Механізми переносу заряду та фотоелектричні процеси в діодних структурах на основі Hg3In2Te6

Уперше дано кількісний опис електричних характеристик фотодіодів Au-Hg3In2Te6 , Ni-Hg3In2Te6 та ІТО/Hg3In2Te6. Знайдені параметри, необхідні для опису фотоелектричних властивостей діодних структур: концентрацію некомпенсованих донорів, висоту потенціального бар`єра, час життя носіїв заряду. З`ясована роль дифузійного, генераційно-рекомбінаційного і тунельного механізмів переносу заряду у формуванні струму через діоди.

З`ясовані механізми процесів, що визначають фотоелектричну ефективність діодів на основі Hg3In2Te6 : дифузію носіїв заряду з нейтральної частини діодної структури, їх дрейф в області просторового заряду, поверхневу рекомбінацію, помноження фотогенерованих електронно-діркових пар при значних зворотних напругах.

Практичне значення одержаних результатів

Результати проведених досліджень поглиблюють розуміння причинних зв`язків параметрів застосовуваного матеріалу і діодної структури з технічними характеристиками фотодіодів. Одержані результати можуть бути застосовані в розробці та виробництві конкурентоздатних фотодіодів для волоконно-оптичних ліній зв'язку.

Публікації та особистий внесок здобувача

За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 праць. З них: 3 статті в наукових журналах, 1 у збірнику наукових праць, 6 тез конференцій (перелік праць наведено в Додатку 1).

Особистий внесок здобувача у працях [Д1, Д2, Д10] полягає у проведенні усіх вимірювань характеристик діодів Шотткі, виготовлених на кристалах з різним питомим опором, зіставленні розрахованих характеристик з результатами експерименту, визначенні важливих параметрів, якими є час життя носіїв заряду й енергія іонізації домінуючої домішки (дефекту). У працях [Д3-Д4, Д6-Д8] - у проведенні експериментальних досліджень електричних і оптичних характеристик зразків, комп'ютерній обробці одержаних даних. У публікаціях [Д5,Д6,Д9] дисертанту належить проведення експерименту, комп'ютерна обробка результатів вимірювань і розрахунків фотоелектричних характеристик досліджуваних фотодіодів.

Аналіз одержаних результатів, їх інтерпретація та формулювання основних висновків роботи зроблені дисертантом або самостійно, або разом із співавторами опублікованих праць. Зразки для досліджень виготовлені на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького національного університету з участю дисертанта, монокристали Hg3In2Te6 вирощені на кафедрі фізики напівпровідників і наноструктур ЧНУ.

Апробація результатів дисертації

Основні результати досліджень, викладені у дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на семінарах кафедри оптоелектроніки ЧНУ, а також на таких наукових конференціях:

Міжнародній конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Еврика - 2005” (Львів, 2005),

ХІХ Міжнародній науково-технічній конференції з фотоелектроніки та приладів нічного бачення. (Москва 2006),

XXXV International School on the Physics of Semiconducting Compounds (Warsaw 2006),

XXXVI International School on the Physics of Semiconducting Compounds (Warsaw, 2007),

Українській науковій конференція з фізики напівпровідників (Одеса , 2007),

ХІ Міжнародна конференції з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 2007).

Структура дисертації

Дисертаційна робота складається зі вступу, аналітичного огляду з теми дослідження (розділ 1), трьох оригінальних розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 98 найменувань. Загальний обсяг дисертації складає 129 сторінок, містить 56 рисунків.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв'язок з науковими програмами і темами досліджень, які виконувались або виконуються у Чернівецькому національному університеті, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено дані про апробацію роботи, публікації та особистий внесок дисертанта.

У першому розділі представлено аналітичний огляд літератури з теми дослідження. Розглянуто фізико-хімічні, електричні, оптичні характеристики та параметри монокристалів Hg3In2Te6. Проаналізовано влив домішок на їх властивості. Обґрунтовано необхідність подальшого дослідження як застосовуваного матеріалу, так і фізичних процесів у Hg3In2Te6 діодних структурах з метою поліпшення характеристик приладів на основі ртутно індієвого телуриду.

Другий розділ присвячений дослідженню електричних і оптичних властивостей монокристалів Hg3In2Te6, застосовуваних для виготовлення фотодіодних структур. Електричні властивості матеріалу, які необхідно знати для інтерпретації властивостей напівпровідникового детектора оптичного випромінювання та їх кількісного опису - електропровідність, концентрацію та рухливість носіїв заряду, а також їх поведінку при зміні температури, - визначено з ефекту Холла. Результати досліджень показали, що електропровідність досліджуваних монокристалів ( 1 Омсм) має домішковий (електронний) характер. Специфічний характер залежності концентрації електронів n від температури Т дозволив припустити участь в електропровідності двох типів донорних домішок: мілких при низьких температурах і глибших - при підвищених температурах

Концентрації (Nd1 і Nd2) й енергії іонізації (Ed1 і Ed2) цих донорів, знайдені із розв'язку рівняння електронейтральності

. (1)

де, (2)

концентрації дірок відповідно на мілких і глибших донорах, - енергетична віддаль рівня Фермі від дна зони провідності напівпровідника (k - постійна Больцмана, Т - абсолютна температура). Розв`язок рівняння (1) відносно дозволив знайти енергії іонізації донорів, що визначають електропровідність матеріалу, яка дорівнює відповідно 0,063 еВ і 0,18 еВ, а також їх концентрацію (відповідно 2,61015 см-3 і 11016 см-3).

Рухливість електронів мn у досліджуваних монокристалах Hg3In2Te6 при 300 К складає біля 650 см2/(Всм) (що свідчить про доволі високу якість матеріалу) і помітно зростає зі збільшенням температури від 100 до 400 К (2). Враховуючи високу концентрацію донорів у застосованому матеріалі ( 1 Омсм), можна було припустити, що рухливість носіїв заряду в застосовуваному низькоомному матеріалі зумовлена розсіюванням іонами домішок. У цьому разі для мn справедлива відома формула Конвелл-Вайскопфа

, (3)

де - відносна діелектрична сприйнятливість, k - постійна Больцмана, q - заряд електрона, ro - радіус екранування, у невиродженому напівпровіднику дорівнює (okT/q2n)1/2.

У досліджуваних монокристалах мn зростає з температурою як мn Т1,3, а не мn Т1,5, як це випливає з (3), що пояснюється деякою участю у розсіюванні нейтральних центрів (стехіометричних вакансій), концентрація яких у монокристалах Hg3In2Te6 значна.

У другому розділі наведені також результати дослідження оптичних констант Hg3In2Te6, необхідні для інтерпретації спектрів чутливості фотодіодів. Коефіцієнти заломлення n і екстинції у широкому інтервалі міжзонних переходів (0,4-1,7 мкм) знайдені з результатів вимірювань коефіцієнта відбивання світла, поляризованого паралельно RII і перпендикулярно R до площини падіння, при різних кутах падіння 1 і 2 за методикою сферичного фотометра. Значення n і знаходились із розв`язку рівнянь

, . (4)

На доповнення до отриманих залежностей n() і (), а з них () і R(), зі спектрів оптичного пропускання знайдена також температурна залежність ширини забороненої зони Hg3In2Te6 в інтервалі 248-353 К яка описується формулою

Eg(Т) = Egо - Т (5)

де Egо = 0,7715 еВ, а температурний коефіцієнт зміни ширини забороненої зони = dEg/dТ = 1,710-4 ВК-4.

У третьому розділі досліджуються механізми переносу заряду в Au-Hg3In2Te6, Ni-Hg3In2Te6 діодах Шотткі, виготовлених на монокристалах з різним питомим опором (1 Ом•см та 103 Ом·см відповідно) та гетероструктурах ІТО-Hg3In2Te6, де ІТО - SnO2+In2O3.

Врахування опору об`ємної частини діодної структури Rs приводить до появи на вольт-амперній (I-V) характеристиці Au-Hg3In2Te6 і Ni-Hg3In2Te6 діодів протяжної ділянки, на якій струм описується залежністю I ~ exp(qV/2kT)1, (V - прикладена напруга), що характерне для рекомбінаційного механізму прямого струму через діод. Значення Rs знаходилось із залежності диференціального опору діода від напруги при прямому включенні в області великих струмів. При значних прямих струмах проявляє себе також інший механізм переносу заряду - надбар'єрне проходження носіїв, коли I~exp(qV/kT).

Зіставлення з експериментом показує, що I-V характеристика діодів Au-Hg3In2Te6 і Ni-Hg3In2Te6 в основному описується теорією генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі [3], згідно з якою струм через діод визначається інтегруванням швидкості генерації-рекомбінації по всій області просторового заряду:

(6)

де А - площа діода, n(x,V) і p(x,V) - концентрації вільних носіїв заряду у зоні провідності та валентній зоні [4] відповідно,

, , (7)

W - ширина області просторового заряду

, (8)

n1 і p1 -рівноважні значення вільних носіїв у зонах за умови, що рівень Фермі збігається з рівнем центру рекомбінації, nі - власна концентрація носіїв, no і po - ефективні часи життя електронів і дірок в області просторового заряду, (x, V) - залежність потенціальної енергії електрона від координати і прикладеної напруги, Nv і Nc - ефективна густина станів у валентній зоні та зоні провідності. Експериментальні I-V характеристики найліпше узгоджуються з кривими, розрахованими за формулою (6) при n =p=8108 с, o=0,37 еВ для Au-Hg3In2Te6 і n=p=2108 с та o=0,36 еВ для Ni-Hg3In2Te6.

Виміряні зворотні струми при підвищенні напруги відхиляються від теорії завдяки тунелюванню носіїв заряду крізь бар`єр на контакті Шотткі. Тунельне проходження основних носіїв описується формулою

, (9)

де n(x) - потік електронів, що підходять до бар`єра з боку металу, D(E) - коефіцієнт тунельної прозорості

, (10)

x1 і x2 - точки повороту.

При достатньо високих зворотних напругах, коли o - qV >> o, вираз (9) для тунельного струму набуває вигляду [4]

. (11)

Зіставлення формули (11) з ходом тунельної компоненти струму, знайденої з експериментальних значень струму свідчить про задовільне узгодження теорії з експериментом за формою. Проте абсолютні значення розрахованих струмів значно менші від виміряних. Тому доводиться припустити, що в досліджуваних діодах відбувається не “холодна”, а термостимульована (термопольова) емісія електронів з металу в напівпровідник. Число тунелюючих електронів, розподілених за енергіями, можна представити у вигляді

. (12)

де коефіцієнт тунельної прозорості D(E) знаходиться інтегруванням формули (6) від x1 до x1 [5]:

. (13)

Результати розрахунку за формулою (9) з урахуванням (10) і (11) при 300 К показують, що тунелювання електронів у напівпровідник відбувається не з енергетичних рівнів у околі рівня Фермі в металі,а значно вищих, тобто процес має термостимульований характер

Типові вольт-амперні характеристики досліджуваних ІТО-Hg3In2Te6 гетероструктур добре узгоджуються з термоелектронною теорією переносу заряду у діодному наближенні й описуються формулою

, (14)

де A - площа діода,

A=2k2/h2

постійна Річардсона, - ефективна маса електрона. Зображено зіставлення експериментальних даних (кружечки) з розрахованим за формулою (14) з урахуванням спаду напруги на послідовно включеному опорі об'ємної частини діода і параметрів бар`єра, знайдених незалежними методами, засвідчує добре узгодження теорії з результатами вимірів при різних температурах.

Четвертий розділ присвячений дослідженню фотоелектричних характеристик діодів на основі Hg3In2Te6. Виміряний у широкому діапазоні довжин хвиль (0,6-1,8 мкм) спектральний розподіл фотоелектричного квантового виходу діодів залежить від технології виготовлення та питомого опору застосовуваних монокристалів. Для діодів Ni-Hg3In2Te6 (питомий опір матеріалу 103-104 Омсм) характерна наявність у спектрі гострого піка на довжині хвилі 1,5 мкм, для Au-Hg3In2Te6 (питомий опір 1-10 Омсм) - доволі рівномірна чутливість у широкому інтервалі довжин хвиль = 0,6-1,4 мкм. Форма спектра чутливості ITO-Hg3In2Te6 діодної структури займає проміжне положення між спектрами чутливості Шотткі Au-Hg3In2Te та Ni-Hg3In2Te6.

Привертає увагу значно нижча швидкість поверхневої рекомбінації у разі Au-Hg3In2Te6 діодів, а для ITO-Hg3In2Te6 діодів поверхнева рекомбінація виявляє себе лише на ділянці спектра 1,2 мкм. Значний вплив поверхневої рекомбінації у випадку Ni-Hg3In2Te6 діодів пов`язаний з електричними характеристиками монокристала, який був використаний для виготовлення діода: його питомий опір вищий, концентрація некомпенсованих донорів нижча на декілька порядків порівняно з відповідними параметрами кристалів, використаних для виготовлення Au-Hg3In2Te6 діода. При варіюванні температури форма спектральних кривих видозмінюється, але їх головні риси зберігаються.

Спостережувані спектри фотоелектричної ефективності описуються, виходячи з рівняння неперервності (з урахуванням поверхневої рекомбінації, дрейфової та дифузійної компонент фотоструму), яке для неосновних носіїв (в електронному напівпровіднику дірок) має вигляд

, (15)

де p - надлишкова концентрація дірок, o - число фотонів, що падають на одиницю площі за одиницю часу.

Залежність від координати напруженості електричного поля в області просторового заряду задається формулою

. (16)

Розв'язок рівняння (15) дає вираз [6,7]:

. (17)

Результати проведених розрахунків спектрів фоточутливості діодних структур виходячи з моделі, що враховує зазначені процеси, задовільно описують особливості виміряних залежностей. Варіюванням параметрів матеріалу (концентрації некомпенсованих домішок і часом життя ) досягнуто пояснення всіх особливостей спостережуваних спектрів фоточутливості.

У Au-Hg3In2Te6 фотовольтаїчній структурі поверхнева рекомбінація залежить від спектрального складу випромінювання, посилюючись при збільшенні коефіцієнта поглинання б та швидкості поверхневої рекомбінації S. Вплив величини S на квантовий фотоелектричний вихід у діоді Шотткі на основі напівпровідника n-типу провідності при великих б (а саме таких, що бW >> 1) описує формула (17).

Для діодів Ni-Hg3In2Te6 найліпший збіг результатів проведених вимірів спектральних кривих і розрахунків спостерігається при концентрації некомпенсованих донорів Na-Nd = 5•1015 см-3, для Au-Hg3In2Te6 діодів - при Na-Nd = 1•1015 см-3, а для ITO-Hg3In2Te6 діодів - при Na-Nd = 1•1013 см-3.

При досягненні деякого значення прикладеної до діодів Ni-Hg3In2Te6 зворотної напруги фотострум, збуджуваний широкосмуговим випромінюванням, починає відхилятись від сублінійної залежності внаслідок впливу ефектів сильного електричного поля, що підтверджується лавинним помноженням фотоструму при збільшенні напруги.

На довжині хвилі 1,55 мкм коефіцієнт поглинання в Hg3In2Te6 значно більший, а тому детектуюча здатність Hg3In2Te6 діода значно вища порівняно з германієм. Перевага Hg3In2Te6 діода полягає також у меншій чутливості його параметрів до зміни температури навколишнього середовища. Пояснюється це тим, що довжина хвилі 1,55 мкм припадає на ділянку різкої зміни коефіцієнта поглинання германію, тому незначні коливання температури, зумовлені температурною залежністю ширини забороненої зони, викликають помітні зміни фотоструму у колі фотодетектора.

На відміну від германію, для Hg3In2Te6 довжина хвилі 1,55 мкм припадає на ділянку слабшої зміни коефіцієнта поглинання і тому вплив коливання температури на фотострум виявляється теж слабкішим

При зростанні температури від - 20С до + 50С фоточутливість Ge фотодіода спадає майже на 2 порядки, тоді як для Hg3In2Te6 фотодіода - усього в 2,5-3 рази.

Основні результати і висновки

Результати проведених досліджень фізичних процесів, що визначають параметри та характеристики фотоелектричних діодних структур на основі Hg3In2Te6, зводяться до таких найважливіших положень і висновків:

1. Застосовувані для виготовлення фотодіодів монокристали Hg3In2Te6 мають яскраво виражену домішкову (електронну) провідність. Знайдені з вимірів ефекту Холла концентрація та рухливість електронів при 300 К дорівнюють відповідно 1015-1016 см-3 і 400-650 см2·В-1·с-1. Енергія іонізації донорів, які визначають електропровідність низькоомного матеріалу ( 1 Омсм) дорівнює 0,063 еВ і 0,18 еВ, їх концентрація 1015-1016 см-3. Рухливість електронів у низькоомному матеріалі зумовлена розсіюванням переважно зарядженими центрами й зростає при підвищенні температури.

2. Знайдена зі спектрів оптичного пропускання та фоточутливості діодів температурна залежність ширини забороненої зони Hg3In2Te6 в інтервалі 248-353 К описується формулою Eg(Т) = Egо - Т, де Egо = 0,7715 еВ, = 1,710-4 еВК-4. З вимірювань коефіцієнта відбивання поляризованого світла одержано криву поглинання () у широкій області міжзонних переходів (0,4-1,7 мкм), доповнену результатами вимірювань оптичного пропускання на ділянці hv Eg.

3. Електричні характеристики Hg3In2Te6 діодів Шотткі знаходять кількісний опис в рамках моделі генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі з урахуванням особливостей процесів, що відбуваються в поверхнево-бар'єрній структурі (розподілу потенціалу, поверхневої рекомбінації). На форму вольт-амперної характеристики діодів суттєво впливає енергія іонізації генераційно-рекомбінаційного центру (0,21-0,26 еВ) і висота потенціального бар`єра (0,35-0,37 еВ).

4. Механізмом переносу заряду, що визначає темновий струм у ITO/Hg3In2Te6 гетероструктурі, є надбар'єрне проходження основних носіїв заряду (термоелектронна емісія). Висота потенціального бар'єра на контакті з боку ІТО складає 0,54 еВ, вигин зон біля поверхні Hg3In2Te6 - 0,24 еВ. Температурні зміни вольт-амперної характеристики діодів описуються у рамках механізму термоелектронної емісії.

5. При зворотних напругах, вищих за 15-20 В, теплова генерація носіїв у формуванні струму в Hg3In2Te6 фотодіодах доповнюється термостимульованим тунелюванням електронів з металу в напівпровідник. При високих зворотних напругах спостерігається також додаткове зростання фотоструму, зумовлене ударною іонізацією атомів кристалічної гратки під дією сильного електричного поля в області просторового заряду.

6. Із досліджень електричних властивостей Hg3In2Te6 діодів знайдені необхідні для інтерпретації характеристик фотодіодів параметри матеріалу підкладинки та бар`єрної структури: час життя 10-8-10-9 с, концентрація генераційно-рекомбінаційних центрів 1014-1016 см-3, висота потенціального бар`єра 0,24-0,37 еВ (залежно від типу діодної структури).

7. Спектральний розподіл фотоелектричної квантової ефективності діодних структур Au-Hg3In2Te6 , Ni-Hg3In2Te6 та ITO-Hg3In2Te6 описується, виходячи з рівняння неперервності з урахуванням дрейфової та дифузійної компонент фотоструму, а також поверхневої рекомбінації. Вплив поверхневої рекомбінації особливо суттєвий у діодах, виготовлених на монокристалах з високим питомим опором (103-104 Омсм).

Список цитованої літератури

1. А.И. Малик, Г.Г. Грушка. Самокалиброванный измерительный фотодиод на основе дефектного полупроводника Hg3In2Te6 для спектрального диапазона 0,85-1,5 мкм. // ЖТФ. - 1990. - 60, №10. - С.188-190.

2. В.М. Кошкин, И.Н. Воловичев, Ю.Г. Гуревич, Л.П. Гальчинский, И.М. Раренко. Материалы и устройства с гигантским радиационным ресурсом // В книге.: Диэлектрики и полупроводники в детекторах излучения. - Харьков: Институт монокристаллов, 2006, С. 5-64.

3. Sah C., Noyce R., Shockley W. Carrier generation and recombination in p_n-junction and p-n-junctions characteristics // Proc. IRE. -1957. -Vol. 45, №9. -P. 1228-1243.

4. Л.А. Косяченко, В.П. Махний, И.В. Потыкевич. Генерация-рекомбинация в области пространственного заряда контакта металл-CdTe // УФЖ. - 1978. - 23, №2. - C. 279-286.

5. И.С. Кабанова, Л.А Косяченко, В.П Махний. Туннелирование в фос-фид-галлиевых диодах Шоттки// ФТП 1987 21, №11, с.2087-2090.

6 Lavagna M., Pique J.P., Marfaing Y. Theoretical analysis of the quantum photoelectric yield in Schottky diodes // Solid State Electron. -1977. - 20. - P. 235-240.

7 L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, Ye.F. Sklyarchuk, K.S. Ulyanitsky. Surface-barrier p-CdTe-based photodiodes // Semicond. Sci. Technol. - 1999. - 14. - P. 373-377.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в таких публікаціях:

1 Л.А. Косяченко, С.Ю. Паранчич, В.Н. Макогоненко, В.М. Склярчук, Е.Ф. Склярчук, И.И. Герман. Электрические свойства поверхностно-барьерной фотодиодной структуры на основе HgInTe // ЖТФ.-2003.- 73, №5.- С. 126-129

2 Л.А. Косяченко, И.М. Раренко, Е.Ф. Склярчук, И.И. Герман, Sun Weiguo. Электрические характеристики фотодиодов ІТО/HgInTe // ФТП. - 2006. - 40, №5.- С. 568-571.

3 Л.А. Косяченко, І.І. Герман, С.Ю. Паранчич, С.Г. Гумінецький // Оптичні характеристики Hg3In2Te6 як матеріалу для фотодіодів на 1,55 мкм// УФЖ. - 2006. - 51, №11-12.- С. 1048-1053

4 І.І. Герман. Фотоприймач на основі телуриду ртуті-індію для кварцового оптичного волокна // Науковий вісник Чернівецького університету. Випуск 303. Фізика. Електроніка. Чернівці. 2006. - C.81-84.

5 В. Кульчинський, І. Герман. Фотодіоди для волоконно-оптичного зв'язку на основі Hg3In2Te6 i Hg0.4Cd0.6Te // Збірник тез Міжнародної конференції студентів і молодих вчених з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРИКА -2005”. - Львів, Україна, 2005. - С.76.

6 Л.А. Косяченко, И.И. Герман, В.М. Склярчук, И.М. Раренко. Электрические и фотоэлектрические свойства фотодиодов

Au-HgInTe и ITO-HgInTe для волоконно-оптической связи Сборник тезисов ХІХ Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. - Москва, Россия, 2006. - С.63.

7 I.I. German, L.A. Kosyachenko, V.M. Sklyarchuk, I.M. Rarenko.

Application Possibilities of Au-HgInTe and ITO-HgInTe Photodiodes in Fiber-Optic Communications // XXXV Intern. school on the physics of semiconducting compounds. - Warsaw, Poland, 2006. - Р. 140.

8 I.I. German, L.A. Kosyachenko. Optical and Electrical Characteristics of Hg3In2Te6 Crystals for 1.55 m Photodiodes // XXXVI International school on the physics of semiconducting compounds - Warsaw, 2007. - Р. 183.

9 В.М. Склярчук, О.Ф. Склярчук, І.І. Герман, З.І. Захарук, Є.В. Рибак, І.М. Раренко. Au-HgInTe фотодіод для волоконно-оптичних ліній зв'язку. Українська наукова конференція з фізики напівпровідників - Одеса, 2007. - С.330.

10. В.М. Склярчук, З.І. Захарук, Є.В.Рибак, І.М. Раренко, О.Ф. Склярчук, І.І. Герман. Електрофізичні властивості діодів Шотткі

Ni- Hg3In2Te6// ХІ Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок - Івано-Франківськ 2007.- С.182а.

Анотація

Іванна Герман. Механізми переносу заряду та фотоелектричні процеси в діодних структурах на основі Hg3In2Te6. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - Фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2007.

У дисертації представлено результати дослідження фізичних процесів, що визначають електричні, оптичні та фотоелектричні характеристики діодних структур на основі телуриду ртуті-індію.

Знайдено характеристики монокристалів, необхідні для інтерпретації властивостей напівпровідникового детектора оптичного випромінювання: електропровідність (питомий опір), концентрацію та рухливість носіїв заряду, а також їх поведінку при зміні температури. Показано, що застосовувані для виготовлення фотодіодів монокристали Hg3In2Te6 мають яскраво виражену домішкову (електронну) провідність. У спектральному діапазоні 0,4-1,7 мкм знайдені показник заломлення та коефіцієнт екстинції Hg3In2Te6, необхідні для розрахунків фотоелектричної ефективності діодів.

Досліджено механізми переносу заряду в Au-Ni-Hg3In2Te6 і Ni-Hg3In2Te6 діодах Шотткі та ITO-Hg3In2Te6 гетероструктурах. Доведено, що вольт-амперні характеристики діодів добре узгоджуються з теорією генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі з урахуванням особливостей процесів у діоді Шотткі. Розбіжність експериментальної та теоретичної кривих при значних прямих напругах зумовлене внеском надбар'єрного струму у діодному наближенні. Домінуючим механізмом переносу заряду в ITO/Hg3In2Te6 гетероструктурі є надбар'єрне проходження основних носіїв заряду.

Досліджено спектри фоточутливості діодних структур на основі Hg3In2Te6. Проведено їх розрахунки, виходячи з моделі, що враховує дрейфову та дифузійну складові струму, а також поверхневу рекомбінацію. Варіюванням параметрів матеріалу (концентрації некомпенсованих домішок і часу життя носіїв) досягнуто пояснення експериментальних спектрів фоточутливості діодних структур різного типу.

Ключові слова: Hg3In2Te6, діод Шотткі, гетероструктура, фотодіоди, механізми переносу заряду, генерація, рекомбінація, концентрація некомпенсованих домішок, час життя носіїв, фотоелектрична квантова ефективність.

Summary

Ivanna German. Transport properties and photoelectric processes in Hg3In2Te6-based diode structures. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's Sciences degree by speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - Yuri Fed'kovych Chernivtsi National University, 2007.

The dissertation reports the study of the physical processes determining electrical, optical and photoelectric characteristics of the diode structures based on Hg3In2Te6.

The electrical conductivity, the concentration and mobility of electrons, their behavior at the temperature variation, required for interpretation of the detector properties, as well as the optical constants in a wide range of the wavelengths, required for calculations of the photoelectric efficiency, have been found. It is shown that Hg3In2Te6 crystals used for fabrication of photodiodes exhibit a clearly defined impurity (electronic) conduction.

The charge transport mechanisms in Au-Ni-Hg3In2Te6 and Ni-Hg3In2Te6 Schottky diodes and ITO-Hg3In2Te6 heterostructures are investigated. It is proved that the current-voltage characteristics of the diodes are in agreement with the recombination-recombination Sah-Noyce-Shockley theory with account made for the peculiarities of the processes in a Schottky diode. The deviation of the theoretical curves from the measured ones at higher direct voltages is caused by contribution of over-barrier current under the diode approximation theory. The main transport mechanism determining the dark current in ITO/Hg3In2Te6 heterostructures is an over-barrier electron flow.

The spectral response of the Hg3In2Te6-based diode structures are also studied. The calculation based on the model taking into account the drift and diffusion components of photocurrent as well as surface recombination have been carried out. Varying the parameters of the material (the uncompensated impurity concentration and the carrier lifetime), an explanation of the experimental photoresponse spectra of different types of diode structures has been attained.

Key words: Hg3In2Te6, Schottky diode, heterojunction, photodiodes, charge transport mechanism, generation, recombination, uncompensated impurity concentration, carrier lifetime, photoelectric quantum yield.

Аннотация

Иванна Герман. Механизмы переноса заряда и фотоэлектрические процессы в диодных структурах на основе Hg3In2Te6. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2007.

В диссертации представлены результаты исследования физических процессов, определяющих электрические, оптические и фотоэлектрические характеристики диодных структур на основании Hg3In2Te6, для использования в волоконно-оптических линиях связи.

Найдены характеристики монокристаллов, необходимые для описания особенностей полупроводникового детектора оптического излучения: электропроводность (удельное сопротивление), концентрация и подвижность носителей заряда, а также изучено их поведение при изменении температуры. Подвижность электронов в низкоомном материале обусловлена рассеянием преимущественно заряженными центрами и увеличивается с ростом температуры. Показано, что монокристаллы Hg3In2Te6, используемые для изготовления фотодиодов, имеют ярко выраженную примесную проводимость, обусловленную донорными примесями двух типов (энергия ионизации 0,063 и 0,18 эВ).

Из спектров оптического пропускания и фоточувствительности диодов получена температурная зависимость ширины запрещенной зоны в интервале температур 248-353 К, а также найден температурный коэффициент ее изменения = dEg/dТ = 1,710-4 еВК-4. В широком спектральном диапазоне (0,4-1,7 мкм) из спектров отражения поляризованного света найдены оптические константы (показатель преломления и коэффициент экстинкции) Hg3In2Te6, необходимые для расчета фотоэлектрической квантовой эффективности диодов.

Исследованы механизмы переноса заряда в Au-Hg3In2Te6, Ni-Hg3In2Te6 диодах Шоттки и ITO-Hg3In2Te6 гетероструктурах. Доказано, что вольт-амперные характеристики Au-Hg3In2Te6 и Ni-Hg3In2Te6 структур хорошо согласуются с теорией генерации-рекомбинации Саа-Нойса-Шокли с учетом особенностей процессов, происходящих в диоде Шоттки. Расхождение экспериментальной и теоретической кривых при значительных обратных напряжениях обусловлено надбарьерным током в рамках модели диодного приближения, а при еще больших обратных напряжениях - эффектами сильного электрического поля в барьерной области, в частности, ударной ионизацией атомов носителями заряда. Выявлена особенность механизма переноса заряда в ITO-Hg3In2Te6 гетеропереходе, которая объясняется надбарьерным прохождением основных носителей заряда, а температурные изменения вольт-амперной характеристики диодов описываются в рамках механизма термоэлектронной эмиссии.

Из исследования электрических свойств диодов на основе Hg3In2Te6 найдены необходимые для интерпретации характеристик фотодиодов параметры материала подложки и барьерной структуры: время жизни, высота потенциального барьера.

Исследованы спектры чувствительности фотовольтаических структур на основе Hg3In2Te6. Проведен их расчет, исходя из модели, учитывающей дрейфовую и диффузионную составляющие тока, а также поверхностную рекомбинацию. Варьированием одного из параметров материала, а именно, концентрацией некомпенсированных примесей, достигнуто описание экспериментальных спектров фоточувствительности диодных структур разного типа. Поверхностная рекомбинация проявляется только в диодах, изготовленных на высокоомном материале (103-104 Омсм).

Ключевые слова: Hg3In2Te6, диод Шоттки, гетероструктура, фотодиоды, механизм переноса заряда, высота барьера, генерация, рекомбинация, фотэлектрическая квантовая эффективность.

Размещено на Allbest.ru