МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 2, с. 88-92
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ
УДК 537.312.51
ВЛИЯНИЕ МАТЕРИАЛА ИНЖЕКТИРУЮЩИХ КОНТАКТОВ НА ВАХ ПЛЕНОК Pbx _ *Sn_,Te:In
© 2013 г. А. Н. Акимов, Д. В. Ищенко, А. Э. Климов, И. Г. Неизвестный, Н. С. Пащин,
В. Н. Шерстякова, В. Н. Шумский
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников
им. А.В. Ржанова СО Российской АН E-mail: paschin@isp.nsc.ru Поступила в редакцию 25.09.2011 г.
Рассмотрено протекание инжекционного тока в структурах Pbi _xSnxTe:In (х > 0.3) с контактами из разных металлов при гелиевой температуре. Приводятся вольт-амперные характеристики (ВАХ) структур в темноте и при освещении от модели АЧТ. Обнаружено, что ВАХ зависят от материала металлического контакта. Приводится распределение плотности локализованных состояний по запрещенной зоне в структурах с разными контактами, обсуждается влияние приконтактной области и локализованных состояний на ВАХ. Обсуждаются вопросы построения фотоприемников с оптимальными пороговыми характеристиками.
Б01: 10.7868/80544126913020038
ВВЕДЕНИЕ
Ранее было показано [1—3], что в твердом растворе РЪ _ х8пхТе:1п (СОТ:1п) с х = 0.24-0.26 и с концентрацией индия 1-3 ат. %, который при температуре Т < 20 К находится в высокоомном состоянии, преобладает монополярная инжекция электронов из контактов, а ток ограничен пространственным зарядом (ТОПЗ) с захватом электронов на локализованные центры в запрещенной зоне. При Т = 4.2 К удельное сопротивление образцов достигает значений р = 1010—1012 Ом • см, а вблизи Т = 20 К происходит сегнетоэлектрический фазовый переход и статическая диэлектрическая проницаемость достигает значений 103—104.
При анализе вольт-амперных характеристик (ВАХ) в этих работах, как и в теории ТОПЗ [4], предполагалось, что резервуар электронов при инжекции неограничен. Однако реальная структура и тип контактов могут играть существенную роль, определяя распределение потенциала как вблизи катода, так и вблизи анода, и оказывать влияние на протекание тока и на вид ВАХ. Не меньший интерес представляют подобные исследования на пленках с большим содержанием олова, у которых ширина запрещенной зоны при гелиевых температурах меньше и красная граница чувствительности сдвинута в длинноволновую область.
Цель настоящей работы — изучение влияния материала контактов на электрические и фото-
электрические свойства структур СОТ1п с содержанием олова более 30 ат. %.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
В работе исследовались стационарные ВАХ образцов, изготовленных из пленок СОТ:1п с составом х > 0.3, толщиной 1.6 мкм, выращенных на подложках ВаБ2 (111) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Измерения проводились в темноте и при освещении источником — моделью АЧТ при температуре 4.2 К. Образцы представляли собой структуры с двумя металлическими контактами, сформированными на поверхности пленки. Расстояние между контактами составляло 64, 32, 16 и 8 мкм и длина зазора была равна 0.2 см. Для формирования контактов были использованы алюминий (А1), никель, на который наносился алюминий (N1 + А1) и индий (1п).
Измерения эффекта Холла в исследуемых пленках показали, что с понижением температуры от 300 до 30 К концентрация электронов падает примерно на четыре порядка от 1018 см—3 до 1014см—3, а при Т < 20 К образец переходит в высо-коомное состояние, о котором говорилось выше.
Исследования структур проводились на стенде для измерения электрофизических и фотоэлектрических характеристик макетов фотоприемных устройств при гелиевых температурах в условиях низких фоновых потоков (рис. 1). Образец помещался в экранированную камеру, полностью исключающую его засветку каким-либо сторонним
I.
п
Г Образец I I СОТ:1п
Зачерненная полость Нагреватель
Полипропиленовое окно Ge терморезистор Откачка
Экран Сосуд Дьюара
о—о4-о—•
112.6 V
ТЯ-1452
Г6-28
АЦП Z210
РС
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки.
излучением. Измерительная схема на базе генератора сигналов специальной формы или источника постоянного напряжения позволяла проводить измерения на медленно изменяющемся или постоянном сигнале. Регулировка амплитуды и периода напряжения обеспечивают диапазон скорости его изменения в интервале 2 х 10—6—5 х х 106 В/с. Большинство измерений проводилось при скорости изменения напряжения в диапазоне 2 х 10—5—1 х 10—3 В/с.
Выходные сигналы подавались на вход аналого-цифрового преобразователя, подключенного к персональному компьютеру. В тех случаях, когда требовалось провести измерения при токах более 1 мА, использовалась импульсная схема измерений, позволяющая избежать разогрева образца. В этом случае на образец подавались импульсы напряжения прямоугольной формы с генератора импульсов, а напряжение с нагрузочных сопротивлений подавалось на вход осциллографа. Длительность импульса напряжения составляла 1-10 мкс, а период повторения импульсов — 1-10 мс, что на два-четыре порядка снижало рассеиваемую в образце мощность по сравнению с режимом постоянного тока.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения ВАХ были проведены на структурах с тремя типами контактов из разных металлов и разных зазоров между ними. На рис. 2 приведены ВАХ без освещения для 4-х разных зазоров структуры А1/СОТ:1п/А1, а на рис. 3 — ВАХ для трех структур с разными металлами, но с одинаковым зазором 32 мкм соответственно.
В целом, полученные зависимости описываются в рамках теории ТОПЗ. При малых напряжениях наблюдаются участки, которые аппроксимируются линейной, а затем и квадратичной зависимостью тока от напряжения. При дальнейшем росте напряжения наблюдается быстрое нарастание тока на 5—6 порядков, а потом — снова квадратичная зависимость. Первоначальный квадратичный участок ВАХ соответствует захвату инжектированных из контакта в пленку носителей заряда на ловушки в запрещенной зоне. По мере заполнения последних наблюдается быстрый рост тока и при напряжении, превышающем напряжение полностью заполненных ловушек (КПЗЛ), на ВАХ наблюдается безловушечный квадратичный закон. Однако ВАХ структур с разными контактами имеют заметные различия.
Из рис. 3 видно, что ВАХ структур с контактами из 1п и А1 сдвинуты по оси напряжений, но переход к квадратичной зависимости тока от напряжения наблюдается для всех трех структур при одном токе — около 10 мА. ВАХ структуры с контактом N1 + А1 отличается от них по форме: ток резко возрастает при напряжении около 50 мВ от значений меньших, чем 1 пА, и пересекает зависимость тока структуры с 1п. Для всех структур не выполняется соотношение для токов и ширины зазора, соответствующее теории ТОПЗ.
Можно ожидать, что и фототок будет разным для различных структур. Была измерена зависимость фототока (рис. 4) от температуры излучателя типа АЧТ размещенного в вакуумированной полости и снабженного выходным окном из полипропилена, расположенным вблизи образцов. Как видно из рис. 4, наблюдаются следующие отличия
90
АКИМОВ и др.
10—1 100 Напряжение V, В
101
Рис. 2. ВАХ структур с алюминиевыми контактами для разных зазоров между контактами. Величины зазоров указаны на рисунке.
10
—2
10—4 А
£ 10—6
100 10—2 10—4 10—6 10—8 10—10
¡0
1п....
А1 N1 + А 1
1
10—
10—3 10—2 10—1 100
10"
—10
10
10—12 10—3
101
_|_I_I_I I I
10-
10—1
Напряжение V, В
101
Рис. 3. ВАХ структур с зазором 32 мкм и контактами из различных металлов. Во врезке для структуры с контактом из А1 измеренное напряжение уменьшено в 6 раз; ¡0 — расчетное значение тока в образце с теми же параметрами, что в реальной пленке, но без ловушек.
в поведении зависимостей фототока для структур с контактами из N1 + А1 и контактами из А1:
— ток для структуры с N1 + А1 в области ТАЧТ = = 30—100 К примерно на три порядка больше, чем для структуры с А1;
— скорость нарастания тока при ТАЧТ > 100 К для структуры с N1 + А1 меньше, чем для структуры с А1, так что токи в температурной области ТАЧТ > 150 К отличаются между собой для этих структур только на порядок.
10-
-5
10
м
о н
| 10-7
10
10-
-9
! N1 + А1 / ■О-£-0-о- г*
! —о—о-о
1 1 мим \
■
:
1 1 II |ш \ --- А1
:
!
50 100 150
Температура АЧТ, К
200
Рис. 4. Зависимость фототока от температуры излучателя АЧТ для структур с контактами из различных металлов.
0
Вместе с тем зависимости тока от ТАЧТ для этих структур похожи: имеется область насыщения (или слабого роста) при изменении ТАЧТ от 30 до 110—120 К с последующим сильным (особенно для структуры с А1) ростом тока.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для всех этих металлов работа выхода меньше сродства к электрону для РЬТе (4.6 эВ). В этом случае после контакта в пленке СОТ должен образовываться слой обогащения. Так как для всех структур пленка и подготовка поверхности были одинаковы, то можно предположить, что наблюдаемые отличия в ВАХ и фототока связаны с различием свойств металлов, использованных в качестве контактов. При этих условиях наблюдаемые ВАХ структуры с контактами из А1 свидетельствуют о том, что сдвиг по оси напряжений связан с падением части напряжения на элементе цепи, включенном последовательно по отношению к "объему" пленки. Если это не так, то заряд, инжектируемый из контактов и равный произведению емкости на напряжение, оказывается значительно больше, чем для структур с контактами из индия и никеля, чего не может быть для одной и той же пленки. Для проверки этого предположения на качественном уровне измеренное напряжение на структуре с А1 было уменьшено в 6 раз. Соответствующая ВАХ приведена на врезке к рисунку 3. Как видно из рисунка, в этом случае ВАХ структур с А1 и с 1п совпадают с хорошей точностью друг с другом, но отличаются от ВАХ структуры с № + А1.
Из рассмотрения экспериментальных ВАХ без освещения видно, что переход к режиму ПЗЛ для структуры с контактами N1 + А1 наблюдается при меньших напряжениях, чем для структуры с контактами из А1, т.е. при одном и том же напряжении менее ~0.8 В заполнение ловушек электронами у первой структуры выше, чем у второй. Результаты расчета энергетического распределения плотности локализованных состояний, который был
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.