Электронные процессы в быстродействующих фотопроводниках в условиях случайного потенциального рельефа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

' ФШКВДСКЙЙ ИНСТИТУТ имени М.Н.ЛЕБЕДЕВА 1 ' '" РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

на правах рукописи

УДК : 537.311.33 537.312.5

КУРБАТОВ Вадим Алексеевич

аПЕКТРОНШЕ ПРОЦЕССЫ В ШСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ФОТОПРОВОДНИКАХ В УСЛОВИЯХ СЛУЧАЙНОГО ПОТЕНЦИАЛЬНОГО РЕЛЬЕФА

01.04.07о - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1996.

Работа выполнена в Физическом Институте голени П.Н.Лебедева РА

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук В.А.Гергель,

доктор физ.-мат. наук Б.Б.Крынецкий, доктор физ.-мат. наук А.Ф.Плотников.

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН.

Защита диссертации состоится "//" ХС^Л 1996 г. б /2- час. на заседании специализированного совета Д002.39.02. при Физическом институте имени П.Н.Лебедева РАН по адресу: 117924 Москва, Ленинский проспект 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института имени П.Н.Лебедева РАН.

Автореферат разослан "_" __ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета

профессор, доктор физико-математических наук А.П.Шотов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Новые возможности передачи больших объемов информации и когерентной обработки оптических сигналов, возникшие о открытием лазеров, выдвинули повышеиные требования к фотодетекторам и стимулировали развитие исследований в этой области.

Появление мощного источника излучения, слабо поглощаемого атмосферой, - лазера на углекислом газе - вызвало к жизни многочисленные исследования, направленные на создание новых типов быстродействующих фотодетекторов для средней Ж области спектра. Были достигнуты значительные успехи: при азотных и даже при несколько более высоких температурах фотодиоды на основе тройных соединений достигают пороговых чувствительнос-тей, близких к идеальным, при работе как в прямом, так и в гетеродинном режимах работы и обладает высоким, до Ю-10 с, быстродействием /1 -г 4/.

Значительно меньше внимания уделялось исследованиям и разработкам быстродействующих фотодетекторов лазерного излучения на основе таких традиционных материалов для средней ИК области, как примесные германий и кремний /5 * 7/. ■В то же время примесные фоторезисторы обладают рядом достоинств, отсутствующих у фотодиодов. У них значительно меньшая, чем у фотодиодов, собственная емкость, которая, к тому же, не зависит от размеров приемной площадки. Примесные фоторезисторы из германия и кремния значительно более устойчивы к оптическим перегрузкам, чем фотодиоды из тройных соединений, и в отличие от последних обладают стабильными характеристиками. Примесные фоторезясторы имеют существенно больший,

чем фотодиоды, динамический диапазон и обеспечивают лучшую помехоустойчивость фотоприемного устройства, что весьма важно для ряда применений. В то же время, основные недостатки примесных фоторезисторов по сравнению с фотодиодами - требование более глубокого охлаждения и меньшая величина токовой фоточувствительности - при работе в режиме оптического гетероди-нирования могут быть в значительной мере ослаблены.

Физические процессы в примесных фотопроводниках обычно рассматриваются на основе представлений об изолированных друг от друга примесных центрах, находящихся в идеальной кристаллической решетке полупроводника. Для германия и кремния, по крайней мере при невысоких концентрациях примесей и не очень низких температурах, такие представления в основном применимы. Практически полная характеристика примесного центра, достаточная для описания примесной фотопроводимости, в этом случае содержит небольшое число параметров: анергию ионизации центра, сечение поглощения излучения /зависящее от длины волны/ и сечение захвата носителей заряда /зависящее от температуры/. Существует большое количество экспериментальных работ, посвященных исследованию этих характеристик, но несмотря на это имеющиеся данные существенно неполны, а иногда и противоречивы.

Дня анализа наблвдаемых явлений как правило привлекаются результаты теоретического анализа, основанного на тех же представлениях, т.е. не учитывающего взаимодействия примесных центров. Такой подход вполне пригоден для приближенных оценок характеристик фотопроводников при относительно невысоких концентрациях примеси, достаточных однако для реализации

фотодетекторов с практически оптимальными значениями пороговой мощности в условиях 300-градусного фона, но с невысоким быстродействием /8/.

Учет межпримесного взаимодействия или, в более общем виде, использование теории неупорядоченных систем, становится необходимым в первую очередь при низких температурах, когда тепловая энергия много меньше флуктуаций энергии, вызванных неу-порядоченностями /9/. Представленные в диссертации результаты исследований быстродействующих фотопроводников, содержащих значительное количество заряженных примесных центров, показывают, однако, что кулоновское поле ионов примесей может оказывать заметное влияние на физические процессы, определяющие фоточувствительность практических устройств, и при относительно высоких температурах, когда тепловая энергия превышает флуктуации энергии электронных состояний.

Таким образом, актуальность исследования роли случайного потенциала в быстродействующих фотопроводниках определяется как необходимостью развития научных представлений о ¡физических прцессах в таких материалах, так и практическими потребностями в создании быстродействующих фотодетекторов.

Предмет и цель исследований. Исследования, результаты которых представлены в диссертации, были предприняты для выяснения возможностей использования примесных фоторезисторов в качестве быстродействующих и эффективных детекторов лазерного излучения. Они включали в себя как исследования физических явлений в полупроводниках с относительно высокими концентрациями легирующих примесей, необходимыми для обеспечения коротких времен релаксации фотопроводимости, так и анализ и экспе-

риментальные исследования собственно фотоприемных характерно тик быстродействующих примесных фоторезисторов в режимах прямого и гетеродинного детектирования излучения. Значительное внимание было уделено также практическим разработкам быстродействующих многоэлементных фотодетекторов для ряда практических применений.

Исходя из практических задач, особое внимание при рассмотрении фотоприемных характеристик примесных -фоторезисторов было уделено вопросам достижения предельно возможных для такого типа фотодетекторов значений пороговой мощности и быстродействия в режиме оптического гетеродннирования, а также анализу работы фотопроводников при относительно высоких температурах. Вместе с заданной спектральной областью /10 мкм/ это определило выбор материала для исследований, которым ста) главным образом, германий, легированный цинком или ртутью, обладающими хорошей растворимостью и энергиями ионизации, наиболее близкими к энергии кванта 10-микронного излучения.

В связи с вышесказанным, целью работы явилось исследоваш роли случайного поля в физических процессах, определяющих фотоэлектрические свойства примесного полупроводника, и создание быстродействующих фотодвтекторов лазерного излучения с пороговой мощностью, близкой к квантовому пределу.

Научная новизна.

1. Экспериментально и теоретически показано, что в фотопроводниках, практически используемых для создания быстродействующих фотодетекторов, случайное поле заряженных примесей существенно влияет на процессы термического и оптического

возбуждения носителей заряда, а также на процесс захвата неравновесных носителей, при этом роль случайного поля в рабочем диапазоне температур фотопроводников может быть описана в приближении малой величины энергии случайного поля по сравнению с тепловой энергией. Показано, что изменение характеристик тепловой генерации, проявляющееся как уменьшение энергии тепловой ионизации примеси, в предельных случаях сильной и слабой компенсации можно описать аналитическими выражениями, при этом для случая малой степени компенсации энергия тепловой активации примесной проводимости оказывается зависящей от температуры.

2. Обнаружено и исследовано вызванное наличием случайного поля уменьшение сечения фотоионизации примесных центров, которое проявляется при повышении концентрации примесей и повышений интенсивности оптического зозбундения.

3. Проведен качественный анализ поведения случайного поля в примесном полупроводнике в условиях оптического возбуждения примесей, который выявил взаимосвязь между величиной интенсивности оптического возбуждения и величиной случайного потенциала. Это позволило объяснить найденную экспериментальную зависимость величины оптического поглощения от интенсивности излучения.

4. Экспериментально установлено, что случайное поле не оказывает непосредственного влияния на процесс захвата неравновесных носителей, если энергия электрона в случайном поле меньше его тепловой энергии. В противном случае пространственное разделение центров захвата и свободных носителей случайным полем приводит к резкому росту времени релаксации

фотопроводимости с понижением температуры и для.

при азотных температурах ограничивает его минимальное значение

на уровне -лЮ-11 с.

5- Проведен анализ влияния тепловой генерации на величину пороговой чувствительности гетеродинного фотодотектора на основе примесного фоторезистора. Получены физически ясные и удобные практически выражения, определяющие величину пороговой чувствительности с учетом тепловой генерации. Теоретически и экспериментально показано, что в режиме гетеродинного приема 10-микронного излучения примесные фотопроводники на основе германия при азотных температурах обеспечивают сочетание пороговой мощности, близкой к величине квантового предела, определяемого величиной оптического поглощения, и высокого, 1 п

10 хи с, быстродействия фотодетектора.

6. Выяснена роль случайного поля примесных центров в ограничении предельной величины усиления лавинных фотодиодов. Экспериментально показано, что влияние случайного поля ослаблено в лавинных МДП-структурах и гетеропереходах кремний-широкозонный полупроводник, что позволяет сочетать невысокие

с

значения коэффициента шума и предельно высокие, ">10 , значения коэффициента умножения в. этих приборах.

7

• Практическая ценность полученных в работе результатов состоит в развитии представлений о физических процессах в фотопроводниках, используемых для построения быстродействующих фотодетекторов, а также в практических разработках быстродействующих фотодетекторов.

В диссертационной работе автор защищает следующие научные положения:

1. Флуктуационный потенциал оказывает существенное влияние на процессы оптической и термической генерации носителей в примесном полупроводнике при относительно высоких температурах, когда тепловая энергия порядка или больше потенциальной энергии электрона в случайном, поле.

2. Влияние случайного поля на процесс термической генерации носителей заряда может быть описан в приближении кТ»^!, при этом для случаев слабой или сильной компенсации зависимость концентрации свободных носителей от температуры описывается аналитически.

3. Случайное поле ионов примесей влияет на процесс оптической генерации и приводит к уменьшению сечения фотоионизации примесных центров.

4. Величина случайного поля возрастает при оптическом возбуждении примесных центров, что приводит к снижению квантовой эффективности примесных фоторезисторов при повышении интенсивности излучения.

5. Пороговая мощность фоторезистора в режиме оптического гетеродинирования описывается с помощью двух сомножителей к величине пороговой мощности идеального квантового приемника, которые имеют структуру коэффициентов шума - "оптического", представляющего собой отношение суммарного теша генерации к тешу генерации гетеродинным излучением, и "электрического" -отношения полной мощности шума к мощности г-р шума фоторезистора.

6. В режиме гетеродинного приема 10-микронного излучения примесные фотопроводники на основе германия с примесью цинка при азотных температурах обеспечивают сочетание пороговой мощности, близкой к величине квантового предела, определяемого величиной оптического поглощения, и субнаносекувдного быстродействия фотодетектора.

Ограничение быстродействия случайным полем примесей при азотных температурах происходит на уровне времени фотоответа .-Ю-11 с.

7. Случайное поле примесей ограничивает предельные возможности традиционных кремниевых лавинных фотодиодов на уровн коэффициента умножения ^ 10.

8. В лавинных МДП-структурах и гетеропереходах кремний-шрокозонный полупроводник реализуется режим локальных микропробоев с самогашением, осуществляемым на уровне одноэлек-тронных процессов, что позволяет сочетать малые величины коэффициента шума & 2 для МДП-структур/ и высокие значения коэффициента умножения М > 10®.

Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, докладывались на международном симпозиуме "Детекторы фотонов" /Прага 1978/, на Республиканских конференциях по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках / Ужгород 1979, Одесса 1982/, на Научной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках /Ашхабад 1991/, на Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводника) /Ташкент 1980/, на Всесоюзных конференциях по физике полупроводников / Баку 1982, Минск 1985, Кишинев 1988/, а также

на Международных конференциях по физике полупроводников /Варшава 1988, Салоники 1990/.

Основные результаты опубликованы в 52-х печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации 105 страниц, включая 34 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 10S найменованнй.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИЙ

Во введении изложены цели и дано обоснование актуальности работы, определено место работы в ряду других исследований, а также дано краткое изложение содержания диссертации по главам.

В первой, главе дан краткий обзор результатов исследований основных свойств примесей в германии и проведен анализ результатов применительно к поставленным задачам - созданию быстродействующих фотодетекторов 10-микронного излучения, работающих при относительно высоких температурах, и исследованиям случайного поля в фотопроводниках. На основании этого анализа обоснован выбор материала для исследований, которым явился, главным образом, германий, легированный примесями цинка и ртути. Эти примеси сочетают сравнительно высокие значения энергии ионизации, сечения захвата неравновесных носителей и предельной растворимости /Ю, 11/, при этом использование в качестве фотоактивного второго уровня цинка подразумевает высокую концентрацию заряженных центров и, соответственно, относительно высокую амплитуду случайного потенциала.

Во второй главе проведен анализ крупномасштабного случайного потенциала в прзшесном полупроводнике в приближении

[к I . В этом случае, как и в приближении (е^^'Р , применимом для полупроводника с очень малой степенью компенсации при Т — 0 /9/, а также для сильно легированного полупроводника /12, 13/, возможна линеаризация уравнения Пуассона для крупномасштабного случайного потенциала. Для случаев сильной и слабой компенсации примесного уровня были получены аналитические выражения для температурной зависимости концентрации свободных носителей. Полученные результаты позволили объяснить результаты экспериментальных исследований зависимости энергии активации примесей , Н^ в германии от степени легирования и компенсации. Для примеси 2п было обнаружено, что начиная с концентраций — Ю^СиГ^ энергия тепловой активации <£, существенно зависит от уровня, легирования и степени компенсации. При сильной компенсации примесного уровня приближается к энергии ионизации изолированного атома примеси Е0 = 86 мэВ. При слабой компенсации £, понижается с ростом концентрации примеси и является функцией температуры« Аналогичные эффекты на образцах (к :.Н| были выражены значительно слабее.

Полученные соотношения, описывающие статистику примесного частично компенсированного полупроводника при наличии случай. ного поля сопоставлены с экспериментальными результатами, что дало хорошее соответствие теории и эксперимента. Предложен способ расчета раздельных концентраций доноров и акцепторов по результатам измерений электропроводности и эффекта Холла в примесном полупроводнике при наличии слабого случайного поля.

Измерения оптического поглощения в образцах германия, легированного цинком с полностью компенсированным первым уровнем, обнаружили концентрационную зависимость сечения фотоионизации иона во всем исследованном диапазоне непрерывной полосы поглощения примеси ^ =(86,5 * 300)мэВ. В области наиболее сильной зависимости, Ку = 120 мэВ, сечение фотоионизации изменяется от 1,2»10~15см2 до 34-4 «Ю-16 сг.? при росте концентрации цинка от 10^см~3 до Предложено качественное объяснение обнаруженной концентрационной зависимости сечения фотоионизации, основанное на представлении о деформации валентной зоны германия в случайном поле /14, 15/.

В сплошной полосе поглощения обнаружена резонансная структура, представляющая собой набор максимумов поглощения, энергетическое положение которых совпадает с положением линий в спектре переходов на возбужденные состояния, смещенных в коротковолновую часть спектра на величину энергии оптического фонона. Это позволило интерпретировать одну из обнаруженных линий как аналог линии Е- спектра возбужденных состояний примеси , которая ранее не наблюдалась.

Приведены результаты экспериментальных исследований зависимости времени жизни неравновесных дырок Т от температуры, напряженности электрического поля и концентрации центров " захвата ¿и" в германии. Измерения Т проведены кинетическим и стационарным методами в интервале температур (604-300)К, величин V - (Ю-9 -5- 10~") с и напряженности поля до 1500 В/см при изменении концентрации пинка в диапазоне (5-1014 ц. 5-1016) см-3. Определены величины и температурная

зависимость сечения захвата: Ср ( 77 К^ = 4,2 •Ю-13^, Т1 (Д1 = 60+300 к).

Показано, что для правильного определения величины сечения и ее температурной зависимости необходимо учитывать случайное поле при расчетах концентрации центров захвата и приведенной плотности состояний. Установлено, что величина Т изменяется обратно пропорционально концентрации центров захвата вплоть до времен КТ^с. Экспериментально показано, что при азотных температурах эта величина ограничивает быстродействие фотопроводников из-за пространственного разделения

свободных носителей и центров захвата в условиях, когда энергия носителя в случайном поле превышает тепловую энергию.

Результаты измерений времени жизни дырок в германии, легированном ртутью, позволили определить величины и температурную зависимость сечения захвата дырок ионом Н^ ;

Ср (^65 К)= 4,4.10~13см2, СГр^Т-1.

Полученные результаты указывают на участие оптических фононов в процессе релаксации энергии и рекомбинации фотовоз-будденных дырок /16, 17/.

В третьей главе проведен анализ фотоприемных свойств -примесного полупроводника в области примесной фотопроводимости как в прямом, так и в гетеродинном режимах работы, при этом последнему уделено основное внимание. Введены понятия "оптического" и "электрического" коэффициентов шума гетеродинного фотодетектора, которые существенно облегчают и делают физически ясным практический анализ возможностей фотодетектора.

В этой же главе приведены результаты некоторых практически реализаций широкополосных гетеродинных фотодетекторов 10-микронного излучения, работающих при охлаждении жидким азотом, с пороговой мощностью, близкой к величине квантового продела, определяемого величиной оптического поглощения.

Показано, что для характеристики всей электрической схемы фотоприемного устройства можно ввести "электрический коэффициент шума". Этот параметр является удобным, поскольку он сходен с обычным коэффициентом шума, используемым в радиотехнике, с той разницей, что в качестве фундаментального шума здесь используется не тепловой шум источника, а г-р шум. Кроме того, поскольку величина г-р аутла не зависит от способа генерации в известных пределах, описание электрического коэффициента шума одинаково как для гетеродинного, так и для прямого режима работы. В этих представлениях рассмотрены особенности электрического режима работы фоторезистора на различных частотах и получены выражения, определяющие Т, как для узкополосных, так и для широкополосных доходетекторов в различных электрических схемах.

Рассмотрена связь обнаружительной способности фотоприемника, использующего примесный фоторезистор, со свойствами полупроводникового материала и характеристиками примесных центров. Показано, что в условиях, когда преобладает тепловая генерация, существует оптимальная величина квантового выхода, соответствующая наибольшей обнаружительной способности. Величина последней определяется характеристиками примесного центра - сечением фотоионизации, сечением захвата и энергией ионизации и не зависит непосредственно от концентрации при-

месей, а, следовательно, и от времени жизни носителей.

Рассмотрена работа фоторезистора в режиме оптического гетеродинирования и получены выражения для коэффициента преобразования и пороговой мощности гетеродинного фотоприемника на основе фоторезистора с учетом тепловой генерации носителей. Показано, что при заданной рабочей температуре фоторезистора существует оптимальная величина мощности гетеродина, соответствующая максимальной величине согласованного коэффициента преобразования. Для гетеродинного фотоприемника введено понятие "оптического коэффициента шума", определенного как отношение полной скорости генерации к скорости генерации гетеродином.

Введенные коэффициенты шума входят в качестве сомножителей в полный коэффициент шума гетеродинного фотодетектора и определяют необходимые условия для достижения близкой к квантовому пределу величины пороговой■мощности гетеродинного фотодетектора: генерация носителей должна определяться преимущественно гетеродинным излучением и генерационно-рекомбинационный шум должен преобладать над другими видами шума. Это означает, в частности, что повышение рабочей температуры гетеродинного фотодетектора при сохранении его пороговой мощности возможно за счет увеличения мощности гетеродина.

Исследования пороговых характеристик фоторезисторов из германия, легированного цинком с полностью компенсированным первым уровнем, в режиме мощного импульсного гетеродина показали, что при температуре жидкого азота испытанные фоторезн-сторы обладают пороговой мощностью не хуже Ю-1-® Вт/Гц в полосе частот 2 ГГц при мощности гетеродина 104-20 Вт. Высокая мощность гетеродина обеспечивает высокую помехозащи-

щэнность фотодетектора.

В процессе этих исследований было обнаружено уменьшение квантовой эффективности фоторезисторов при высоких интенсив-ностях излучений, > 100 Вт/см2. Использование результатов по оптическому поглощению, полученных наш ранее и описанных в предыдущей главе, позволило объяснить этот эффект влиянием оптического возбуждения примесных центров на размах случайного потенциального рельефа. Получены оценочные выражения, которые использованы для анализа экспериментальшх результатов, при этом найдено хорошее согласие вычисленной зависимости квантовой эффективности фотопроводимости в интенсивности излучения с измеренными значениями. Полученные результаты показывают, что оптическое возбуждение примесных центров в полупроводнике с частичной компенсацией примеси при низких температурах приводит к возрастанию потенциального рельефа, обусловленного ионами примесей, что проявляется, в частности, в изменении величины оптического поглощения полупроводника в области примесного поглощения.

В четвертой главе приведены результаты исследований лавинных фотодетекторов на основе МШ-структур кремний-двуокись кремния /18/ и гетеропереходов кремний-карбид кремния /19/, кремний-двуокись титана.

Рассмотрено также влияние случайного поля примесных центров в области пространственного заряда традиционных лавинных диодов на их характеристики /20, 21/. Показано, что предельные возможности кремниевых лавинных фотодиодов ограничиваются флуктуация?.® потенциала, обусловленными статистическим распределением по объему полупроводника легирующих примесей.

При достаточно высокой скорости генерации, большей обратного времени развития-затухания одноэлектронного лавинного процесса это не позволяет использовать существенно больше, чем -103, величины коэффициента умножения фототока. Это означает, что дальнейшее улучшение характеристик лавинных фотодетекторов может быть связано с реализацией работы фотодетектора в режиме пробоя - например известного гейгеровского режима работы ЯФД /при.малой скорости генерации/, или, в нашем случае, при высокой скорости генерации, режим локальных микропробоев, самогашение которых осуществляется на уровне одноэлектронных процессов. Такая модель предложена в работе на основании результатов проведенных исследований шумовых характеристик МДП-структур и гетеропереходов. Экспериментально показано, что МДП-структуры ¿¡-йОг. в импульсном лавинном режиме способны сочетать очень высокие значения коэффициента умножения, И ^ 105, с предельно низким коэффициентом шума лавинного процесса, ^ 2. Показано также, что режим усиления фототока за счет микропробоев с самогашением реализуется и в непрерывном режиме в гетеропереходах $1 ~ Т10г , г О*. ,

- . Достигнутые при этом характеристики уступают характеристикам импульсных МДП-структур ^Ог , но при высоких М , 10^, значительно превышают характеристики ЛФД.

В пятой главе описываются экспериментальные методы, разработанные для испытаний быстродействующих гетеродинных фотодетекторов и исследований примесных фотопроводников с короткими временами жизни неравновесных носителей.

Для испытаний гетеродинных приемников 10-микронного излу-

ченкя построена гомодинная установка, отличающаяся от обычно используемых, напр. /22/, применением треугольной схемы интерферометра и многократных отражений луча сигнала от движущегося зеркала. Такая схема позволила устранить обратную связь с резонатором лазера и получить относительно высокую частоту допплеровского смещения.

Был также предложен и реализован новый метод измерений параметров фотодетекторов, работающих в режиме оптического гетеродинирования, использующий модулированное по интенсивности излучение. Показано, что режим работы фотодетектора при регистрации модулированного излучения не отличается от режима гетеродинирования, если коэффициент модуляции мал. Экспериментальная установка дДа измерения гетеродинных характеристик фотодетекторов 10-микронного излучения позволяет проводить измерения в диапазоне частот модуляции /биений/ до 2 ГГц,

Развиты методы измерений величины времени яизни неравновесных носителей в примесных полупроводниках, использующие высокочастотный модулятор на горячих носителях з /23, 24/.

Измерения амплитудно-частотных характеристик фотоответа поз/— —10

водили надежно определять времена жизни до величин Г = 1и с.

Разработанные способы определения Г фазовым методом позво-

—11

лили измерять величины Г до значений ^10 ^ с.

Приведены также результаты измерений степени компенсации примеси в полупроводнике с помощью независимого способа, не требующего электрических измерений. Разработанный метод измерения степени компенсации основан на измерениях оптического поглощения примесными центрами в условиях, близких к равновесным, и в условиях практически полной перезарядки примеси.

Такой способ свободен от погрешностей, связанных с влиянием случайного поля на процессы термоионизации и рассеяния носителей заряда, присущих традиционному методу, основанному на измерениях эффекта Холла и электропроводности.

Сопоставление результатов, полученных этими двумя методами, подтвердило необходимость учета случайного поля при анализе результатов холдовских измерений, при этом использование соотношений, полученных в данной работе /гл.2/ дало хорошее соответствие с результатами оптических измерений.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Выполнен теоретический анализ температурной зависимости концентрации носителей заряда в условиях слабого случайного поля, результаты которого дали способ определения раздельных концентраций примесей по экспериментальным холловским кривым.

2„ Предложен и реализован независимый способ определения степени компенсации фотоактивноё примеси, что позволило проверить результаты теоретического анализа.

3. Найдены величины и температурные зависимости сечений захвата носителей ионами &Г , Н^ , Н^" , Со° в гэрмании, что позволило сделать вывод об участии в процессе захвата оптических фононов,

4. Показано, что минимальное время фотоответа, достижимое в (к/З*1" при азотных температурах, ограничивается случайным полем на уровне ~10"-^ с.

5. Обнаружено влияние случайного поля примесных центров на процесс фотоиокизации примесей.

6с, Обнаружен эффект изменения квантовой эффективности

фотопроводимости при высоких интенсивностях оптического возбуждения и предложена модель, объясняющая это явление изменением величины случайного потенциала при интесивной оптической генерации.

7. Проведен анализ работы примесного фотопроводника в режиме оптического гетеродинного приема излучения, который позволил определить практические условия достижения предельной пороговой чувствительности быстродействующих фотодетекторов.

8„ Реализозаны многоэлементные гетеродинные- фотодетекторы 10-микронного излучения с высокой помехозащищенностью, ~ 100 Бт/см^, с шириной полосы, превышающей 1 ГГи и пороговой мощностью, близкой к квантовому пределу, работающие при температуре жидкого азота.

90 Показано, что предельные значения усиления традиционных лавинных фотодиодов ограничены случайным полем примесей в области пространственного заряда фотодиода.

10. Показано, что влияние случайного поля па процесс умножения фототока в лавинных фотодетекторах на основе МДП-структур и гетеропереходов - I \ 0 £ , & ослаблено. Коэффициент шума таких структур не подчиняется макинтайровскому закону и остается относительно невысоким вплоть до значений М >105. Предложена модель локальных шгкроцробоев с самогашением, объясняющая поведение шума в этих объектах.

11. Разработаны методы прямого измерения времени фотоответа быстродействующих фотодетекторов 10-микронного излучения

11

до величины Т= Ю с.

12. Предложен и реализован модуляционный метод испытаний

быстродействующих гетеродинных фотодетекторов на длине волны COg-лазера в диапазоне часто модуляции /биений/ до 2 ХТЪ.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.А.Курбатов, Н.А.Ленин. Свойства Фотосопротивления из германия, легированного цинком и сурьмой, в гетеродинном режиме детектирования. ФТП, т.6, в.5, с.903-908, 1972.

2. Н.А.Пенин, А.П.Болтаев, В.А.Курбатов, Н.Н.Соловьев. Измерение слабой модуляции излучения с помощью фотосопротивления. ФТП, т.6, в.7 с.1391, 1972.

3. А.П.Болтаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, Н.Н.Соловьев. Высокочастотная модуляция 10-микронного излучения с помощью эффекта нагревания носителей заряда электрическим полем в германии р-типа. ФТП, т.7, в.10, с.1396-1900, 1973

4. Н.В.Замковец, В.А.Курбатов, Н.Н.Сибельдкн, Широкополосный охлаздаемнй фотоприемник. ПТЭ, 1973, ü 2, с.190-193.

5. Т.М.Бур-баев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Обнаружительная способность фотоприемника из германия, легированного цинком и сурьмой, при температурах жидкого азота. ФТП, т.9, в.2,

с.292-296.

6. Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Определение дрейфовой подвижности по измерениям шума фотосопротивлений. ФТП, т.10, в.5, С.1008-1010, 1976.

7. В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Модуляционный метод измерения гетеродинных характеристик фотоприемников. Квантовая электроника, т.З, й 9, с.1909-1913, 1976.

8. В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, Н.Н.Соловьев. Примесный фотоэффект в р~п - переходах из германия. ФТП, т.12, в.9,

с.1856-1858, 1S78.

9. H.M.Burbaev, V.A.Kurbatov, N.A.Penin. Responce-tiEe for Ge;^11 Hio-toconductivity, Его с. of 8th Int. Symp. of the Technical Committee on ihoton-Detectors. Prague, Czechoslovakia, 1978, v.2, p.317-324.

10. H.А.Ленин, В.А.Курбатов, Н.Н.Соловьев. Фототранзистор. Авторское свидетельство № 638192 от 04.ХП.1975г.

11. В.АоГрибков, В.М.Коржавин, В.А.Курбатов. Методика исследования инфракрасного излучения плазменного фокуса. Препринт ФИАН & 125, 1978.

12. Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пекин. Фазовый метод определения времени жизни неравновесных носителей заряда в фотопроводниках. Квантовая электроника, т.6, $ 10,

с.2209-2214, 1979.

13. Т.МоБурбаев, В.А.Курбатов, Ю.В.Настаушев, Н.А.Пенин. Фотопроводимость примесного германия ; вблизи комнатной температуры. ФТП, т.13, в.9, с.1918-1922, 1979.

14о ТоМоБурбаев, В0А<,Курбатов, Н.А.Пенин. Токовая фоточувствительность и время жизни неравновесных дырок в германии с примесью цинка. ФТП, т.13, в.9, с.1771-1774, 1979.

15. ТЛ.Бурбаез, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Токовая чувствительность быстродействующих фоторезисторов из W

при азотных температурах. Тезисы докл. на Респ. конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ужгород, 1979, с.59.

16. Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Ю.В.Настаушев, Н.А.Пенкн. Примесная фотопроводимость в германии при комнатной температуре. Тезисы докл. на Респ. конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ужгород, 1979, с.59.

17. В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, Н.Н.Соловьев. Индуцированный примесный фотоэффект в р-п - переходе из германия, легированного цинком. Тезисы докл. на Респ. конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ужгород, 1979,

с.150.

18. Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Зависимость энергии активации второго уровня цинка в германии от уровня легирования и степени компенсации. Тезисы докл. на П Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках. Ташкент, 1980, 4.1, "с.81.

19. Н.А.Пенин, Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов. Ограничение времени жизни неравновесных носителей заряда при захвате на глубокий уровень цинка в германии. Тезисы докл. на П Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках. Ташкент, 1980, ч.П, C.95-9S.

20. Т.И.Галкина, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Об излучательном захвате электронов нейтральными и однократно заряженным ионами цинка в германии. Письма в ЮТФ, т.5, в.9,

. с.325-328.

21 о Т.И.Галкина, В„А.Курбатов, Н.А.Пенин. Примесное реком-бинационное излучение германия, легированного цинком и сурьмой.- ФТП, т.1, в.И, с.1659-1665, 1967.

22. В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, Н.Н.Соловьев. Спектры поглощения германия с примесью цинка. Тезисы докл. на П Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводниках. Ташкент, 1980, ч.П, с.35.

23, Т.М„Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Влияние случайного

поля на энергию активации второго уровня цинка в германии.

ФТП, т.15, в.8, е.1486-1492, 1981.

24„ Г.М,Батанов, В.В.Буланин, А.П.Кштнский, А.Ю.Казарин, В.Н0Колесников, Е.Б.Куприянова, В.А.Курбатов, А.В.Петров, КсФ„Сергейчев, А.М.Чекмарев. Лазерная система для исследования параметрических неустойчивостей плазмы методом рассеяния излучения COg-лазера. Препринт ФЙАН №263, 1981.

25. Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, В.Б.Сигачев. Захват неравновесных дырок на второй уровень цинка в германии. Тезисы докл. на П Респ. конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Одесса, 1982, -с.67-68.

26. Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, В.Б.Сигачев. Классическое ушрение второго уровня цинка в германии. Труды IX Всесоюзной конф. по физике полупроводников. Баку, 1982, т.2, с.100-101.

27. Г.А.Асланов, Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Зависимость времени жизни неравновесных дырок в р-герма-нии от концентрации центров рекомбинации - ионов

и температуры. ФТП, т.17, в.4, с.674-678, 1983.

28. В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, Н.Н.Соловьев. Определение степени компенсации в примесном полупроводнике по измерениям оптического поглощения. ФТП, т.18, в.2, с.285-288, 1984.

29. Г.А.Асланов, Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Сечение захвата дырок ионами Н^ в германии. ФТП, т.18, в.2, с.319-323, 1984.

30. В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, Н.Н.Соловьев. Температурная зависимость амплитудно-частотных характеристик фотопроводимости в полупроводнике с двухуровневой примесью. ФТП, т.19, в.6, с.1008-1011, 1985.

31. Г.А.Асланов, Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин.

Коротковременная фотопроводимость германия, легированного цинком. Тезисы докл. X Всесоюзной конф. по физике полупроводников. Минск, 1985, ч.1, с.103-104.

32. Н.Н.Соловьев, Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, H.A.Пенин. Определение степени компенсации примеси по измерениям оптического поглощения в неравновесных условиях. Тезисы дою X Всесоюзной конф. по физике полупроводников. Минск, 198J ч.З, с.161-162.

33. Г.А.Асланов, Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пеяин. Кинеп ка фотопроводимости германия, легированного цинком, при малых временах фотоответа. ФТП, т.19, в.10, с.1736-1740; 1985.

34. Г.А.Асланов, Т.М.Бурбаев, В.Г.Жуковский, В.В.Кравченко, В.А.Курбатов, H.A.Пенин, В.А.Ртищев. О возможности измерения температуры ионов на установке Т-15 по рассеянию излучения С02-лазера. Препринт ФИАЯ $ 270, 1987.

35. Г.А.Асланов, В.С.Ильин, В.Г.Жуковский, В.А.Курбатов, В.А.Ртищев, АоН.Пальников. Многоимпульсное томсоновское рассеяние на установке ТОКАМАК Т-15. Препринт ФЙАН Л 16, 1988.

36. М.Г.Галкин, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, Н.Н.Соловьев. Резонансная структура в непрерывной полосе фотоионизации ион

в германии. КСФ, 1988, & 3, с.23-24.

37. М.Г.Галкин, В.А.Курбатов, Н.Н.Соловьев. Влияние концентрации примеси на сечение ее фотоионизации. ФТП, т.22, в.6, с.1122-1124, 1988.

38. М.Г.Галкин, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин, Н.Н.Соловьев. Резонансная структура в непрерывной полосе фотоионизации ион

в германии.. Тезисы докл. XI Всесоюзной конф. по

физике полупроводников. Кишинев, 1988, 1.1, с.73.

39. M.S.Galkin, V.A.Kurhatov, H.A.Penin, N.N.Solovyev. Resonant structure in photoionisation continuum of singly ionised zinc in germanium. Broc. of the 19-th Int. Conf. on the Biys. of Semicond. Yiarsaw, 1988, v.2, p.IIII-III4.

40. M.G.Galkin, V.A.Kurbatov, N.N.Solo-yyev. Concentrational dependence of impurity photoionization cross section. Eroc. of the 20-th mt. Conf. on the ihys. of Semicond. Thessaloniki, Greece, 1990, v.3, P-l859-l862.

41. ТоМ.Бурбаев, Г.А.Калюжная, В.А.Курбатов, A.BЛеонов, Т.Й.Осина, Н.Н.Сентюрина. Фоточувствительные лавинные МОП-структуры на основе проводящих окислов кремния, циркония, титана. КСФ ФИАН, 1990, в.6, с.6-8.

42. ВвВ„Кравченко, В.А.Курбатов, В.Э.Шубин. Амплитудные характеристики импульсных лавинных МДи-фотоде текторов. Электронная техника, cep.il, Лазерная техника и оптоэлек-троника, в.З /55/, с.83-86, 1990.

43« Т.М.Бурбаев, В„В.Кравченко, В.А.Курбатов, В.Э.Шубин. Шум лавинного фотодетектора на основе МДП-структурн . КСФ ШЕ, 1990, в.4, с. 19-21.

44. Т.М.Бурбаев, Г.А.Калюжная, В.А.Курбатов, Т.Й.Осина, Н.К.Сентюрина, М.В.Сидоров. Низкотемпературный метод изготовления слоев •Si-TiOz. для МОП-фотодетекторов. Тезисы докл. П Научной конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ашхабад, 1991, с.271.

45. В.А.Курбатов, Г.А.Калшная, В.В.Кравченко, Т.М.Бурбаев, Т.Й.Осина, Н.Н.Сентюрина. Лавинное умножение в фоточувствительных гетероструктурах, изготовленных на основе

-га-

кремния с окиоными слоями переходных металлов. Тезисы докл. П Научной конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках. Ашхабад, 1991, с.313.

46. Т.МоБурбаев, Г.А.Калшная, В.I.Кашеваров, В.В.Кравченко, ВоА.Курбатов, Н.И.Миронов, Т.И.Осина, Л.Н.Павлюченко, Г.А.Сокол, Н.Ф.Стародубцев, В.Э.Шубин. Детектирование ядерных излучений с помощью лавинных гетеродиодов. .Препринт ФИАН Л 5, 1992.

47. Т.М.Бурбаев, Г.А.Калюжная, В.Л.Кашеваров, В.В.Кравченко, ВоА.Курбатов, Н.И.Миронов, ТоИ.0сина, Л.Н.Павлюченко, Г.А.Сокол, Н.Ф.Стародубцев, В.Э.Шубин. Детектирование ядерных излучений с помощью лавинных гетеродиодов.

КСФ ФИАН, 1992, в.3-4, с.34-38.

48. Г.А.Асланов, Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Нелинейность фотопроводимости германия с примесями ртути, кобальта и цинка при возбуждении излучением с \ =10,6мкм. ФТП, г.27, с.277-284, 1993.

49. Г.А.Асланов, Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов, Н.А.Пенин. Примесный фоторезистор в режиме импульсного оптического ге-теродинирования. ФТП, т.29, в.1, с.9-18, 1995.

50. Т.М.Бурбаев, В.А.Курбатов. Флуктуационный потенциал в примесном полупроводнике в условиях оптического возбуждения примесей. КСФ ФИАН, 1994, в.3-4, с.33-37.

51. Т0М.Бурбаев, В„А,Курбатов. Лавинные фотодиоды на гетеропереходах кремннй-шрокозонный полупроводник. КСФ ФИАН, 1994, в.11-12, с.38-43.

52. А.П.Болтаев, Т.М.Бурбаев, Г.А.Калшная, В.А.Курбатов, Т.И.Осина, Н.Н.Соловьев. Свойства лавинных фотодиодов на

основе гетероперехода -Si~TiOa . фтп, т.29, в.7, с.1220-1225, 1995.

Цитируемая литература.

1. Verie С., Ауаз J., Appl. Hiys. Letters, 10, 241, 1967.

2. Mslngailis j., нагтаа т., Appl. Phys. Letters, 13, 180, I96S.

3. Verie C., Sirieix M., . JSEE-, Joum. of Quant. El., QB-8, 180, 1972.

I. Andrews A.M., Higgins J.A. , Longo J.T., Gertner E.R., Parko

J.(i., Appl. phys. Letters, 21, 265, 1972. 3. Teich И.С., Keyes R. , Kingston R., Appl. phys. Letters, ¡3, 357, 19 66. _

S. Quist T.M., Eroc. J SEE, 56, 1212, 1968.

Arans , Sard S.W. , Peyton 3.J., pace P.H. , JEEE, -J. of quant. El., QE-3, 484, 1967. 3. Патли E., "Фотопроводимость в дальней ИК области",■■ в сб.

"Фотопроводимость", М., "Наука", 1967. 3. Шкловский Б.И., Эфрос A.I., "Электронные свойства легированных полупроводников", №., "Наука", 1979. L0. Бесфамильная В.А., Остробородова В.В., ФТП, 3, 21, 1969. ¡1. Глазов В.М., Земсков B.C., "Физико-химические основы

легированных полупроводников", М., "Наука", 1967. ¡2. Бонч-Бруевич В.Л», В сб. "Статистическая физика и квантовая теория поля", М., "Наука", 1973. ЕЗ. Uyakonov M.J., Efros A.L., Kitcbeli D. L. , Svs. Rev., ISO,

813, 1969. L4. Галкин М.Г., КСФ ФИАН, 1989, № 9, 32. L5. Галкин М.Г., КСФ ФИАН, 1989, № 11, 53.

16. Абакумов В.Н., Соколова З.Н., ФТП, 12, 1625, 1978.

17. Абакумов В.К., ФТП, 13, 59, 1979.

18. Bogdaaov S'.V. , Kravciaenko А.Б.» Plotnikov А.Р. , Shubin V.E. phys. Statue Solid! (a), 93, 361, 1386.

19. Гасанов А.Г., Головин B.M., Садыгов З.Я., Юсипов Н.Ю., Письма в КГФ, 14. 706, 1988.

20. Тагер А.С., ФТТ, 6, 2418, 1964.

21. Mclntyre R.J., JBEE Erans. Electron Devices, BD-I3, 164, 1966.

22. Penchina c.H., Levinstein H., Infrared Phys., 6, 173, 1966. 23„ Конуэлл Э., "Кинетические свойства полупроводников в сил

ных электрических полях", М», "Мир", 1970. 24. Болтаев А.П., Пенин Н.А., ФТП, ¿0, 911, 1976.