Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1

Исследование спектров фоточувствительности гетеропереходаn-GaAs–As2Se3

© И.П. Аржанухина, К.П. Корнев, Ю.В. Селезнев

Калининградский государственный университет,236041 Калининград, Россия

(Получена 5 мая 1997 г. Принята к печати 30 июня 1998 г.)

Представлены результаты исследования спектральных характеристик фотоотклика гетеропереходовn-GaAs–аморфная пленка As2Se3 при разной толщине пленки халькогенидного стеклообразного полупро-водника. Получены формулы для расчета: доли света, поглощенной в халькогенидном стеклообразномполупроводнике; доли света, поглощенной в GaAs при учете многократных отражений от границ разделав исследованной структуре; а также их отношения. Проводятся анализ поглощения света в структуре имодель формирования фотоотклика гетероструктуры. Показано хорошее соответствие экспериментальных ирасчетных данных.

Введение

В большинстве работ, посвященных исследованию ге-теропереходов, описываются свойства гетеропереходов,полученных на основе кристаллических веществ. Такиегетеропереходы уже нашли применение при созданиирадиотехнических элементов, фотоприемников, инжек-ционных лазеров [1,2]. В последнее время ведетсяпоиск новых материалов и концепций, которые могутбыть использованы при создании гетероструктур, в томчисле и гетеропереходов с использованием аморфныхпленок [3–5]. Исследование гетеропереходов кристалл–аморфная пленка представляет интерес, поскольку с из-менением состава пленки появляется возможность целе-направленно изменять свойства таких гетеропереходов.В данной работе излагаются результаты исследованияспектров фоточувствительности гетеропереходов эпитак-сиальный n-GaAs–аморфная пленка As2Se3.

Изготовление образцови методика исследований

Для получения спектров фоточувствительности гете-роперехода n-GaAs–As2Se3 изготавливались структурыAl–i-GaAs–n-GaAs–As2Se3–Al. Гетеропереходы былиизготовлены на основе монокристаллических образцовсобственного арсенида галлия, на поверхности которогобыл выращен эпитаксиальный слой n-типа проводимо-сти. Концентрация носителей в эпитаксиальном слоедля всех образцов была порядка 1 · 1022 м−3. Дляполучения гетероперехода на эпитаксиальный слой GaAsметодом термического распыления в вакууме наносилсяслой халькогенидного стеклообразного полупроводника(ХСП) As2Se3. При изготовлении гетеропереходов ва-рьировалась толщина слоя ХСП от 0.3 до 5 мкм. Наповерхность пленки ХСП методом вакуумного напы-ления последовательно наносились полупрозрачный итолстый слои алюминия. Перед напылением толстогослоя центральная часть образца перекрывалась маской, и

под ней оставался полупрозрачный слой алюминия, кото-рый служил одновременно и собирающим электродом иокошком, через которое освещалась гетероструктура. Собратной стороны образца на подложку из собственногоGaAs, для создания контакта, также наносился толстыйслой алюминия.

Методика исследования спектров фоточувствительно-сти, а также измерительная установка, которая использо-валась для их исследования, описаны в опубликованнойранее работе [6]. Измерения проводились как приположительном, так и при отрицательном напряжениина собирающем электроде (коллекторе). Величина на-пряжения UC могла изменяться от 0 до 20 В.

Полученные результаты

Исследование спектральных характеристик фотоот-клика (СХФ) было произведено для гетероструктур,изготовленных с различной толщиной пленки ХСП.Были исследованы образцы с толщиной пленки 0.3, 1и 5 мкм. Изменение толщины пленки позволило менятьобласть максимальной чувствительности гетерострукту-ры. На рис. 1 приведены СХФ гетероструктуры приразличной толщине пленки ХСП; зависимости полученыпри UC = 1 В и нормированы на величину максимальногофотоотклика. Для гетероструктур с толщиной пленкиХСП, равной 0.3 мкм, максимум СХФ лежит в областиэнергии квантов света 1.4 эВ. При толщине пленки 1 мкмна СХФ наблюдаются два пика — при hν = 1.4 и 1.85 эВ.На третьей кривой, полученной для гетероструктуры столщиной пленки ХСП 5 мкм, пик, связанный с фотопро-водимостью арсенида галлия практически не наблюдает-ся, и основной вклад в фотопроводимость дает As2Se3.Максимум фоточувствительности в этом случае лежит вобласти 1.9 эВ (рис. 1). То, что при толщине пленкитриселенида мышьяка d = 1 мкм СХФ формируетсякак за счет фотопроводимости GaAs, так и за счетфотопроводимости As2Se3, убедительно иллюстрируетсякривыми, полученными при больших напряжениях насобирающем электроде (рис. 2). На приведенных на

64

Исследование спектров фоточувствительности гетероперехода n-GaAs–As2Se3 65

Рис. 1. СХФ гетероструктуры n-GaAs–триселенид мышьякапри различной толщине пленки ХСП d, мкм: 1 — 0.3, 2 — 1,3 — 5.

этом рисунке кривых отчетливо видны два пика: один —при энергии квантов света hν = 1.4 эВ (фотопрово-димость GaAs); второй — при энергии квантов светаhν = 1.95 эВ (фотопроводимость As2Se3).

Исследования СХФ, проведенные при различной тол-щине пленки СХП, можно сопоставить с результата-ми расчетов, учитывающих поглощение в слоях полу-проводников с многократными отражениями от границраздела слоев, образующих гетероструктуру. Результатырасчетов показывают, что для толщины пленки As2Se3

d = 0.3 мкм заметное поглощение в триселениде мы-шьяка возникает при энергии квантов света hν > 1.9 эВ,следовательно, в области, для которой получены СХФ(рис. 1), основную роль в формировании фотопроводи-мости будет играть поглощение в GaAs. Кроме того, принебольших напряжениях на коллекторе существеннуюроль будут играть рекомбинационные процессы, а поэто-му особенности СХФ будут размыты, что и наблюдаетсяв действительности. Для образцов с толщиной пленкиХСП d = 1 мкм переход от поглощения в GaAs кпоглощению в As2Se3 происходит при hν > 1.7 эВ, ипоэтому на СХФ должны наблюдаться и область, свя-занная с фотопроводимостью GaAs, и область, связаннаяс фотопроводимостью As2Se3, что действительно видноиз экспериментально полученных СХФ. Для толстыхпленок (d = 5 мкм) поглощение в ХСП становится пре-обладающим при еще меньших энергиях квантов света,что должно приводить к более выраженной области фо-топроводимости As2Se3 на СХФ гетероструктуры. Крометого, увеличение толщины пленки As2Se3 приводит кувеличению ее сопротивления, и при больших толщинахсопротивление пленки становится определяющим в сум-марном сопротивлении гетероструктуры. Поэтому вкладфотопроводимости GaAs в СХФ становится малым, хотя

область фотопроводимости GaAs на СХФ наблюдается(рис. 1, кривая 3). Особенности, обсужденные выше, ещеболее выражены на кривых, полученных при большихнапряжениях на коллекторе, когда разделение носителейосуществляется внешним полем, и рекомбинационныепроцессы уже не столь сильно изменяют вид СХФ.

При рассмотрении зависимости СХФ гетероструктурот напряжения кривые пересчитывались к одинаковойинтенсивности падающего света во всем использованномдиапазоне. Нормированные кривые, полученные при от-рицательной полярности на собирающем электроде, при-ведены на рис. 2. Кривые получены при толщине пленкиХСП d = 1 мкм. Из приведенных кривых видно, что принапряжениях −0.5 и −1 В в области энергий квантовсвета 1.3−1.4 эВ наблюдается резкое нарастание фото-тока, эти кривые имеют плечо при hν = 1.4 эВ, и затемнарастание фототока идет медленнее. При напряжениях

Рис. 2. СХФ гетероструктуры n-GaAs–триселенид мышьякапри отрицательной полярности собирающего электрода UC, В:a) 1 — −0.5, 2 — −1; b) 1 — −4, 2 — −10, 3 — −20.

5 Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1

66 И.П. Аржанухина, К.П. Корнев, Ю.В. Селезнев

от −4 до −20 В на собирающем электроде особенностьпри hν = 1.43 эВ представляет собой уже не плечо,а пик, который явно выделен относительно остальнойкривой. Основной максимум на приведенных кривых прималых напряжениях наблюдается при энергиях квантовсвета hν = 1.75−1.8 эВ, при этом с ростом напряженияпик сдвигается в область больших энергий квантов света,и при напряжениях от −4 до −20 В пик расположен приэнергии hν = 1.97 эВ. Для всех исследованных случаевпри отрицательной полярности собирающего электродафототок соответствует движению положительных заря-дов к собирающему электроду.

Для всех СХФ, полученных при нулевом потенциалеи положительной полярности собирающего электрода,фототок соответствует движению электронов к коллек-тору, а дырок к толстому слою алюминия на заднейгранице гетероструктуры. Так как подвижность дырок вХСП существенно больше подвижности электронов, вданном случае именно движение дырок будет определятьнаправление тока через гетероструктуру. На рис. 3 при-ведены СХФ, полученные при напряжении от 0 до 4 В наколлекторе. Кривые измерены при толщине пленки ХСПd = 1 мкм. При малых положительных напряжениях (0.5,1 В) величина фототока больше, чем величина фототокапри соответствующих значениях напряжения, но дляотрицательной полярности. При напряжениях выше 4 Вфототок при отрицательной полярности коллектора су-щественно больше фототока при положительной поляр-ности.

При отсутствии внешнего напряжения на гетерострук-туре, а также при малых напряжениях (UC ∼ 1 В) наСХФ наблюдается резкое нарастание фототока в областиэнергии квантов света 1.3 < hν < 1.4 эВ и плечо приhν = 1.4 эВ. При дальнейшем увеличении энергии кван-тов фототок медленно нарастает и достигает максимумапри hν = 1.8 эВ. В этом диапазоне напряжений величинафототока при изменении напряжения изменяется слабо.

При увеличении напряжения на собирающем электро-де до 3 В величина фототока резко нарастает (примернов 30 раз). Дальнейший рост напряжения также сопро-вождается значительным увеличением фототока. Кромеувеличения фототока рост напряжения сопровождаетсяизменением формы СХФ. При больших напряженияхувеличивается отношение фототока в максимуме к фото-току в районе плеча при hν = 1.4 эВ. Положение основ-ного максимума с ростом напряжения изменяется. Еслипри малых напряжениях на коллекторе максимум наблю-дается при hν = 1.8 эВ, то при больших напряжениях онсмещается в область энергий квантов hν = 1.9−1.95 эВ.Такое смещение аналогично смещению максимума, ко-торое наблюдалось при отрицательной полярности.

Возникновение фототока при отсутствии внешнегонапряжения, приложенного к гетероструктуре, объяс-няется тем, что фотогенерированные носители разде-ляются полями вблизи барьеров, возникающих в ге-тероструктуре на границах разделов, контактирующихвеществ. Подтверждением этого является тот факт, что

Рис. 3. СХФ гетероструктуры n-GaAs–триселенид мышьякапри положительной полярности собирающего электрода UC, В:a) 1 — 0, 2 — 1; b) 1 — 3, 2 — 4.

при небольших положительных напряжениях (UC ∼ 1 В)величина фототока мало отличается от величины фо-тотока при отсутствии внешнего напряжения (рис. 3).С дальнейшим ростом приложенного к коллектору по-ложительного напряжения фототок резко возрастает. Вэтом случае разделение фотоносителей осуществляетсявнешним полем. Таким образом, пока внешнее поле малопо сравнению с полями вблизи границ раздела в гете-роструктуре, направление и величина тока в основномопределяется внутренними барьерами. Дополнительнымподтверждением сказанного является то, что при малыхотрицательных напряжениях на коллекторе фототок су-щественно меньше, чем при соответствующих значенияхположительных напряжений. При этом следует отметить,что нарастание максимума фототока с ростом отрица-тельного напряжения на коллекторе происходит быстрее,чем при увеличении положительного (рис. 2 и рис. 3).

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1

Исследование спектров фоточувствительности гетероперехода n-GaAs–As2Se3 67

Так, при напряжении −4 В на коллекторе максимальноезначение фототока примерно в 2.5 раза больше, чем принапряжении +4 В. Поскольку максимальное значениефототока лежит в области, определяемой фотопроводи-мостью пленки ХСП, это легко объясняется, так какосновными носителями в ХСП являются дырки. В случаеотрицательного напряжения на коллекторе фотогенери-рованные дырки сразу из ХСП попадают на собираю-щий электрод. В GaAs подвижность электронов большеподвижности дырок, следовательно, рекомбинационныепроцессы будут играть меньшую роль, а поэтому фо-тоток будет больше. В области энергии квантов светаhν = 1.4 эВ, когда свет поглощается не в ХСП, а вGaAs, величины фототока при напряжениях −4 и +4 Вна коллекторе практически одинаковы (рис. 3). В этомслучае асимметрия подвижности дырок и электроновв As2Se3 и GaAs не будет играть решающей роли,поскольку в GaAs электроны могут двигаться как всторону толстого слоя алюминия (”−” на коллекторе),так и в сторону пленки ХСП (”+” на коллекторе), где вдальнейшем могут рекомбинировать с дырками.

В области энергий квантов света 1.0 < hν < 1.4 эВпри отрицательной полярности коллектора наблюдаетсяфототок, которого нет при положительной полярности.Наличие этого фототока можно объяснить фотоэмиссиейдырок из толстого слоя Al на задней границе гетеро-структуры. При отрицательном напряжении на коллек-торе фотоэмиттированные дырки могут через GaAs иAs2Se3 попадать на коллектор. Явление фотоэмиссии ды-рок наблюдалось при изучении потенциального барьерана границе Al–GaAs в работе [7].

Заключение

В работе предлагается модель формирования фотоот-клика гетероструктуры. Показано, что вид СХФ гете-роструктуры определяется толщиной аморфной пленкиAs2Se3. При толщине пленки 0.3 мкм и меньше СХФ восновном формируется за счет поглощения в GaAs, притолщине пленки 1 мкм вклад в СХФ дают и As2Se3 иGaAs, при толщине пленки 5 мкм и более основную рольиграет поглощение в As2Se3.

Получено, что при положительной полярности наалюминиевом электроде со стороны GaAs форма СХФпрактически не зависит от величины напряжения. Приотрицательной полярности с ростом напряжения вели-чина пика, связанного с фотопроводимостью GaAs, воз-растает. При этом нарастание фототока при отрицатель-ной полярности с увеличением напряжения происходитбыстрее, чем при положительной полярности.

При отсутствии внешнего напряжения, приложенногок гетероструктуре, и при малых положительных напря-жениях (UC < 1 В) разделение фотогенерированныхносителей происходит на барьерах, существующих вгетероструктуре. При больших напряжениях разделениеносителей осуществляется внешим полем.

Список литературы

[1] Л. Милнс, Д. Фойхт. Гетеропереходы и переходы ме-талл–полупроводник (М., 1975) с. 12.

[2] А.В. Аншон, И.А. Карпович, А.А. Сафронов. Изв. вузов.Физика, 29, № 8, 112 (1986).

[3] V. Venkataraman. Curr. Sci. (India), 67, № 11, 855 (1994).[4] М.А. Иову, М.С. Иову, А.А. Симашкевич, Д.И. Циуляну,

С.Д. Шутов. Матер. конф. ”Аморфные полупроводники–80” (Кишинев, 1980) с. 120.

[5] A.M. Andriesh, E.A. Akimova, V.V. Bivol, E.G. Khancevskaya,M.S. Iovu, S.A. Malkov, V.I. Verlan. Int. J. Electron., 77, № 3,339 (1904).

[6] К.П. Корнев. Деп. ВИНИТИ 1986. N8021–B8.[7] А.С. Кочемировский, К.П. Корнев. Тез. докл. Всес. конф.

”Стеклообразные полупроводники” (Л., 1985) с. 80.

Редактор В.В. Чалдышев

Study of photosensitivity spectra ofn-GaAs–As2Se3 heterojunction

I.P. Arjanukhina, K.P. Kornev, U.V. Seleznev

Kaliningrad State University,236041 Kaliningrad, Russia

Abstract In this paper the results of investigations of spec-tral photoresponse characteristics of heterojunctions n-GaAs–amorphous film As2Se3 with different chalcogenide glassy semi-conductor film thickness are given. There are some formulasfor calculation of a ligth fraction absorbed in chalcogenide glassysemiconductor; of a light fraction absorbed in GaAs, taking intoconsideration multiple reflections from investigated structure; andtheir relationship. The analysis of the structure light absorption isgiven, and the model of formation of heterostructure photoresponseis presented in this article. The experimental results and theoreticalcalculations show agreement.

5∗ Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, № 1