научная статья по теме ТЯЖЕЛЫЕ ФУЛЛЕРЕНЫ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОДИОДОВ НА ДЛИНЫ ВОЛН 1.5–5.0 МКМ Химия

Текст научной статьи на тему «ТЯЖЕЛЫЕ ФУЛЛЕРЕНЫ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОДИОДОВ НА ДЛИНЫ ВОЛН 1.5–5.0 МКМ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2011, том 85, № 6, с. 1116-1121

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

УДК 06.54.31

ТЯЖЕЛЫЕ ФУЛЛЕРЕНЫ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОДИОДОВ НА ДЛИНЫ ВОЛН 1.5-5.0 МКМ

© 2011 г. В. В. Шерстнев*, Н. А. Чарыков**, К. Н. Семенов**, Н. И. Алексеев*,

В. А. Кескинов**, О. А. Крохина**

*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 смесью высших фуллеренов (h-f-mix) — С76 + + С78 + С84 + С90 + ... инфракрасных фотодиодов, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 1.5—5.0 мкм и исследованы их основные эксплуатационные характеристки. Показано, что при пассивации фотодиодов темновой ток указанных фотодиодов уменьшается на 14%. Обнаружен эффект Пельтье на гетеропереходе полупроводник A3B5/h-f-mix.

Ключевые слова: тяжелые фуллерены, полупроводниковые фотодиоды, эффект Пельтье.

Инфракрасные фотодиоды, 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 или взрывоопасных газов.

Полупроводниковый фотодиод — это фоточувствительный полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды ср—«-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 (1й) от напряжения), световая характеристика, спектральная характеристика и темновое сопротивление. Обратный ток фотодиодов представляет собой сумму диффузионной составляющей, генерационно-реком-бинационного 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 сольно зависят качества поверхности.

Поверхность большинства полупроводников А3В5 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 спиртовых сульфидных растворах позволила существенно понизить темновой ток в р—и-меза-диодах [6]. Перспективно использование фуллеренов молекул С60, С70, ..., С84, С90,..., С120... и т.д. в сопряженных полимерных системах так как они имеют энергию сродства к электрону ~2.65—2.7 эВ, что в несколько раз превышает значение энергии сродства к электрону внутримолекулярных акцепторов органических молекул [7].

Основная проблема для фотодиодов — это понижение токов утечек и как следствие понижение тем-нового тока. Для решения этих проблем мы предлагаем обрабатывать поверхность полупроводниковых приборов (фотодиодов) смесью высших фуллеренов (И-1-т1х) — С76 + С78 + С84 + С90 +. Фуллереновые пленки представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны ~2.0—2.2 эВ, и имеют удельное объемное электрическое сопротивление ру ~ 1.4 х 10-4 Ом м вплоть до высоких температур. Данная работа является продолжением работы [8], в которой для этих же целей нами был использован индивидуальный легкий фуллерен С70.

Цель настоящей работы — исследование влияния покрытия И-1-т1х на характеристики инфра-

AE, отн.ед.

InAs

Номер слоя

AE, отн.ед.

InAs

Номер слоя

Рис. 1. Энергетическая диаграмма фотодиодных структур (PD-36): 1 — я-1пАб$ЬРо 44, к = 2.5 мкм, 2 — и-1пАб, к = 1.5 мкм, 3 — ^-1пА8$ЪРо 44, к = 2.5 мкм; АЕ — ширина запрещенной зоны.

Рис. 2. Энергетическая диаграмма фотодиодных структур (PD-48): 1 — и-InAsg 9sSb0 05 к = 5 мкм, 2 — я-InAsSbPg зо, к = 2.5 мкм, 3 — и-InAso 88Sbo 12, к = = 3.5 мкм, 4 — _p-InAsSbPo3o, к = 2.5 мкм.

3

красных фотодиодов, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне 2—5 мкм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для решения поставленной задачи были выращены два типа фотодиодных структур, работающих в спектральном диапазоне 2—5 мкм, методами жидкофазной эпитаксии (LPE) на подложках InAs (100) я-типа. Первый тип структур (для фотодиодов с длиной волны 1.5—3.6 мкм) состоит из подложки InAs (100) c проводимостью я-типа (с концентрацией носителей заряда N~ 2 х 1016 см-3), на которой методом эпитаксии (LPE) последовательно выращивался широкозонный эмиттерный слой InAsSbP толщиной 2.5 мкм (1), далее — слой активной области InAs толщиной 1.5 мкм (2) и широкозонный эмиттерный слой твердого раствора InAsSbP толщиной 2.5 мкм (3). Преднамеренно легированный активный слой (N ~ 1 х 1015 см—3); широкозонный эмиттерный слой я-типа и варизонный слой легировались Si до концентрации носителей N ~ 5 х 1017 см—3; широкозонный эмиттерный слой ^-типа и контактный слой легировались Zn до концентрации носителей P ~ 2 х 1018 см—3. Более подробно технология описана в [2, 3]. Энергетическая диаграмма фотодиодных структур (Тип I) приведена на рис. 1.

Второй тип структур (для фотодиодов на длину волны 2—5 мкм) состоит из подложки InAs (100) c проводимостью я-типа (N ~ 2 х 1016 см—3), на которой методом LPE последовательно выращивался широкозонный эмиттерный слой InAsSbP толщиной 2.5 мкм (2), слой активной области твердого раствора InAsSb012 толщиной 3.5 мкм (3) и широкозонный эмиттерный слой твердого раствора InAsSbP толщиной 2.5 мкм (4). Чтобы согласовать решетку несоответствия между этими слоями и подложкой был выращен варизонный

слой InAsSb толщиной 5 мкм (1). Активный слой был преднамеренно легирован до концентрации носителей зарядов N ~ 1 х 1015 см-3); широкозонный эмиттерный слой я-типа и варизонный слой легировались Si до концентрации носителей зарядов N ~ 5 х 1017 см-3; широкозонный эмиттерный слой ^-типа легировался Zn до концентрации носителей зарядов Р ~ 2 х 1018 см-3. Более подробно технология описана в [4, 5]. Энергетическая диаграмма фотодиодных структур (Тип II) приведена на рис. 2. Из созданных структур методом фотолитографии и жидкостного химического травления изготавливались фотодиодные чипы.

Омические контакты к полупроводниковым гетероструктурам создавались методом термического вакуумного напыления со 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 наносилась смесь высших фуллеренов (И-1-тх) — С76 + С78 + С84 + С90 + ..., которая предварительно растворялась в толуоле. Далее растворитель испарялся в сушильном шкафу, и, таким образом, на поверхности твердого тела образовывалась сплошная непрерывная несольватированная пленка И-1-мх. После обработки пластины раскалывались на чипы площадью 500 х 500 мкм2. Чипы напаивались на корпус ТО-18. Таким образом, нами были изготовлены инфракрасные фотодиоды.

УФ

12

16

20

t, мин

I, отн.ед. 100

80 -

60 -

40 -

Рис. 3. Хроматограмма смеси высших фуллеренов h-f-mix.

Остановимся подробнее на составе смеси h-f-mix. Нами была использована сравнительно доступная смесь h-f-mix, полученная хроматогра-фическим методом после выделения из стандартной фуллереновой смеси легких фуллеренов (С60 и С70) на оригинальном минерально-углеродном сорбенте (см., например, патент [9]). Смесь h-f-mix получена в ЗАО ИЛИП, Санкт-Петербург. Содержание различных фуллеренов в h-f-mix определялось хроматографическим методом [10]. Условия анализа были следующими: жидкостной хроматограф — Lumachrom фирмы Lumex, Санкт-Петербург; сорбент — "Nucleosil C18", подвижная фаза - 25 мас. % CH3CN + 75 мас. % СН2С12, размер колонны — 4.6 х 250 мм, детектирование — спектро-фотометрическое на длине волны X = 254 нм.

Пример хроматограммы представлен на рис. 3. Видно, что, если не учитывать предпики, отвечающие содержанию ароматических растворителей (о-С6Н4(СН3)2 и о-С6Н4С12), то содержание высших фуллеренов в пробе составляет: C84 ~ 58 мас. % ; C76 « 24 мас. %; C78 ~ 16 мас. %; в сумме высших фуллеренов « 98 мас. %. Согласно анализу, основными определяемыми в образцах h-f-mix были легкие фуллерены С60 («0.9 мас. %) и С70 («1.2 мас. %), а также в небольших количествах так называемые эпоксиды фуллерена С60—С60ОХ («0.2 мас. % в сумме). Наличие эпоксидных примесей связано с использованием в процессе получения h-f-mix в качестве растворителя такого сильного растворителя как о-С6Н4С12, растворимость фуллеренов и их производных в котором очень высока (см., например, [11]). Эпоксидные формы просто не вымываются или вымываются много слабее при использовании более слабых растворителей (С6Н5СН3, СбНб, СС14, ...).

Использование такой не совсем "чистой" смеси высших фуллеренов обусловлено, прежде все-

20 0

5

X, мкм

Рис. 4. Спектры распределения фоточувствительности обоих типов диодов при 300 К.

го сугубо прагматическими причинами, поскольку, например себестоимость тако

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