Разделы: Физика
Размещена 22.04.2024. Последняя правка: 18.04.2024.
Просмотров - 177

СОЗДАНИЕ ФОТОПРИЕМНИКОВ СОЛНЕЧНОГО УФ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Пашикова Тачнабат Дорткулиевна

Государственный Университет им. Махтумкули

Преподаватель

УДК 53.08

1. Введение. В последнее время во всем мире усилился интерес к полупроводниковым фотоприемникам (ФП) ультрафиолетового (УФ) диапазона спектра. Это связано с требованиями современной медицины, биотехнологии, экологии, в том числе и с проблемой “озоновой дыры” [1,2]. Наиболее преспективными приборами в этом спектральном диапазоне являются ФП на основе структур металл (М) – полупроводник (П) с тонким окисным слоем (ОС) между полупроводником и металлом [3,4].

2. Актуальность. Создание УФ-фотодетекторов на основе нанотехнологий и решение практических задач с их использованием является одной из важных задач.

3. Цель. Создание фотодетекторов Au-Ga₂O₃-n-GaAs_0.6P_0.4, работающих в экологическом диапазоне (λ=280-400нм), на основе новых явлений и использования их для решения практических задач.

4. Научная новизна. В настоящее время большое внимание уделяется разработке фотоприемников, работающих в ультрафиолетовой (УФ) и видимой части спектра на основе наноструктурированных диодов Шоттки металл-диэлектрик (оксид)-полупроводник (МДП). Это связано с тем, что они обладают более высокой фоточувствительностью в ультрафиолетовой части спектра по сравнению с нанодиодами с p-n-переходом.

В данной работе приводятся результаты исследований фотоэлектрических свойств наноструктур Au-оксид-n-GaP_0.4As_0.6 с разной толщиной окисного слоя (10-100 Å) в видимой и УФ областях спектра. Сообщается о создании высокоэффективных фотоприемников солнечного УФ излучения (λ=280-400 нм, hν=3.1-4.43 eV) для целей экологических исследований [5].

В качестве исходного материала использованы эпитаксиальные структуры n-GaP_0.4As_0.6/n⁺-GaAs (n~6·10¹⁶ см^-3, n⁺~5·10¹⁷ см^-3); толщина n-слоя GaP_0.4As_0.6 была 40-50 мкм. На подложке n⁺-GaAs создавался омический контакт вплавлением сплава 96%In+4%Te. На поверхности эпитаксиального слоя n-GaP_0.4As_0.6­ сначала формировался окисный (диэлектрический) слой (Ga₂O₃, E_{g oks}≈5.1 eV), затем создавался барьерный контакт (БК) полу-прозрачного слоя Pd+Au. ОС и БК создавались химическим методом [2,6]. Толщина барьерного слоя металла составляла  12-14 нм. Готовая структура устанавливалась в стандартный фотодиодный корпус “ПОРОГ” с кварцевым окном.

Исследовались вольт-амперные (I-U), вольт-фарадные (C-U) характеристики и спектр фототока короткого замыкания (I_f0-hν) в диапазоне энергий фотонов 1.5-5.5 eV при 300 К. В исследованных GaP_0.4As_0.6 m-s-структурах диэлектрические (Ga₂O₃) слои были разной толщины, наибольшая – 10 нм (рис. 1, b). Конструктивная схема представлена на рис. 1, а и рис. 4, а.

Рис.1. Конструкция и схема измерений барьеров Шоттки Au-оксид-n-GaАs_0.6P_0.4 (a); зависимость толщины диэлектрического слоя  б в структурах GaАs_0.6P_0.4 от их коэффициента идеальности  β (b).

Зависимость прямого темнового тока от напряжения (I-U), в интервале плотностей токов 10^-7-10^-2А/см² оказалось экспоненциальной I=I₀exp(qU/βkT). Из этой зависимости определялся коэффициент идеальности структур β. В наших экспериментах коэффициент β зависел от толщины промежуточного диэлектрического слоя δ [10]. Из эллипсометрических, I-U и C-U экспериментальных данных была установлена эмпирическая зависимость δ от β. Эта зависимость оказалась линейной (рис. 3, б): δ=а(β-1), где эмпирический коэффициент а=125 Å. Данное эмпирическое соотношение использовалось для определения δ и в других структурах по измеренным для них значениям β.

Рис.2. Спектры фототока поверхностно-барьерных структур Au-оксид-n-GaАs_0.6P_0.4  с разной толщиной окисного слоя  (б). Спектр фототока нормирован на равное число падающих фотонов. Все спектры приведены к одинаковым максимумам. Температура комнатная.

При освещении разных структур (с разными коеффициентами β)  ультрафиолетовым светом с энергией фотонов hν=3.4 eV нами была  найдена оптимальная тольщина оксидного слоя (Ga₂O₃) для создания УФ фотоприемников. Установлено, что оптимальная толщина составляет δ=30-

60 Å. Основные результаты исследований фоточувствительности (ФЧ) структур Au-окисел-n-GaAs_0.6P_0.4 проиллюстрированы на рисунках 2 и 3.

 На рис.2 представлены спектры фототока структур  Au-окисел-n-GaAs_0.6P_0.4 с различной толщиной диэлектрического слоя  δ=10-90 Å (b=1.07-1.70). В структурах с очень тонкими диэлектрическими слоями  (δ≈10 Å, рис.2, кривая-1) не возникает препятствия для перехода фотодырок из полупроводника в металл, но зато велика вероятность перехода горячих фотоэлектронов из полупроводника в металл, что уменьшает коротковолновую ФЧ. В структурах, в которых δ≈47 Å, диэлектрический слой достаточно толст, чтобы заметно затруднить переход горячих фотоэлектронов из полупроводника в металл, в то же время достаточно тонок, чтобы не сильно препятствовать переходу фотодырок из полупроводника в металл. Здесь относительная коротковолновая ФЧ [I_f0(4.0 eV) / I_f0(hn_m)] в 1.5-2 раза выше, чем в структурах с очень тонкими (δ≈10 Å) и относительно толстым (δ≈83 Å) диэлектрическими слоями.

5. Выводы. В результате были разработаны ФП УФ излучения на основе Au-Ga₂O₃-n-GaAs_0.6P_0.4 наноструктур с оптимальной толщиной оксидного слоя (δ=30-60 Å, рис. 2, кривая 2). Их можно использовать в экологическом диапазоне УФ части солнечного спектра λ=280-400 нм (hν=3.1-4.43 eV). ФП в указанном диапазоне УФ излучения имеют практически постоянную ФЧ  (S_I≈0.15 А/Вт, рис.3, кривая-1).

Рис.3. Спектры фототока трех GaAs_0.6P_0.4  поверхностно-барьерных фотоприемников ультрафиолетового излучения (УФП). 1-УФП (без светофильтра), 2-УФП-2 (со светофильтром УФС-1), 3-УФП-3 (со светофильтром УФС-2).

Для применения ФП в качестве основного элемента интенсиметра и дозиметра спектр его токовой фоточувствительности корректируется светофильтрами УФС-1 (d=3 мм, рис.3, кривая-2) или УФС-2 (d=2 мм, рис.3, кривая-3).  

Рис.4. Конструкция и схема УФ фотоприемника (а), спектр фоточувствительности наноструктур Au-Ga₂O₃-n-GaAs_0.6P_0.4. T=300K.

Использование фильтра УФС-2 вместо кварцевого окна в стандартном корпусе существенно смещает максимум спектра ФЧ в коротковолновую УФ область (hν_max=3.65 eV, рис.3, кривая-3). Такой фотоприемник чувствителен только к УФ излучению экологического диапазона λ=280-400 нм  (рис.4, кривая-b)

Установлено, что при прямом солнечном освещении ФП с фильтром УФС-2, зависимость I_f0 от плотности потока излучения Р в интервале Р=10^-3-10² Вт/м² линейная, т.е. I_f0=α·P, где α – коэффициент пропорциональности, для каждого ФП величина постоянная. Созданный ФП на основе Au-оксид-n-GaAs_0.6P_0.4 наноструктур использован для измерения интенсивности и дозы УФ излучения Солнца, достигающеей земной поверхности [8].

6. Заключение. Таким образом, созданные наноструктурированные фотоприемники по конструкции и технологии выгодно отличается от известных GaP_xAs_1-x фотоприемников [1,9] и имеет более высокую ФЧ в коротковолновой УФ области спектра [10].

1. Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Полупроводниковые фотопреобразователи для ультрафиолетовой области спектра // ФТП. -2003, -Т.37, Вып.9, -С. 1025-1055.
2. Мелебаев Д. Гигантская фоточувствительность Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP наноструктур в УФ области спектра // Инженерный журнал «Нанотехнология» Россия, Москва, 2014. №2(38). С.106-109.
3. Патент №16344065 РФ. Фотоприемник // Мелебаев Д., Гольдберг Ю.А., Овлякулова М.Г., Царенков Б.В. -25.03.1993.
4. Мелебаев Д. Фоточувствительность структур Au-окисел-n-GaP0.4As0.6 в УФ области спектра. // Труды Российского совещания по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники. Новосибирск-2008. -С.67.
5. Мелебаев Д. Фоточувствительность наноструктур Au-окисел-n-GaAs0.6P0.4 в УФ области спектра // Тр. Российской конференции по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники. Новосибироск, 2015, с.128.
6. Мелебаев Д., Мелебаева Г.Д., Рудь В.Ю., Рудь Ю.В. Фоточувствительность и определение высоты барьеров Шоттки в структурах Au-n-GaAs // ЖТФ. -2008. –Т.78, №1. - С.137-142.
7. Саrd H.C., Rhoderick E.H. Studies of tunnel MOS diodes. I. Interface effects in silicon Schottky diodes // J. Phys. D.: Appl. Phys. -1971, -Vol.4, -p.1589-1601.
8. Melebaev D. Creation of Photodetectors of Solar Vetravilet radiation of Ecological pange // Problems of use of alternative energy sources in Turkmenistan. Abstracts of ISC. Ashkhabad. - 2010, -p.100.
9. Каталог "Hamamatsu" Фотоприемники Si, GaAsP, GaP. – Япония, 2012.
10. Мелебаев Д., Туджанова И.Н., Пашикова Т.Д. Фотоприемник ультрафиолетового излучения на основе Au-Ga2O3(Fe)-n-Ga As0.6 P0.4 наноструктур// Тезисы докладов XIV Российской конференции по физике полупроводников “Полупроводники - 2019” Новосибирск, - М. Издательство Перо, 2019.

Рецензии:

23.04.2024, 18:16 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Ультрафиолетовое (УФ) излучение – часть спектра естественного солнечного света, которое условно делится на 4 спектральные области электромагнитного излучения: УФ-А (длина волн от 400 до 320 нм), УФ-В (длина волны от 320 до 280 нм), УФ-С - коротковолновая (длина волны от 280 до 200 нм) и Дальний УФ (длина волны от 200 до 10 нм, которая достигает границы рентгеновского спектра с низкими энергиями). Фотодетекторы УФ-излучения используются в промышленной сфере (детекторы пламени, системы пожарной сигнализации, литография с сильным ультрафиолетовым излучением), национальной безопасности (противоракетная оборона, военное распознавание, обнаружение взрывчатых веществ, судебно-медицинский анализ, защищенная связь), медицине (УФ-визуализация, анализ белков и секвенирование ДНК), биологии (обнаружение биологических агентов), а также при решении проблем окружающей среды (обнаружение озона, определение загрязнения воздуха, дезинфекция и обеззараживание). В статье "СОЗДАНИЕ ФОТОПРИЕМНИКОВ СОЛНЕЧНОГО УФ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ" изложены результаты создания фотоприемника УФ-излучения на основе наноструктур Au-оксид-n-GaAs 0,6 P 0,4. Статья является актуальной с научной новизной. Рекомендую статью к публикации в журнале SCI-ARTICLE.RU.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий