Характеристики пороговых ИК фотоприемников на основе структур с квантовыми ямами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

р Г О ШЙС0ВСЮП1 ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ 1 5 г'' 1393 ФП31Ж0-ТЕШ1ЧЕСКШ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

СЕРЯЕЖО ФЕДОР ЛЕОШ1ДОВИЧ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОГОВЫХ ИК ФОТОПРИЕМНИКОВ ПА ОСНОВЕ СТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ЯЛ1АМИ.

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

/

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в НЙЙ Прикладной физики

Научный руководитель — доктор физ.-мат, наук

профессор Осипов В.В.

Официальные оппоненты — доктор физ.-мат. наук

Холодной В.А. кандидат физ.-мат. наук Лубашевсжий И.А.

Ведущая органиоациа — Московский физико-технологический

институт Российской Академии Наук

Защита состоится 30 марта 1993 года в часов на заседании специализированного совета в Московском физико-техническом институте по адресу;

141700 Московская область, г, Долгопрудный, Институтский переулок

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Московского физик технического Института.

Автореферат разослан " 23> " сЦ^ААлЯ 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат фио.-мат. паук

Коновалов Н.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Оптические свойства структур с квантовыми ямами (КЯ) в последнее время привлекли всеобщее внимание благодаря их использованию в оптоэлектронных приборах, работающих в ИК диапазоне, в системах оптической связи и обработки изображений. Обнаружены сильные электрооптические и нелинейные эффекты при оптических переходах зона-зона, а наличие минизонной структуры обеспечивает сильное поглощение при гораздо меньших энергиях, чем в объемных структурах. Особый интерес представляют межподзонные переходы, которые были впервые обнаружены в системе из селективно легированных квантовых ям GaAs/AlGaAs. Большая сила осциллятора в этих переходах вместе с возможностью изменения ширины'запрещенной зоны и других важных параметров слоистой структуры используются в нелинейной оптике и при детектировании ИК излучения.

Несомненный интерес представляет изучение ИК фотоприемников СФП) на основе структур с КЯ соединений GaAs/AlxGat_xAs и Si/Si^Ge^ для диапазона длин волн 8-14 мкм. Принцип действия такого ФП состоит в .возбуждении электронов с основного состояния в КЯ в непрерывный спектр с последующим сбором носителей с помощью приложенного ■ электрического поля. ' Спектральная ширина, положение ' fi величина пика фотоотклика зависят, главным * образом, от размеров ям и барьеров, процентного содержания Al (Si) в* твердом растворе, эффективной массы'электрона в структуре,

кратности вырождения, формы поверхности Ферми, концентрации примеси. Обнаружительная способность и рабочая температура таких ФП в режиме ограничения флуктуациями фонового излучения (ОФ) меньше чем в ФП на основе .КРТ, однако существует целый . ряд причин, указывающих на широкие потенциальные возможности этого типа ФП. Ж ФП на основе структур GaAs/AljjGa^As и Si/Si1_xGex имеют большие преимущества с точки зрения современной технологии. Уже сейчас существуют методы, позволяющие выращивать эти структуры с высокой степенью однородности при больших площадях. Кроме того, возможна интеграция с существующими системами на GaAs (Si). В этих структурах по сравнению с КРТ лучше термическая стабильность, большее быстродействие. Возможно также изготовление матричных ФП с очень высокой степенью однородности элементов.

Цель диссертационной работы состояла

- разработке теории пороговых фотоприемников на основе структур с квантовыми ямами GaAs/'Al Ga xAs и Si/'Si xGex.

- оптимизации фотоприемников и расчете их характеристик.

Научная новизна работы Разработана теория пороговых ПК фотоприемников на основе структур с квантовыми ямами.

Практическая ценность работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы для расчета характеристик пороговых Фотоприемников на основе структур с квантовыми ямами G&As/Al Gn As и Si/Si . .Gcv и

их оптимизации/

Результаты диссертации могут быть использованы в НИИ ПФ и НИИ "Пульсар" при разработке и оптимизации ИК фотоприемников на основе структур с квантовьм шш«| GaAs/AlxGaj_xAs и

Si/Sit-xGV

На защиту пЫиосптсп следующие положения:

1. Коэффициент поглощения ИК излучения при фотоионизации КЯ может быть порядка коэффициента поглощения при прямых межзонных переходах при достаточно большой концентрации легирующей примеси.

2. Эффекты деполяризации существенны в процессе поглощения излучения. Деполяризационный сдвиг и уширение спектра определяют величину коэффициента поглощения и ширину полосы принимаемого излучения. '

3. Время жизни электронов в состояниях непрерывного спектра структуры с КЯ определяется процессами захвата в ямы. Для GaAs-AIGaAs время жизни определяется испусканием полярных оптических фононов при переходе в основное состояние КЯ и составляет т = 2 10 ""сек. ' Время жизни электронов в структуре с КЯ n-Si-Si1_xGex опр_еделяется процессами захвата в ямы при испускании оптических внутри- и междолинных фононов и составляет т = 4.3 10 ~12 сек.

4. Токовая чувствительность и коэффициент фотоэлектрического • усиления максимальны для структуры с одной КЯ.

5. Эффекты деполяризационного сдвига и уширения спектра фотопоглощения определяют нетривиальную зависимость удельной, сбнарукительной способности Пд ФП на КЯ. в режиме 035 от концентрации легирующей примеси. При этом, в области малых

концентраций Од увеличивается за счет увеличения максимума квантовой эффективности т?^, а в области больших концентраций убывает за счет уширения спектра т)(р), 6. Оптимальная концентрация легирующей примеси, .обеспечивающая максимальную обнаружительную способность, соответствует близким к максимально возможным температурам перехода в режим ОФ.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на:

I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград-1989),

V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга-19*Ш), - . XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев-1990),

II научной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ашхабад 1991),

семинаре по МЛЭ (НовосиСирск-90), научной конференции МФТИ а' также на научных семинарах НИИПФ.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах, перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, трех Глав,.Заключения и списка цитируемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введений обоснована актуальность и новизна выполненных исследований* сформулирована цель диссертационной работы, приводится краткая аннотация диссертации по главам, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, касающихся вопросов ИК фотоприемников на основе структур с КЯ. Вычисляется спектр фотоионизации КЯ в. одноэлектронном приближении и с учетом эффекта деполяризации.

В п 1.1 содержится обзор теоретических и ' экспериментальных работ, а также рассматривается постановка задачи об ИК фотоприбмнике на основе структур с КЯ.

В п. 1.2 рассматривается вопрос о выборе волновых функций для КЯ СаАз/А1хСа1_хАз. Затем на основании этих волновых функций находятся правила отбора для процесса поглощения излучения й вычисляется матричный элемент возмущения. Проводя интегрирование по всем конечным состояниям в. процессах поглощения» Получаем вероятность фотоионизации КЯ ' в одноэлектронном приближении. Рассматриваются различные предельные случаи зависимости вероятности фотоионизации от энергии фотонов и параметров КЯ. Определяются "резонансные" параметры КЯ, соответствующие наиболее эффективному ■ поглощению. . - ,

В п.1.3 рассматривается вопрос о влиянии эффекта деполяризации на спектр фотоионизации КЯ. За нулевое приближение берется результат п. 1.1, т.е. одноэлектронное приближение и вычисляется новый коэффициент поглощения. Конечная концентрация электронов в КЯ приводит к устранению

расходимости в одноэлектронном спектре в области вблизи порога, а также вызывает уширение спектра. Форма спектра ц. характерные величины согласуются с экспериментальными данными.

В п.1.4 рассматриваются основные свойства твердого раствора соединения Sij_KGex и зонная диаграмма гетероперехода Si/Si t_xGex в обычном случае и для напряженных структур, Приводится обоснование выбора направления роста <111> для создания ИК ФП на КЯ. Далее исследуется вопрос о преобразованиях гамильтониана для приведения уравнения Шредингера к стандартной форме. Выбирая волновые функции основного иконечного состояний как и в п. 1.1 и следуя тому же методу вычислений, получаем спектр фотоионизации КЯ Si/Si 1_xGex, учитывающий шестикратное вырождение ' электронов и тензор эффективной массы. Следуя п. 1.2, получаем коэффициент поглощения с учетом эффекта деполяризации. В работе проводится изучение вопроса о влиянии концентрации электронов на спектр поглощения.

Вторая глава посвящена вопросу захвата электронов в КЯ при рассеянии на фононах. В материалах типа А3В5 основной механизм - полярное оптическое рассеяние, а для структур типа Si/SiGe - рассеяние на деформационном потенциале.

В п. 2.1 изучается вопрос о захвате электронов из непрерывного спектра над КЯ в основное состояние при испускании полярного оптического фонона. Следуя золотому правилу Ферми, получаем вероятность захвата электрона в КЯ в единицу времени при испускании полярного оптического фонона. Для электронов, энергия которых мала по сравнению с порогом,

полученное аналитическое выражение не зависит от энергии и время жизни оказывается равным т = 2 10_11сек.

В п.2.2 реализуется приблизительно такая же общая схема, но уже для другого процесса. Основной механизм захвата -рассеяние на деформационном потенциале. Поскольку изоэнергетическиа поверхности для Si/Si 1_хСех являются эллипсоидами вращения, расположенными в разных местах зоны Бриллюэна, возможны различные процессы рассеяния между долинами. В расчете проводится суммирование по всем возможным процессам рассеяния, принимая во внимание, что для каждого из них нужно брать соответствующее значение константы деформационного потенциала и энергию оптического фонона. Полученное время жизни электрона в КЯ т = 4.3 10~12 сек.

Третья глава посвящена исследованию характеристик пороговых ИК ФП на основе структур с КЯ GaAs/A^Ga^As и Si/Si^Ge,.

В п.3.1 рассматривается вопрос об определении квантовой эффективности и токовой чувствительности фотоприемников. Проводится теоретическое исследование проблемы ввода излучения через кремниевую призму и связанные с ним ограничения. Обсуждаются основные направления решения этой проблемы.

В п.3.2 проводится исследование зависимости удельной обнаружительной способности от концентрации легирующей примеси. Из численных расчетов определяется оптимальная концентрация, соответствующая максимуму удельной обнаружительной способности ФП.

В п.3.3 проводится теоретическое исследование рабочей

температуря фотоприемника в режиме ограничения чувствительности флуктуациями фонового излучения (ОФ г ограничения фоном). Рассматриваются основные механизмы возникновения темнового тока в структуре с КЯ.'На основе полученных ранее данных о квантовой эффективности и времени жизни электронов в структуре с КЯ определяется температура, при которой тепловая генерация становится сравнимой с фоновой, приводятся результаты , численных расчетов. Рассматривается вопрос о зависимости характеристик пороговых ФП от отклонений параметров приборов от оптимальных и Проводится сравнение ФП на GaAs/AlxCal_xAs и Si/SiА_хСех»

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Коэффициент поглощения ИК излучения при фотоионизации КЯ может быть порядка коэффициента поглощения при прямых межзонных переходах при достаточно большой концентрации легирующей примеси.

2. Наиболее оптимальной с точки зрения максимума в поглощении является "резонансная" структура с квантовыми ямами, содержащими наряду с основной вторую виртуальную подзону размерного квантования.

3. Эффекты деполяризации существенны в процессе поглощения излучения. Деполяризационный сдвиг и уширение спектра определяют величину коэффициента поглощения и ширину полосы принимаемого излучения.

4. Время жизни электронов в состояниях непрерывного спектра структуры с КЯ определяется процессами захвата в ямы. Для

1П

СаАэ-ЛЮаАз время жизни определяется испусканием полярных оптических фононов при переходе в основное состояние КЯ и составляет т = 2 10"псек. Время жизни электронов- в структуре с КЯ п-Б1-Б11_хСех определяется процессами захвата в ямы при испускании оптических внутри- и междолинных фононов и составляет т = 4.3 10"12 сек.

5. Токовая чувствительность и коэффициент фотоэлектрического усиления максимальны для структуры с одной КЯ. В области слабых полей (Е < 104 В/см) токовая чувствительность линейно зависит от скорости пролета широкозонной части структуры.

6. Эффекты деполяризационного сдвига и уширения спектра фотопоглощения определяют нетривиальную зависимость удельной обнаружительной способности ФЛ на КЯ Бд в режиме ОФ от концентрации легирующей примеси. При этом в области малых концентраций Од увеличивается за счет увеличения максимума квантовой эффективности т)тах, а в области больших концентраций убывает за счет уширения спектра т)(у).

7. Оптимальная концентрация легирующей примеси для структуры, состоящей из 50 КЯ СаАэ-А^Са^Аз для Лг = 10 мкм составляет ^ = 6.4 1017см~3, при этом

°А шах = 2'25 1о10 см Бт"1с"1/2 (фоторезистор в режиме ОФ).

Оптимальная концентрация легирующей примеси для структуры, состоящей из 50 КЯ а С&х для = 10 мкм ,

1Я —1

составляет ^ = 3.2 10 см , при этом Б? = 1.77 Ю10 см Вт-1с"1/2.

А, шах

3. Оптимальная для Бд степень заполнения электронами КЯ соответствует близким к максимально возможным температурам перехода в режим ОФ. Для ФП на длину волны Лг = 10 мкм (падающий поток квантов Ф = 5 1017см"2с~г) температура

перехода в режим ОФ составляет Т 84 К (GaAs-AlGaAs). Температура перехода в режим ОФ (для n-Si-Si^Ge^) В области оптимальных концентраций для At s 10 мкм равна Т 2 80 К.

9. ФП на основе структур с КЯ GaAs-Al^a^As имеет лучшие по сравнению с ФП на Si-Si 1.3CGex характеристики. Кроме того, ФП на основе КЯ GaAs-AlxGat_xAs менее чувствителен к отклонениям параметров прибора бт оптимальных.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Осипов.В.В., Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // ФТП, "К теории оптического поглощения в гетероструктурах с квантовыми , ямами", 1989, т.23, в.5, с.809-812.

2. Осипов.В.В., Серженко Ф.Л.» Шадрин В.Д. // Тезисы -, докладов I Всесоюзной конференции го физическим основам твердотельной электроники (Ленинград 1989), "Порогошэ. характеристики фотоприемников на квантовых ямах " том А,

с.216-217.

3. Осипов.В.В., Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. '// Тезисы докладов I Всесоюзной ' конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград 1989), "Эффективность оптического поглощения и вероятность захвата ' электронов в гетероструктурах на квантовых ямах " том А, с.218-219.

4. Серженко Ф.Л., Шадрин В..Д. // Письма в ЖТФ, "Время жизни электронов в структуре с квантовыми ямами и фотоэлектрические характеристики фотоприемников на квантовых ямах", 1990, т.16, в.5, с.18-21. '

5. Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // Тезисы докладов семинара по МЛЭ, (Новосибирск-90), "Фотоэлектрические характеристики фоторезистора на многослойной структуре с квантовыми ямами".

6. Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // Письма в КТФ, "Эффекты деполяризации в спектрах фотоионизации квантовых ям", 1990, т. 16, в.10, с.34-38.

7. Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга 1990), "Влияние деполяризации на спектры фотоионизации квантовах ям", том Л, с. 94-95.

3. Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // Тезисы докладов XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев 1990), "Эффекты деполяризации в спектрах фотоионизации двумерных электронов в квантовых ямах", Киев, "Наукова думка", 1990 . часть.I, с.185.

9. Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // Письма в ЖТФ, "Влияние эффектов деполяризации на фотоэлектрические и пороговые характеристики фотоприемников на квантовых ямах структур GaAs-AlGaAs", 1991, т.17, В.З., с.77-80. . •

10. Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // ФТП, "Теория фотоэлектрических и пороговых характеристик фотоприемников на основе многослойных структур GaAs-AlGaAs с квантовыми ямами", 1991, т.25, в.9, с. 1579-1538.

11. Serzhenko F.L., Shadrin V.D. / TEE Proceedings J/ "Optimization- threshold parameters of a multiple quantua-uel] infrared photodetector" 1991, v.38, N. 5, p. 299-300.12. Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // Тезисы докладов II научной конференции по фотоэлектрическим явлениям в

полупроводниках (Ашхабад 1991), "Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами Si-Si1_)Gej, на область длин волн 8-12 мкм." с.348.

13. Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. // ФТП, "Теория инфракрасных фотоприемников на основе структур n-Si-Si1_j.Ger с квантовыми ямами", 1392, г.26, в.З., с. 491-499.

14. Serziienko F.L., Shadrin V.D. / Infrared Physics/ "The theory of multiple quantum-well GaAs-AlGaAs infrared detectors" 1992, v.33, N. 5, p. 283-295.

Отпечатано предприятием "Шнс". I274I2 Москва, Иаорская ул., 13/19. Заказ 245. Тираж 100 экз. ' '