Zusammenfassung
Die innere Photoemission an Metall/Halbleiter Heterostrukturen wird
einerseits als Wirkprinzip bei Infrarotdetektoren angewendet [Ela82] und ist
andererseits auch eine Meßmethode zur Bestimmung der Schottky - Barrierenhöhe
EB. Die übliche Auswertung der inneren Photoemission im Fowler plot, geht auf
die Näherung des Fowler Modells zurück, in dem Streuprozesse heißer
Ladungsträger vernachlässigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der
Einfluß der Trägerstreuung im Metallfilm auf die innere Photoemission,
systematisch an Au/Si und CoSi2/Si Heterostrukturen untersucht.
Dazu wurden das Absorptionsvermögen im Metallfilm A und die innere
Quantenausbeute Y simultan gemessen und quantitativ mit verschiedenen
Modellrechnungen verglichen. Das Absorptionsvermögen AAu(d) dünner Au - Filme
steigt für Photonenenergien hn < 1 eV mit abnehmender Schichtdicke (40 nm < d <
5 nm) etwa um einen Faktor 7 an (siehe Abb. 4.8). In der Erhöhung von AAu(d)
gegenber dicken Schichten, zeigt sich der zunehmende Einfluß einer diffusen
Ladungsträgerstreuung an den Grenzflächen des Metallfilms (optical - size
effect), der die Schichtdickenabhängigkeit der optischen Konstanten n(hn,d) und
k(hn,d) bei d < 25 nm bewirkt.
Die innere Quantenausbeute Y(d) steigt simultan ebenfalls mit abnehmender
Schichtdicke um einen Faktor 4 - 5 an (siehe Abb. 5.3). Die Erhöhung von Y(d)
bei dünnen Schichten wurde auf die isotropisierende Trägerstreuung im Metallfilm
zurückgeführt. Dazu wurde der experimentelle Emissionskoeffizient C0(d) im
Fowler plot ermittelt und quantitativ mit verschiedenen Modellrechnungen
(Fowler, Kane/Dalal, Monte - Carlo) verglichen, die nur auf bekannte
Materialgrößen zurückgreifen (siehe Abb. 6.3). Während das Fowler Modell die
gemessene Schichtdickenabhängigkeit von C0(d) nicht erklärt, ergibt die
Berücksichtigung der Trägerstreuung im Metall, sowohl nach Kane/Dalal als auch
nach der Monte - Carlo Simulation, eine qualitative und quantitative
Übereinstimmung mit dem Experiment innerhalb eines Faktors 2 - 3.
Die Fowlerbarriere EFB liefert Werte, die in der Größenordnung von kBT von der
zu bestimmenden Schottky - Barrierenhöhe EB abweicht. Diese Differenz DEFB(T)
ist temperaturabhängig und wird durch die Fermi - Verteilung der Elektronen im
Metall (siehe Gl. 2.8 b) verursacht. Unter Berücksichtigung von DEFB(T) nach der
Monte - Carlo Simulation (( kBDT) wurde gezeigt, daß bei Au/n-Si im Bereich 295
K > T > 95 K, die Temperaturabhängigkeiten der Barrierenhöhe und der optisch
bestimmten Bandlücke des Si Substrats im Rahmen der Meßgenauigkeit identisch
sind DEG(T) - DEB(T) = ( 5 meV. Das Fermi Niveau EF ist bei Au/n-Si an der
Grenzfläche bezüglich dem Valenzband EV fixiert EG(T) - EB(T) = En (siehe Abb.
6.5).
Mit der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, daß die innere Photoemission an
dünnen Metall/Halbleiter Heterostrukturen von bekannten Materialgrößen ausgehend
quantitativ beschrieben werden kann, wenn die Streuprozesse heißer Ladungsträger
im Metallfilm berücksichtigt werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer
gezielten Effizienzverbesserung von Infrarotdetektoren, die auf innerer
Photoemission basieren, sowie eine genauere Bestimmung von Schottky -
Barrierenhöhen.
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