Фотодиоды средневолнового ИК диапазона на основе узкозонных полупроводников InAs(Sb), облучаемые со стороны слоя р-типа проводимости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

««ОО¿8824

На правах рукописи

Рыбальченко Андрей Юрьевич

Фотодиоды средневолнового ИК диапазона на основе узкозонных полупроводников 1пА«(8Ь), облучаемые со стороны слоя р-типа

проводимости

специальность 01.04.10 - Физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

21 НОЯ 2013

Санкт-Петербург, 2013

005538824

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук (г. Санкт-Петербург) 194021, СПБ, ул.Политехническая 26

Научный руководитель: Матвеев Борис Анатольевич, доктор физико-

математических наук, ведущий научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе

Официальные оппоненты: Сидоров Валерий Георгиевич, доктор физико-

математических наук, профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники СпбГПУ

Карпов Сергей Юрьевич, кандидат физико-математических наук, ведущий специалист ООО «Софт-Импакт»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ им.В.И.Ульянова(Лешша)»

Защита состоится 19 декабря 2013 года в 14.00 на заседании диссертационного совета

Д 212.229.01 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195252, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229.01

Короткое А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (Я = 3-5 мкм) находятся фундаментальные полосы поглощения многих промышленных и природных газов, например, С„Н„„ СО, С02, НхОу, паров Н20 и С2Н5ОН. Этим обусловлено повышенное внимание исследователей к оптическим газовым сенсорам, измеряющим пропускание среды на выделенных длинах волн в данном диапазоне, применяемым для экомоииториига, медицинской диагностики и контроля технологических процессов. В качестве источников и приемников излучения в таких сенсорах начинают активно использоваться свето- и фотодиоды (СД и ФД соответственно). Применение диодов позволяет существенно снизить энергопотребление сенсоров, поскольку ФД могут работать при пулевом смещении (при этом уровень шума минимален), а импульсное питание СД с большой скважностью позволяет реализовать режим малых средних токов. Среди материалов для изготовления средневолновых ИК диодов всё большее распространение получают гетероструктуры ЫАзЗЬРЛпАв^Ь), выращенные на подложках 1пАб, характеризующиеся низкой плотностью дефектов в эпнтаксиалыюй части и перекрывающие своими рабочими спектрами весь диапазон длин волн 3-5 мкм.

Конструкция ФД с контактом ограниченной площади к эпитаксиалыюму слою р-типа проводимости и сплошным контактом к подложке наиболее распространена из-за простоты фотолитографических процессов при изготовлении ФД. Использование для облучаемого слоя материала р-типа обусловлено большей диффузионной длиной неосновных носителей по сравнению с материалом п-типа, что обеспечивает эффективное разделение неравновесных электронов и дырок при типичных толщинах «облучаемого» слоя порядка нескольких мкм. Спектры фотоответа ФД с вводом излучения через слой р-типа, как правило, расширены в область коротких воли. Это обеспечивает перспективность применения данных ФД в многоканальных сенсорах, в которых измеряется интенсивность излучения на нескольких выделенных длинах волн, соответствующих полосам поглощения газов или минимуму поглощения излучения анализируемой средой. При разработке и исследовании таких ФД основное внимание уделялось изучению механизмов токопрохождения в р-п переходе, факторов, влияющих на динамическое сопротивление ФД, а также поиску способов увеличения последнего, например, путем создания высоких потенциальных барьеров на границах активной области. При этом исследования ФД проводились в ограниченном температурном диапазоне (Т < 300 К), а особенностям пространственного распределения токопрохождения при прямом и обратном смещении и его влиянию на основные характеристики ФД, включая параметры р-п перехода, определяемые в эксперименте, уделялось недостаточно внимания. Вместе с тем, область повышенных по сравнению с комнатной температур (Г > 300 К) является типичной для работы газовых сенсоров в большинстве систем контроля технологических процессов.

Целью диссертационно» работы является исследование токопрохождения прн прямом и обратном смещении в ФД на основе

полупроводниковых гетероструктур InAsSbP/InAs(Sb) с металлическим контактом ограниченной площади к слою р-типа проводимости, а также изучение влияния особенностей токопрохождения на основные параметры и характеристики широкополосных ФД, работающих в диапазоне длин волн А = 2.2-4.5 мкм, при Т> 300 К.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработка методов анализа характеристик диодов с учетом пространственной неравномерности протекания тока и неравномерности распределения электролюминесценции в ближнем поле.

2. Исследование пространственного распределения интенсивности положительной и отрицательной люминесценции (ПЛ и OJ1 соответственно) в ближнем поле в ФД на основе двойных (p-InAsSbP/n-InAs/n-InAsSbP/n+-InAs) и одиночных (p-InAsSbP/n-InAs/tv-InAs) гетероструктур (ДГС и ОГС соответственно), а также структур с гомо-p-n переходом в твердом растворе InAsSbP; исследование их электрических свойств и анализ токопрохождения.

3. Исследование свойств потенциальных барьеров на изотипных интерфейсах П-типа n-InAs/n-InAsSbP и их влияния на токонрохождение в ДГС.

4. Исследование ВАХ и эффективности сбора фототока в ФД с длинноволновой границей фоточувствнтелышсти л > 4 мкм и ограниченными размерами омического контакта в диапазоне температур 20-80 °С.

5. Выработка рекомендаций для создания эффективных ФД с длинноволновой границей фоточувствнтелыюсти А > 4 мкм, работающих при Т> 300 К.

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

1. Экспериментально изучено влияние пространственной неравномерности токопрохождения на параметры ВАХ ФД на основе структур InAsSbP/InAs(Sb) с контактом ограниченной площади. Учёт пространственной неравномерности протекания тока позволил с высокой точностью определить истинные (неискаженные) параметры диода (например, ток насыщения IsM и фактор идеальности [¡ прямой ветви ВАХ), даже при отсутствии ярко выраженного насыщения в обратной ветви ВАХ.

2. Экспериментально исследованы свойства потенциальных барьеров на изотипных интерфейсах Н-типа n-InAs/n-InAsSbP при Т = 300 К, показано влияние данных барьеров на токопрохождение при прямом смещении и на вольт-фарадные характеристики ДГС.

3. Экспериментально и аналитически установлена неравномерность пространственного распределения отрицательной люминесценции в ближнем поле и снижение эффективности сбора фототока в удаленных от контакта областях для ФД на основе узкозонных градиентных структур p(n)-InAsSb(P)/n-InAs и ОГС p-InAsSbP/n-InAsSb/n-InAs с длинноволновой границей чувствительности А > 4 мкм. Проанализированы и реализованы способы повышения эффективности сбора фотогенерированных носителей в данных ФД.

4. Экспериментально исследована зависимость токопрохождепия при прямом и обратном смещении от температуры (20-80 °С) в ФД на основе ОГС р-

InAsSbP/n-InAsSb/n-InAs. Проанализированы и реализованы способы повышения эффективности указанных ФД при повышенных температурах (20-80 °С).

5. Предложена простая аналитическая модель, позволяющая прогнозировать основные характеристики ФД на основе узкозонных полупроводников с точечным контактом.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Локальная плотность фототока в фотодиодах с активным слоем нз п-InAs(Sb) и анодом на облучаемой поверхности слоя p-InAsSb(P) при комнатной и повышенных температурах убывает при удалении от анода, что приводит к уменьшению обнаружительнои способности.

2. В фотодиодах с активным слоем из n-InAs(Sb) и анодом на облучаемой поверхности слоя p-InAsSb(P) при комнатной и повышенных температурах фототок возрастает при увеличении модуля обратного напряжения и/или при увеличении периметра анода.

3. Скачок потенциала в зоне проводимости на изотиппой гетерогранице п-InAs/n-InAsSbP увеличивает динамическое сопротивление и уменьшает ёмкость фотодиодов на основе двойных гетероструктур p-InAsSbP/n-InAs/n-InAsSbP.

Практическая ценность результатов работы. Результаты работы внедрены в ООО «ИоффеЛЕД», СПб.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Молодежной конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА.СПб» (2009, 2010), национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2011 (г. Москва, 2011 г.), XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2010), SPIE Photonics West Conference (San-Francisco, USA, 2010), Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника 2011» (Новосибирск, 2011).

Публикаиии. По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных трудов. Основные результаты получены автором совместно с исследовательской группой диодных оптопар под руководством Б.А. Матвеева, входящей в состав лаборатории инфракрасной оптоэлектропнкн ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, при поддержке со стороны научной школы «Технология и физические свойства полупроводниковых наногетероструктур».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Содержание диссертации изложено на 125 страницах и включает 38 иллюстраций, 6 таблиц и 79 наименований отечественной и зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость работы,

перечислены основные научные положения, выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание диссертации.

Глава 1 посвящена обзору литературы по основным материалам, конструкциям и особенностям ФД для диапазона длин волн 3-5 мкм. В ней отмечено, что основной характеристикой ФД является спектр фотоответа, длинноволновая граница которого определяется фундаментальным краем поглощения (А = hc/Eg), а коротковолновая граница в значительной мере обусловлена особенностями конструкции ФД. Наиболее употребительным критерием качества ИК фотоприемников считается обнаружительная способность D*, т. е. отношение сигнал-шум при единичной мощности излучения, падающего на фотоприемник единичной площади и модулированного в единичной полосе частот. Основными факторами, ограничивающими величину D* для ФД, являются тепловой шум и шум фонового излучения [1]. При комнатной температуре обнаружительная способность ограничена тепловым шумом. Обычно для снижения уровня теплового шума используют изопериодные гетероструктуры, содержащие узкозонную слаболегированную активную область с относительно небольшой толщиной, обрамленную широкозонными барьерными слоями [2]. Другими распространенными способами повышения D* являются применение иммерсионных линз, внутренних и внешних концентраторов излучения, тыльных отражателей, а также охлаждение ФД, например, с помощью термоэлектрических модулей либо криостатов [3,4,5]. При низких температурах (Т< 200 К) тепловой шум несущественен, и ФД работают в режиме ограничения обнаружителыюй способности фоновым излучением (англ. назв. — background limited infrared photodetection — BLIP). Интенсивность и спектр фонового излучения зависят только от температуры анализируемой среды, поэтому данное ограничение является фундаментальным. Для ФД значения £>*blip составляют ~ 10'2 смГц'/2Вт~' для А ~ 3 мкм и D*blip ~ 10" смГц,/2Вт'' для А ~ 5 мкм (300 К) [2].

В качестве исходных материалов для создания средневолновых ПК ФД до недавнего времени наиболее широко применялись эпитаксиальные структуры с твердым раствором HgCdTe, период решетки которого крайне слабо зависит от состава, что важно для получения низкодефектных структур; это позволяет получать высококачественные ФД, работающие в диапазоне длин волн от 3 до 30 мкм [6]. Недостатком структур с HgCdTe является нестабильность металлургических границ раздела, связанная со слабой связью Hg-Te, кроме этого приборы на основе данных структур требуют, как правило, криогенного или термоэлектрического охлаждения.

В отличие от HgCdTe, материалы типа A'"BV характеризуются высокой металлургической стабильностью, обеспечивающей длительную работоспособность приборов при температурах намного выше комнатной. Диапазон длин волн 3-5 мкм частично перекрывается рабочими спектрами оптоэлектронных приборов на основе изонериодных эпитаксиальных гетероструктур InAlAsSb/InAs, InGaAsSb/GaSb и InAsSbP/InAs с длинноволновыми границами 3.3, 4 и 3.5 мкм соответственно [7]. В [8] описаны барьерные фотодетекторы на основе структур типа ХВп, в которых за счет

отсутствия обедненной области в узкозонном фоточувствительном слое обеспечивается существенное снижение плотности темпового тока по сравнению с ФД на основе р-n и p-i-n гетероструктур при Т< 150-200 К. Помимо «классических» гетероструктур, интерес для создания средневолновых ИК ФД представляют также сверхрешетки с гетеропереходами II типа в системах InAs/GaSb и InAsSb/InAs, эффективная ширина запрещенной зоны которых зависит от толщин слоев; это позволяет путем варьирования параметров технологического процесса получать структуры для онтоэлектронных приборов с рабочими спектрами в диапазоне X = 2-25 мкм [9]. Однако, из-за сложности и дороговизны технологии выращивания данные структуры не получили в настоящее время широкого практического применения. В [10] предложен подход к выращиванию градиентных (InAsSb(P)) и неизопериодных узкозонных (InAsSb) эпитаксиальных слоев на подложках InAs из жидкой фазы при температурах 680-720 °С, основанный на преимущественном образовании дефектов в подложке за счет ее пластической деформации и упругой деформации растущего слоя твердого раствора. Данный подход позволяет получать высококачественные ФД с длинноволновой границей рабочих спектров до 5.8 мкм [11]. Широкий диапазон рабочих спектров приборов и развитая технология эпнтаксии и постростовой обработки структур InAsSbP/InAs(Sb) обусловливают возрастающий интерес исследователей к данным структурам.

В последние годы были достигнуты большие успехи в разработке средневолновых ИК ФД, связанные с применением конструкции флин-чип (flipchip или backside illuminated — BSI), в которой активная область представляет собой мезу, ограниченную канавкой травления с глубиной более глубины залегания р-n перехода, оба омических контакта расположены на эпитаксиалыюй стороне, а излучение вводится через подложку [12]. Важными особенностями флип-чип ФД являются возможность увеличения эффективной площади сбора излучения в несколько раз с помощью встроенных оптических концентраторов [13] или иммерсионных линз [14], а также возможность создания на мезе широкого контакта с высокой отражательной способностью, направляющего дошедшее до него излучение обратно в р-n переход. Данные особенности позволили создать высокоэффективные ФД на основе структур InAsSbP/InAs(Sb), работающие при температурах до 90 °С. Расширение спектра фотоответа в область коротких волн до 2.7 мкм было осуществлено в [13] путем использования силыюлегированных подложек n+-InAs с вырождением электронов в зоне проводимости и сдвигом края поглощения за счет эффекта Мосса-Бурштейна. Дальнейшее расширение спектра в область коротких волн за счет легирования подложки неоправданно из-за усиления поглощения на свободных носителях. Узкий спектр чувствительности флип-чип ФД, связанный с фильтрацией излучения подложкой, не удовлетворяет требованиям ряда применений, например, применений в многоканальных сенсорах.

Конструкция ФД с контактом ограниченной площади на эпитаксиалыюй стороне и сплошным тыльным контактом на подложке (англ. назв. — front side illuminated — FSI) остается наиболее распространенной из-за простоты фотолитографических процессов, применяемых при изготовлении диодов.

Особенности технологии формирования омических контактов путем осаждения металла и последующим вжиганием с проникновением металла в приповерхностную область полупроводника обусловливают типичную толщину облучаемого слоя (базы) порядка нескольких мкм (см., например, [15]). При этом носители фотогенерируются па значительном удалении от р-п-перехода и диффундируют к последнему, создавая во внешней цепи фототок. В таких ФД база обычно изготавливается из материала р-типа проводимости, имеющего диффузионную длину неосновных носителей до десятков мкм, и является тонкой. Спектры фотоответа ФД с тонкой базой обычно расширены в область коротких воли за счет диффузии к р-п переходу носителей, фотогенерированных вблизи облучаемой поверхности, или прохождения части фотонов сквозь базу [16]. Исследования таких ФД проводились только при Т< 300 К, при этом при их разработке основное внимание уделялось изучению механизмов протекания темпового тока через р-п переход и их влиянию на величину произведения динамического сопротивления диода при нулевом смещении (Яи) на площадь диода (А), т. е. RuА. При температурах, близких к комнатной, основной вклад в темповой ток вносит диффузионная составляющая, связанная с тепловой генерацией носителей в квазинейтральпых областях структуры, при этом RaА = кТ/&/л, а плотность тока М может быть определена по формуле:

где п\ — собственная концентрация носителей заряда, п и р, Д, и Ц,, т„ и гР — равновесные концентрации, коэффициенты диффузии и времена жизни электронов и дырок соответственно; при этом значения г„ и тр определяются фундаментальными процессами межзонной рекомбинации [15]. Сочетание значений вышеуказанных параметров для узкозонных материалов А'В5 приводит к типичным значениям RoA -0.1-1 Ом-см2 для ФД, работающих в диапазоне Я ~ 3-3.5 мкм, и RoA ~ 0.01-0.1 Ом-см2 для ФД с рабочими спектрами в области X ~ 44.5 мкм при Т= 300 К. Эффективным способом подавления диффузионного тока и повышения RoA является формирование гетероструктур с высокими потепциальными барьерами на границах узкозонной активной области, позволившее создать ФД с RoA ~ 100 Ом см2 (250 К) [17]. Данные барьеры, однако, снижали как темновой ток, так и фототок, поэтому наиболее высокоомные ФД характеризовались крайне низкой фоточувствителыюстью.

Характерной особенностью диодов с контактами ограниченной площади является локализация протекания тока под контактом и в непосредственной близости от него, известная в англоязычной литературе как «current crowding». Данная локализация имеет место вследствие преобладания латерального сопротивления примыкающего к контакту слоя полупроводника над вертикальным сопротивлением р-п перехода при прямом смещении, когда высота потенциального барьера на р-п переходе невелика [18]. При исследованиях пространственного распределения токопрохождения в диодах обычно используется методика, основанная на решении уравнения Лапласа с учетом переходного сопротивления контакта, объемного сопротивления контактного

слоя и диффузионного механизма токопрохождения в р-п переходе (I = Л„|[ехр(еК//?АТ)-1], фактор идеальности /? = 1); при этом рассчитанное распределение плотности тока сравнивается с измеренным распределением интенсивности электролюминесценции. Подобная методика применялась в [19] при исследованиях СД на основе ДГС п-1пА58ЬР/п-1пА5(8Ь)/р-1пАз8ЬР/р-1пА8. В реальных днодах фактор идеальности обычно больше единицы, поэтому результаты расчетов не в полной мере соответствовали эксперименту, к тому же данная методика не предполагает точного определения значения фактора идеальности и установления доминирующего механизма токопрохождения. В [20] для СД видимого диапазона спектра на основе ваК экспериментально установлено повышение фактора идеальности ВАХ из-за сгущения линий тока, приводящее к ошибочному выводу о преобладающем механизме токопрохождения. Аналогичное искажение вида ВАХ, вероятнее всего, имеет место для любых диодных структур с контактами ограниченной площади. В [21] для солнечных элементов на основе ваАБ предложена методика анализа распределения токопрохождения с учетом данных о пространственном распределении интенсивности люминесценции в ближнем поле. В основе методики лежит предположение о линейной зависимости локальной интенсивности люминесценции от локальной плотности тока при отсутствии заметной безизлучателыюй рекомбинации в прямозонных материалах в широком диапазоне плотностей тока, в котором ватт-амперная характеристика образца имеет линейный вид. Очевидно, что данные о пространственном распределении люминесценции, полученные при разных токах, можно использовать для расчета ВАХ, не искаженной сгущением линий тока, и путем анализа полученной ВАХ определять истинные значения таких параметров р-п перехода, как ток насыщения и фактор идеальности. Подобного анализа для ФД на основе структур 1пА58ЬР/[пА8(8Ь) на время начала работы не проводилось.

Одним из способов улучшения растекания тока является увеличение толщины примыкающего к контакту слоя для снижения его латерального сопротивления [18]. Данный способ был реализован в [22] для СД на основе ОГС рЧпАвЗЬР/п-ЫАз/пМпАв и ДГС р+-1пЛяЯЬР/п-1пЛ8/п-1пА88ЬР/п'-1пЛ5 путем использования в качестве слоев растекания тока толстых силыюлегированных подложек пМпАв с низким удельным сопротивлением1. При этом экспериментальному изучению свойств гетерограниц п-1пА8/п-1пАяЯЬР и их влиянию па растекание тока уделялось недостаточно внимания.

При приложении к р-п переходу обратного смещения концентрация носителей уменьшается ниже равновесной вследствие их экстракции. Согласно классической теории Шокли - Ван-Рузбрека, это ведет к уменьшению интенсивности излучателыюй рекомбинации, делая ее ниже интенсивности теплового фона, т. е. возникает преобладание поглощения над излучением, или отрицательная люминесценция (ОЛ) [23]. Спектры ОЛ в большинстве случаев являются зеркальным отражением спектров «положительной» люминесценции (ПЛ), возникающей при прямом смещении, а пространственное распределение

' Конструкция СД с выводом излучения через подложку в [21] была названа флип-чип по ошибке, так как па световыводящей поверхности имелся омический контакт, затеняющий часть излучения.

ОЛ в диодах для диапазона длин волн X < 4 мкм равномерно вследствие равномерного растекания тока, обусловленного большим сопротивлением обратносмещенного р-п перехода. Для диодов на основе структур 1лА85ЬР/1пА*8Ь, работающих в диапазоне Я ~ 4.2 мкм в [24] расчетным путем показано сгущение линий тока вблизи контакта при небольшом обратном смещении. Это дает основание для предположения о несущественном вкладе удаленных от контакта областей ФД в фототок. Действительно, для ФД большой площади на основе 1пАб с кольцевым контактом в [25] методом сканирующего светового пятна установлено «сгущение линий фототока» вблизи контакта, усиливающееся при повышении температуры от -40 до +25 °С. Однако, экспериментальному исследованию особенностей пространственного распределения ОЛ и обратного тока в широкополосных ПО ФД на основе структур ТпАзБЬРЯпАвЗЬ для диапазона Л > 4 мкм, а также влиянию этих особенностей и геометрии контакта на основные параметры данных ФД при Т > 300 К уделялось недостаточно внимания.

На основании проведенного обзора литературы в конце главы 1 сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.

Глава 2 основывается на результатах работ [1*-6*] и в ней представлены методы исследований и анализ ВАХ с учетом экспериментальных данных о пространственном распределении интенсивности ОЛ и ПЛ в ближнем поле и плотности тока для ФД на основе структур ТпАбЗЬРЛпАз разных типов (ДГС, ОГС, структуры с гомо-р-п переходом в ЫАбБЬР). Структуры выращивались из жидкой фазы на сильно легированных подложках пМпАб (п' = (1-4)-1018 см"3), зонные диаграммы структур, рассчитанные в соответствии с данными [26], представлены на рис.1; разрывы зон на гетерограницах И-типа в ДГС и ОГС составляли АЕС =119 мэВ и = -30 мэВ, в структурах с гомо-р-п переходом на границе с подложкой Д£с = 105 мэВ и А= -27 мэВ. Измерения пространственного распределения интенсивности ОЛ и ПЛ проводились при питании диодов постоянным током (режим С\¥) с помощью тепловизионного микроскопа с матричным фотоприемиым устройством (ФПУ) на основе 1пАз с разрешением 128x128 пикселей, спектр чувствительности ФПУ имел максимум

Рисунок 1. Зонные диаграммы гетероструктур. при а = 3 мкм и длинноволновую границу До5 = 3.05 мкм. ВАХ и спектры ПЛ измерялись при питании диодов импульсами тока длительностью 5-10 мкс и частотой 500 Гц; спектры фоточувствителыюсти и ПЛ имели максимум на длине волны 3 и 3.3-3.4 мкм для структур с гомо-р-п переходом и многослойных структур (ОГС, ДГС) соответственно. Ватт-амперные характеристики в режиме

CW определялись численным интегрированием распределения интенсивности ПЛ по поверхпости диода, а в импульсном режиме (5 мкс, 500 Гц) с помощью фотоприемника на основе InSb.

Для анализа ВАХ была предложена феноменологическая модель, основанная на следующих предположениях: 1) локальная интенсивность излучения L(x,y) в точке с координатами (х,у) на поверхности диода пропорциональна локальной плотности тока j(x,y) в этой точке; 2) интенсивность излучения (плотность тока) под анодом постоянна и равна интенсивности излучения (плотности тока) в непосредственной близости от него; 3) вне области чипа интенсивность излучения и плотность тока равны нулю. При этом особенности протекания тока в диодах определяются соотношением сопротивлений р-п перехода (RP-n) и пассивной части структуры, прежде всего, слоя p-InAsSbP (Rp) и переходной области между ним и анодом (/?„, см. рис.2Ь). При обратных и малых прямых смещениях основной вклад в сопротивление различных линий тока вносит р-n переход, т. е. Rp.n > Rp + Ra, поэтому распределение интенсивности излучения и плотности тока по поверхности чипа равномерно. При большом прямом смещении /?Р.„ невелико, т. е. Ra + Rp > RP.„, и локальная плотность тока существенно зависит от длины пути протекания тока в слое p-InAsSbP, поэтому величины L(x,y) и j(x,y) в удаленных от анода областях диода существенно меньше, чем в центре образца (см. рис.2а).

i:.»-^ ! :■. "

Л......

Рисунок 2. Типичное ИК изображение ФД с гомо-р-п переходом при / = 10 мА и распределения интенсивности ПЛ (вверху) и плотности тока (внизу) вдоль сечения Л-А (а);

эквивалентная схема ФД (Ь).

При исследовании ВАХ на первом этапе были изучены ватт-амперные характеристики и оценена роль безизлучательной Оже-рекомбинации. Для этого из распределения интенсивности излучения рассчитывался фактор использования оптической мощности (ФИОМ), учитывающий затенение излучения анодом, по формуле:

где Л шах

— интенсивность излучения в непосредственной близости от анода, & — площадь анода. Полная интенсивность излучения Ье для идеализированного диода с прозрачным анодом определялась как = ЫФ. Для всех образцов зависимости имели линейные участки без заметной

безизлучательной рекомбинации, протяженность которых была существенно выше по сравнению с аналогичными участками характеристик Ь-1, определенных из прямых измерений без учета затенения излучения анодом.

Несущественность безнзлучателыюй рекомбинации, т. е. соблюдение условия L(x,y) ос j(x,y) в широком диапазоне токов, позволила на втором этапе рассчитать ток Л, протекающий в области р-n перехода под анодом, по формуле: 1а=1м\\-Ф) .

Из исходных (Лог И) и расчетных (I,-F) ВАХ определялись значения тока насыщения (/,„,_sa, и /a sa,) и фактора идеальности (ft и /Л) путем аппроксимации экспоненциальных участков прямых ветвей по методу наименьших квадратов; токи насыщения определялись также из обратных ветвей, при этом их значения (Aoi_sai и Ля) принимались равными значениям тока в точках пересечения экстраполированных линейных участков ВАХ с осью токов (см. таблицу 1). Из таблицы 1 видно, что исходные ВАХ Im-V характеризовались большим несоответствием значений тока насыщения, определенных из прямой и обратной ветви (/toi_sai/Aoi_sai > 3), и высоким фактором идеальности ([! > 1.5). Расчетные ВАХ /„-К, для которых сгущение линий тока было учтено, имели значительно меньшее различие в значениях токов насыщения, определенных из прямой и обратной ветви (Л, sai/'a sat - 1.5), и близкие к единице значения фактора идеальности. Достоверность полученных значений Д, подтверждалась при анализе ватт-вольтовых зависимостей L„uví-V. Для всех образцов зависимости ¿max-J7хорошо аппроксимировались функциями вида ¿max « [ехр(еК/уШ>1]

с фактором идеальности Д. ~ /Л. (см. таблицу 1), что, очевидно, является следствием выполнения условия L(.x,y) °< j(x,y).

Таблица 1. Параметры р-n структур.

номер образца тип структуры площадь р-п перехода, А, см2 площадь анода, 5 ,см: «искаженные» параметры «неискаженные» параметры Ом-см: (/ /А) , * /.и ... i 'mi мА/см2 Я, мкм

1\MJA. м А/см: м А/см2 /1 МА/см! мА/см: /»„

571-173 ДГС 1.24Е-3 6.36Е-5 110 * 1.8 42 * 1.32 1.32 1.24 21 3.37

6059-42 ОГС 1.48Е-3 8.49Е-5 79 IS 1.56 28 18 1.07 1.14 1.04 25 3.38

606IF-2 ю.м о р-п-переход I.46E-3 6.36Е-5 35 II 1.93 17 11 1.24 1.27 2.54 10 2.97

Примечание. * Для некоторых образцов определить значения Л,„ и Л, было невозможно вследствие отсутствия насыщения тока в обратной ветви ВАХ 1п-У.

В этой же главе изучались особенности растекания тока в ДГС, ОГС и структурах с гомо-р-п переходом. Установлено, что ДГС характеризуются наиболее равномерным растеканием тока, тогда как наибольшее сгущение линий тока имело место в структурах с гомо-р-п переходом в широкозонном ¡пАвБЬР (см. рис.3). Полученные данные не согласуются с выводом работы [19] о большем сгущении линий тока в диодах с меньшей шириной запрещенной зоны активной области. Из представленных на рис.3 данных очевидно, что на особенности протекания тока в диодах большое влияние оказывают потенциальные барьеры на гетсрограницах, выполняющие функцию высокоомных слоев растекания [18].

Для исследования свойств гетерограниц в ФД были проведены измерения методом сканирующей зондовой микроскопии поверхностного потенциала вдоль

1.0

м 0.6

0.4

\

Ч

^Чт,,,. /

X.

0 0.2 0.4 Oil 0.8 1,0 1.?. 1.4 Distance from :иикк* edge, r.'7 ),;

Рисунок 3. Нормированные распределения интенсивности ПЛ вдоль прямой, проходящей через центр чипа, при /„„//) ~ 3 А/см2 для ФД на основе ДГС (I), ОГС (2) и структур с гомо-

р-n переходом (3).

скола перпендикулярно плоскости р-n перехода. Измерения проводились на установке ИНТЕГРА-Аура (НТ-МДТ, Россия) в два этапа: на первом этапе определялся рельеф поверхности образца путем сканирования вибрирующим зондом, на втором этапе измерялось распределение поверхностного потенциала с учетом рельефа поверхности; результаты измерений представлены на рис.4. Как видно из рис.4, в образцах с гомо-p-n переходом имеется единственный скачок потенциала, связанный с барьером на р-n переходе. На гстерогранице с подложкой скачок (барьер) отсутствовал ввиду высокого положения уровня Ферми Ef относительно дна зоны проводимости Ес в сильнолегированном п+-InAs, так что Ef-Ec ~ ДЕс (см. рнс.1). Для ДГС были получены два скачка, положение которых соответствовало р-n переходу и изотипной гетерогранице п-InAs/n-InAsSbP с активным слоем. При этом высоты скачков были примерно одинаковы, что не соответствовало результатам расчета зонных диаграмм, согласно которым высота барьера на n-N переходе была в ~ 4 раза меньше высоты барьера на р-n переходе и составляла ~ 50 мэВ над уровнем Ферми. Поэтому дополнительно было измерено соотношение высот скачков АР7Д"" при разных смещениях (см. таблицу 2); предполагалось, что данное соотношение менее чувствительно к погрешностям метода, чем непосредственно значения Дрп и А"". Как видно из таблицы 2, высота барьера на р-n переходе при прямом смещении была в 1.5 раза больше, а при обратном смещении в 1.2 раза меньше, чем на n-N переходе. Полученные данные АСМ согласуются с ранее полученными результатами анализа параметров ВАХ и растекания тока в ФД разных типов, а также подтверждают предположения о влиянии потенциальных барьеров на изотипных гетерограннцах в структурах InAs/InAsSbP на свойства диодов.

Таблица 2. Соотношения высот потенциальных барьеров в ДГС.

Bias conditions -IV, RH -0.4S0V, RH 50mA, Hi 100 mA. ИВ

(VVA"'4 0.8 0.73 1.57 1.26

В конце главы исследованы вольт-фарадные (С2А2-¥) характеристики ФД, измеренные при 300 К с помощью моста Л2-7 и генератора сигналов ГК-3-40 при синусоидальной форме сигнала с амплитудой 15 мВ и частотой 465 кГц, при

P-lnAsSbP N-loAsSbP

J^liiA^íil -Р'п- Ht^^'ibf V

Рисунок 4. Распределения поверхностного потенциала вдоль скола перпендикулярно плоскости р-n перехода для ДГС (слева) и структур с гомо-p-n переходом (справа); для справки вверху приведены схемы расположения слоев в структурах.

этом, благодаря малой амплитуде и высокой частоте сигнала, влияние глубоких уровней на емкость диодов было несущественно. Зависимости Q2A2-Vдля ОГС и образцов с гомо-p-n переходом были плавные, а для ДГС имели от 2 до 4 горизонтальных участков (см.рис.5). Их наличие связано, вероятнее всего, с перекрытием областей пространственного заряда (ОПЗ) близко расположенных потенциальных барьеров подобно тому, как показано расчетным путем в [27] для двухбарьерной структуры. При определенной величине обратного смещения наступает перекрытие ОПЗ барьеров, при этом дальнейшее увеличение модуля обратного смещения приводит к истощению области между барьерами при неизменности суммарной ширины ОПЗ и емкости структуры; при полном истощении области между барьерами дальнейшее увеличение модуля обратного смещения вызывает расширение ОПЗ и уменьшение емкости. Превышение количества горизонтальных участков на зависимости C2A2-V над количеством выявленных АСМ барьеров для ДГС связано, вероятнее всего, с низкой чувствительностью метода АСМ, а также, возможно, с диффузией цинка, приводящей к сдвигу р-n перехода от гетерограницы в активную область. Для ДГС емкость на единицу площади при нулевом смещении составляла С/А = 127185 нФ/см2, что существенно ниже по сравнению с ОГС, для которых С/А = 292 нФ/см2; это важно при разработке ФД с высоким быстродействием.

Глава 3 основывается па результатах работ [7*-9*, 11*] и в ней экспериментально установлена неравномерность пространственного распределения OJ1 и неполный сбор фототока в ФД для диапазона длин волн X >

p-lnAsStP/n-lnAs diodes 300 К

.......DH »

Bias Voitage (V)

Рисунок 5. Вольт-фарадные характеристики ДГС (DU) и ОГС (SH).

4 мкм. Данная неравномерность впервые наблюдалась для ФД с градиентными слоями 1пА$8Ь(Р) на подложках п-1пАз при измерениях распределения интенсивности ОЛ с помощью линейчатого сканирующего фотоприемного устройства (ФПУ) на основе 1п8Ь, чувствительного в диапазоне Л = 3-5 мкм, и матричного ФПУ на основе 1пАз, чувствительного в диапазоне X = 3 мкм.

Из распределения интенсивности ПЛ и ОЛ рассчитывался ФИОМ для выходящего из диода излучения (Ф), а также ФИОМ для падающего на диод излучения (или коэффициент сбора фототока — I7), последний определялся по формуле:

^^ ¿(х ,у)ЛхЛу - •

Значения ФИОМ, определенные из измерений в разных спектральных диапазонах, имели некоторые различия, несущественные для данной работы (см.рис.6). ФИОМ для выходящего излучения был близок к единице при токах от -5 до 5 мА, поэтому сгущение линий тока не является препятствием для эффективной работы диодов в качестве источников ОЛ и ПЛ в данном диапазоне токов. ФИОМ для падающего излучения был существенно меньше единицы при малом обратном смещении и повышался при увеличении модуля обратного смещения, отражая увеличение равномерности растекания тока. ВАХ ФД имела перегиб в обратной ветви, связанный, вероятнее всего, с особенностями протекания тока.

0.2

1.0 0.8 0.6 -0.4 -0.2

ь Ф (3 нт Ьат1) • Ф (3 5 цт Ьат!) {

Г/ Л ^ч

4 ;"у,>; л рч г цт Ьа«с1)

о Г (3 -5 дт Ьаи<])

•.У - и

......• ! #159118

-0.2 р

-0.4

-6

-2 0 2 1)ки:1е сиггспЕ, тЛ

-■0.6

Рисунок 6. ВАХ и зависимости ФИОМ для выходящего (Ф) и входящего (Г) излучения от тока при комнатной температуре для ФД на основе градиентных структур с мезой диаметром 300 мкм и анодом диаметром 30 мкм.

В этой же главе впервые изучено распределение интенсивности ОЛ и плотности обратного тока в ФД на основе ОГС р-1пАя8ЬР/п-1пАя8Ь/п-1пА5, облучаемых со стороны слоя р-типа, для спектральной области 2.2-4.5 мкм при температурах выше комнатной (25-80 °С). Установлено сгущение линий тока при малых обратных смещениях, сменяющееся равномерным распределением интенсивности ОЛ и плотности тока при увеличении модуля обратного смещения при 25 °С. Повышение температуры приводило к усилению сгущения линий обратного тока вследствие экспоненциального снижения /?р.„ и увеличения объемного сопротивления слоя р-ГпАбБЬР (см.рис.7).

В таблице 3 представлены основные электрические параметры ФД,

■Л 1.0

i P.S g 0.«

'Z 0.4

I 0-2

â. 0 ? <»

5 -0.2 .1 - ) 4

S -0.« S -0.8 * -1.0

v)

]00j 200

/V

Щ

§

400

Г

lolal i-uncni: -U raA , -1.»гаЛ •0 < mA

Icrupmfitrc: SO'C

sot: 25° С

I тпЛ

» 100 2.00 300 400

г iim

Рисунок 7. ИК-изображение ФД на основе ОГС p-InAsSbP/n-InAsSb/n-InAs при 50 °С и / = -3.2 мА, распределения интенсивности OJ1 и ПЛ вдоль прямой, проходящей через центр чипа, при разных токах и температурах, определенные из ВАХ /юг V при трех значениях температуры путем аппроксимации измеренных зависимостей V-Im функциями вида V = (/УШ(?)1п[(/,„,//,„, sa,)+1 ]+/,„Л. Как видно из таблицы 3, с увеличением температуры ток насыщения возрастает, а фактор идеальности уменьшается. Полученный характер изменения /iot_sat согласуется с общепринятыми представлениями о возрастании обратного тока в диодах при повышении температуры [1]. Высокие значения f) связаны, как и в случае диодов на основе InAs [2*], вероятнее всего, с искажением ВАХ вследствие сгущения линий тока под анодом.

Из ВАХ /юг F и распределения интенсивности OJI и ПЛ рассчитывались ВАХ V по методике, изложенной в главе 2. Из ВАХ /,„,-F и /„-V были определены значения RaA и произведения динамического сопротивления области диода под анодом (7?оа) на площадь анода (&) (см. таблицу 3 и рис. 8). Значения RaA были намного выше, чем Ra„Sa, вследствие уменьшения эффективной площади протекания тока и неопределенности величины А. Зависимость /?«!!&( 1/7) ос exp[£g/A:7] свидетельствовала о преобладании диффузионного механизма токопрохождения в р-n переходе, а ее характер соответствовал зависимости RaA(MT), полученной в [14] для флип-чип образцов на основе аналогичных структур с широкими анодами, в которых влияние сгущения линий тока несущественно.

Таблица 3. Основные электрические параметры диода на основе ОГС р-InAsSbP/n-InAsSb/n-InAs

Температура диода, "С Aotsat' мА Р R, s' Ом Ом-см2 0а а' Ом-см2 Fa />. Ом-см

25 1.3 3 2 0.069 0.056 0.62 0.064

50 1.56 2.5 1.81 0.048 0.031 0.35 0.071

80 2.11 1.9 2.89 0.032 0.008 0.07 0.072

В этой же главе путем анализа распределения интенсивности ОЛ в ближнем поле исследовано влияние температуры и величины обратного смещения на коэффициент сбора фототока (ФИОМ для падающего излучения —

-0.10

0.05 0.10

-0.05 0 Voilage Vr_„, V

Рисунок 8. ВЛХ /„„-С при различных температурах. На вставке — температурные зависимости произведений динамического сопротивления ФД на площадь р-n перехода (/?(>/)) и динамического сопротивления области р-n перехода под анодом на площадь анода

(Д>Л) при V- 0.

F). Значение F при нулевом смещении составило 0.62 при 25 °С и снижалось до 0.07 при повышении температуры до 80 °С; приложение обратного смещения приводило к увеличению F (см.рис.9). Из полученных данных понятно, что формирование на облучаемой поверхности развитых контактов с большим периметром и малой площадью является эффективным и относительно малозатратным способом повышения чувствительности ФД, работающих в диапазоне I > 4 мкм в режиме измерения фототока.

1.0 0.8 O.fi

0,4

0,2

86113-1

"S*

-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 /;, ,{, т л

Рисунок 9. Зависимости коэффициента сбора фототока от тока для ФД при различных температурах. Штриховые линии — аппроксимирующие линейные функции.

Также в главе 3 изучены зависимости основных параметров ФД от геометрии контакта на облучаемой поверхности (в данном случае — анода, см.рис.10). При увеличении периметра анода величина Я0 монотонно снижалась из-за улучшения растекания тока при малых смещениях. Аналогичные результаты были получены в [21] при исследовании солнечных элементов. При переходе от дискового анода к аноду типа 3 увеличение коэффициента сбора фототока преобладало над увеличением затенения анодом р-п перехода, вследствие чего токовая чувствительность и обнаружительная способность возросли в 2 и 1.5 раза соответственно. При дальнейшем увеличении периметра анода влияние вышеназванных факторов было равнозначно, поэтому величина практически не изменялась, а величина £>* снижалась в 1.2 раза из-за снижения

Яо в 1.4 раза. Значение & = 0.9 А/Вт для ФД с анодом типа 3 было несколько меньше, чем для флип-чип ФД с иммерсионными линзами [14]. Значение О* = 1.6109 смГц|/2Вт"' при 300 К по порядку величины соответствовало значениям £>* = (5-7)-109 смГц'/2Вт"' при -25 °С для лучших образцов серийно выпускаемых ФД и фоторезисторов с термоэлектрическим охлаждением [3, 25].

- 22° С

- -----л

- я^ а $, : /Ос ЧУ \ ) *>Sa

#6624

1 tr-

ier'

0 12 3 4 5 6 7 Anode perimeter, mm

Рисунок 10. Зависимости токовой чувствительности Si, динамического сопротивления при нулевом смещении Rо и обнаружительной способности D* ФД от периметра анода (левая шкала). Для справки представлены также площадь анода (правая ткала) и типы анодов 1 -4

(вдоль верхней шкалы).

В этой же главе предложена простая аналитическая модель для прогнозирования ВАХ и сбора фототока в средневолновых ИК ФД с контактом ограниченной площади. При разработке модели учитывалось то, что для данных ФД чаще других используются эпитаксиальные структуры, выращенные на подложках п- или n+- InAs и содержащие нелегированную активную область п-InAsSb, а также легированный контактный слой p-InAsSbP на облучаемой стороне. Области n-типа имеют латеральное сопротивление на 2-3 порядка меньше, чем слой р-типа, поэтому влиянием первых на протекание тока в диоде можно пренебречь. Омический контакт на облучаемой стороне (анод) обычно имеет форму диска площадью не более 10 % площади мезы и не влияет на распределение плотности тока, при этом переходное сопротивление анода (Ra, см. рис.11, слева) влияет на величину общего тока через диод.

Расчет пространственного распределения плотности тока проводился для выделенного в цилиндре мезы сектора с углом а в соответствии с эквивалентной схемой на рис. 11, слева. Область сектора вне контакта разбивалась на элементы равной длины А г (ось г направлена по радиусу). Для каждого элемента с площадью фрагмента р-n перехода S,(r) рассчитывались вертикальная (R>(r)) и латеральная (Ri(r)) компоненты последовательного сопротивления RP(r), создаваемого контактным слоем. При этом латеральное сопротивление определялось по методике, приведенной в [28], с учетом линейного возрастания при увеличении г площади перпендикулярного р-n переходу сечения S±(r) = air (см. рис. 11, в центре). Предполагалось также, что общее латеральное сопротивление контактного слоя в пределах сектора разбивается на «единичные сопротивления», каждое из которых соответствует «своему» фрагменту р-п

перехода 5г(г), а их количество составляет (гт-/'а)/Дг; схема разбивки сектора на элементы представлена на рис. 11, в центре. Значения г) и Я^г) рассчитывались по формулам:

> Г „-г.,

5Дг) Га г„ Дг

>

Последовательное сопротивление ЯР(г) определялось геометрической суммой компонент в соответствии с эквивалентной электрической схемой элемента, представленной на рис.11, справа:

Расчет распределения плотности тока производился путем решения для каждого элемента Б,(г) уравнения вида:

Jl\r)■Sl\r)■R^^■)+U|t,>\l■)=U Л1)

где и — напряжение смещения, С/Дг) — падение напряжения на р-п переходе (см. рис. 11, слева).

ЯД'-)

Рисунок 11. Эквивалентная электрическая схема выделенного сектора диода (слева). Штриховые линии ограничивают область пространственного заряда (SCR) на границе контактного слоя (contact layer) и активной области. Схема разбивки сектора на элементы (в

центре). Темным фоном различной плотности выделены единичные латеральные сопротивления контактного слоя и соответстующис им фрагменты р-n перехода, штриховкой выделена площадь сечения S-ф'), используемая при расчете латерального сопротивления. Эквивалентная электрическая схема элемента (справа). Область диода под анодом рассматривалась как отдельный элемент с площадью S„ = mv и последовательным сопротивлением /?рл = pt/Ss. Ток в данной области (/а) определялся из уравнения вида (1).

Полный ток в диоде (/,„.) рассчитывался при суммировании по всем углам:

1,,,,^1,+j J,.(r)Sr(r)da.

Зависимость £/Р„(г) от J,(r) выражалась из модифицированной формулы Шокли для ВАХ диода с использованием таких параметров р-п перехода, как плотность тока насыщения ./,„, и фактор идеальности (!.

Коэффициент сбора фототока .Р при обратном смещении определялся по формуле:

~ К \Л-5а) ■

Следует отметить, что расчет Р и других характеристик проводился для темпового (равновесного) тока, а результаты расчета использовались для анализа протекания (неравновесного) фототока. Основанием для данного расчета

является то, что при работе ФД в режиме измерения фототока каждый элемент р-п-перехода работает в режиме, типичном для нагруженного солнечного элемента [20]. При этом «нагрузкой» для элемента р-п-перехода (г) является последовательное сопротивление ЯР{г), а плотность фототока, протекающего через Яр(г) и внешнюю цепь, определяется величинами /?,,(/•) и /?рп(г), как и плотность темпового тока.

С помощью предложенной модели проведен расчет распределения плотности тока с использованием типичных параметров для ФД на основе структур р-1пА58ЬР/п-1пА58Ь/п-1пА8, описанных в [9*]. При этом принималось ЯоА = 0.05 Ом-см2, т.е. ^ = 0.52 А/м2, /? = 1, а значение удельного сопротивления р слоя р-1пА$8ЬР варьировалось от 0.01 до 0.1 Ом-см; расчет проводился при и = -1 мВ. Результаты расчета соответствовали ранее полученным экспериментальным данным, так, например, расчетное значение F ~ 0.65 при р = 0.06-0.08 Ом-см близко к значению /-о = 0.62, полученному в [9*] из анализа распределения интенсивности ОЛ для ФД с ~ 0.056 Ом-см2 и р ~ 0.064 Ом-см при 25 °С (см. таблицу 3). Также показана возможность повышения эффективности сбора фототока за счет снижения сопротивления контактного слоя, например, путем умеренного увеличения концентрации легирующей примеси.

В конце главы 3 изучены ВАХ и сбор фототока в ФД с длинноволновой границей чувствительности Д0., = 5.2 мкм, аналогичных описанным в [11] (см. рис.12). Хорошее согласование экспериментальной и расчетной ВАХ при обратных и малых прямых смещениях было получено при =15 А/см2 и /> = 1. Возрастание модуля тока на экспериментальной ВАХ при и < -0.2 В связано, вероятнее всего, с развитием туннельного пробоя; данная область ВАХ не рассматривалась в качестве объекта сравнения с расчетом. При прямом смещении основная часть тока протекала в области диода под анодом, и

-0.3

-10

-15

О-

—О— ЕхраiiiKMtfal 1-1'

Simulated/-Г

-Dt - S0|uu. =

----iJeal. D = Dm

iileil. D = Z),

bjaded meting

ЗЗО'ЧЗОци ]|

■S —1

-0 3

Voltage. V

Рисунок 12.Экспериментальные (Experimental I-V) (точки □ ) и рассчитанные по предлагаемой модели (Simulated I-V) ВАХ для ФД с дисковым анодом ограниченной площади (сплошные линии); ВАХ идеальных диодов (ideal), содержащих широкие контакты и имеющих диаметры активной области D = Dm (длинный штрих) и D = D, (короткий штрих) (левая шкала). Расчетная зависимость коэффициента сбора фототока (F) от напряжения (правая шкала).

характеристики приближались к ВАХ идеального диода с диаметром £> = А. Приложение обратного смещения вызывало увеличение сопротивления р-п перехода и возрастание вклада в общий ток удаленных от анода областей диода. При этом ВАХ приближались к характеристике идеального диода с/) = Д„, а коэффициент сбора фототока Рвозрастал с 0.35 при С/ = -1 мВ до Т7 = 1 при и < -0.15 В. Поэтому можно ожидать повышения токовой чувствительности ФД (5[) в ~ 2.7 раза при приложении обратного смещения. Данная оценка соответствует результатам работы [11], в которой для аналогичных ФД с Лол = 5.8 мкм получено увеличение А в 3 раза за счет перехода' от точечного к решетчатому аноду, эффективно собирающему фототок по всей площади мезы.

Глава 4 основывается на результатах работы [10*] и в ней проведено моделирование основных характеристик оптического сенсора углекислого газа на основе флип-чип СД типа ЬЕБ42Би и созданных в главе 3 высокочувствительных ПО ФД с развитым анодом типа Р042Р81. Моделирование проводилось по методике, изложенной в [29], с учетом аналитических выражений для спектров поглощения газа, излучения СД и чувствительности ФД. Для диапазона температур (+20)-(+60) °С и концентраций СОг 0-10% при быстродействии 1 отсчет в секунду и оптической длине 10 см относительная погрешность измерения концентрации не превышала 10%, а предел обнаружения не превышал 10 ррш. Полученные результаты показывают перспективность применения описанных сенсоров для контроля технологических процессов.

В заключении приведены основные результаты выполненных исследований и выводы по работе:

1. Анализ сублинейных зависимостей интенсивности электролюминесценции от тока (Ь-Г) и влияния сгущения линий тока и затенения излучения непрозрачным анодом на вид Ь-1 характеристик в диодах на основе структур ГпАвБЬРЛпАз показал отсутствие заметной Оже-рекомбинации в широком диапазоне токов. Это позволило смоделировать не искаженные сгущением линий тока ВАХ, например, ВАХ для области р-п перехода под анодом (/а-И), и более точно определить значения плотности тока насыщения и фактора идеальности, важных для установления механизмов токопрохождения в ФД. Так, например, плотность тока насыщения Л 5а|/&, была в 2-3 раза меньше плотностей тока насыщения, определенных из первичных, т.е. «искаженных» ВАХ.

2. Потенциальный барьер на изотипном переходе П-типа п-1пАз/п-1пА88ЬР в ДГС существенно увеличивает дифференциальное сопротивление диодов при нулевом смещении, снижает емкость диодов, а при прямом смещении выполняет также и функции «высокоомного слоя растекания».

3. В фотодиодах для диапазона длин волн X > 4 мкм на основе градиентных структур р(п)-1пА$8Ь(Р)/п-1пА8 и ОГС р-1пА58ЬР/п-1пА58Ь/п-1пА5 имеет место существенная неравномерность пространственного распределения интенсивности ОЛ и плотности обратного тока, приводящая к низкой эффективности сбора фототока. Последнее является одной из основных причин низкой токовой чувствительности ФД с контактом ограниченной

площади к слою р-типа. При повышении температуры от 25 до 80 °С коэффициент сбора неравновесных носителей в ОГС снижается на порядок вследствие усиления сгущения линий обратного тока.

4. Формирование на облучаемой поверхности развитых контактов с большим периметром (Ра) и малой площадью (&), т.е. выполнение условия ''„ '-ß^, » 1, является эффективным способом повышения чувствительности узкозонных ФД с тонкой базой, работающих в спектральной области X > 4 мкм при повышенных температурах в режиме измерения фототока.

5. Для прогнозирования пространственного распределения плотности тока и основных характеристик диодов с ограниченной площадью контакта может быть использована простая аналитическая модель, учитывающая радиальное изменение латерального сопротивления слоя полупроводника, примыкающего к контакту.

6. Созданы ФД с активным слоем из InAsSb, эффективно работающие в области спектра А = 2.2-4.5 мкм и имеющие токовую чувствительность 0.9 А/Вт на длине волны I = 4.2 мкм при 300 К.

7. Ожидаемый предел обнаружения углекислого газа для оптических сенсоров на основе иммерсионных флип-чип СД (Я = 4.2 мкм) и созданных в данной работе ФД на основе InAsSb не превышает 10 ррт в диапазоне температур 20-60 °С и концентраций С02 0-10 % об. при быстродействии 1 отсчет в секунду и оптической длине 10 см, что обеспечивает перспективность применения таких сенсоров в медицинских капнографах и для контроля ряда важных технологических процессов, например, на атомных станциях с графито-газовыми реакторами.

Список публикаций по теме диссертации

1*. В.A. Matveev, A.V. Ankudinov, N.V. Zotova, S.A. Karandashev, T.V. L'vova, M.A. Remennyy, A.Yu. Rybal'chenko, N.M. Stus', "Properties of mid-IR diodes with n-InAsSbP/n-InAs interface" (Proceedings Paper), Published 25 February 2010 Vol. 7597: Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XVIII, Bernd Witzigmann; Fritz Henneberger; Yasuhiko Arakawa; Marek Osinski, Editors, 75970G

2*. Чаус M.B., Рыбальченко А.Ю., Матвеев Б.А., Ратушный В.И. Светодиоды на основе p-InAsSbP/n-InAs в условиях сильной инжекции. Тез. докл. на Молодежную конференцию по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА.СПб» (2009)

3*. Чаус М.В., Рыбальченко А.Ю., Матвеев Б.А., Ратушный В.И. Неравномерность протекания тока и его учет при определении характеристик поверхностно облучаемых фотодиодов на основе р-InAsSbP/n-InAs. Тез. докл. на Молодежную конференцию по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА.СПб» (2010)

4*. Львова Т.В., Зотова Н.В., Карандашев С.А., Константинов О.В., Матвеев Б.А., Ременный М.А., Рыбальченко А.Ю., Стусь Н.М., «ИК ФОТОДИОДЫ

НА ОСНОВЕ МНОГОБАРЬЕРНЫХ СТРУКТУР, СОДЕРЖАЩИХ InAs», Тезисы доклада XXI-ой Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 25-28 мая 2010, Москва, Россия, стр. 102 (2010) 5*. Н.В. Зотова, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, А.Ю. Рыбальченко, Н.М. Стусь. Пространственная неравномерность протекания тока и ее учет при определении характеристик поверхностно облучаемых фотодиодов на основе InAsSbP/InAs // ФТП, 45 (4), 554 (2011) 6*. Б.А. Матвеев, В.В. Кузнецов, В.И. Ратушный, А.Ю. Рыбальченко. Анализ характеристик поверхностно облучаемых фотодиодов с учетом неравномерности протекания тока. Тез. докл. на Национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2011, г. Москва, 2011 г. 7*. С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, И.В. Мжельский, В.Г. Половинкин, М.А. Ременный, А.Ю. Рыбальченко, Н.М. Стусь. Неравномерность пространственного распределения отрицательной люминесценции в фотодиодах на основе InAsSb(P) (длинноволновая граница A0.i = 5.2 мкм) // ФТП, 46(2), 259 (2012) 8*. С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, И.В. Мжельский, В.Г. Половинкин, М.А. Ременный, А.Ю. Рыбальченко, Н.М. Стусь, «Об эффективности сбора фототока в обратно-смещенных фотодиодах на основе InAsSbP (длинноволновая граница ка.\ = 5.2 мкм)». Тез. докл. на Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники, «Фотоника 2011», 22-26 августа 2011г., Новосибирск, стр. 22 9*. Н.Д. Ильинская, A.JI. Закгейм, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, В.И. Ратушный, М.А. Ременный, А.Ю. Рыбальченко, Н.М. Стусь, А.Е. Черняков. Поверхностно облучаемые фотодиоды на основе InAsSb (длинноволновая граница Ao.i — 4.5 мкм), работающие при температурах 25-80 °С. ФТП, 46 (5), 708 (2012) 10*. Матвеев Б.А., Ратушный В.И., Рыбальченко А.Ю., Сотникова Г.Ю. Высокотемпературные датчики углекислого газа для систем безопасности в энергетике на основе поверхностно облучаемых фотодиодов на основе InAsSb. Глобальная ядерная безопасность, №1 (1), 110 (2011) 11*. С.А.Карандашев, Б.А. Матвеев, В.И. Ратушный, А.Ю. Рыбальченко, М.А.Ременный, Н.М.Стусь. Вольт-амперные характеристики и сбор фототока в радиалыю симметричных поверхностно облучаемых фотодиодах на основе InAsSb. ЖТФ, 2014 (в печати).

Список цитируемой литературы

1. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: в 2 книгах. Пер. с англ. — 2-е перераб.и доп.изд. — М.: Мир, 1984. — 456с., ил.

2. A. Rogalski, M.Razeghi. Narrow gap semiconductor photodiodes. SPIE Vol. 3287. 0277-786X

3. Каталог фирмы Hamamatsu. http://www.hamamatsu.com/

4. Каталог фирмы ИоффеЛЕД. http://www.iofFeled.com/

5. Каталог фирмы ООО «АИБИ» (IBSG Co., Ltd), http://www.ibsg.ru/

6. Antoni Rogalski. Heterostructure infrared photodiodes // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 3 (2), 111 (2000)

7. B.B. Кузнецов, Л.С. Лунин, В.И. Ратушный. Гетероструктуры на основе четверных и пятерных твердых растворов AlnBv. - Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. - 376с.: ил.

8. Philip Klipstein. «ХВп» Barrier Photodetectors for High Sensitivity and High Operating Temperature Infrared Sensors. SPIE, 2008

9. M. Razeghi. Overview of antimonide based III-V semiconductor epitaxial layers and their applications at the center for quantum devices // Eur. Phys. J., AP 23, 149-205 (2003)

10. Б.А. Матвеев. Инфракрасная полупроводниковая оптоэлектроника с использованием гетероструктур из арсенида индия и твердых растворов на его основе: Автореф. дис.... д-ра физ.-мат. наук. СПб, 2010.

И. Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь. Неохлаждаемые фотодиоды на основе InAsSb(P) с длинноволновой границей чувствительности 5.8 цт // Письма ЖТФ, 38 (5), 85 (2012).

12. Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, А.Л. Закгейм, Н.Д. Ильинская, А.Н. Именков, О.Н. Сараев, М.А. Сиповская, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. Мощные светодиоды, излучающие в области длин волн 1.9-2.1 мкм // ФТП, 33 (2), 239 (1999)

13. А.Л. Закгейм, Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь, А.Е. Черняков. Неохлаждаемые широкополосные флип-чип фотодиоды на основе InAsSb (Асш-огг = 4.5 мкм) // ФТП, 43 (3), 412 (2009)

14. М.А. Remennyy, В.А. Matveev, N.V. Zotova, S.A. Karandashev, N.M. Stus, N.D. Ilinskaya. InAs and InAs(Sb)(P) (3-5 цт) immersion lens photodiodes for portable optic sensors // Proc. of SPIE Vol. 6585 658504-1 (2007)

15. Volodymyr Tetyorkin, Andriy Sukach and Andriy Tkachuk (2011). InAs Infrared Photodiodes, Advances in Photodiodes, Prof. Gian Franco Dalla Betta (Ed.), ISBN: 978-953-307-163-3, InTech, DOI: 10.5772/14084. Available from:

http://www.intechopen.com/books/advances-in-photodiodes/inas-infrared-photodiodes

16. A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. - М.: Физматкнига, 2011

17. M. Carras, J.L. Reverchon, G. Marre, С. Renard, В. Vinter, X. Marcadet, V. Berger. Interface bandgap engineering in InAsSb photodiodes // Appl. Phys. Lett. 87, 102103 (2005)

18. Ф. Шуберт. Светодиоды. Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича, 2-е изд. (М., Физматлит, 2008).

19. V.K. Malyutenko, A.V. Zinovchuk and O.Yu. Malyutenko. Bandgap dependence of current crowding effect in 3-5 |im InAsSb/InAs planar light emitting devices // Semicond. Sci. Technol. 23 (2008) 085004

20. V.K. Malyutenko, S.S. Bolgov. Proc. SPIE, 7617, 76171K-1 (2010)

21. Андреев В.M., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрические

преобразователи концентрированного солнечного излучения. — JL: Наука, 1989. — 310с.

22. A. Krier, X.L. Huang. Design considerations for uncooled InAs mid-infrared light emitting diodes grown by liquid phase epitaxy // J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 255-261

23. В.И. Иванов-Омский, Б.А. Матвеев. Отрицательная люминесценция и приборы на ее основе. Обзор // ФТП, 41 (3), 257 (2007)

24. V.K. Malyutenko, O.Yu. Malyutenko, A.D. Podoltsev, I.N. Kucheryavaya, B.A. Matveev, M.A. Remennyi, N.M. Stus'. Current crowding in InAsSb light emitting diodes //Appl. Phys. Lett. 79 (25), 4228 (2001)

25. J12 Series InAs detectors operating instructions. Teledyne Judson Technologies. Oct. 2000. Каталог фирмы Teledyne Judson Technologies. http://www.judsonteclinologies.com/

26. I. Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // J. Appl. Phys., 89 (11), 5815 (2001)

27. О.V. Konstantinov, Т.V. L'vova, M.M. Pachanov. Plateau of Mott type in C-V characteristics of Schottky diodes with heterojunction // Semiconductors, 23, 1283 (1989)

28. Геворкян Р.Г. Курс физики: Учеб. пособие. — М.: Высш. школа, 1979, — 656 е., ил.

29. С.Е. Александров, Г.А. Гаврилов, А.А. Капралов, Б.А. Матвеев, Г.Ю. Сотникова, М.А. Ременный. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра // ЖТФ, 79 (6), 112(2009)

Подписано в печать 13.11.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11232Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Российская академия наук Отделение физических наук Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

На правах рукописи

04201451297

Рыбальченко Андрей Юрьевич

Фотодиоды средневолнового ИК диапазона на основе узкозонных полупроводников 1пАв(8Ь), облучаемые со стороны слоя р-типа

проводимости

01.04.10 — Физика полупроводников

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н. Матвеев Б.А.

Санкт-Петербург, 2013

Содержание

Введение.....................................................................................................................4

1. Обзор литературы и постановка задачи.............................................................11

1.1 Основные параметры и характеристики ФД...............................................11

1.1.1 Вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики........................12

1.1.2 Чувствительность и спектр фотоответа.............................................18

1.1.3 Обнаружительная способность...........................................................22

1.2 Материалы и структуры для средневолновых ИК ФД...............................24

1.3 Конструкции ИК ФД......................................................................................39

1.3.1 Флип-чип ФД.........................................................................................39

1.3.2 ФД, облучаемые со стороны слоя р-типа проводимости...................41

1.4 Сгущение линий тока в диодных структурах..............................................44

1.5 Отрицательная люминесценция в ИК диодах.............................................48

1.6 Постановка задачи.........................................................................................50

1.7 Выводы............................................................................................................53

2. Исследование ФД на основе структур ШАзЛпАэЗЬР (Яшах= 3-3.4 мкм)...........54

2.1 Предварительные замечания..........................................................................54

2.2 Образцы и методика измерений.....................................................................56

2.3 Особенности растекания тока в диодах; описание модели.........................61

2.4 Анализ ватт-амперных и вольт-амперных характеристик диодов.............64

2.5 Исследование барьеров в структурах методом СКЗМ................................70

2.6 Вольт-фарадные характеристики диодов.....................................................73

2.7 Выводы............................................................................................................74

3. Фотодиоды для спектрального диапазона Я > 4 мкм........................................76

3.1 Предварительные замечания.........................................................................76

3.2 ФД на основе градиентных структур 1пАз8Ь(Р)/1пА8.................................77

3.3 ФД на основе ОГС Ь^вЗЬРДпАвЗЪЛпАв.....................................................82

3.4 Аналитическое исследование характеристик ФД........................................92

3.4.1 Описание модели..................................................................................92

3.4.2 Результаты расчетов..............................................................................91

3.5 Выводы...........................................................................................................102

4. Моделирование характеристик газового сенсора............................................104

4.1 Предварительные замечания........................................................................104

4.1 Устройство и принцип работы оптических газовых сенсоров.................104

4.2 Моделирование характеристик сенсора углекислого газа........................107

4.3 Выводы...........................................................................................................113

Заключение...............................................................................................................114

Список литературы..................................................................................................116

Введение

Актуальность темы. В средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (Я = 3-5 мкм) содержатся фундаментальные полосы поглощения многих промышленных и природных газов, таких, как, например, СпНт, СО, СО2, ЫхОу и др. Этим обусловлен повышенный интерес к разработке оптических газовых сенсоров, измеряющих пропускание среды на выделенных длинах волн в данном диапазоне, с целью определения концентрации газов. В настоящее время такие сенсоры находят применение в трассовых системах безопасности на нефтеперегонных заводах [1], для измерения вредных газов в выхлопе автотранспорта [2], для контроля качества воздуха в помещениях [3], в медицинской диагностике [4] и других областях человеческой деятельности [5].

В качестве источников и приемников излучения для оптических газовых сенсоров начинают активно использоваться свето- и фотодиоды (СД и ФД соответственно), достоинствами которых являются компактные размеры, малое энергопотребление, высокое быстродействие, длительное время наработки на отказ. Важным преимуществом ФД перед другим распространенным типом фотонных приемников — фоторезисторами — является возможность работы при нулевом напряжении смещения, при котором уровень шума минимален. Среди материалов для изготовления средневолновых ИК ФД все более широкое распространение получают гетероструктуры 1пАз(8Ь)/1пАз8ЬР, выращиваемые на подложках ¡пАб, характеризующиеся низкой плотностью дефектов в эпитаксиальной части и перекрывающие своими рабочими спектрами весь диапазон длин волн 3-5 мкм.

Конструкция ФД с контактом ограниченной площади к эпитаксиальному слою р-типа проводимости и сплошным контактом к подложке остается наиболее распространенной из-за простоты фотолитографических процессов, применяемых при изготовлении диодов. Особенности технологии формирования омических контактов путем осаждения металла и последующего вжигания с проникновением металла в приповерхностную область полупроводника обусловливают типичную

толщину облучаемого (контактного) слоя порядка нескольких мкм. Поскольку такая толщина несколько превышает эффективную длину поглощения излучения в узкозонных полупроводниках АШВУ, фотогенерация электронно-дырочных пар происходит на значительном удалении от р-п-перехода, а фототок формируется за счет диффузии носителей к р-п-переходу. Поэтому для контактных слоев используют материалы с большой диффузионной длиной неосновных носителей, имеющие, как правило, р-тип проводимости. Спектры фотоответа ФД с контактом ограниченной площади к слою р-типа обычно расширены в область коротких волн за счет диффузии к р-п переходу носителей, фотогенерированных вблизи облучаемой поверхности, или прохождения части фотонов сквозь контактный слой. При разработке данных ФД основное внимание уделялось изучению механизмов протекания через р-п переход темнового тока, а также его снижению, главным образом, за счет применения гетеро структур с высокими потенциальными барьерами на границах узкозонной активной области. При этом исследования ФД проводились только при Т < 300 К, а особенностям пространственного распределения токопрохождения при прямом и обратном смещении и его влиянию на основные характеристики ФД, включая параметры р-п перехода, определяемые в эксперименте, уделялось недостаточно внимания. Вместе с тем, область повышенных по сравнению с комнатной температур (Г> 300 К) является типичной для работы газовых сенсоров в большинстве систем контроля технологических процессов.

Целью диссертационной работы является исследование токопрохождения при прямом и обратном смещении в ФД на основе полупроводниковых гетеро структур ГпАзБЬРЯпАз^Ь) с металлическим контактом ограниченной площади к слою р-типа проводимости, а также изучение влияния особенностей токопрохождения на основные параметры и характеристики широкополосных ФД, работающих в диапазоне длин волн X = 2.2-4.5 мкм, при Т> 300 К.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: 1. Разработка методов анализа характеристик диодов с учетом пространственной неравномерности протекания тока и неравномерности

распределения электролюминесценции в ближнем поле.

2. Исследование пространственного распределения- интенсивности положительной и отрицательной люминесценции (ПЛ и ОЛ соответственно) в ближнем поле в ФД на основе двойных (p-InAsSbP/n-InAs/n-InAsSbP/n+-InAs) и одиночных (p-InAsSbP/n-InAs/n+-InAs) гетероструктур (ДГС и ОГС соответственно), а также структур с гомо-p-n переходом в твердом растворе InAsSbP; исследование их электрических свойств и анализ токопрохождения.

3. Исследование свойств потенциальных барьеров на изотипных интерфейсах П-типа n-InAs/n-InAsSbP и их влияния на токопрохождение в ДГС.

4. Исследование ВАХ и эффективности сбора фотогенерированных носителей в ФД с длинноволновой границей фоточувствительности X > 4 мкм и ограниченными размерами омического контакта в диапазоне температур 20-80 °С.

5. Выработка рекомендаций для создания эффективных ФД с длинноволновой границей фоточувствительности л > 4 мкм, работающих при Т > 300 К. Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

1. Экспериментально изучено влияние пространственной неравномерности токопрохождения на параметры ВАХ ФД на основе структур InAsSbP/InAs(Sb). Учёт пространственной неравномерности протекания тока позволил с высокой точностью определить истинные (неискаженные) параметры диода (например, ток насыщения /sat и фактор идеальности Р прямой ветви ВАХ), даже при отсутствии ярко выраженного насыщения в обратной ветви ВАХ.

2. Экспериментально исследованы свойства потенциальных барьеров на изотипных интерфейсах П-типа n-InAs/n-InAsSbP при Т = 300 К, показано влияние данных барьеров на токопрохождение при прямом смещении и на вольт-фарадные характеристики ДГС.

3. Экспериментально и аналитически установлена неравномерность пространственного распределения отрицательной люминесценции в

ближнем поле и снижение эффективности сбора фототока в удаленных от контакта областях для ФД на основе узкозонных градиентных структур р(п)-1пАз8Ь(Р)/п-1пА8 и ОГС р-1пА88ЬР/п-1пАз5Ь/п-1пАз с длинноволновой границей чувствительности л > 4 мкм. Проанализированы и реализованы способы повышения эффективности сбора фотогенерированных носителей вФД.

4. Экспериментально исследована зависимость токопрохождения при прямом и обратном смещении от температуры (20-80 °С) в ФД на основе ОГС р-1пА85ЬР/п-1пАз8Ь/п-1пА8. Проанализированы и реализованы способы повышения эффективности указанных ФД при повышенных температурах (20-80 °С).

5. Предложена простая аналитическая модель, позволяющая прогнозировать основные характеристики ФД на основе узкозонных полупроводников с точечным контактом.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Локальная плотность фототока в фотодиодах с активным слоем из п-1пА8(8Ь) и анодом на облучаемой поверхности слоя р-1пАз8Ь(Р) при комнатной и повышенных температурах убывает при удалении от анода, что приводит к уменьшению обнаружительной способности.

2. В фотодиодах с активным слоем из п-1пА8(8Ь) и анодом на облучаемой поверхности слоя р-1пАз8Ь(Р) при комнатной и повышенных температурах фототок возрастает при увеличении модуля обратного напряжения и/или при увеличении периметра анода.

3. Скачок потенциала в зоне проводимости на изотипной гетерогранице п-1пА8/п-1пА88ЬР увеличивает динамическое сопротивление и уменьшает ёмкость фотодиодов на основе двойных гетероструктур р-1пА88ЬР/п-1пАз/п-1пАз8ЬР.

Практическая ценность результатов работы. Результаты работы внедрены в ООО «ИоффеЛЕД», СПб.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и

обсуждались на Молодежной конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА.СПб» - (2009, 2010), национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2011 (г. Москва, 2011 г.), XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2010), SPIE Photonics West Conference (San-Francisco, USA, 2010), Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника 2011» (Новосибирск, 2011).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных трудов. Основные результаты получены автором совместно с исследовательской группой диодных оптопар под руководством Б.А. Матвеева, входящей в состав лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, при поддержке со стороны научной школы «Технология и физические свойства полупроводниковых наногетероструктур».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 79 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 38 иллюстраций и 6 таблиц.

В первой главе рассмотрены возможности получения изопериодных эпитаксиальных структур с четырехкомпонентными твердыми растворами на бинарных подложках AniBv для оптоэлектронных приборов средневолнового ИК диапазона. Отмечены возможности выращивания из жидкой фазы на пластичных подложках n-InAs низкодефектных эпитаксиальных структур с градиентными (InAsSb(P)) и неизопериодными узкозонными слоями (InAsSb), работающих в области длин волн до 5.8 мкм. Проведен обзор работ по ФД для диапазона длин волн 3-5 мкм, выполненных в конструкции как флип-чип, так и с контактом ограниченной площади на эпитаксиальной стороне. Рассмотрены работы по изучению влияния пространственной неравномерности распределения интенсивности электролюминесценции, плотности тока и фотоответа в диодных структурах на основные характеристики оптоэлектронных приборов. На

основании проведенного обзора литературы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлено описание методов получения образцов и приведены результаты экспериментального исследования пространственного распределения интенсивности ПЛ и ОЛ в ближнем поле и плотности тока при прямом и обратном смещении в ФД на основе структур ХпАбЛпАзБЬР разных типов (ДГС, ОГС, структуры с гомо-р-п-переходом в ГпАзБЬР) при комнатной температуре, изучено влияние особенностей растекания тока на параметры ВАХ ФД. Экспериментально исследованы свойства потенциальных барьеров на интерфейсах пЛпАз/п-ГпАэЗЬР в ДГС. Установлено, что ДГС и ОГС с узкозонной активной областью из 1пАз характеризуются более равномерным пространственным распределением интенсивности ПЛ и плотности прямого тока, чем структуры с гомо-р-п переходом в широкозонном ¡пАвББР. Различие в особенностях растекания тока в структурах разных типов объяснено влиянием потенциальных барьеров на изотипных гетерограницах, повышающих динамическое сопротивление ФД и способствующих равномерному растеканию тока.

В третьей главе представлены данные о неравномерности пространственного распределения ОЛ и плотности обратного тока в ФД на основе градиентных структур р-1пА88Ь(Р)/п-1пА88Ь(Р)/п-1пА8 и ОГС рЛпАзБЬР/п-1пА88Ь/п-1пА8 с длинноволновой границей чувствительности л > 4 мкм. Для последних впервые проведено исследование пространственного распределения ПЛ и ОЛ и токопрохождения в широком диапазоне температур (20-80 °С). Установлено, что неравномерность протекания обратного тока, а именно, его сгущение в области контакта, приводит к неполному сбору фототока в ФД. Экспериментальные исследования зависимости основных параметров ФД от характеристик контакта на облучаемой поверхности показали, что формирование контактов с большим периметром и малой площадью является эффективным способом повышения обнаружительной способности широкополосных поверхностно облучаемых ФД, работающих в спектральной области X > 4 мкм в

режиме измерения фототока при температурах выше 20 °С.

В четвертой главе описаны устройство, принцип работы и основные характеристики оптического газового сенсора, полученные моделированием сенсора углекислого газа на основе флип-чип СД, излучающих на длине волны 4.2 мкм, и высокочувствительных ФД на основе ОГС р-1пА58ЬР/п-1пАз8Ь/п-1пА8 с развитым контактом к слою р-типа, предложенных в главе 3.

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования

1.1 Основные параметры и характеристики ИК ФД

Для количественного описания характеристик ИК фотоприемников всех типов используют определенные критерии качества, формирование которых происходило в 1950-1960 годах и к настоящему времени в основном закончено [6]. Наиболее употребительным из них считается обнаружительная способность, т. е. отношение сигнал-шум при единичной мощности излучения, падающего на единицу площади фотоприемной поверхности и модулированного в единичной полосе частот [7]. Общим источником шумов для всех типов фотоприемников является фоновое тепловое излучение среды, в которой работает прибор. Интенсивность и спектр фонового излучения зависят только от температуры среды, поэтому ограничение обнаружительной способности, обусловленное фоновым излучением, является фундаментальным. Наряду с этим, каждый конкретный тип фотоприемников характеризуется специфичными особенностями формирования выходного сигнала и шума, налагающими дополнительные ограничения на минимальную регистрируемую интенсивность входного оптического сигнала. Для ФД выходным сигналом является фототок во внешней цепи либо напряжение на выводах диода, а основным источником шума, помимо фонового излучения, является тепловая генерация носителей. Величины сигнала и шума ФД определяются осно