Исследование перестройки электрического поля в высокоомных полупроводниковых структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Г |

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК РР 5 ФИЭ^-ТЕХНИЧЕСЮШ ИНСТИТУТ ИМЕНИ А.Ф.ИОФФЕ

- ^ Ьк/,1 1995

На правах рукописи УДК 535.311.33; 535.215

КИЧАЕВ АНДРЕИ ВЕНИАМИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕСТРОЙКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ШСОКООМНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ

(01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фпзико-ыатеыатических наук

Санкт-Петербург 1995 г.

Работа выполнена в лаборатории фотоэлектрических к нелинейно-оптических явлений в полупроводчиках Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе-

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор

И.Д.ЯРОШЕЩШИ

кандидат физико-математических наук П.Г.КАШЕРИНИНОВ.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор А.Н.1ШХТИН, доктор физико-математических наук, профессор А.А.РОГАЧЕВ -

Ведущая организация:

Санкт-Петероургский государственный университет телекоммуникаций.

Защита состоится ■ "е1(> " 1995 г. е часов

на заседании специализированного совета К-003.23.01 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе по адресу: 194021, Политехническая ул., 26.

О диссертацией можно ознакомиться з библиотеке Физико-технического института.

.Vчений секретарь специализированного совета К

кадоплг.т Фигшко•м.тгвмзтпческих наук

г.ОАН/ЛЖОВ

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Фотоиндуцированная пространственная перестройка электрического поля за счет зарядов свободных фотоносителей - фундаментальный эффект, универсальный для различного типа полупроводниковых кристаллов. Он достаточно хорошо теоретически и экспериментально изучен в структурах типа МПМ и МВД, однако в структурах, содержащих слои, туннельно-тонкого диэлектрика (ТД), он практически не исследован, несмотря на то, что к этому классу относятся почти все полуизолирующие широкозонные кристаллы (Сй'Ге, СсВ, Нё12, 2пБе и т.д.) с напыленными или нанесенными химическим путем контактами. К М(ТД)ЩТД)М структурам относятся полупроводниковые детекторы ядерных излучений, большинство фотосопротивлений и др. В настоящее время отсутствует теория, описывающая пространственное распределение напряженности электрического поля в таких структурах и его динамику при воздействии освещения, их зависимость от величины протекающего тока и толщины диэлектрического слоя. Экспериментальное изучение фотоиндуцированяой перестройки поля, обусловленной свободными носителями, долгое время сдерживалось отсутствием чистых, высокоомных кристаллов, т.к. проявления этого эффекта обычно маскируются перезарядкой глубоких примесных уровней}

Помимо большого научного интереса, который, представляет данный эффект сам по себе, его изучение должно внести вклад в теорию фотоэлектрических явлений в высокоомных полупроводниках, которая сформировалась па основании экспериментальных результатов, полученных, как правило, на высокоомных структурах типа М(ТД)П(ТД)М, однако интерпретация результатов проводилась в предположении неизменного распределен:« поля в кристалле.

В ¿ысокоомных полупроводниковых кристаллах экспериментально наблюдается широкое многообразие необычных фотоэлектрических яв лений: суб- и супер-линейный характер люкс-амперных зависимостей, необычный вид релаксации фототока при включении (выключении) освещения, влияние дополнительных подсветок на люкс-амперные зависимости (ИК гашение фотопроводимости), оспиллишт фототонов и др. Для объяснения этих эффектов до настоящего времени привлекаются исключительно представления о процессах, припоиячт к урмни.'тт

времени жизни носителей, обусловленных наличием в кристалле разнообразных. гипотетических центров рекомбинации со специфическими параметрами. Такой подход приводит к ряду трудностей, связанных с необходимостью привлечения противоречивых представлений о природе и параметрах этих центров для объяснения различных явлений, экспериментально наблюдаемых в одном и том же образце. Он не объясняет невоспроизводимость эффектов при переделке электродов и т.д. Таким образом, существующие модели описания фотоэлектрических явлений в высокоомных полупроводниках нуждаются в коррекции, учитывающей влияние перестройки электрического поля; причем для некоторых типов структур этот механизм может оказаться определяющим, Ваашо отметить, что изучение стационарного распределения поля в высокоомных полупроводниковых структурах и его эволюции при воздействии света представляется актуальным и с точки зрения оптимизации- параметров существующих полупроводниковых приборов, а также, для разработки принципиально новых светоуправляемых опто-электронных приборов', предназначенных для модуляции, коммутации и регистрации оптических сигналов.

Цели работа заключались в следующем:

- Исследование эффекта фотоиндуцированной пространственной перестройки электрического поля в высокоомных полупроводниковых стру^

турах, содержащих границу раздела полупроводник-туннельно-тонкий диэлектрик, включающее экспериментальное определение пространст*-венного распределения поля и его динамики после включения (выключения) освещения в объеме структур различных типов:

а) с варьируемой толщиной '1'Д слоя;

б) на ,:чистых" и компенсированных кристаллах СйТе;

в) на однородных кристаллах и на кристаллах, содержащих р-п-переход.

- Изучение воздействия перестройки поля на фотоэлектрические характеристики структур путем численного расчета фотоэлектрических зависимостей по измеренным профилям электрического поля и сравнения расчетных данных с экспериментально измеренными. Оценка вклада глкекционных процессов в токовые характеристики структур.

Анализ возможностей использования эффекта фотоиндуцированной перестройки поля для создания новпх оптоэлектронных приборов. Оп-

ределение оптимальных параметров структур и разработка на их основе оптически управляемых оптоэлектронных приборов.

Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов заключается в том, что в ней впервые: •-- Проведено всестороннее экспериментальное исследование воздействия освещения на распределение электрического поля в различных типах высокоомных структур,.содержащих границу раздела полупроводник - туннельнс-тонкий диэлектрик, включающее определение динамики и степени локализации деформации распределения поля. - На основании полученных результатов и сопоставления расчетных к Экспериментальных фотоэлектрических зависимостей сформулирована концепция, которая непротиворечиво объясняет ряд особенностей фотоэлектрических явлений в высокоомных полупроводниках с единых Яозиций воздействия перестройки поля на токовые характеристики структур.

, - Практическая значение исследований состоит в том, что,на основании результатов изучения фотошдуцированной перестройки электрического поля в различных типах ' туннельных ЩЦ1 структур, были реализованы структуры с резко изменяющимся при освещении, обратимым распределением поля. На их основе были разработаны новые оп-гоэлектронные приборы, управляемые оптическим способом, предназначенные для модуляции, коммутации и регистрации светового излучения. Это светоуправляемый оптический затвор (модулятор), коммутатор оптических каналов, фотоприемник с оптически управляемой площадкой фоточувствительности. Данные приборы по ряду параметров превосходят известные аналоги и имеют более широкий спектр функциональных возможностей.

Дс. товерность и надежность результатов работы обеспечат тщательностью разработки экспериментальных методик и воспроизводимостью результатов измерений. Данные, полученные различными пе зависимыми методами, хорошо согласуются друг с другом, а г;«!:;? с результатами числогашх расчетов и теоретических оценок.

Апробация работы, основные результаты, вошедшие п дпсссргя-цию, докладывались на Kill, и XIV Международных ионф^г.отслях по когерентной и нелинейной оптико (Минск ,1У8В. Ллшиграк ,ь; >11; Ко

ординациошюм совещании соц. стран по проблемам оптоэлектроники (Баку,1989); Международной конференции по электронным материалам (Страсбург,19У2) и Всесоюзных конференциях: "Физика и применение контакта металл - полупроводник" (Киев,1987); XI конференция по физике,полупроводников (Кишинев, 1988); I и II конференция "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ташкент,1989, Ашхабад, 1991); I и II конференции по оптической обработке информации (Ленинград ,1988, Фрунзе,1990) и других. Приоритет предложенных технических решений защищен 7-ю авторскими свидетельствами на изобретение .

Публикации. Основные результаты работы содержатся в десяти научных статьях, список которых приведен в конце автореферата.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. В структурах М(ТД)П(ТД)М типа на широкозонных высокоомных кристаллах с низкими концентрациями примесных уровней воздействие освещения приводит к обратимому перераспределению электрического поля, обусловленному пространственным зарядом свободных фотоносителей. Напряженность поля возрастает у электрода, противоположного освещаемому и, в приэлектродной области структуры, описывается координатным законом Е — 1/х.

2. В туннельных МД11 структурах на кристаллах, содержащих р-п-пе-реход, фотоштдуцированная перестройка поля приводит к уменьшению напряженности поля в 0113 перехода, пропорциональному интенсивности освещения, причем диапазон изменения напряженности поля достигает 20 дБ.

3. Изменение распределения поля под действием света модифицирует фотоэлектрические характеристики М(ТД)П(ТД)М структур: обуславливает сублинейный вид пюки-амперной зависимости, спадающую форму импульса фототокз, гашение фототока при дополнительной подсветке со стороны одного электрода и возрастание при подсветке с проти-вополозшого.

4. При значительных интенсивностях освещения М(ТД)Ш'ГД)М структур на компенсированных кристаллах возрастание напряженности электри-чоог.ого поля на границе с ТД слоем приводит к изменению режима твкспротекзния - появлению шикекшга носителей с темпового электрод, что изменяет характер люкс-амперной зависимости с сублиней-

I I

кого на суперлинейный и обуславливает сложную форму релаксации фототока.

5. Предложен принцип записи оптической информации в виде профиля электрического поля в структурах со сквозным фототекой. Разработаны и реализованы новые оптоэлектронные приборы: светоуправл'-э-мый оптический затвор (модулятор), коммутатор оптических каналов, фотопрйемник с оптически-управляемой площадкой фоточувствительности.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка датируемой литературы. Общий объем составляет 14-5 страниц, включая 108 страниц машинописного текста и 45 рисунков на 37 страницах. Список литературы содержит 101 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введвшш обосновывается актуальность выбранной темы исследований, формулируются цели работы и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. Здесь рассмотрены основные подходы к изучению фотоиндуцированного изменения распределения поля в высокоомных полупроводниках и показано, что для перестройки поля, обусловленной свободными носителями, наиболее критичным оказывается тип электрического контакта между полупроводником и металлом. Приводится обзор литературных данных по исследованию распределения электрического поля в структурах типа МПМ и МДП с туннельно-непроницаемым диэлектриком.

Рассматриваются литературные данные по изучению прохождения сквозного фототока в структурах с ТД слоями, полученные на низко-омных полупроводниках, и анализируется применимость сформулированной на основе этих результатов физической модели для случая ' еысокоомных структур.

Приведены- сравнительная оценка эффективности перестройки поля в МПМ и М(ТД)П(ТД)М структурах, а также предварительные экспериментальные данные, говорящие о величине эффекта и его значимости для описания процессов токопереноса в высокоомных структурах

с ТД слоями. В заключении главы сформулированы цели работы и основные логические этапы решения поставленных задач.

Вторая глава посвящена качественному теоретическому описанию эффекта фотоквдуцирозашюй перестройки электрического поля.

Она предзэряется кратким анализом физических процессов, приводящих к деформации распределения поля Ь'(х) в исследуемых структурах, которые определяют специфику задачи и приводят к серьезным отличиям физической модели от случаев, анализировавшихся в литературе. В математическом отношении задача определения функции Е-ДЧх) имеет самосогласованный вид и описывается стандартной системой уравнений переноса и уравнения Пуассона с нелокальными граничными условиями. Дальнейший анализ сводится к ряду решешЛ, полученных для некоторых предельных случаев, которые в совокупности дают достаточно полное представление о возможных типах распределения электрического поля и диапазоне его изменения в зависимости от проницаемости диэлектрических слоев к интенсивности освещения.

Идея получения этих решений состоит в выделении области мо-нополлрного переноса, которая занимает практически весь объем, т.к. ширина квазинейтралъной области у освещаемого электрода (определяемая величиной коэффициента поглощения света) составляет -л

10 -иО ^ толщины кристалла. Приведенные решения в дрейфовом приближении дают в зависимости от величины приложенного напряжения сублинейную или линейную координатную зависимость Ь'=К(х).

Далее показано, что при учете ограниченной проницаемости потенциальных барьеров на границе полупроводника, распределение электрического псля, возникающее при освещении структуры, изменяется от сублинейной до сверхлшейной зависимости от координаты, которая вблизи тсмнового электрода должна иметь вид ¿М/х.

Третья глзва включает результаты экспериментального исследования эффекта фотсиндуцироваглой перестройки электрического "поля.

В начале главы приводится описание базовой экспериментальной методики, в основу которой положено измерение пространственного распределения величины поперечного эффекта йотзльса. Разработан-п-чя автором экспериментальная установка и оркпша чьная методика кзздрстой п^рголявг о Bt/соким прострзнствопия".» и зрсмишшм разре-г: паикивпсть г'-У':: П" динамику.

' >

при этом нэ требуется строгая ориентация кристалла и предварительное определение его электрсоптических коэффициентов. В процессе измерений размещенный между скрещенными поляризаторами образец зондировался узким световым пучком (диаметром<100 мкм, \-1.3мкм). Зондирующий свет направлялся на боковую грань кристалла и перемещался от одного электрода к другому с заданным шагом. Для каждого кз его положений измзрялись временные зависимости выходной интенсивности зондирующего света, по которым реконструировалось распределение напряженности полл между электродами структуры в произвольный момент времени. Пространственное разрешение методики лимитируется двумя факторами: диаметром -зондирующего светового пучка и величиной его отклонения от прямой при прохождении света через среду, обладающую градиентом показателя преломления. Приведенные оценки показывают, что пространственное разрешение составляет не менее 3-1ü~3cm, а временное разрешение не менее 1(Гьс.

Исследуемые образцы представляли собой кристаллы теллурида кадмия (р-СйТе) с удельным сопротивлением р-Ю^-но^См-см, имевшие форму прямоугольных параллелепипедов с размерят L»S, где L=0.1 + 0.3 - расстоя1Д1е мскду электродами; S=0.1+0.8 cm¿ - площадь элек-тоодов. По электрофизическим параметрам они условно разделялись на "чистые", имеющие налу» концентрацию (N ^ 10"-см ) достгточнс мелких примесных уровней, и компенсированные, обогащенные рякан-сиями кадмия. Эти вакансии и их комплексы образуют глубокие уровни акцепторного и донорного Tima с концентрацией N > 10 см . Золотые полупрозрачные электроды наносились на травленую поверхность кристалла, покрытую слоем естественного окисла толщиной 50-f 80 А. В ряде экспериментов толщина туннельного диэлектрического слоя увеличивалась путем дополнительного окисления. Структуры типа (п-р)(ТД)М, содержащие р-п-переход, формировались при нанесении прозрачного токопроводящего покрытия in^Og на одну из граней кристалла CdTc за счет термической диффузии индия. Полупроводниковые структуры третьего типа (п-р-р"1) с антизапорными контэкта-ми. не содержащими туннелыго тонких слоев диэлектрика, были реализованы на uaAs.

В перечисленных типах структур измерялись следующие прост рансгвенные, временные и энергетические характеристик оФФектл: 1) Гаспределоиио Е-ЕСк) между плптродпми структуры в ишр.жом пи-

с 1

эпазсне интенсивностей освещения;

2) кинетика установления стационарного распределения поля при включении и выключении освещения;

3) распределение деформации профиля поля в плоскости, параллельной плоскости электродов, в условиях локальной засветки;

4) зависимость степени деформации распределения поля от интенсивности освещения, толщины диэлектрических слоев и др.

Установлено, что при отсутствии освещения напряженность поля постоянна между электродами симметричной ЩТД)Л(ТД)М структуры со слоем естественного окисла на поверхности ОйТе. При уменьшении проницаемости одного из ТД слоев электрическое поле растет у контакта с более толстым диэлектриком; координатная зависимость Е-Е(х) стремится к характерной для обогащенного контактного слоя МДП структуры при отсутствии сквозного тока.

Воздействие освещения приводило к воспроизводимому изменению распределения поля в кристалле, которое характеризуется следугди-ми закономерностями: 1) напряженность поля уменьшается вблизи освещаемого электрода и растет у темнового электрода с увеличением интенсивности освещения; 2) распределение Е=Е(х) характеризуется положительной кривизной (й2Я/ах2>0) на всем промежутке и имеет тенденцию к насыщению при больших интенсивностях; 3) характер де-фощаит распределения поля не зависит от полярности освещаемого электрода. Сделан вывод, что перестройка поля вызвана образованием пространственного заряда неравновесных носителей, находящихся в свободном состоянии или захваченных на глубокие уровни вблизи с границей раздела полупроводник- ТД слой. Природа этого заряда определялась по динамике процесса. В исследованных структурах на "чистых" кристаллах скорость перестройки поля определяется скоростью накопления свободных носйте-пей, которая возрастает при увеличении интенсивности освещения; время релаксации поля при включении (выключении) освещения составляло (и.5*5) • В структурах на компенсированных кристаллах СйТе время установления стационарного распределения Л=£(х) оыло на 3-4 порядка больше. Сложный характер релаксации поля в таких структурах обусловлен термической ионизацией как дырочных, так и алоктротаых ловушек.

В структурах типа (п-рНТД)Ми (п-1-р) фотоиндуцированная кегйстройкя электрического поля зарядом свободных носителей про-

t 1

является в уменьшении напряженности в 003 перехода и росте у 1'Д слоя. Степень деформации исходного распределения увеличивается с ростом интенсивности освещения. При достаточно больших интенсив-ностях напряженность поля в области перехода падает почти до нуля. Время установления стационарного распределения £=Е(х) в структурах, содержащих n-р-переход, зависит от интенсивности освещения и составляет (0.5*2)-Ю~5с.

В заключительной части главы описан эксперимент по определению трехмерной деформации распределения поля в условиях локальной засветки. Измерения проводились двумя независимыми способами: по электрооптической методике при перемещении зондирующего луча параллельно плоскости электродов и с помощью измерения пространственного распределения фотоотклика при сканировании поверхности структуры сфокусированным пучком поглощаемого света малой интенсивности. Обе методики дали совпадающие результаты.

Установлено, что эффект имеет локальный характер - фотоинду-дорованпое изменение распределения Е=Е(х) экспоненциально уменьшается в неосвещаемой части кристалла. Длина полного затухания деформации поля значительно возрастает с уменьшением проницаемости ТД слоя; в исследованном диапазоне толщин диэлектрика она изменялась от 1=0.1 см до 0.35см. Определена средняя скорость распространения деформации профиля Е=Е(х) в направлении, перпендикулярном полю; она составила 1+2)-105см/с, что совпадает по порядку величины о дрейфовой скоростью носителей в направлении поля. На основании анализа результатов сделан вывод, что величина туннельного тока регулирует степень продвижения аккумулированного заряда свободных носителей в неосвещаемую область структуры.

Четвертая глава посвящена исследованию и физической интерпретации фотоэлектрических характеристик структур с фоточувствительным распределением электрического поля.

В обзорной части обсуждаются различные подходы к описанию аномальных фотоэлектрических явлений в высокоомных полупроводниках, которые традиционно объясняются зависимостью времени жизни носителей от интенсивности освещения (а-с(1)). Воздействие фото-индуцирозанного изменения поля на величину фототока может происходить по двум механизмам, действующим в противоположных направ-

лениях. Первый - это уменьшение дрейфовой составляющей тока в области фотогенерации, приводящее к уменьшению фототока по сравнению с тем значением, которое было бы при равномерном распределении поля. Второй механизм связан с возрастанием напряженности на границе полупроводник-металл, которое может вызвать появление инфекционного потока носителей с контакта.

С целью анализа степени и механизма влияния перестройки шля на фотоэлектрические характеристики структур одновременно измерялись их фотоэлектрические зависимости (люкс-амперная зависимость, форма релаксации фототока при включении и выключении освещения, изменение фототока при дополнительной подсветке) и определялось распределение Е=Е(х) как в стационарных, условиях при различной интенсивности освещения, так и в различные моменты времени после включения освещения фиксированной интенсивности. По измеренным распределениям поля рассчитывались (в предположении 1(1)=сопзг) вышеперечисленные фотоэлектрические зависимости. Сопоставление расчетных и экспериментальных кривых позволило сделать вывод о степени влияния перестройки поля на величину фототока и оценить вклад инжекционных. процессов в токовые характеристшси структур различных типов.

Расчет плотности фототока производился по методике, основанной на определении величины собранного заряда (0) от каждой электронно-дырочной пары, созданной при поглощении излучения. Так как для структур на полуизолирующем СйТе время пролета носителей значительно меньше времени максвелловской релаксации, то справедливо выражение <ю=-!-а(х)йх, где а(х)=аоехр(-1/г) - заряд индуцированных носителей в точке х; ч - заряд в точке генерации (х=0). В дрейфовом приближении йг=йх4хЕ(х), поэтому располагая численными значениями ц и т и измеренными распределениями Е=Е(х) при заданной интенсивности освещения (I), можно определить величину фототока по формуле 1-Н)Ко01/11^, где Л- коэффициент отражения, р-квантовый выход,-К - расчетный коэффициент, учитывающий диффузию носителей против направления поля и рекомбинацию на поверхности.

Для М(ТД)ЩТД)М структур на "чистых" кристаллах получено хорошее совпадете всех измеренных фотоэлектрических характеристик с расчетными. Это доказывает, что сублинейность люкс амперной зависимости и уменьшение фототока во времени после включения осве-

г

щетшя обусловлены исключительно уменьшением напряженности поля в области фотогоперации. Установлено, что подсветка изменяет фоточувствительность структуры са счет изменения распределения электрического поля в ней, при этом рост или уменьшение фоточувствительности определяется геометрией освещения.

Изучены фотоэлектрические характеристики М(ТД)ЩТД)М структур на компенсированных кристаллах и (п-р)(ТД)М структур и их связь с фотоиндупяровэнным изменением распределения поля. Установлено, что при малых приложенных напряжениях или недостаточных интенсивностях освещения люкс-амперные зависимости сублинейны, ит~1п, где п~0.6) и форма релаксации фототока шеет спадающий вид аналогично случаю структур на "чистых" кристаллах. При' повышении интенсивности освещения наблюдалось изменение вида фотоэлектрических зависимостей - переход от сублинейной к суперлинейной и=<Н1) и появление минимума (Ы/с№=0 на зависимости с по-

следующим возрастанием фототока. О помощью измерений распределения 3=Е(х) при соответствующих интенсивностях освещения и сравнения их с распределениями, полученными в экспериментах по моделированию инжекции носителей с помощью дополнительной подсветки установлено, что характерный перелом зависимостей (I) и обусловлен началом инжекции носителей с темнового электрода при превышении- критического значения напряженности электрического поля на границе с ТД слоем.

Переход структуры в режим инжекции носителей с темнового контакта приводит из только к увеличению фототока, но и к изменениям в динамике электрического поля: распределение поля стабилизируется при дальнейшем увеличении интенсивности освещения; после Еыключгашя освещения происходит ускорение релаксации распределения поля.

Пятая^глава посвящена использованию эффекта фотоиндуцирован-пой обратимой перестройки поля для создания новых оптоэлектрошшх приборов, управляемых с помощью света.

Очевидно, что перестройка поля вызывает изменение как электрооптических, так и Фотоэлектрических характеристик структуры. Ута идея била положена в основу приборов нового типа, которые были оазработзиы и реализованы на уровне действующи макетов, лктиг,-

1шм элементом всех предложенных приборов является високоомная структура на кристалле с низкой концентрацией примесных уровней, имеющем мелкий р-п-перзход на одной поверхности и ТД-слой между электродом и другой поверхностью. Именно в такой структуре воздействие освешепия вызывает эффект, который может быть условно назван "переключением" поля: в темноте напряженность максимальна в 003 перехода и Слизка к нулю в базовой области, а при освещении электрическое поле в области р-п-перехода уменьшается на порядок; причем время перестройки достигает 1 мкс.

В оптических коммутационных приборах (светоуправляемый затвор и коммутатор оптических каналов 1-2) структура выполняет функции поляризационного переключателя. Модулируемый световой поток (\=1.3, 1.55 мкм) пропускается через 003 р-п-перехода в виде узкого пучка линейно-поляризованного света. Воздействие управляющего света со стороны п-слоя вызывает перестройку поля и изменение поляризации проходящего света за счет поперечного электрооптического эффекта, которое преобразуется на выходе в модуляцию интенсивности или пространственное отклонение луча с помощью поляриза-ционно-чувствительной призмы. В светоуправляемом оптическом затворе достигнута глубина модуляции 9Ъ% при интенсивности управляющего света 10 мВт/см3 и быстродействии 10Бцыкл/с.

Предложен новый тип фотоприемника с управляемой светом площадкой фоточувствительности, который позволяет регистрировать информацию от одного из .нескольких пространственно разделенных световых потоков, одновременно падающих на его поверхность; находить положение центров световых пятен (маяков); формировать сигналы .двумерного изображения. Принцип действия фотоприемника сводится к следующему: при отсутствии управляющего света воздействие регистрируемого сигнала со стороны базовой области не приводит к появлению фотоотклика во внешней цепи, т.к. созданные этим светом носители не разделяются цолем и рекомоинируют у освещаемого электрода. Перераспределение поля при воздействии управляющего света создает условия для разделения и переноса носителей, что приводит к появлению фотоотклика от регистрируемого сигнала. Определены параметры макетных образцов прибора: оонаружительная способность составила и>1и7см-Г'ц1/а/Вт; пространственное разрешение 5 лин/мм.

» >

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. С помощью оригинальных экспериментальных методов проведено всестороннее исследование фотсиндуцированной перестройки электрического поля в высокоомных полупроводниковых структурах, содержащих границу раздела полупроводник- туннельно-тонкий диэлектрик. Количественно определены координатные зависимости напряженности поля как в стационарных условиях при различных интенсивностях освещения, так и в различные моментн времени после включения освещения. Установлено, что воздействие "соб-. ственного" света со стороны одного из электродов вызывает значительный рост напряженности поля у темнового электрода, при этом профиль поля характеризуется положительной кривизной

йха >0) во всем объеме кристалла и практически не зависит от полярности освещаемого электрода.

2. На основании экспериментальных данных проведено сравнение перестройки поля в различных типах структур:

а) в М(ТД)ЩТД)М структурах на "чистых" и компенсированных кристаллах;

б) в (п-р)(ТД)М и п-1-р структурах;

в) в структурах с варьируемой толщиной ТД-слоя. Разработана физическая модель эффекта и определена роль параметров кристалла (концентрация и расположение примесных уровне:'; в запрещенной зоне) и параметров структуры (туннельная проницаемость диэлектрика) в характере распределения электрического ноля и его изменении под действием освещения.

3. Экспериментально изучено трехмерное распределение поля между электродами структуры в условиях локальной засветки. Определена степень локализации эффекта фотошшуцированной перестройки поля за счет зарядов свободных носителей, установлена зависимость локальности эффекта от тслщгаш ТД-слоя и дана физическая интерпретация полученных результатов.

<1. Проведен кэчествепвдИ теоретический мгзлпз пространственного распределения элоктричоопого поля г; ипсл';д\гскых структурах им претег-гииш токов мггл'чюдарноа «даючтата. Проворена и колтвирк •

дена данными измерений гипотеза, вытекающая из этого анализа и состоящая в том, что координатная зависимость напряженности поля в ооласти пространственного заряда аккумулированных носителей описывается законом Е ~ 1/х.

5. Установлено, что особенности фотоэлектрических зависимостей исследованных структур (cyö- и суперлинейность жкс-аюервш. зависимостей, форма импульса фототока, влияние подсветки на величину фотоотклика от пробного сигнала) полностью определяются изменением распределения поля в полупроводнике при освещении.

6. Доказано, что изменение вида фотоэлектрических зависимостей при увеличении интенсивности освещения и величины приложенного напряжения, а именно - переход от сублинейной к суперлинейной зависимости фототока от интенсивности и изменение Форш релаксации фототока со спадающей на возрастающую - вызваны появлением инжекционного потока носителей с неосвещаемого контакта вследствие возрастания напряженности поля у этого контакта.

Т. Предложен новый принцип действия оптических коммутационных и регистрирующих приборов, состоящий в записи оптической информации в виде профиля электрического поля в структурах со• сквозным фототоком. На основе изучения фотоиндуцированной пере-" ■ стройки поля в различных видах структур определены оптимальные для приборного применения тип и характеристики структуры. Разработаны и реализованы новые светоуправляемые оптоэлектронные приборы: оптический модулятор (затвор), Коммутатор оптических каналов, фотоприемник с управляемой светом плошадкой фоточув- • ствительности.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ

1. Кашерипинов II.Г., Кичаев A.B., Перепелицын Ю.Н., Харциев В.В. Ярошецкий И.Д. Фотоэлектрические явления в полупроводниковых структурах с фоточувствительнш распределением электрического поля и оптоэлектронные приборы на их основе. Часть 1. С. 116,: Препринт М'М-1569. ~ 1991.- 59 С. Час^ь C.-lIö.: Препринт ФТ1М57Х).-- 1991.- бг С. . кморпшшоп ¡1.1'., Глчас-р A.B., Нрошоцкий И.Д. Гасигедоление

напряженности электрического поля в высокоомных М('ГД)ШТД)М структурах при освещении// Письма в ЖТФ.- 1993.- Т. 19.- N.17.

' С.48-53.

3. Кашеринкнов П.Г., Кичаев A.B., Ярошецкий И.Д. Фотоэлектрические явления в структурах с границей раздела полупроводник -тонкий слой диэлектрика на высокоомных компенсированных кристаллах// 'ЖТФ.- 1995.- Т.65.- N.8.

4. Кашерининов П.Г., Кичаев A.B., Томасов A.A., Ярошецкий И.Д. Фотоэлектрические явления в структурах с границей раздела полупроводник -тонкий слой диэлектрика на высокоомных "чистых" кристаллах./Л1исьма в ЖТФ.- 1994.- Т.20.- N. 18.-С.16-21.

5. Photon Switchers Based on Nonlinear Electric yield-Redlstri-butlon./Kasherlninov P.C., Klchaev A.V. and other// SPIE Proceedings, Nonlinear Optics II.- 1992.- V.1626.- P.66-72.

6. Кашерининов П.Г., Кичаев A.B., Кузьмин С.Л., Мездрогина М.М., Ярошецкий И. Д. Быстрые нелинейные оптические среды на гетеро-структурах электрооптический - неэлектрооптический кристалл (CüTe - а:31).// Письма в ЖТФ.- 1993.- Т.19.- N.9.- С.47-50.

7. Кашеринкнов П.Г., Кичаев A.B., Харциев В.Е., Кузьмин С.Л., Ярошецкий И.Д. Светоуправляемые оптические коммутационные приборы на высокоомных полупроводниковых структурах.// Письма в ЖТФ.- 1993.- Т.19.- N.9.- С.55-58.

8. Кашерининов П.Г., Кичаев A.B., Перепелицын Ю.Н..Семенов Ю.О. Ярошецкий И.Д. Светоуправляемые оптические элементы для оптической обработки информации и ВОЛС.//Электросвязь.- 1990.-N.10.- С.37-39.

9. Кагаерининов П.Г., Кичаев A.B., Томасов A.A. Фотоэлектрические явления в высокоомных структурах с границей раздела полупроводник-тонкий слой диэлектрика.// Ф'ГП.- 1995.-Т.29.

10. Кашерининов П.Г., Кичаев A.B., Харциев В.Е., Ярошецкий И.Д. Полупроводниковый фотоприемник со светоуправляемой фоточув-

'ствигзльной областью.// Письма в ЖТФ.- 1993.- Т. 19,- N.9.-С. 51-54.

Отпечатано на ротапринте ШШ

Зак. 258, тир.100, уч.-изд.лЛ; 20/Г/-1995г.

Бесплатно