Фотоэлектрические преобразователи на квантовых точках

Основные  физические свойства германия приведены  в таблице 1.1.

Таблица 1.1.Физические свойства германия

Свойства	Значение
Ширина запрещенной зоны при Т=300К, эВ	0,665
Подвижность электронов при Т=300К, см2/(В*сек)	3900
Подвижность дырок при Т=300К, см2/(В*сек)	1900
Эффективная масса электрона	0,55

 

Кремний. В противоположность германию, кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре, где его содержится 29,5% (по массе). По распространенности кремний занимает среди элементов второе место после кислорода. Многочисленные соединения кремния входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Наиболее распространенным соединением этого элемента является двуокись кремния Si0₂. Свободная двуокись кремния встречается в основном в виде минерала кварца. В ряде месторождений чистота кварцевого песка достигает 99,9%. Кремний в свободном состоянии в природе не встречается.

Кремний устойчив на воздухе при нагревании до 900°С. Выше этой температуры он начинает интенсивно окисляться с образованием двуокиси Si0₂.

Во  многих случаях поверхностные явления оказывают на характеристики приборов более сильное влияние, чем физические свойства объема полупроводника. Это обусловливает применение различных пассивирующих покрытий, защищающих поверхность полупроводника и сформированные в нем p-n-переходы от воздействия окружающей среды. Слой термического окисла обладает способностью защищать полупроводник от диффузионного проникновения из внешней среды ряда электрически активных примесей.

Таблица 1.2.Физические свойства кремния

Свойства	Значение
Ширина запрещенной зоны при Т=300К, эВ	1,105
Подвижность электронов при Т=300К, см2/(В*сек)	1450
Подвижность дырок при Т=300К, см2/(В*сек)	480
Эффективная масса электрона	1,1

 

Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии отличается высокой химической активностью.

Поведение примесей в кремнии подчиняется  в основном тем же закономерностям, что и в германии. Атомы элементов III и V групп Периодической системы, являясь соответственно акцепторами и донорами, создают мелкие уровни в запрещенной зоне.

Основные  физические свойства кремния систематизированы  в таблице 1.2.

 

2. Полупроводники А³В⁵

Соединения  A³B⁵ являются ближайшими электронными аналогами кремния и германия [4]. Они образуются в результате взаимодействия элементов 3-б подгруппы Периодической таблицы (бора, алюминия, галлия, индия) с элементами 5-б подгруппы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединений рассматриваемого ряда. Соединения A³B⁵ принято классифицировать по металлоидному элементу. Соответственно, различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды.

Полупроводниковые соединения A^,MB^V образуют гомологический ряд, в котором наблюдается закономерное изменение многих свойств при изменении атомных номеров компонентов. Эти закономерности можно проследить с помощью таблице 1.3.

Внутри  каждой группы соединений-аналогов наблюдается уменьшение ширины запрещенной зоны с ростом суммарного атомного номера и атомных масс, входящих в соединение элементов. Это объясняется более сильным размытием «электронных облаков» ковалентных связей по мере движения вниз по Периодической таблице, благодаря чему усиливается металлический характер связи. Одновременно с ослаблением ковалентных химических связей снижаются температура плавления и твердость материала, т. е. полупроводник становится более пластичным, приближается по своим механическим свойствам к металлам.

 

Соединение	Ширина запрещенной зоны при Т=300К, эВ	Подвижность электронов при Т=300К, см2/(В*сек)	Подвижность дырок при Т=300К, см2/(В*сек)	Эффективная масса электрона m*/2m0
AlP	2,45	0,008	0,003	0,22
GaP	2,26	0,019	0,012	0,13
InP	1,35	0,46	0,015	0,0795
AlAs	2,16	0,028	–	0,15
GaAs	1,43	0,95	0,045	0,067
InAs	0,36	3,3	0,046	0,026
AlSb	1,58	0,02	0,055	0,14
GaSb	0,72	0,4	0,14	0,039
InSb	0,18	7,8	0,075	0,013

Таблица 1.3. Физические свойства соединений A³B⁵

Подвижность носителей заряда в полупроводниках  A³B⁵ ограничивается в основном рассеянием электронов и дырок на оптических тепловых колебаниях решетки, под которыми следует понимать противофазное смещение соседних атомов. Увеличение атомной массы компонентов ведет к уменьшению рассеяния носителей заряда на этих колебаниях, следовательно, подвижность носителей заряда резко возрастает. Среди всех полупроводников антимонид индия обладает рекордно высокой подвижностью электронов. Абсолютное значение подвижности электронов для большинства соединений существенно превышает подвижность дырок. Исключение составляет только антимонид алюминия, у которого подвижность дырок почти в три раза превышает подвижность электронов.

 

 

3. Полупроводники А²В⁶

К соединениям типа A²B⁶ относят халькогениды цинка, кадмия и ртути [3]. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. В эту группу не входят окислы указанных металлов.

В полупроводниках A²B⁶ с ростом средней атомной массы во всех трех гомологичных рядах закономерно уменьшаются ширина запрещенной зоны и температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность носителей заряда.

Поведение примесей в соединениях типа A²B⁶ в основном подчиняется тем же закономерностям, что и в полупроводниках типа A³B⁵, т. е. примеси замещения, имеющие валентность меньшую валентности вытесняемых атомов, играют роль акцепторов, а примеси с более высокой валентностью являются донорами.

Таблица 1.4. Физические свойства соединений A²B⁶

Соединение	Ширина запрещенной зоны при Т=300К, эВ	Подвижность электронов при Т=300К, см2/(В*сек)	Подвижность дырок при Т=300К, см2/(В*сек)	Эффективная масса электрона m*/2m0
ZnS	3,74	0,014	0,0005	0,27
CdS	2,53	0,035	0,011	0,204
HgS	1,78	0,07	–	–
ZnSe	2,73	0,026	0,0015	0,17
CdSe	1,85	0,072	0,0075	0,13
HgSe	0,12	2,0	–	0,25
ZnTe	2,23	0,053	0,003	–
CdTe	1,58	0,12	0,006	0,11
HgTe	0,08	2,5	0,02	0,002

 

Важная  особенность полупроводников типа A²B⁶ состоит в том, что многие из них проявляют электропроводность лишь одного типа независимо от условий получения и характера легирования кристаллов. Так, сульфиды и селениды цинка, кадмия и ртути всегда являются полупроводниками n-типа. В отличие от них теллурид цинка обладает только дырочной электропроводностью. И лишь CdTe и HgTe могут иметь электропроводность как n-, так и р-типа, в зависимости от условий изготовления и типа легирующих примесей. Отсутствие инверсии типа электропроводности существенно ограничивает возможности практического использования полупроводников типа A²B⁶.

Проводимость  соединений типа A²B⁶ может быть значительно (на несколько порядков) изменена путем термообработки в парах собственных компонентов.

В таблице 1.4. приведены основные физические свойства соединений A²B⁶.

 

4. Органические материалы

Важной  особенностью органических полупроводников, отличающая их от большинства органических веществ,— это фотопроводимость, т. е. возрастание электропроводности при освещении объекта [5]. Фототок растет с увеличением интенсивности L освещения по закону i=aLⁿ, где п может иметь значение от 1 (линейная люкс-амперная характеристика) до 0,5. В полях с напряжением менее нескольких киловольт на 1 см фототок i изменяется по закону Ома. Носителями фототока могут быть и электроны и дырки.

Органические полупроводники обнаруживают фотоэлектрическую чувствительность в широком диапазоне частот спектра. Изучение спектральной зависимости фотопроводимости показало, что в очень тонких слоях или в монокристалле максимальные значения фототока совпадают с максимумами в спектрах поглощения.

Таблица 1.5.Физические свойства органических соединений

Вещество	Строение молекулы	Ширина запрещенной зоны при Т=300К, эВ
Бензол		5,00
Нафталин		3,70
Антрацен		1,93
Нафтацен		1,70
Пентацен		1,50
Графит		0,005

Помимо  фотопроводимости многие низкомолекулярные органические полупроводники обнаруживают и другое фотоэлектрическое свойство — фотовольтаическую активность, или фото-эдс. Она проявляется либо в форме вентильной фото-эдс — возникновение потенциала при освещении контакта исследуемого вещества с металлом или с другим веществом, либо в форме диффузионной фото-эдс, возникающей за счет различия в подвижности электронов и дырок, которые образуются при импульсном освещении вещества перпендикулярно обкладкам — электродам. Область спектральной чувствительности фото-эдс обычно совпадает с областью поглощения в оптических спектрах.

В группе многоядерных углеводородов (бензол, нафталин, антрацен, нафтацен, пентацен), приведенных в таблице 1.5, рост числа конденсированных ароматических колец в молекуле сопровождается увеличением удельной электропроводности соединений и уменьшением ширины запрещенной зоны.

 

3. Технология получения полупроводниковых структур
1. Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая  эпитаксия (МЛЭ) представляет собой  усовершенствованную разновидность  метода термического напыления материалов в условиях сверхвысокого вакуума  [6]. Метод МЛЭ позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования. В установках МЛЭ имеется возможность исследовать качество плёнок «in situ» (то есть прямо в ростовой камере во время роста). Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарно-гладкой поверхностью.

Идею  метода МЛЭ можно пояснить с помощью блок-схемы технологической установки, изображенной на рис. 1.4. Потоки атомов или молекул создаются в зоне генерации (I) за счет испарения жидких или сублимации твердых материалов, помещенных в эффузионные ячейки (источники). Эффузионная ячейка – это цилиндрический либо конический тигель, на выходе которого имеется круглое отверстие (диафрагма). Потоки атомов (молекул) направляются на подложку, проходя зону смешивания (II), и осаждаются на ней в зоне роста (III), образуя пленку из вещества требуемого состава.

Управление  составом выращиваемого материала  и концентрацией легирующих примесей осуществляется с помощью заслонок, которые перекрывают тот или иной поток частиц. Если при выращивании структуры нужно резко менять концентрацию одной и той же примеси, то используют несколько эффузионных ячеек с легирующим веществом, нагретых до различных температур.

Рисунок 1.4. Схема MЛЭ установки: 1 – подложка, 2 – растущая пленка, 3 – заслонки, 4 – эффузионные ячейки основных компонентов, 5 – эффузионные ячейки легирующих примесей; I – зона генерации молекулярных пучков, II – зона смешивания пучков, III – зона кристаллизации на подложке