S. Verghese. // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 76 (26). – P. 3938 – 3940. 45. High‐responsivity photoconductive ultraviolet sensors based on insulating single‐crystal GaN epilayers [Text] / M. Asif Khan, J.N. Kuznia, D.T. Olson, J.M. Van Hove, M. Blasingame, L.F. Reitz. // Appl. Phys. Lett. – 1992. – Vol. 20 (23). – P. 2917 – 2919. 46. AlGaN ultraviolet photoconductors grown on sapphire [Text] / D. Walker, X. Zhang, P. Kung, A. Saxler, S. Javadpour, J. Xu, M. Razeghi. // Appl. Phys. Lett. – 1996. – Vol. 68 (15). – P. 2100 – 2102. 47. Photoconducting ultraviolet detectors based on GaN films grown by electron cyclotron resonance molecular beam epitaxy [Text] / A. Misra, T.D. Moustakas, R.P. Vaudo, R. Singh, K.S. Shah. // SPIE Conference Proceedings. – 1995. – Vol. 2519. – P. 78 – 86. 48. Demonstration of a silicon field‐effect transistor using AlN as the gate dielectric [Text] / K.S. Stevens, M. Kinniburgh, A.F. Schwartzman, A. Ohtani, R. Beresford // Appl. Phys. Lett. – 1995. – Vol. 66 (23). – P. 3179 – 3181. 49. The process and efficiency of ultraviolet generation from gallium nitride blue light emitting diodes [Text] / J.P. Basrur, F.S. Choa, P.0L. Liu, J. Sipior, G. Rao, G.M. Carter, Y.J. Chen. // Appl. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 71 (10). – P. 1385 – 1387. 50. Photoconductive gain modelling of GaN photodetectors [Text] / J.A. Garrido, E. Monroy, I. Izpura, E. Munoz // Semiconductor Science and Technology. – 1998. – Vol. 13 (6). – P. 563 – 568. 51. High visible rejection AlGaN photodetectors on Si(111) substrates [Text] / J.L. Pau, E. Monroy, F.B. Naranjo, E. Munoz, F. Calle, M.A. SanchezGarcia, E. Calleja. // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 76 (19). – P. 2785 – 2787. 52. Solar-blind AlGaN-based inverted heterostructure photodiodes [Text] / E.J. Tarsa, P. Kozodoy, J. Ibbetson, B.P. Keller, G. Parish, U. Mishra. // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77 (3). – P. 316 – 318. 130 53. Solar-blind AlGaN photodiodes with very low cutoff wavelength [Text] / D. Walker, V. Kumar, K. Mi, P. Sandvik, P. Kung, X.H. Zhang, M. Razeghi. // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 76 (4). – P. 403 – 405. 54. AlxGa1-xN:Si Schottky barrier photodiodes with fast response and high detectivity [Text] / E. Monroy, F. Calle, E. Munoz, F. Omnes, P. Gibart, J.A. Munoz. // Appl. Phys. Lett. – 1998. – Vol. 73 (15). – P. 2146 – 2148. 55. Indium–silicon co-doping of high-aluminum-content AlGaN for solar blind photodetectors [Text] / V. Adivarahan, G. Simin, G. Tamulaitis, R. Srinivasan, J. Yang, M. Asif Khan, M.S. Shur, R. Gaska. // Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 79 (12). – P. 1903 – 1905. 56. Modeling of the spectral response of AlxGa1-xN Schottky ultraviolet photodetectors [Text] / A. Bouhdada, M. Hanzaz, P. Gibart, F. Omnes, E. Monroy, E. Munoz. // J. Appl. Phys. – 2000. – Vol. 87 (12). – P. 8286 – 8290. 57. Analysis and modeling of AlxGa1-xN-based Schottky barrier photodiodes [Text] / E. Monroy, F. Calle, J.L. Pau, F.J. Sanchez, E. Munoz, F. Omnes, B. Beaumont, P. Gibart. // J. Appl. Phys. – 2000. – Vol. 88 (4). – P. 2081 – 2091. 58. Корляков, А.В. Сенсоры "жесткого" ультрафиолетового излучения на основе широкозонных материалов [Текст] / А.В. Корляков, В.В. Лучинин, М.В. Четвергов // Нано- и микросистемная техника. – 2000. – T. 2. – C. 9 – 15. 59. Solar-Blind UV Photodetectors Based on GaN/AlGaN p-i-n Photodiodes [Text] / C. Pernot, A. Hirano, M. Iwaya, T. Detchprohm, H. Amano, I. Akasaki // Japanese J. Appl. Phys. – 2000. – Vol. 39. – P. L387 – L389. 60. Ламкин, И. А. Ультрафиолетовые фотодиоды на основе контактов металл - твердые растворы нитридов галлия и алюминия [Текст] / И.А. Ламкин, Е.А. Менькович, С.А. Тарасов // Научно-технические ведомости СПбГПУ, физико-математические науки. – 2012. – №3. – С. 28 – 31. 61. High speed, low noise ultraviolet photodetectors based on GaN p-i-n and AlGaN(p)-GaN(i)-GaN(n)structures [Text] / G.Y. Xu, A. Salvador, W. Kim, Z. Fan, C. Lu, H. Tang, H. Morkoç, G. Smith, M. Estes, B. Goldenberg, W. Yang, S. Krishnankutty // Appl. Phys. Lett. – 1997. – Vol. 71 (15). – P. 2154 – 2156. 131 62. Selective regrowth of Al0.30Ga0.70N p–i–n photodiodes [Text] / C.J. Collins, T. Li, D. J.H. Lambert, M.M. Wong, R.D. Dupuis, J.C. Campbell // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77 (18). – P. 2810 – 2812. 63. Back illuminated AlGaN solar-blind photodetectors [Text] / D.J.H. Lambert, M.M. Wong, U. Chowdhury, C. Collins, T. Li, H.K. Kwon, B.S. Shelton, T.G. Zhu, J.C. Campbell, R.D. Dupuis // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77 (12). – P. 1900 – 1902. 64. Low-noise photodetectors based on heterojunctions of AlGaN–GaN [Text] / V.V. Kuryatkov, H. Temkin, J.C. Campbell, R.D. Dupuis // Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 78 (21). – P. 3340 – 3342. 65. Solar-blind AlGaN-based p-i-n photodetectors with high breakdown voltage and detectivity [Text] / T. Tut, T. Yelboga, E. Ulker, E. Ozbay // Appl. Phys. Lett. – 2008. – Vol. 92 (10). – P. 103502. 66. AlGaN metal–semiconductor–metal photodiodes [Text] / E. Monroy, F. Calle, E. Munoz, F. Omnes // Appl. Phys. Lett. – 1999. – Vol. 74 (22). – P. 3401 – 3403. 67. Chuah, L. S. Dark current characteristics of Ni contacts on porous AlGaN-based UV photodetector [Text] / L.S. Chuah, Z. Hassan, H. Abu Hassan // Journal of optoelectronics and advanced materials – 2007. – Vol. 9 (9). – P. 2886 – 2890. 68. AlGaN-based ultraviolet photodetector with micropillar structures [Text] / Wei-Chih Lai, Li-Chi Peng, Chien-Chun Chen, Jinn-Kong Sheu, Shih-Chang Shei // Appl. Phys. Lett. – 2010. – Vol. 96 (10). – P. 102104. 69. GaN/AlGaN back-illuminated multiple-quantum-well Schottky barrier ultraviolet photodetectors [Text] / A. Teke, S. Doga, F. Yun, M.A. Reshchikov, H. Le, X.Q. Liu, H. Mork oç, S.K. Zhang, W.B. Wang, R.R. Alfano. Solid-State Electronics – 2003. – Vol. 47 (8). – P. 1401 – 1408. 70. УФ детекторы на основе поликристаллических алмазных пленок для эксимерных лазеров [Текст] / В. Г. Ральченко, А. В. Савельевa, В. И. Коновa и др. // Квант. электрон. – 2006. – Т. 36. – № 6. С. 487 – 488. 132 71. High-temperature performances of diamond-based UV-photodetectors [Text] / S. Salvatori, M.C. Rossi, F. Scotti, G. Conte, F. Galluzzi, V. Ralchenko. – Diamond Relat. Mater. – 2000. – Vol. 9. – № 3. – P. 982 – 986. 72. Remes, Z. Mechanism of photoconductivity in intrinsic epitaxial CVD diamond studied by photocurrent spectroscopy and photocurrent decay measurements / Z. Remez, R. Petersen, K. Haenen, M. Nesladek. 15th European Conference on Diamond, Diamond-like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides and Silicon Carbide (Riva del Garda, Italy, 12-17 September 2004). 73. Стафеев, В.И. Фотодиоды с барьером Шоттки на основе GaP, GaAs1-xPx [Текст] / В.И. Стафеев, И.Д. Анисимова // ФТП – 1993. – Т. 28 (3). – С. 1 – 5. 74. Гамелина, И.Е. Механизм влияния на организм человека и животных крови, облученной ультрафиолетовым излучением / Гамелина И.Е., Самойлова К.А. Сб. науч. тр. – Ленинград: Наука, 1986. – 264 с. 75. Озоновый щит Земли и его изменение [Текст] / Э.Л. Александров, Ю.А. Израэль, И.Л. Кароль, А.Х. Хргиан. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. – 287 с. 76. AlGaN Photodiodes for UVC, UVB and UVA Spectral Ranges [Text] / I.A. Lamkin, M.Y. Andreev, S.A. Tarasov, A.V. Solomonov, S.Yu. Kurin // Proceedings of the 2015 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, 2 – 4 February. – 2015 – P. 30 – 32. 77. Investigation into the processes of atom redistribution encountered during of the formation of metal layers on the surface of aluminum gallium nitride [Text] / I.A. Lamkin, S.A. Tarasov, A.A. Petrov, E.A. Menkovich, A.V. Solomonov, S.Yu. Kurin // Journal of Physics: Conference Series. – 2014. – Vol. 572. – P. 012062. 78. Оптимизация параметров контактов металл-твердые растворы AlGaN как основы фотодетекторов для ультрафиолетового диапазона спектра [Текст] / И.А. Ламкин, С.А. Тарасов, Е.А. Менькович, А.А. Петров // 133 Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. – 2013. – Т. 5. – С. 80 – 84. 79. Квантово-размерные гетероструктуры на основе AIGaN для светодиодов глубокого ультрафиолетового диапазона, полученные методом субмонослойной дискретной молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота [Текст] / В.Н. Жмерик, A.M. Мизеров, Т.В. Шубина, А.В. Сахаров, А.А. Ситникова, П.С. Копьев, С.В. Иванов, Е.В. Луценко, А.В. Данильчик, Н.В. Ржеуцкий, Г.Л. Яблонский // ФТП. – 2008. – Т. 42 (7) – С. 1452-1458. 80. CHVPE growth of AlGaN-based UV LEDs [Text] / S. Kurin, A. Antipov, I. Barash, A. Roenkov, H. Helava, S. Tarasov, E. Menkovich, I. Lamkin, Y. Makarov // Physica status solidi (С). – 2013. – Vol. 10. – Issue 3. – P. 289 – 293. 81. Lamkin, I. Ultraviolet photodiodes based on AlGaN solid solutions [Text] / I. Lamkin, S. Tarasov // Journal of Physics: Conference Series. – 2013. – V. 461. – P. 012025. 82. Ламкин, И. А. Солнечнослепые и видимослепые фотодетекторы на основе AlGaN [Текст] / И.А. Ламкин, С.А. Тарасов, С.Ю. Курин // Ученые записки физического факультета Московского университета. – 2014. – Т. 1. – № 2 (10). – С. 33 – 38. 83. Research of the solar-blind and visible-blind photodetectors, based on the AlGaN solid solutions [Text] / I.A. Lamkin, S.A. Tarasov, A.A. Petrov, E.A. Menkovich, A.V. Solomonov, S.Yu. Kurin // Journal of Physics: Conference Series. – 2014. – V. 572. – P. 012063. 84. Полезная модель 140587 Российская Федерация, МПК7 Н 01 L 31 / 00. Фотодиод для ультрафиолетового сенсора [Текст] / И.А. Ламкин, Е.А. Менькович, С.А. Тарасов, А.В. Соломонов, А.Н. Пихтин; заявитель и патентообладатель СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – № 2012159016; заявка 30.12.2013; опубл. 10.05.2014. 134 85. Annealing dependence of diamond-metal Schottky barrier heights probed by hard x-ray photoelectron spectroscopy [Text] / M. Gaowei, E. M. Muller, А. К. Rumaiz, et. al. // Applied Physics Letters. – 2012. – Vol. 100. – P. 201606. 86. An assessment of contact metallization for high power and high temperature diamond Schottky devices [Text] / S. Kone , H. Schneider, K. Isoird, et. al. // Diamond Relat. Mater. – 2012. – Vol. 27 – 28. – P. 23 – 28.
