научная статья по теме ФУЛЛЕРЕНЫ КАК ПАССИВИРУЮЩИЕ АГЕНТЫ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТО- И СВЕТОДИОДОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ФУЛЛЕРЕНЫ КАК ПАССИВИРУЮЩИЕ АГЕНТЫ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТО- И СВЕТОДИОДОВ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2011, том 85, № 8, с. 1529-1533

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

УДК 06.54.31

ФУЛЛЕРЕНЫ КАК ПАССИВИРУЮЩИЕ АГЕНТЫ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТО- И СВЕТОДИОДОВ © 2011 г. В. В. Шерстнев*, Н. А. Чарыков**, К. Н. Семенов**, В. А. Кескинов**

*Российская академия наук, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург **ЗАО "Инновации Ленинградских институтов и предприятий", Санкт-Петербург

E-mail: vic2sherstnev@gmail.com Поступила в редакцию 25.05.2010 г.

Предложен новый способ пассивации поверхности индивидуальным фуллереном С70 инфракрасных фотодиодов и светодиодов, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 2—5 мкм, и исследованы их характеристики. Показано, что при пассивации фотодиодов темновой ток уменьшается на 40%, а сопротивление при нулевом смещении возрастает на 24%; для светодиодов утечки уменьшаются на ~20%, сопротивление при нулевом смещении возрастает на 45% и интенсивность излучения светодиодов после нанесения индивидуального фуллерена С70 возрастает на ~18%.

Ключевые слова: фуллерены, фотодиоды, светодиоды

Инфракрасные фотодиоды и светодиоды, работающие в диапазоне 1.6—5.0 мкм [1—5] имеют широкий диапазон применений, они особенно важны в качестве ключевого компонента в газоанализаторах, которые могут быть использованы для обнаружения многих промышленных и природных газов, таких как метан, диоксид углерода, оксиды азота и многие другие, а также взрывоопасных газов. Обратный ток фоточувствительного полупроводникового диода зависит от освещенности. Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с р—п-переходом, который смещен в обратном направлении по отношению к внешнему источнику питания. Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками: вольт-амперная характеристика (зависимости светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока (/й) от напряжения), световая характеристика, спектральная характеристика и темновое сопротивление. Обратный ток фотодиодов представляет собой сумму диффузионной составляющей, генерационно-ре-комбинационного тока в области пространственного заряда, фототока, туннельной составляющей и тока утечки (1р) как по поверхности, так и в объеме из-за дефектов в экспериментальных фотодиодах. Параметры фотодиода сильно зависят от качества поверхности. Светодиод — это полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Свойства светодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками: вольт-амперная характеристика, спектральная характеристика, квантовая эффективность.

Параметры светодиода также зависят от качества поверхности.

Поверхность большинства полупроводников A3B5 характеризуется высокой плотностью поверхностных состояний в запрещенной зоне. Это обстоятельство отрицательно влияет на работу оптоэлектронных приборов. Для устранения нежелательного воздействия поверхности на свойства приборов в технологии активно развивается направление, называемое "пассивацией". Пассивация поверхности полупроводника должна решить три задачи [1]: 1) предотвратить реакцию полупроводника с атмосферой, 2) устранить интерфейсные состояния из запрещенной зоны, 3) обеспечить достаточный барьер, чтобы электроны полупроводника не терялись в пассивирующем слое.

В последнее время заметно активизировались исследования, нацеленные на улучшение электронных свойств поверхностей полупроводниковых соединений А3В5. Показано, что обработка в водных сульфидных растворах позволила существенно понизить темновой ток в p—n -мезадиодах InAsSb [6] и увеличить фоточувствительность и внутренний квантовый выход инфракрасных фотодиодов InAsPSb/InAs [7]. Тем не менее, поверхности полупроводников или приборов, обработанных в водных сульфидных растворах, довольно нестабильны и при выдержке в атмосфере воздуха электронные свойства поверхностей и характеристики приборов деградируют в течение нескольких часов/дней [8, 9]. Основная проблема, как для светодиодов, так и для фотодиодов — это понижение токов утечек и вывод (ввод) света. Для решения этих проблем мы предлагаем обра-

1530

ШЕРСТНЕВ и др.

батывать поверхности полупроводниковых приборов (свето- и фотодиодов) индивидуальным фуллереном С70. Фуллереновые пленки представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1.2—2.0 эВ с параметром кубической решетки а0 = 14.2 А, обладающие пластическими свойствами, удельное электрическое сопротивление ~1.4 х 10-4 Ом м вплоть до ~1700 К (в инертной атмосфере аргона).

Цель настоящей работы — исследование влияния покрытия индивидуальным фуллереном С70 на характеристики инфракрасных фотодиодов и светодиодов работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 2—5 мкм. Для решения поставленной задачи были выращены три типа фотодиодных и светодиодных структур, работающих в этом спектральном диапазоне, методами жидкофазной и газофазной эпитаксии (МОУРЕ) на подложках 1пА (100) я-типа.

Первый тип структур (для фотодиодов с длиной волны 1.5—3.6 мкм) состоит из подложки 1пАз (100) с проводимостью я-типа (я ~ 2 х 1016 см-3), на которой методом эпитаксии ^РЕ) последовательно выращивался широкозонный эмит-терный слой, 1пАз8ЪР толщиной 2.5 мкм, далее — слой активной области 1пАз толщиной 1.5 мкм и широкозонный эмитерный слой твердого раствора 1пАз8ЪР толщиной 2.5 мкм.

Второй тип структур (для фотодиодов с длиной волны 2—5 мкм) состоит из подложки 1пАз (100) с проводимостью я-типа N ~ 2 х 1016 см—3), на который методом эпитаксии ^РЕ) последовательно выращивался широкозонный эмиттерный слой 1пАз8ЪР толщиной 2.5 мкм, слой активной области твердого раствора 1пАз8Ъ012 толщиной 3.5 мкм и широкозонный эмиттерный слой 1пАз8ЪР твердого раствора 2.5 мкм.

Чтобы согласовать решетку несоответствия между этими слоями и подложкой был выращен варизонный слой 1пАз8Ъ толщиной 5 мкм. Сверху структуры в целях повышения омического контакта был выращен контактный слой 1пА толщиной 0.3 мкм. Активный слой преднамеренно легирован до N ~ 1 х 1015 см—3), широкозонный эмиттерный слой я-типа и варизонный слой легировались 81 до N = 5 х 1017 см—3, широкозонный эмиттерный слой ^-типа и контактный слой легировался цинком до концентрации носителей зарядов Р = 2 х 1018 см—3 соответственно. Более подробно технология описана в [5].

Третий тип структур (для светодиодов с длиной волны 2.6—2.8 мкм) состоит из подложки 1пА (100) с проводимостью я-типа N ~ 2 х 1018 см—3), методом газофазной эпитаксии (МОУРЕ) последовательно выращивался широкозонный эмиттерный слой 1п0 85А10.15Аз толщиной 2.5 мкм. Слой активной области твердого раствора

Ga0.1In0.9As толщиной 1.5 мкм и широкозонный эмиттерный слой 1п0.85А10.15А твердого раствора 2.5 мкм. Чтобы согласовать решетку несоответствия между этими слоями и подложкой был выращен варизонный слой 1п1— хАхАз толщиной 15 мм, с возрастанием х от 0 до 0.15 в направлении роста. Сверху структуры в целях повышения омического контакта был выращен контактный слой Ga0.1In0.9As толщиной 0.3 мкм. Активный слой преднамеренно легированный N ~ 5 х 1015 см—3) широкозонный эмиттерный слой я-типа и варизонный слой легировались 81 до N = 2 х 1018 см—3, широкозонный эмиттерный слой ^-типа и контактный слои легировались цинком до Р = 2 х 1018 и 5 х 1018 см—3 соответственно.

Из созданных структур методом фотолитографии и жидкостного химического травления изготавливались фотодиодные и светодиодные чипы. Омические контакты к полупроводниковым гете-роструктурам создавались методом термического вакуумного напыления с взрывной фотолитографией. Для этого на эпитаксиальный слой ^-типа последовательно наносили Сг—Аи—№—Аи. Нижний слой хрома служил для улучшения адгезии последующих слоев. В целях увеличения толщины контактного слоя до ~2 мкм, сверху дополнительно электрохимическим методом осаждалось золото. Со стороны подложки наносился сплошной многослойный контакт Сг—Аи—№—Аи методом термического вакуумного напыления. После напыления и осаждения структура подвергалась термообработке в среде водорода для сплавления металлических слоев. Затем на структуры наносился индивидуальный фуллерен С70.

При исследовании нами использован индивидуальный фуллерен С70 (чистотой 99.5 ± 0.1 мас. %. Фуллереновый материал получен в ЗАО "Инновации Ленинградских институтов и предприятий", Санкт-Петербург, РФ по разработанным технологиям [10—13]). Основной определяемой примесью в образцах фуллерена С70 был фуллерен С60 (0.35—0.45 мас. %) и высшие фуллерены С76 + + С78 + С84 + ... (0.05—0.10 мас. %). Идентификация и проверка чистоты фуллерена С70 проводилась спектрофотометрически (по поглощению на длинах волн X = 335.7 и 472.0 нм) на спектрофотометре 8ресогё М-32 из растворов фуллерена С70 в о-ксилоле (см., например [14]). Пример спектра представлен на рис. 1. Для идентификации нами также использован хроматографический (ВЭЖХ) метод [15]. Условия анализа были следующими: жидкостной хроматограф — Lumachrom фирмы Lumex, Санкт-Петербург, РФ; сорбент — '^ис1ео-з11 С18", подвижная фаза — 25 мас. % CHзCN + + 75 мас. % СН2С12, размер колонны — 4.6 х 250 мм, детектирование — спектрофотометрическое на длине волны X = 254 нм.

ФУЛЛЕРЕНЫ КАК ПАССИВИРУЮЩИЕ АГЕНТЫ ПОВЕРХНОСТИ

1531

D, отн.ед.

X, нм

Рис. 1. Электронный спектр фуллерена С70 в толуоле при 25 °С.

Далее фуллерен С70 полностью растворялся в растворителе (толуоле), при этом авторами использованы политермические данные по растворимости фуллерена С70 в органических растворителях [16]. Далее растворитель испарялся в сушильном шкафу (температура сушки составляла 150 ± 10°С, время испарения — 120 ± 10 мин) и, таким образом, на поверхности твердого тела образовывалась сплошная непрерывная несольватирован-ная пленка фуллерена С70. После такой ее обработки раскалывали на чипы площадью 500 х 500 мкм2. Чипы напаивались на корпус ТО-18. Таким образом были изготовлены фото- и светодиоды. Была собрана и измерена серия фото- и светодиодов, все они имели диодные характеристики с напряжением отсечки ~0.4 В при Т = 297 К и дифференциальное сопротивление 1.0—1.2 Ом.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком