Фотоплеохроизм алмазоподобных полупроводников и поляриметрические структуры на их основе

2.2. Естественная оптическая анизотропия легированных монокристаллов CdSiAs2 и структур из иих.55.

2.2.1. Электрические и люминесцентные свойства кристаллов CdSiAs2.55.

2.2.2. Электрические и люминесцентные свойства кристаллов CdSiAs2.58.

2.2.3. Поляризация донорно-акцепторной фотолюминесценции в кристаллах CdSiAs2. .. .60.

2.2.4. Естествеиый фотоплеохроизм гетероструктур из легированных кристаллов CdSiAs2.. .64.

2.2.5. Фоточувствительность ячеек H20/p-CdSiAs2.65.

2.3. Естественная оптическая анизотропия гомопереходов из CdSiAs2.67.

2.3.1. Конверсия типа проводимости и люминесцентные свойства слоев п-типа.68.

2.3.2. Создание и фотоэлектрические свойства n-p-CdSiAs2.74.

2.3.3. Естественный фотоплеохроизм гомопереходов из CdSiAs2.79.

2.4. Обнаружение тонкой структуры в спектрах фоточувствительности n-p-CdSiAs2.80.

2.4.1. Фоточувствительность гомопереходов в неполяризованном излучеиии.81.

2.4.2. Поляризационное расщепление спектров фоточувствительности n-p-CdSiAs2.. .84.

2.5. Явление компенсации фотоплеохроизма. .. .86.

2.5.1. Компенсация естественного фотоплеохроизма в гетероструктурах n-In203/p-CdSiAs2.. 88.

2.5.2. Компенсация естественного фотоплеохроизма в гетероструктурах n-Sn02/p-CdGeP2.. 92.

2.6. Явление усиления естественного фотоплеохроизма в структурах n-p-CdSiAs2/n-In203.. 94.

2.7. Естественный фотоплеохроизм барьеров Шотки In/CdGeAs2.98.

2.8. Выводы.100.

3. Естественный фотоплеохроизм в структурах на основе монокристаллов А’ВП1СУ12.

3.1.

Введение

. .. 106.

3.2. Естественный фотоплеохроизм диодных структур па монокристаллах CuInSe2. 106.

3.3. Оптические свойства монокристаллов CuIno.95Ga0.o5Se2 и барьеров Шоттки из них... .112.

3.4. Фотоэлектрические свойства барьеров Шоттки In/CuGaS2.. .. ... .115.

3.5. Фотовольтаический эффект в барьеров Шоттки In/AgGaS2. .118.

3.6. Фоточувствительность структур на основе CuAlSe2.123.

3.7. Фотоэлектрические свойства гетерокоитактов InSe/CuAlS2.'.125.

3.8. Выводы.128.

4. Создание и фотоэлектрические свойства тонкопленочных структур на тройных полупроводниках.

4.1.

Введение

. .. ... 133.

4.2. Фоточувствительность структур из лазерно-осажденных пленок соединений а’вшСу12 и их твердых растворов.. .. .. 133.

4.3. Фоточувствительность ячеек тонкая пленка Си1п8е2/электролит.140.

4.4. Фотоэлектрохимические ячейки на стеклообразных полупроводниках AnBlvCv2.142.

4.5. Фотопроводимость тонких пленок CuInSe2.145.

4.6. Поляризационная фоточувствительность тонкопленочных гетероструктур CdS/CuInSe2-.. 147.

4.7. Наведенный фотоплеохроизм тонкопленочных солнечных элементов ZnO/CdS/Cu (In, Ga) Se2.. 151.

4.8. Фотопреобразование в гетероструктурах In2(VCdS/CuInSe2.157.

4.9. Наведенный фотоплеохроизм структур, полученных термообработкой CuInSe2 в различных средах.160.

4.10. Выводы.166.

5. Исследования поляризационной фоточувствительности барьеров Шоттки на полупроводниках АШВУ.

5.1.

Введение

.171.

5.2. Широкополосный наведенный фотоплеохроизм поверхностно — барьерных структур.172.

5.2.1. Поляриметрический эффект в структурах Au/монокристалл GaAs.172.

5.2.2. Поляриметрические свойства БШ металл/эпитаксиальный слой GaAs.174.

5.2.3. Поляризационная фоточувствительность БШ на объемных кристаллах GaP.176.

5.2.4. Фотоплеохроизм эпитаксиальиых GaP структур с БШ.. .178.

5.2.5. Фотоплеохроизм p-n-GaP структур.179.

5.2.6. Поляризационная фоточувствительность варизонных структур на эпитаксиальных слоях твердых растворов AmBv.181.

5.3. Селективный наведенный фотоплеохроизм барьеров Шоттки.183.

5.3.1. Узкополосная поляризационная фоточувствительность структур Au/n-GaAs.184.

5.3.2. Селективный поляриметрический эффект барьеров Шоттки Au/n-GaAs0.3Po.7.185.

5.4. Усиление наведенного фотоплеохроизма в структурах с барьером Шоттки.187.

5.4.1. Фотоплеохроизм двухбарьерных структур Au/n-GaAs/Au.188.

5.4.2. Гигантский селективный фотоплеохроизм структур Au/n-GaP/p-Si.193.

5.5. Выводы.'.195.

6. Проявления поляризационной фоточувствителыюсти в структурах на элементарных полупроводниках Si и Ge.

6.1.

Введение

199.

6.2. Поляризационная фоточувствительность солнечных элементов ITO/Si.200.

6.3. Фоточувствительность гетероструктур a-Si:H/c-Si.206.

6.4. Фоточувствительность гетероструктур a-Si:H/p-CuInSe2. 211.

6.5. Фоточувствительность гетероструктур пористый кремний/кремний. .216.

6.6. Осцилляции наведенного фотоплеохроизма в тонкопленочных структурах In (Au)/Si.221.

6.7. Фоточувствительность оптических гетероконтактов пористый кремний/слоистые полупроводники A BVI.226.

6.8. Поляризационная фоточувствительность гетероструктур p-Ge/n-CdGeP2.230.

6.9. Выводы.233.

7. Поляризационная фоточувствительность гетероструктур на основе полупроводников АШВУ и AnBVI.

7.1.

Введение

/.241.

7.2. Фоточувствительность гетероструктур n-CdS/p-InP.241.

7.3. Фоточувствительность структур (p±p")InP/n±CdS.249.

7.4. Фотопреобразование в солнечных элементах 1ТО/р±р*-1пР.253.

7.5. Фоточувствительность гетероструктурна основе GaN. 258.

7.5.1. Фоточувствителыюсть гетероструктур GaAs: N/GaAs и GaP: N/GaP.258.

7.5.2. Фотоэлектрические явления в гетероструктурах GaN/GaP... 264.

7.6. Фоточувствительность гетероструктур GaAlAs/GaAs в линейно-поляризованном свете... 268.

7.7. Выводы.. 273.

8. Поляризационная фоточувствительность гетероструктур AinBv/Si (Ge) и эффект гигантского наведенного фотоплеохроизма.

8.1.

Введение

. .. ... 280.

8.2. Наведенный фотоплеохроизм гетероструктур n-GaP/p-Si.280.

8.3. Поляризационная фоточувствительность гетероструктур n-GaAsxP,.x/p-Si.286.

8.4. Поляризационные свойства фоточувствительности эпитаксиальных GaPструктур на Si-подложках.. .. .. .290.

8.5. Поляризационная фоточувствительность гетероструктур GaN/Si.293.

8.6. Фотоэлектрические явления в гетероструктурах p-GaAs/n-Ge.. .. ... 299.

8.7. Эффект усиления наведенного фотоплеохроизма. ... .301.

8.8. Выводы.308.

Заключение

.. 316.

Приложение:

Поляризационная фоточувствительность полупроводников.

П1.1. История проблемы.. .322.

П 1.2. Взаимодействие электромагнитной волны с полупроводником .324.

П 1.3. Явление фотоплеохроизма в полупроводниках.. 327.

П 1.4. Поляризационная фотоэлектрическая спектроскопия полупроводников. 336.

П1.4.1. Измерения характеристик естественного фотоплеохроизма. 338.

П1.4.2. Измерения характеристик наведенного фотоплеохроизма... 339.

Список литературы

343.

Условные обозначения и сокращения:

ПФ — поляризационная фоточувствительность,.

ЛПИлинейно-поляризованное излучение,.

ПФС — поляризационная фотоэлектрическая спектроскопия,.

ФЧ — фоточувствительность,.

ФП — фотопроводимость,.

ФЛ — фотолюминесценция,.

ВАХ — вольт-амперная характеристика,.

ЕФ (НФ) — естественный (наведенный) фотоплеохроизм,.

ГП — гомопереход,.

ГС — гетероструктура,.

БШ — барьер Шоттки,.

ФЭХЯ — фотоэлектрохимическая ячейка,.

СЭ — солнечный элемент,.

ДАР — донорно-акцепторная рекомбинация,.

ПП — плоскость падения излучения,.

КПД — коэффициент полезного действия,.

НК (ВК) — низкотемпературная (высокотемпературная) кристаллизация, ТО — термообработка, КТП — конверсия типа проводимости, а, с — параметры элементарной кристаллической ячейки, т — тетрагональная деформация решетки, Pcd, Pas — парциальное давление паров Cd (As), c-Si (Р Si, a-Si) — кристаллический (пористый, аморфный) кремний, Тп (Тт, Ts, Ти) — температура фазового перехода (термообработки, подложки, испарения), tj — время термообработки, Ес — ширина запрещенной зоны, dEo/dT — температурный коэффициент изменения ширины запрещенной зоны,.

Е — вектор электрического поля световой волны, с — единичный вектор вдоль тетрагональной оси кристалла, Ф — азимутальный угол между Е и с (плоскостью падения ЛПИ), R — коэффициент Холла, а (р) — удельная электропроводность (сопротивление), п (р) — концентрация электронов (дырок),.

Up (Un) — холловская подвижность дырок (электронов),.

Ки — коэффициент анизотропии холловской подвижности носителей заряда,.

Ro — остаточное сопротивление диода,.

U0 — напряжение отсечки прямой ВАХ, dc — толщина слоя,.

Р — коэффициент заполнения ВАХ, п' - фактор неидеальности прямой ВАХ, у — показатель степени для обратной ВАХ, т| - относительная квантовая эффективность фотопреобразования, а — коэффициент оптического поглощения,.

То (То", Т01) — коэффициент оптического пропускания в естественном и ЛПИ (Е||с и Е1 с),.

Ro — коэффициент оптического отражения, п0 — показатель преломления ,.

Uxx — фотонапряжение холостого хода,.

Ц" - фотонапряжение насыщения, фв — высота потенциального барьера,.

L’n, p — длина диффузионного смещения носителей заряда, р s i (i, i) — фототок короткого замыкания в естественном (ЛПИ в ри s-поляризации) излучении,.

S — крутизна в экспоненциальной зависимости r|(hco),.

Si (S и) ~ токовая (вольтовая) фоточувствительность,.

8 — полная ширина спектральной полосы ФЧ (ФЛ) на ее полувысоте, hcom (hco') — энергетическое положение максимума (точки излома) в спектре.

Ti (hco),.

L — плотность потока излучения (уровень накачки ФЛ), A hco" 1 — поляризационное расщепление максимумов ФЛ,.

0 — угол падения излучения, i" (i" 'х) — фототок (интенсивность ФЛ) в поляризациях Е||с иЕ1с,.

1 ф (U9) — азимутальная зависимость фототока (фотонапряжения), A i — поляризационная разность фототоков,.

PN''U (Pi''u) — коэффициент естественного (наведенного) фотоплеохроизма, определенный из i ф или U9,.

Фм''и (ф^) — азимутальная фоточувствительность, определенная из i ф или иф,.

8S — степень линейной поляризации ФЛ, А. ехс — длина волны возбуждающего излучения.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию явления фотоплеохроизма в различных типах энергетических барьеров на элементарных, бинарных и тройных алмазоподобных полупроводниках, а также их твердых растворах.

Актуальность темы

Явление фотоплеохроизма состоит в зависимости концентрации фотогенерированных носителей заряда от пространственной ориентации вектора электрического поля световой волны. Интерес к его исследованиям обусловлен рядом факторов: использование поляризационной фотоэлектрической спектроскопии (ПФС) в исследованиях энергетического спектра полупроводников, формирование физических основ создания и управления параметрами фотоанализаторов линейно-поляризованного излучения (ЛПИ), создание поляриметрических фотодетекторов для волоконно-оптических систем передачи и обработки информации, систем дистанционной коррекции угловых координат удаленных объектов и т. п. Особое значение эти исследования приобрели в связи с разрастанием областей использования лазерных излучений в медицине, науке и технике и все еще отсутствующим серийным производством поляризационно-чувствительных полупроводниковых фотодетекторов.

Расширение круга алмазоподобных полупроводников происходит по пути усложнения их атомного состава в соответствии с разработанными Н. А. Горюновой критериями образования сложных тетраэдрических фаз и принадлежит магистральному направлению развития современной физики и техники полупроводников [1,2]. Это направление возникло под воздействием идей А. Ф. Иоффе об определяющей роли ближнего порядка в формировании фундаментальных свойств вещества и привело к открытию полупроводниковых свойств у бинарных соединений АШВУ [3,4]. Именно на соединениях АШВУ основывается современное развитие полупроводниковой оптоэлектроники и солнечной фотоэнергетики, фундаментальную роль в прогрессе которых играет созданная Нобелевским лауреатом Ж. И. Алферовым и его школой гетероструктурная электроника [5,6]. Эти работы продемонстрировали научному миру реальный потенциал усложнения атомного состава полупроводников в ряду AIV—> AmBv и стимулировали необходимость освоения очередного уровня усложнения при переходе от бинарных к тройным соединениям AmBv -+AHBIVCV2, AnBVI —>AJBinCVI2, что значительно расширяет возможности целенаправленного управления фундаментальными свойствами алмазоподобных фаз за счет выбора природы образующих их атомов. Это направление обеспечило значительное расширение числа полупроводников и установление новых физических закономерностей, что в свою очередь позволяет удовлетворять запросы полупроводниковой электроники по совершенствованию существующих и созданию новых приборов. Реализация этого потенциала требует не только развития методов выращивания монокристаллов и пленок, но и постановки экспериментов по установлению фундаментальных физических закономерностей, которые могут вскрыть актуальные практические применения новых полупроводников. Эти' работы ведутся в России, Германии, США, Японии и непрерывно расширяются [7−10]. К настоящему времени среди тройных соединений выявлены вещества с рекордной нелинейной восприимчивостью, созданы высокоэффективные тонкопленочные солнечные элементы (СЭ), достигнута предельная степень линейной поляризации рекомбинационного излучения, открыто новое фотоэлектрическое явление естественного фотоплеохроизма (ЕФ) и предложены фотодетекторы нового поколения и т. д. Так сформировалась проблема исследования физических процессов в тройных соединениях с решеткой халькопирита, разработки фоточувствительных структур из них и выявления актуальных областей применения тройных аналогов элементарных и бинарных полупроводников.

Между исследованиями физических (и в их числе фотоэлектрических) свойств алмазоподобных полупроводников в ряду AIV—> AmBv (AIfBVf) —>AnBIVCV2 (AJBInCVI2) —>. существует тесная генетическая связь, позволяющая на ранних этапах исследований от простого к сложному проследить влияние атомного состава полупроводников на их свойства, открыть новые явления, а затем попытаться выявить наиболее важные из них в более простых по составу аналогах. Демонстрацией продуктивности этой тенденции служит, например, то, как обнаружение ЕФ в тройных полупроводниках стимулировало открытие наведенного фотоплеохроизма.

НФ) в их бинарных и элементарных аналогах [11].

Основными объектами настоящей работы являлись фоточувствительные структуры из тройных соединений AnBIVCV2 и AIBII, CVI2 с решеткой типа халькопирита, бинарных соединений AmBv, AnBVI и, А В, а также элементарных полупроводников Si и Ge.

В связи с возможностями применений полупроводников AnBIVCv2 в поляризационной фотоэлектронике и нелинейной оптике актуальными являются как вопросы повышения совершенства кристаллов и различных типов диодных структур из них, так и комплексные исследования их физических свойств. Эти вопросы важны, так как определяют практические возможности структур на основе анизотропных веществ в сопоставлении с аналогичными структурами на кубических полупроводниках Si, Ge, A, nBv и AnBVI.

К началу данного исследования не были развиты методы низкотемпературной кристаллизации соединений CdGeAs2 и ZnGeP2, что ограничивало уровень совершенства и физические параметры этих веществ.

Фотоэлектрические свойства структур на основе CdSiAs2 были недостаточно изучены по сравнению с остальными соединениями AnBIVCV2, что обусловлено недостаточной фоточувствительностью (ФЧ) созданных структур и отсутствием необходимого для поляризационных исследований набора ориентаций образцов. Для соединений AnBIVCV2 отсутствовали сведения по анизотропии токопереноса, что определялось недостаточным уровнем электрической однородности кристаллов. Не анализировался вопрос о взаимосвязи фотоплеохроизма с интенсивностью излучения. Для структур из кристаллов с наиболее высоким тетрагональным сжатием т оставался нереализованным эффект усиления ЕФ. Сведения о фотоплеохроизме структур из обширной группы соединений AIB, ICV, 2 ограничивались лишь двумя веществами, что не позволяло судить о закономерностях явления в этом классе полупроводников. Фотоплеохроизм солнечных элементов ранее вообще не изучался. Отсутствовали также поляризационные исследования фоточувствительности структур на соединениях AnBVI, AniBv, AmBVI и элементарных полупроводниках.

Выбор тройных соединений AnBIVCV2 и AIBIIICVI2, а также AmBv, AnBVI, Si и Ge в качестве объектов исследования был предопределен прикладной значимостью фотопреобразовательных структур, которые могут широко применяться в разработках новых устройств поляризационной фотоэлектроники, что и определяет актуальность данной работы.

Представляемая диссертация содержит результаты начатых в 1984 г. работ автора по комплексному исследованию фотоэлектрических свойств различных типов диодных структур на основе алмазоподобных соединений aIIdIV^V aJQII'/^VI л IIIqV aI’dVI aIIIdVI О: г*.

ABC 2, АВ С 2) А В, АВ, А, В, Si и Ge в линеино-поляризованном излучении.

Выявление поляризационной фоточувствительности в различных типах диодных структур на основе тройных полупроводниковых соединений с решеткой халькопирита (CdSiAs2, CuInSe2 и др.) и ключевых материалов современной электроники (Si, GaAs, GaAlAs, GaN и др.) составило основу развитого в работе научного направления, связанного с обнаружением фотоплеохроизма и установлением его главных закономерностей.

Главная цель работы состояла в изучении физики явления фотоплеохроизма и его особенностей в различных типах фоточувствительных структур (барьеры, Шоттки, гомопереходы, гетероструктуры, фотоэлектрохимические ячейки и т. п.) на алмазоподобных полупроводниках разного атомного и фазового состава, а также кристаллах разной симметрии и размерности с практическим прицелом на формирование физических основ технологии высокоэффективных полупроводниковых фотоанализаторов линейно-поляризованного излучения широкого спектрального диапазона.

Для достижения этой цели в диссертации решен следующий комплекс задач :

— Изучение влияния понижения температуры кристаллизации на совершенство кристаллов соединении Ahb-vCv2 (CdGeAs2, ZnGeP2).

— Исследование возможностей модификации поверхности монокристаллов тройных соединений AnBIYCv2 и A, Bi, Cvi2.

— Исследование поведения примесей Ill-группы в монокристаллах CdSiAs2.

— Изучение влияния термодинамического равновесия в системе кристалл-паровая фаза на процесс конверсии типа проводимости (КТП) монокристаллов CdSiAs2.

— Изучение анизотропии токопереноса в кристаллах с решеткой халькопирита.

— Разработка фоточувствительных структур: гомопереходы (ГП), гетероструктуры (ГС), барьеры Шоттки (БШ) и фотоэлектрохимические ячейки (ФЭХЯ).

— Исследования ФЧ структур в естественном и линейно-поляризованном излучении.

— Разработка структур с поляризационной инверсией знака фототока и исследование явлений усиления естественного и наведенного фотоплеохроизма.

Объекты и методы исследования. Исследования выполнены на объемных ориентированных монокристаллах тройных полупроводников, выращенных различными методами из близких к стехиометрии или нестехиометрических расплавов, а также с помощью развитых в процессе выполнения работы новых методов. В качестве примесей при легировании CdSiAs2 использовались In и Ga, которые вводились в шихту в виде соединений АШВУ в соответствующих концентрациях. При создании структур слои соединений AmBv (GaN, GaAs, GaP), их твердых растворов (GaAlAs, GaPAs, GaAlP) и соединений AnBVI (CdS, ZnO) получены жидкостной и газофазной эпитаксией, а также плазменным нитрированием пластин GaAs и GaP. Слои тройных полупроводников А’в111^^ и их твердых растворов получены вакуумным, термическим и магнетронным напылением компонент из раздельных источников и импульсным лазерным испарением синтезированных однофазных мишеней в вакууме. Полупрозрачные слои металлов (Au, Ni, А1 и их комбинации) при создании БШ осаждались химически или вакуумным термическим напылением. Диоды из CdSiAs2 получены контролируемым отклонением состава соединения от его стехиометрии в приповерхностной области пластин. Пленки a-Si:H выращивались методом высокочастотного тлеющего разряда.

Модификация поверхности полупроводников обеспечивалась анодным травлением и пассивацией в сульфидном растворе. Исследования свойств кристаллов, пленок и структур проводились с помощью широкого круга экспериментальных методик, обеспечивающих максимально полную и достоверную информацию: рентгено-дифракционные исследования, рентгено-спектральный микроанализ, исследования наведенного электронным зондом тока, исследования эффектов переноса носителей заряда, исследования контактных явлений, оптического поглощения, фотопроводимости (ФП), фотолюминесценции (ФЛ), рамановского рассеяния, фоточувствительности структур в естественном и ЛПИ и др. Научная новизна работы.

В ходе исследований были впервые получены следующие новые результаты.

1. Достигнуто увеличение холловской подвижности электронов в монокристаллах CdGeAs2 и возгорание околокраевой ФЛ в ZnGeP2, что обусловлено понижением температуры получения тройных соединений AhBivCv2 относительно температуры твердофазных превращений в указанных кристаллах.

2. Установлено, что коэффициент Холла в монокристаллах AnBIVCV2 пи р-типа проводимости изотропен, тогда как в кристаллах с высоким тетрагональным сжатием (CdSiAs2, CdGeAs2) холловская подвижность преобладает вдоль тетрагональной оси и с понижением т->0 оказывается практически изотропной (ZnGeP2).

3. Показано, что анодное травление и сульфидирование поверхности кристаллов тройных полупроводников с решеткой халькопирита позволяет смещать максимум краевой фотолюминесценции в глубину фундаментального поглощения исходных соединений и повышать квантовую эффективность рекомбинационного излучения.

4. Установлено, что легирование кристаллов CdSiAs2 примесями In и Ga позволяет контролировать спектр естественного фотоплеохроизма и обеспечивает его рекордное значение.

5. Показано, что коррекция отклонений от стехиометрии в кристаллах CdSiAs2 позволяет превысить концентрацию акцепторов и получить п-рпереходы с экситонными особенностями в спектрах квантовой эффективности фотопреобразования и рекордной азимутальной фоточувствительностью.

6. Открыто и исследовано новое фотоэлектрическое явление компенсации естественного и наведенного фотоплеохроизма, позволяющее не только управлять величиной коэффициента фотоплеохроизма, но и измерять диффузионную разность потенциалов энергетического барьера. Определена физическая природа явления.

7. Получены двухбарьерные структуры на, ориентированных в плоскости (100) пластинах CdSiAs2. Реализовано и изучено явление усиления естественного фотоплеохроизма, позволившее превзойти предельный для однобарьерных структур уровень PN<100%.

8. Установлено, что естественный фотоплеохроизм структур из кристаллов AiB, iiCvi2 и их твердых растворов в условиях широкополосного фотовольтаического эффекта имеет положительный знак и максимален вблизи энергии межзонных А-переходов.

9. Показано, что наведенный фотоплеохроизм барьеров Шоттки определяется прохождением линейно-поляризованного излучения через поверхность полупроводника.

10. Обнаружен и изучен фотоплеохроизм различных типов однобарьерных структур в полупроводниках AIV, AmBv, AnBVI, AIBII, CV, 2 и их твердых растворах при наклонном падении линейно-поляризованного излучения и впервые определены численные характеристики наведенного фотоплеохроизма.

11. Показано, что характер зависимостей фототока от угла падения для излучения sи р-поляризаций определяется оптическим качеством фронтальной плоскости и тонкопленочных компонент структур.

12. Открыто и исследовано новое фотоэлектрическое явлениеосцилляции в спектрах наведенного фотоплеохроизма структур, определена его физическая природа.

13. Обнаружено и изучено новое фотоэлектрическое явление исчезновения наведенного фотоплеохроизма в структурах GaAlAs/GaAs с антиотражающим покрытием.

14. Открыто новое фотоэлектрическое явление усиления наведенного фотоплеохроизма при формировании в кубическом кристалле двух встречно направленных энергетических барьеров. Определены условия реализации явления и продемонстрированы возможности преодоления в таких структурах предела наведенного фотоплеохроизма однобарьерных структур Pi<100%.

Все результаты, изложенные в диссертации, являются актуальными и новыми на момент их публикации. Результаты опубликованы в ведущих научных зарубежных и отечественных журналах, докладывались на крупных международных конференциях. Практическая значимость работы.

1. Предложена и разработана технология низкотемпературной кристаллизации монокристаллов CdGeAs2 с рекордной подвижностью электронов (36 000 см /Вх, 77 К) и ZnGeP2, обнаруживших околокраевую фотолюминесценцию.

2. Развит метод низкотемпературного газофазного выращивания слоев CdGeAs2 и ZnGeP2, позволивший улучшить их совершенство и одновременно сформировать интегрированные с германием гетероструктуры.

3. Разработаны методы модификации поверхности кристаллов тройных соединений AnBIVCv2 и А¹¹¹^^, позволившие смещать максимум фотолюминесценции в глубину фундаментального поглощения этих веществ и одновременно увеличить (в ~ 5 раз) эффективность рекомбинационного излучения.

4. Разработан метод контролируемого воздействия примесей 111-й группы на свойства монокристаллов p-CdSiAs2, позволяющий в широких пределах регулировать концентрацию дырок и естественный фотоплеохроизм структур на их основе.

5. Предложена и разработана технология п-р-структур из CdSiAs2, позволившая обеспечить достижение рекордных параметров и расширение функционального диапазона фотопреобразователей относительно кубических полупроводников АШВУ.

6. Предложены и разработаны новые поляризационные методы определения высоты энергетического барьера в фотодиодах (А.с. NN 1 554 682 и 1 686 981).

7. Предложена и развита технология n-p-CdSiAs2/In203 структур, обеспечивающих проявление гигантского естественного фотоплеохроизма.

8. Развита технология создания барьеров Шоттки и гетероструктур на ориентированных монокристаллах соединений AIBIIICvi2 и их твердых растворов, позволившая впервые наблюдать естественный фотоплеохроизм и указать на перспективы применений новых структур в поляризационной фотоэлектронике.

9. Предложен и развит новый метод неразрушающего поляризационного мониторинга фоточувствительных структур, позволяющий контролировать качество их приемной плоскости и антиотражающие свойства просветляющих покрытий.

10. Продемонстрирована применимость явления наведенного фотоплеохроизма в барьерах Шоттки и гетероструктурах различных типов на полупроводниках AIV, AmBv, AHBVI в новом для них качестве высокочувствительных широкополосных и селективных фотоанализаторов ЛПИ, перестройка спектрального диапазона которых осуществляется посредством выбора атомного состава полупроводника (дискретная для соединений и плавная для твердых растворов).

11. Предложены и разработаны двухбарьерные структуры нескольких типов в кубических полупроводниках AmBv, позволившие впервые превысить более чем на порядок величину коэффициента наведенного фотоплеохроизма однобарьерных структур и реализовать узкоселективное явление усиления фотоплеохроизма.

12. Предложена и разработана технология получения гетероструктур р-Ge/n-CdGeP2:In, позволяющая реализовать положительный естественный фотоплеохроизм в области примесного и собственного поглощения в кристаллах CdGeP2: In.

13. Разработан новый технологический процесс низкотемпературного высокочастотного азотирования GaAs и GaP, вызывающий образование гетероструктур с поляризационной фоточувствительностью в области межзонных переходов в GaN.

Основные положения, выносимые на защиту: Положение 1 (О связи природы фотоплеохроизма со строением алмазоподобных полупроводников) [85,95,158,159,168,208,254,260,344].

Существование явления фотоплеохроизма в структурах на алмазоподобных полупроводниках определяется строением и симметрией вещества. В структурах на анизотропных полупроводниках при нормальном падении излучения обнаруживается естественный фотоплеохроизм, обусловленный анизотропией фотоактивного поглощения в области фундаментального и примесного поглощения, тогда как фотоплеохроизм структур из поликристаллов и изотропных полупроводников (кубические кристаллы, аморфные полупроводники) возникает в условиях наклонного падения излучения на их приемную плоскость и в соответствии с общепринятой классификацией является наведенным.

ПОЛОЖЕНИЕ 2 (о связи естественного и наведенного фотоплеохроизма с интенсивностью излучения) [83,84,91].

Коэффициент Pt фотоплеохроизма структур с потенциальным барьером в алмазоподобных полупроводниках, регистрируемый по фототоку короткого замыкания, сохраняется постоянным во всей области их фоточувствительности. Коэффициент Ри фотоплеохроизма таких структур, при регистрации фотонапряжения холостого хода, падает в области интенсивностей, вызывающих нелинейность в люкс-вольтовой характеристике, а в условиях достижения нечувствительного к поляризации падающего излучения фотонапряжения насыщения полностью компенсируется несмотря на анизотропию протекающих в структуре оптических процессов .

ПОЛОЖЕНИЕ 3 (о естественном фотоплеохроизме) [41,85,86,95,158,159].

Естественный фотоплеохроизм однобарьерных структур из одноосных кристаллов AnBIVCV2 и AiBii1CVI2 и их твердых растворов (в широкой области их существования) носит селективный характер и достигает положительного максимума в окрестности энергии межзонных прямых, А переходов, при условии обеспечения широкополосного фотовольтаического эффекта, причем знак коэффициента естественного фотоплеохроизма оказывается нечувствительным к характеру позиционного упорядочения атомов и знаку тетрагональной деформации решетки халькопирита. ПОЛОЖЕНИЕ 4 (о наведенном фотоплеохроизме) [208,213,262,292,344,376].

Коэфициент наведенного фотоплеохроизма однобарьерных структур на алмазоподобных полупроводниках в моно-, поли-, нанокристаллическом и аморфном состояниях определяется показателем преломления вещества фронтальной компоненты структуры и достигает 70% (0 ~ 80°) при условии отсутствия интерференции во входном слое структуры. Спектральная зависимость коэффициента наведенного фотоплеохроизма характеризуется наличием полосы максимальной поляризационной фоточувствительности, длинноволновая граница которой обусловлена фотоэмиссией носителей заряда из металла в полупроводник (барьеры Шоттки) и межзонным поглощением в полупроводнике, тогда как ее коротковолновая граница в барьерах Шоттки вообще отсутствует и возникает из-за поглощения излучения прилегающим к активной области структур слоем полупроводника.

ПОЛОЖЕНИЕ 5 (об осцилляциях и исчезновении наведенного фотоплеохроизма) [208,205,209,215,345,350].

Наблюдаются осцилляции коэффициента наведенного фотоплеохроизма в структурах с широкозонным слоем вплоть до его полного исчезновения. Осцилляции сопутствуют интерференции излучения sи р-поляризаций во входном слое структуры. Исчезновение наведенного фотоплеохроизма связано с антиотражающими свойствами входного окна гетероструктур, когда фототоки sи р-поляризаций в спектральных и угловых зависимостях сближаются друг с другом.

ПОЛОЖЕНИЕ 6 (о фотоплеохроизме гетероконтакта пористого и кристаллического кремния) [208,294,295].

Гетероконтакт нанои монокристаллического кремния обладает широкополосным фотовольтаическим эффектом, ограниченным межзонным поглощением в контактирующих фазах, и наведенным фотоплеохроизмом, который определяется процессами прохождения излучения через границу воздух-пористый кремний и интерференции в тонком слое пористого Si.

ПОЛОЖЕНИЕ 7 (об усилении естественного и наведенного фотоплеохроизма) [93,101,208,257,267,376].

Коэффициент естественного и наведенного фотоплеохроизма двухбарьерных структур на анизотропных (CdSiAs2) и кубических (GaAs, GaAsP, Si) полупроводниках испытывает селективное по энергии падающих фотонов, азимутальному углу и углу падения усиление Pj > 100%, что обусловлено векторной природой фототока и соответствует модели двух энергетических барьеров с встречно-направленными электрическими полями.

Приоритет результатов. Основные результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые. Совокупность выполненных исследований решает важную научно-техническую задачу по формированию физических основ создания фотопреобразователей нового поколения — поляриметрических структур и определяет возможности применения поляризационной фотоэлектрической спектроскопии в мониторинге и развитии технологии создания таких структур.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VIII,.

IX, X, XI, XII Международных конференциях «Тройные и многокомпонентные полупроводниковые соединения» — ICTMC (Kishinev,.

1990; Yokohama, 1993; Stuttgart, 1995; Salford, 1997; Hsin-Chu, 2000),.

Международной конференции «Оптоэлектроника — 89» (Баку, 1989),.

Международной конференции «Фотоэлектрические и оптические явления в твердом теле» (Варна, 1989), I Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1989), 12 Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев, 1990), III Всесоюзной конференции «Материаловедение халькогенидных и кислородсодержащих полупроводников» (Черновцы, 1991), Всесоюзной конференции «Фотоэлектрические явления в полупроводниках» (Ашхабад, 1991), VI Столетовских чтениях (Владимир, 1994), Международных молодежных научных форумах «ECOBALTICA» (Санкт-Петербург, 1996, 1998,2000,2002), Международных конференциях Всемирного общества материаловедения (Material Research Society) — MRS Meetings (Boston, 1996,.

1999), Всероссийском молодежном научном форуме «Интеллектуальный потенциал России в XXI Век» — фундаментальные науки (Санкт-Петербург,.

1995), III Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов.

Санкт-Петербург, 1998), II и III Всероссийском совещании «Нитриды галлия, индия и алюминия» (Санкт-Петербург, 1998; Москва, 1999),.

Международных Европейских конференциях общества материаловедения.

EMRS Meetings (Strasbourg, 1998, 1999 и 2000), Международных конференциях «Polycrystalline Semiconductors'98» (Schwabisch Gmund, 1998;

Saint-Malo, 2000), XXIV Международной конференции по физике полупроводниковICPS (Jerusalem, 1998), Международном совещании в.

ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН по оптоэлектронике (Санкт-Петербург, 1998),.

Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика.

99″ (Санкт-Петербург, 1999), III Всероссийской конференции.

Фундаментальные исследования в технических университетах"(Санкт.

Петербург, 1999), VI Всероссийской конференции по физике полупроводников «Полупроводники 99» (Новосибирск, 1999), Научных сессиях ИНТАС (Stuttgart, 1995; Минск, 1996; Stuttgart, 1997), I школе.

Физико-технического факультета СПб ГПУ (Санкт-Петербург, 1988), II международном семинаре по сотрудничеству университетов государств.

Балтийского региона «ЕСО-ТЕСН'99» (Kalmar, 1999), Международной школе NLO Materials (Malvern, 1999), 4-м и 5-м Международных семинарах.

Российские технологии для индустрии" IWRFRI'99 (Санкт-Петербург,.

2000, 2001), 2-й Международной конференции «Аморфные и мелкокристаллические полупроводники» (Санкт-Петербург, 2000).

Результаты работы также обсуждались на научных семинарах в ФТИ им.

А.Ф. Иоффе РАН, СПб ГПУ, Vest Virginia University (Vest Virginia, USA).

Основное содержание работы опубликовано в 3 обзорах, 2 авторских свидетельствах и 52 статьях.

Диссертация построена следующим образом: Первая глава посвящена развитию технологии выращивания монокристаллов ZnGeP2 и CdGeAs2 из нестехиометрических растворов-расплавов и твердофазным синтезом. В ней представлены результаты исследований оптоэлектронных явлений в однородных монокристаллах и фоточувствительных структурах на их основе. Рассматривается анизотропия токопереноса группы кристаллов AnBIVCV2 с решеткой халькопирита.

Анализируются вопросы модификации поверхности тройных алмазоподобных полупроводников методами анодного травления и сульфидной пассивации в спиртовых растворах.

Во второй главе изучены закономерности поведения примесей 111-й группы и собственных дефектов решетки в кристаллах CdSiAs2. В ней построены различные типы фоточувствительных структур на группе ориентированных кристаллов с решеткой халькопирита (CdSiAs2,CdGeP2,CdGeAs2) и анализируются закономерности проявлений естественного фотоплеохроизма.

В третьей главе на основе развития технологии формирования различных типов фоточувствительных структур на ориентированных монокристаллах A’BinCVI2 рассматриваются вопросы анизотропии энергетического спектра тройных полупроводников этого класса. Определяются поляризационные параметры фоточувствительности и фотолюминесценции. Анализируются закономерности естественного фотоплеохроизма полупроводников aW*.

Четвертая глава посвящена исследованию фотоэлектрических Явлений в тонких поликристаллических пленках соединений класса AIBIIICVI2 и их твердых растворов, а также различных типов фоточувствительных структур из них. Анализируется взаимосвязь оптоэлектронных свойств с условиями осаждения и атомным составом пленок. В этой же главе рассмотрены вопросы поляризационной фоточувствительности тонкопленочных структур с поликристаллическим строением их компонент. Рассматриваются открытые автором проявления интерференции ЛПИ в тонких пленках различной природы при наклонном падении излучения.

Пятая глава посвящена изучению процессов фоточувствительности в различных типах барьеров Шоттки на полупроводниковых соединениях AmBv и их твердых растворах в зависимости от природы барьерных металлов и способов их нанесения. Определяются поляризационные параметры ФЧ и устанавливаются закономерности наведенного фотоплохроизма в барьерах.

Шоттки на кубических полупроводниках с решеткой сфалерита.

В этой же главе рассматриваются проявления поляризационной инверсии знака фототока в НФ двухбарьерных структур с встречно направленными электрическими полями. Уделяется также внимание проблеме спектральной перестройки открытого в работе нового явления усиления НФ.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований фотоплеохроизма гетероструктур, полученных с использованием различных модификаций Si и Ge. Анализируются особенности угловых зависимостей фототока и спектров НФ в области фоточувствительности таких структур.

Особое внимание уделяется природе обнаруженной тонкой структуры в спектрах наведенного фотоплеороизма гетероструктур с интерференционными слоями.

Седьмая глава посвящена вопросам проявления фотовольтаического эффекта в гетероструктурах на основе бинарных полупроводников АШВУ и.

AnBVI. Определены и анализируются поляризационные характеристики фоточувствительности гетероструктур в связи с условиями формирования слоев и кристаллографической ориентацией подложек. Рассматривается поляризационный критерий просветления фотопреобразователя.

В восьмой главе приводятся результаты исследования фотоплеохроизма структур, полученных эпитаксиальным выращиванием слоев полупроводников AmBv (GaAsxPi.x, GaAs, GaP и GaN) на Si и Ge.

Рассмотрены фотоэлектрические процессы в эпитаксиальных гомопереходах из GaAs и GaP, выращенных на Si подложках. В этой же главе рассмотрено явление усиления наведенного фотоплеохроизма в двухбарьерных структурах p-n-GaP/p-Si.

В заключении в обобщенном виде сформулированы основные результаты работы и установленные закономерности возникающего в различных структурах фотоплеох/-роизма.

Диссертационная работа выполнена в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН и Санкт-Петербургском государственном политехническом университете.

8.8. Выводы.

В представленной главе суммированы результаты исследования фотоэлектрических свойств интегрированных с кремнием и германием различных гетеропереходных систем n-GaP/p-Si, n-GaAsxPjx/p-Si, p-n-GaAs/p-Si, p-n-GaP/n-Si, n-GaN/p-Si, n-GaN/n-Si и p-GaAs/n-Ge в естественном и линейно-поляризованном излучении. Основные результаты данного цикла состоят в следующем.

1. Методом газофазной эпитаксии в открытой хлоридной системе выращены структурно-совершенные слои n-GaP с толщинами до 6 мкм на ориентированных в плоскости (100) подложках n-Si. гетероструктуры п-GaP/p-Si обладают следующими особенностями.

— При освещении естественным излучением со стороны n-GaP фоточувствительность гетероструктур максимальная (~90 мА/Вт, 300 К) и широкополосная (5"0.9 эВ), тогда как при освещении со стороны Si величина 8 падает до «0.1 эВ. Широкополосный характер фоточувствительности указывает на совершенство гетерограницы.

— Поляризационная фоточувствиельность ГС n-GaP/p-Si обнаруживается в условиях наклонного падения ЛПИ на каждую из двух приемных плоскостей (GaP или Si). Во всей области фоточувствительности.

Р ^ выполняется неравенство г >Г|, а спектры г| в ЛПИ подобны наблюдаемым в неполяризованном излучении.

Р с.

— Угловые зависимости фототоков i (0) и i (0) находятся в соответствии с соотношениями Френеля, причем возрастание фототока iP m / iPo оказалось более высоким в случае освещения структур со стороны GaP, что указывает на более высокое совершенство постростовой поверхности слоев GaP относительно полированной поверхности Si.

— Коэффициент НФ при освещении ГС со стороны поверхностей каждой У из компонент следует квадратичному закону Pi~ 0 и оказывается более высоким при освещении со стороны GaP, что может быть следствием образования окисной пленки на поверхности Si.

Спектральный контур поляризационной разности фототока ГС п-GaP/p-Si соответствует спектру фототока в неполяризованном излучении. Поэтому изменение геометрии освещения позволяет контролировать ширину полосы поляризационной фоточувствительности гетероструктуры.

— При освещении ГС со стороны GaP коэффициент НФ оказывается практически постоянным в области их максимальной фоточувствительности и обнаруживает коротковолновый спад с наступлением сильного поглощения излучения слоем GaP при hco>2.4 эВ. С переходом к освещению ГС со стороны Si ширина полосы Pi резко падает из-за того, что ее коротковолновая граница смещается в длинноволновую область в соответствии с энергией межзонного поглощения в Si.

2. Методом газофазной эпитаксии в открытой хлоридной системе на (100) пластинах пи p-Si с разориентацией под углом ~6° в направлении [110] выращены эпитаксиальные слои n-GaAs (d"8 мкм), p-GaAs (d"6 мкм), n-GaAso.25Po.75(d"3 мкм) и выполнены комплексные исследования фоточувствтельности структур n-GaAso.25Po.75/p-Si, n-GaAs/p-Si и p-n-GaAs/ n-Si в естественном и линейно-поляризованном излучении. Главными итогами этого раздела являются следующие.

— В ГС n-GaAso.25Po.75/p-Si и n-GaAs/p-Si при освещении со стороны широкозонных компонент длинноволновый край г| совпадает из-за того, что формируется межзонными переходами в Si, тогда как энергетическое положение коротковолнового спада г| вызвано межзонными переходами в веществе слоя и сдвигается в коротковолновую область с ростом содержания фосфора. Сильное увеличение ФЧ и ширины ее полосы в ГС со слоем твердого раствора (5"690 мэВ, г|"0.17 электрон/фотон) вызвано снижением толщины слоя и улучшением совершенства переходной области гетероструктур вследствие понижения рассогласования параметров решетки слоя и подложки.

В структурах p-n-GaAs/n-Si энергетическое положение длинноволнового края Г| определяется межзонными переходами в GaAs, а спектр Г| имеет вид узкой полосы (8−60−65 мэВ), коротковолновая граница которой обусловлена влиянием поглощения излучения в слое GaAs.

ЕФ в этих структурах отсутствует и только в условиях наклонного падения ЛПИ на их приемную плоскость возникает НФ, который возрастает с увеличением угла падения по закону Pi~ 0. В спектральном диапазоне высокой фоточувствительности коэффициент НФ структур практически постоянен и его величина фиксируется посредством угла падения ЛПИ.

— В спектрах НФ этих структур обнаружена четкая коротковолновая граница, энергетическое положение которой определяется влиянием поглощения ЛПИ в эпитаксиальном слое, со стороны которого оно поступает в активную область структур. Подчеркнем, что в случае БШ на полупроводниках АШВУ при освещении со стороны барьерных контактов, когда ЛПИ поступает в активную область барьеров через полупрозрачный слой металла, в спектрах Рг коротковолновый спад не проявляется (гл. 5), что является еще одним подтверждением в пользу предположения о его связи с влиянием поглощения в полупроводнике.

— Максимальная азимутальная фоточувствительность Ф^О. 11 А/Вт-град (0=75°, 300 К) достигнута в структурах на слоях n-GaAso.25Po.75 и эти величины находятся на уровне наблюдавшихся в БШ (гл. 5), что указывает на перспективу применения созданных на Si ГС в новой для полупроводников АШВУ области — поляризационной фотоэлектронике в качестве высокочувствительных фотоанализаторов ЛПИ, спектральный диапазон которых определяется атомным составом полупроводника, а величина — углом падения ЛПИ.

3. Структуры p-GaP/n-Si и p-n-GaP/n-Si созданы выращиванием эпитаксиальных слоев n-GaP (d"6 мкм) и p-GaP (d~3 мкм) на кремниевых пластинах с разориентацией относительно (100) под углом 4−6° в направлении [110]. Эти структуры обнаружили следующие закономерности.

Для гетероструктур p-GaP/n-Si фоточувствительность наблюдается в широком спектральном диапазоне. Длинноволновая граница г| задана межзонным поглощением в Si, а коротковолновая выше 1.6 эВ отражает особенности рекомбинации носителей на связанных с высоким рассогласование параметров решеток Si и GaP локальных состояниях в области гетерограницы, в результате чего в области межзонного поглощения в GaP фоточувствительность ГС становится незначительной.

— В ГП p-n-GaP, сформированных на подложке пSi, напротив, ФЧ в виде широкой полосы ((5"260 мэВ, hcom"2.62 эВ, 300 К) реализуется в области собственного поглощения GaP, тогда как вкладом поглощения в Si подожке в спектрах г| можно пренебречь. Резкий спад Г| при hco>2.22 эВ в этих структурах обусловлен влиянием поглощения излучения слоем рGaP.

— Поляризационные индикатрисы фототока в структурах из GaP обнаруживают периодическую зависимость от азимутального угла ср только при 0>О°, причем во всей области ФЧ выполняется неравенство ip >is.

— Обнаруженная зависимость совершенства поверхности эпитаксиальных слоев GaP на подложках Si от условий их выращивания нашла отражение в.

Р о характере кривых i (0) и i (0). В структурах с зеркальной поверхностью GaP эти зависимости согласуются с соотношениями Френеля, причем рост ip с увеличением 0 соответствует снижению потерь на отражение, тогда как в структурах с шероховатой поверхностью GaP обнаруживается монотонный спад ip и is с ростом 0. Существенно, что спектры Г| в неполяризованном излучении не обнаруживали какой-либо зависимости от состояния поверхности GaP. Представленные закономерности угловых зависимостей фототоков составили физическую основу новой поляризационной методики экспрессного мониторинга качества слоев в ГС.

— Угловые зависимости коэффициента НФ гетероструктур «выходят «из нуля и следуют закону Pi~ 0. Следовательно, фотоплеохроизм, который может возникать из-за механической деформации эпитаксиального слоя подложкой в полученных ГС оказался существенно ниже наведенного наклонным падением ЛПИ.

— Спектральный контур зависимостей Г|Р и r|S оказался подобным наблюдаемому в неполяризованном излучении, из-за чего спектры r|S опускаются относительно Г|Р тем сильнее, чем выше угол падения ЛПИ и при этом г|Р > r|S.

— Длинноволновый край ФЧ структур p-n-GaP/n-Si для ри s-поляризаций р с Ю спрямляется в координатах (т| ' hoo) — hco и дает одну и ту же нечувствительную к поляризации отсечку, которая соответствует EGGaP.

— Коэффициент НФ обоих типов структур из GaP в области высокой ФЧ практически постоянен и определяется величиной 0, тогда как коротковолновый спад Pi отражает влияние поглощения ЛПИ в слое GaP.

— Обнаруженная наведенная поляризационная фоточувствительность гетероструктур на эпитаксиальных слоях GaP позволяет указать на новую область практического применения таких структур.

4. Разработана технология получения ГС n-GaN/p-Si и n-GaN/n-Si, включающая осаждение из паровой фазы в открытой газотранспортной системе слоев n-GaN с толщинами до 20 мкм на (100) и (111) подложки Si. Главные закономерности фоточувствительности таких ГС сводятся к следующему.

— Полученные слои имеют мелкокристаллическую структуру с параметрами решетки, соотвествующими известным для GaN. Ширина кривых качания в лучших слоях составляет 5−6° при толщинах «20 мкм, что сопоставимо с полученными молекулярно-пучковой эпитаксией, но с толщиной до 1 мкм. Концентрация электронов в таких слоях «1019 см» 3 и холловская подвижность около 10 см /В-с при Т=300 К.

— Изои анизотипные ГС в нёполяризованном излучении обнаруживают характерный для резких идеальных ГС эффект окна, когда высокая фоточувствительность достигается между Eg Si и GaN. Длинноволновая граница rj формируется поглощением Si, а коротковолновая — оптическим пропусканием GaN.

— Обнаружено, что максимальная фоточувствительность «0.15 А/Вт (300 К) достигается при эпитаксии GaN на (111) пластины Si, тогда как с переходом к ориентации (100) фото чувствительность ГС падает на 2−4 порядка, что демонстрирует зависимость качества гетерограницы от кристаллографической ориентации подложек.,.

— Наведенный фотоплеохроизм ГС обнаружен только при наклонной падении ЛПИ на их приемную плоскость, причем во всей области фоточувствительности выполняется неравенство r|P > rs.

Р с.

— Угловые зависимости i (0) и i (.0) структур GaN/Si продемонстрировали, как и в случае других изученных в работе ГС (см. п. 8.4), чувствительность к качеству слоев. В случае слоев GaN с шероховатой.

• р s поверхностью фототок i падает с ростом 0/как и i. В ряде ГС GaN/Si для.

Р С угловых зависимостей i (0) и i (.0) наблюдаются максимум и сближение, вызывающее спад Pi, что обнаружило возможности развитого метода получения слоев GaN улучшить их качество настолько, что возникает интерференция ЛПИ.

— С ростом угла падения для полученных ГС обнаружено выполнение.

2 О закона Рр- 0, а факт Рм=0 при 0=0 позволяет считать, что ЕФ маскируется поликристалличностью слоев GaN.

— Коэффициент НФ во всех ГС с одним и тем же входным окном из GaN заполняет достаточно широкий интервал значений 5−20%, причем в ряде ГС испытывает осцилляции и, следовательно, зависит от энергии падающих фотонов. Устаовленые особенности НФ могут быть отнесены на счет интерференции ЛПИ в слоях GaN, параметры и качество которых контролируются условиями их выращивания и ориентацией пластин Si.

— Фотоплеохроизм данного типа ГС позволяют указать на пригодность их использования в качестве широкодиапазонных (1.2−3.4 эВ) фотоанализаторов ЛПИ с максимальной азимутальной фоточувствительностью Ф^Ю мА/Вт*град (0=75°, 300К), а чувствительность Pi к условиям роста может применяться для оптимизации параметров ГС.

5. Методом газофазной эпитаксии в открйтой хлоридной системе слоев p-GaAs (d"25 мкм) на ориентированные в плоскости (100) с разориентацией «4° в направлении [110] пластины n-Ge получены ГС р-GaAs/ n-Ge и исследованы их фотоэлектрические свойства в естественном и линейно-поляризованном излучении. Главные результаты этих исследований заключены в следующем.

При освещении неполяризованным излучением со стороны GaAs фоточувствиельность таких ГС максимальная («10 мА/Вт), длинноволновый край г| отвечает межзонным переходам в Ge, а вблизи EoGaAs в спектре г возникает узкий (5"25 мэВ) пик, обусловленный межзонными переходами в слое GaAs.

Поляризационная фоточувствительность в ГС GaAs/Ge обнаруживается только в условиях наклонного падения ЛПИ на приемную плоскость и характеризуется неравенством r|P > r|S во всей области г|. р • s.

Зависимости фототоков i (0) и i (0) находятся в качественном соответствии с поляризационной зависимостью амплитудных коэффициентов прохождения световой волной границы воздух/ GaAs.

Коэффициент наведенного фотоплеохроизма в зависимости от угла падения подчиняется закону Рг~ 0, а его спектральная зависимость имеет неселективный характер в пределах 0.7−1.5 эВ.

— Спектр азимутальной фоточувствительности, как и в случае поляризационной разности фототоков, имеет выраженный селективный характер и достигает максимальных значений да 20−30 мА/Вт-град.

Гетероструктуры GaAs/Ge могут применяться в качестве поляризационно-чувствительных фотоанализаторов.

6. Методом газофазной эпитаксии в открытой хлоридной системе на ориентированные в плоскости (100) подложки p-Si с разориентацией «4° в направлении [110] вначале наращивался слой n-GaP («4 мкм), а на нем затем осаждался слой p-GaP (да4 мкм). Исследованы фотоэлектрические свойства полученных структур, которые содержали ГС n-GaP/p-Si и ГП р-п-GaP с встречно направленными электрическими полями. Основные результаты рассматриваемого цикла следующие.

В спектре ФЧ таких структур при освещении неполяризованным излучением наблюдается инверсия знака фототока. Длинноволновая компонента ФЧ определяется ГС, а коротковолновая — эпитаксиальным ГП. Инверсия знака суммарного фототока в окрестности энергии падающих фотонов hcc>i обусловлена конкуренцией встречно включенных барьеров.

— Фотоплеохроизм в двухбарьерных структурах возникает при 0>О° и вызван неэквивалентным прохождением ЛПИ ри s-поляризаций границы двух сред (воздух/ GaP).

— В области неизменного знака суммарного фототока зависимости iP (0), i (0) и Pi (0) в двухбарьерных структурах обнаруживают обычный для однобарьерных структур вид.

— При фиксированной энергии фотонов в окрестности ha^ в зависимостях ip (0) и is (0) обнаруживается свой определенный угол падения ЛПИ, при о р котором происходит инверсия знака суммарного фототока (0 i < 0 i). В s р р s зазоре между значениями 0[ и 0 i реализуется условие i = -i, что и приводит к появлению точки разрыва в угловой зависимости Pj и резкому нарастанию амплитуды наведенного фотоплеохроизма. Так проявляется контролируемое углом падения ЛПИ новое фотоэлектрическое явление усиления наведенного фотоплеохроизма в двухбарьерных структурах р-п-GaP / p-Si.

— При фиксированных угле падения и энергии фотонов в окрестности hcoj в структурах p-n-GaP / p-Si возникает инверсия знака суммарного фототока, контролируемая азимутальным углом ср.

— Обнаруженное явление усиления наведенного фотоплеохроизма может найти применение при использовании кубических полупроводников в качестве узкоселективных высокочувствительных фотоанализаторов ЛПИ.

Заключение

.

Представленные в диссертации исследования ориентировались на то, чтобы создать фоточувствительные структуры из алмазоподобных полупроводников различных классов, установить условия проявления в них фотоплеохроизма и выяснить, что они могут привнести в физику полупроводников и полупроводниковую электронику.

В диссертационной работе были получены следующие основные результаты :

1. Установлено, что понижение температуры кристаллизации позволяет обеспечить уменьшение концентрации дефектов решетки в кристаллах и пленках тройных полупроводников CdGeAs2 и ZnGeP2, получаемых из нестехиометрических растворов-расплавов или твердофазным взаимодействием германия с контролируемой паровой фазой, и тем самым улучшить оптоэлектронные свойства этих веществ и структур на их основе, а также получить кристаллы CdGeAs2 с рекордной подвижностью электронов.

2. На монокристаллах CdSiAs2, CdGeAs2 и ZnGeP2 р-типа проводимости из измерений кинетических коэффициентов в широкой области температур впервые определены тензоры удельной электропроводности и коэффициента Холла. Коэффициент Холла в полупроводниках AHBIVCV2 оказался изотропным, что позволяет сделать предположение в пользу одноэллипсоидной модели нижней зоны проводимости и верхней валентной зоны. Показано, что в кристаллах с высоким тетрагональным сжатием подвижность дырок и электронов находится в соответствии с анизотропией эффективных масс и преобладает вдоль тетрагональной оси. С понижением т (ZnGeP2) токоперенос дырок оказывается практически изотропным. Сделан вывод о необходимости учета анизотропии токопереноса при создании фотопреобразователей на анизотропных полупроводниках.

3. Показано, что однородное легирование CdSiAs2 примесями III-й группы в процессе стационарной кристаллизации посредством введения в шихту чистых элементов (In, Ga) или их соединений (GaAs, InAs) позволяет управлять растворением примесей и тем самым варьировать в широких пределах оптоэлектронные свойства p-CdSiAs2 и структур на его основе: изменять концентрацию дырок, степень компенсации, энергию активации центров, спектральный контур ФЛ однородных кристаллов p-CdSiAs2 и ЕФ ГС In203/CdSiAs2 и ячеек H20/CdSiAs2. Рекордный уровень.

• 1Я 1 легирования p-CdSiAs2 (6 '10 см") обеспечивается введением в шихту добавок GaAs, а рекордные для структур из CdSiAs2 значения PN⁸²% достигаются при использовании монокристаллов CdSiAs2.

4. Развиты основы технологии п-р-структур из CdSiAs2 с рекордными фотоэлектрическими параметрами и показано, что коррекция отклонений от стехиометрии в процессе термообработки p-CdSiAs2 в вакууме вызывает конверсию типа проводимости р—"п на заданную глубину вследствие образования вакансий в подрешетке мышьяка. Установлено, что ЕФ положителен и максимален вблизи энергии А-переходов в CdSiAs2 только при освещении р-области гомопереходов и инвертирует знак на отрицательный при переходе к их освещению со стороны слоя п-типа. В гомопереходах с экситонной структурой на длинноволновом краю квантовой эффективности в спектрах естественного фотоплеохроизма обнаружены осцилляции с инверсией знака на отрицательный только при освещении р-области.

5. Обнаружено новое в физике полупроводников явление компенсация фотоплеохроизма, возникающее в поляризационно-чувствительной структуре при регистрации фотонапряжения холостого хода в области интенсивностей ЛПИ, когда достигается фотонапряжение насыщения. В условиях компенсации фотоплеохроизма фотонапряжение сравнивается с диффузионной разностью потенциалов, что привело к разработке нового метода определения высоты энергетического барьера структуры.

6. Предложены и разработаны двухбарьерные структуры n-p-CdSiAs2/In203 с встречно направленными электрическими полями, на которых впервые в мире продемонстрировано явление усиления ЕФ, которое позволяет в узкой спектральной области превзойти дозволенную природой полупроводника CdSiAs2 границу естественного фотоплеохроизма | PN | < 100%.

7. Установлено, что естественный фотоплеохроизм однобарьерных структур на полупроводниках AIBIIICVI2 с различной величиной и знаком тетрагональной деформации решетки халькопирита т (CuInSe2,.

CuIn0.95Gao.o5Se2, CuGaS2, AgGaS2, CuAlSe2, CuA1S2) положителен и максимален вблизи энергии межзонных А-переходов. Смещение спектрального положения максимума естественного фотоплеохроизма обеспечивается изменением атомного состава соединений AIBIIICvi2, тогда как его плавная перестройка достигается выбором состава соответствующего твердого раствора при условии сохранения трансляционной симметрии полупроводников с решеткой халькопирита.

8. Показано, что фоточувствительные структуры (БШ, ГС, ФЭХЯ) на тонких поликристаллических пленках полупроводников AIBIIICVI2 (CuInxGaixSe2, CuIn (SexTei.x)2, CuInxGaixTe2, CuInSe2, CuGaSe2, AgInSe2) и алмазоподобных стекол AHBVICV2 (CdGeAs2, CdGeP2, CdSiAs2) обладают широкополосным фотовольтаическим эффектом, спектральный диапазон которого управляется атомным составом этих полупроводников, а при наклонном падении ЛПИ возникает наведенный фотоплеохроизм.

9. Впервые в мире продемонстрировано явление наведенного фотоплеохроизма в БШ на кубических кристаллах AnlBv (Au/n-GaAs, Ni/n-GaAs, Au-Ni/n-GaAs, Au/n-GaP, Al/n-GaP, Au/n-n'-n±GaP, Au/n-GaPxAsi.x, Au/n-Gai.xAlxAs, Au/n-GaixAlxP) и тем самым определена новая область их применений. Установлено, что коэффициент наведенного фотоплеохроизма таких структур определяется природой полупроводника, неизменный в области высокой фоточувствительности и плавно корректируется углом падения ЛПИ при освещении со стороны барьерного контакта, тогда как переход к освещению со стороны подложки приводит к возникновению в спектре наведенного фотоплеохроизма коротковолновой границы. Рекордная азимутальная фоточувствительность Ф&trade- = 0.21 А/Вт • град (0=80°, 300 К) достигнута в эпитаксиальных структурах Au/n-n'-n±GaP .

10.Обнаружено неизвестное ранее в физике полупроводников явление усиления наведенного фотоплеохроизма Показано, что фоточувствительность структур на кубических полупроводниках (Au/n-GaAs/Au, Au/n-GaP/Si, n-p-GaP/n-Si) в результате конкуренции фототоков двух энергетических барьеров с встречно направленными электрическими полями наступает резкое нарастание фотоплеохроизма, когда Pj->±co.

11. Установлено проявление фотоплеохроизма в структурах, разработанных на основе кристаллической, аморфной и пористой фаз элементарных полупроводников Si и Ge (наведенный фотоплеохроизм: СЭ ITO/c-Si, а.

Si:H/c-Si, a-Si:H/p-CuInSe2, P-Si/c-Si, In (Au)/c-Si, P-Si/InSe (GaSe) — естественный фотоплеохроизм: p-Ge/n-CdGeP2). Показано, что обнаруженный фотоплеохроизм таких структур открывает новую область применения основных материалов полупроводниковой электроники.

12. Осаждение слоев CdS на плоскость (111)В р-InP и эпитаксия слоев р+/1пР на пластины (100) р-InP с разориентацией относительно направления {110} позволяют увеличить эффективность фотопреобразования СЭ n±CdS/(p±p")-InP и ITO/(р±р>1пР в диапазоне между ширинами запрещенных зон контактирующих веществ за счет улучшения совершенства широкозонных слоев. Показана перспектива применения полученных систем в качестве фотоанализаторов ЛПИ.

13. Обработка пластин GaAs и GaP в высокочастотной плазме азотного разряда позволяет при низкой температуре формировать в их приповерхностной области однородные слои, которые в контакте с подложками образуют высокочувствительные широкополосные фотодетекторы, коротковолновая граница ФЧ которых и спектры ФЛ указывают, что образование слоев обусловлено индуцированным плазмой замещением атомов As и Р на азот. Обнаруженные осцилляции наведенного фотоплеохроизма в разработанных структурах свидетельствуют о том, что низкотемпературное плазменное замещение приводит к созданию высококачественных слоев, обеспечивающих контролируемое параметрами обработки просветление.

14. Показано, что наведенный фотоплеохроизм гетероструктур на полупроводниках AHIBV (GaAlAs/GaAs, Ox/GaAlAs/GaAs, GaN/GaP) определяется показателем преломления вещества приемной плоскости этих структур, тогда как при возникновении интерференции ЛПИ во входном слое возникает его спад вплоть до полного исчезновения в области просветления. Установлено, что гетероструктуры GaAlAs/GaAs пригодны для применения в m 0 качестве высокочувствительных (Ф{ = 0.1 А/Вт • град, 0=75, 300 К) широкодиапазонных (1−3.5 эВ) фотоанализаторов ЛПИ, спектральная перестройка наведенного фотоплеохроизма которых вплоть до ультрафиолетового диапазона обеспечивается выбором атомного состава полупроводников АШВУ.

15. Впервые в мире продемонстрировано явление наведенного фотоплеохроизма в структурах, представляющих собой электрически однородные или содержащие п-р-переход слои полупроводников АШВУ на подложках Si и Ge. Показано, что наведенный фотоплеохроизм таких гетероструктур (n-GaP/p-Si, n-GaAsxPi.x/p-Si, n-GaN/p-Si, n-GaN/n-Si, p-GaAs/n-Ge) при фиксированном угле падения постоянен, а в случае интерференции ЛПИ во входном окне осциллирует в диапазоне между ширинами запрещенных зон контактирующих полупроводников, тогда как в структурах p-n-GaAs/n-Si наведенный фотоплеохроизм формируется только фотопреобразованием в гомопереход.

16. Обнаружено неизвестное ранее в физике полупроводников явление исчезновение наведенного фотоплеохроизма, связанное с исключением потерь на отражение в фотопреобразовательных структурах.

Главные итоги выполненной работы заключаются в следующем:

— Выявлено свойство фоточувствительных структур на алмазоподобных полупроводниках, включая ключевые материалы полупроводниковой электроники (Si, GaAs, GaN), проявлять фотоплеохроизм.

— Развиты физические основы создания поляриметрических структур на тройных, бинарных и элементарных алмазоподобных полупроводниках.

— Открыты и изучены неизвестные ранее в физике полупроводников фотоэлектрические явления (а) компенсации, (б) осцилляций, (в) исчезновения и (г) усиления фотоплеохроизма.

— Созданы высокочувствительные фотоанализаторы из алмазоподобных полупроводников в моно-, поли-, нанокристаллическом и аморфном состояниях.

— Вскрыты и продемонстрированы новые возможности поляризационной фотоэлектрической спектроскопии в мониторинге структур на алмазоподобных полупроводниках.

Эти результаты вносят существенный вклад в развитие нового направления в физике и технике полупроводников — поляризационной фотоэлектроники алмазоподобных полупроводников, которая вместе с созданной в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН полупроводниковой люминесцентной электроникой и волоконной оптикой может образовать новую область физики и техникиполупроводниковую поляризационную оптоэлектронику.

Автор благодарит сотрудников лаборатории физико-химических свойств полупроводников ОФТТ ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и кафедры экспериментальной физики СПб ГПУ за доброжелательное отношение и помощь, что способствовало выполнению данной работы.

Работа поддерживалась Международной программой ИНТАС (грант 943 998, 1994;1997 г. г.), Российской программой «Физика твердотельных наноструктур» (1996 г.), персональным грантом Правительства Санкт-Петербурга для молодых ученых (1998 г.) и Государственной научной стипендией для молодых ученых РФ (1998;2000 г. г.).