Исследование процессов ударной ионизации и лавинного умножения в узкозонных твердых растворах А3 В5 на основе CaSb и InAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Российская Академия Наук ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.И05ФЕ

На правах рукописи АНДРЕЕВ ИГОРЬ АНАТОЛЬЕВИЧ

УДК 621.315.594 "Исследование процессов ударной ионизации и лавинного умножения в узкозошшх твердых растворах А3В^ на основе СаБЬ и 1пАз

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993 г.

Работа выполнена в Ордена Ленина

4иоико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАЯ.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

ведущей научный сотрудник М.П.Михайлова.

Официальные оппоненты: '

доктор физико-математических наук А.Ф.Кардо-Сысоев,

кандидат физико-математических наук В.Н.Равич.

Ведущей организация:

Санкт-Петербургский элекгротехЕический университет.

Защита состоится " № 1994 г. в часов

на заседании специализированного совета К 003.23.01

Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН

194 021, Санкт-Петербург-, К-21, ул.Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан * " ¿/О О С/>аЛЖ59 ^ года.

Ученый секретарь спегдадагирс-ванного совета К 003.23.01 кандидат ^иакко-мьтемагимискит. наук ..

Г.С.Куликов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ос

Актуальность темы. Твердые растворы узкозонных соединений АгВ на основе 1пАз и GaSb интересны тем, что на их основе могут бить созданы как источники, так и приемники излучения в средней ИК -области спектра (2-4 мкм). Переход к этому спектральному диапазону длин волн является одним из перспективных направлений развития волоконно-оптических систем передачи информации (В0С1Ш), что связано с ожиданием получить. чрезвычайно низкие (Ю-2- Ю-3 дБ/км) оптические потери в волоконных световодах на основе флюоридаых стекол [I]. В системах лазерной дальнометрш и локации преимущества области спектра 1,6-2,5 мкм по сравнению с длиной волны 1,06 мкм обусловлены снижением опасности поражения органов зрения человека, а также возможностью работы в "окнах." прозрачности атмосферы с существенно лучшим пропусканием [2]. Эти и целый ряд других возможных применений, среди которых важным является охрана окружявдей среда, поскольку в диапазоне 2-4 мкм лежат полосы поглощения воды и многих промышленных вредных газов С 31, остро ставят задачу создания элементной базы - источников излучения я фотоприемников для данного спектрального диапазона.

Для указанных выше задач требуются высокоэффективные фотодетекторы, которые должны удовлетворять ряду требований: -иметь высокую чувствительность в заданном спектральном дияпавонв -обладать высоким быстродействием или произведением коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, -иметь минимальные шумы в необходимой полоса частот. Этим требованиям в полной мэре могут удовлетворить фотодетекторы с внутренним усилонием- лавинные фотодиоды (ЛФД).

Известно, что в лавинных фотодиодах оптимальная величина коэффициента усиления и быстродействие будут максимальны, а избыточные шумы- минимальными, если коэффициенты яонизчции электронов а и дырок р существенно от-жчаютея, при этом идэальним является, случай почти монополярного умножения носителями одного знака С4Ь Однако, в отличие чуг кремния в большинстве полупроводниковых материалов типа А°В° и их твердое, растворов коэфХнциенты ударьой ионизации носителей заряда близки (СзАз p/ot=1 -3; InP (З/а-З; ТпОаАяР а/р=1-3; Ge р/а=2), что.затрудняет создание на их основе 'быстродействующих фотоприемников с высоким у си лешем. В последние

года появился целый ряд работ, посвященных исследованию полевых зависимостей коэффициентов ионизации в полупроводниках А^5,- механизмам протекания обратных токов в структурах, выбору оптимальных конструкций лавинных фотодиодов на основа таких материалов для спектрального диапазона 0,8-1,6 мкм, активно используемого в сущэствувщи системах волоконной связи.

При ударной ионизации носители заряда приобретают энергию порядка ширины запрещенной зоны. Это позволяет рассматривать ЛФД не только как прибор,важный для практических применений,но и как инструмент для изучения физики горячих носителей. Понимание физики горячих носителей, учет влияния реальной зонной структуры на процесс разогрева носителей заряда помогает в поиске материалов,в ко ■ торых отношение коэффициентов ионизации было бы велико. Хорошим примером является открытие важного явления,связанного с особенностями зонной структуры,-резонансного увеличения коэффициентов ионизации в ряде соединений А3!*5 на оснсвэ 1пАя, Са5Ь, СаА1БЪ [4,5].

Коэффициенты ионизации е этих материалах существенно различаются. При этом коэффициент ионизации дырок (р> намного превышает коэффициент ионизации электронов (а). Это связано непосредственно с особенностями зонной структуры, а именно,"резонансом" зон- близостью значений ширины запрещенной зона Е^ и величины спин-орбитального расщепления валентной зоны А0. В таких условиях основной вклад б ударную ионизацию вносят дырки из спин-орбитальной .отщепленной зоны, для которых порог ионизации минимален (с1д_0=Е^).

Узкозонние твердые растворы А^ЧЗэХпАзйЬ, СаА1АзЗЬ, 1пАвЗЬ, ХпАаВЬР' являются весьма перспективными для создания малошумящих лявиныых фотодиодов для спектрального диапазона 2-4 мкм из-за ехокэ'.ли особенностей их зонной структуры с ваБЬ и 1пА8 и возможности получения в них высокого отношения коэффициентов ионизащш. Публикации по исследованию процессов ударной ионизации и лавинного умножения фототока в таких узкозснных твердых растворах к моменту начала донной работы практически отсутствовали. Уникальность физических свойств и наличие интересных практических задач и привлекли наше внимание к этим материалам.

Цель и задачи работы. Целью данной работы являлось исследова-. ние щ\-л^оЁ"ударной'шш!зэции и лавинного. умножения носителей заряде в узкозонных твердых растворах иа1пАзЗЪ, СаА1А53Ъ, 1пАз5Ь,

ЛпАвБЬР и создание л-эбораторных образцов лавинных фотодиодов на спектральный диапазон 2-4 мкм, а также оценка перспектив их практического использования. В связи с эти., основные задачи, постев-денные в работе, состояли в следующем.

1. Провести экспериментальное исследование полевых зависимостей коэффициентов ударной ионизации, носителей заряда в твердых растворах на основе вабь и 1пАй.

2. Определить параметры ударной ионизации в зависимости от изменения состава тзердого раствора и температуры (следовательно, и от особенностей зонной структуры полупроводниковых метеризлов).

3. Создать лабораторные образцы лавинных фотодиодов на основе узкозонных твердых растворов для спектрального диапазона 2-4 мкм и провести исследований параметров лавинного умножения, фотоэлектрических,электрических,шумовых характеристик,быстродействия ЛФД.

4.Провести исследование природа темновых токов ь иредпробойноЗ области в ЛФД на основе узкозонных твердых растворов.

5. Оценить перспективность использования разработанк'х лавшнт фотодиодог. в волоконно-оптических системах передачи информации Ш-го поколения, а также в системах лазерной дальномотрии и локации на диапазон длин волн свыше 2,0 мкм.

Научная новизна.полученных результатов состоит в следующем:

1. В работе гтроЕедёны исследования полевых зависимостей коъффици-ентов ионизации дырок и электронов и параметров ударной ионизации в структурах на основе твердых растворов ТпАяЭЬ,ТпАяЗЬР, иаТпАзЗЬ в интервале температур 77-300 К и установлена их связь с зонной структурой этих материалов. ?ти данные позволили рассчитать непря-кения лавинного пробоя в структурах на основе твердых растворов Са1пАвБь и СаА1А«ЗЬ.

2. Экспериментально обнаружено сниконие (на порядок) компоненты темнового тока, обусловленной тудавлипованшм носителей заряда на гетерогранице между широкозонным и узкозошшм полупроводниками, когда в области умножения ЛФД (с разделенными областями поглощения и умножения) используется широкозонный непрянозошшй материал.

3. Показано, что путем изменения состава твердого рчстворг» можно управлять отношением ко&№пхиентов ионизяции дырок ** эл^ктр^нов v, подбирать оптимальные условия длл создания лавинных фотодиодов с низким уровнем избнточнчх шумов. Определены Составы тн'-рдкх растворов, в которых нлблвдаются высокие значения «•гнчепимя

- 6 -

коэффициентов ионизации дырок и электронов.

Практическая ценность результатов заключается в следующем:

1. Созданы- впервые лабораторные образцы лавинных фотодиодов с разделенными областями поглощения (GalnAsSb) и умножения (GaAlSb "резованыюго" состава), обладающих максимальшм отношением коэффициентов ионизации р/а =60 и минимальным шум-фактором Р~2 (М=10)

2. С использованием экспериментальных данных по шумам лавинного умножения проведены расчеты пороговых характеристик оптического модуля с ЛФД на основе GalnAsSb/GaAiAsSb на длину волны 1.-2,1 мкм при скорости передачи 500 Мбит/с, и показана перспективность его применения в БОЛС Ш-го поколения на основе флшридных стекол.

3. Проведен расчет минимальней принимаемой энергии для фотоприемного уст^юйства с ЛСД на основе G&IriAsSb/GaAlAsSb в диапазоне Х=2 --2.I мкм при детальности импульса лазерного излучения 10 не и показана возможность использования разработанных ЛФД в системах лазерной дельиометрии и локации в безопасном для глаз диапазоне.

Основные поштнт, ътостш на защиту:

1. Е~ твердая растБорэх соединений GaSb и InAa (GalnAsSb, G&AlAsSb, InAsSb, InAsSbP и др.) можно управлять отношением коэффициентов ионизации дырок и электронов путем изменения состава твердого раствора и подбирать оптимальные условия для создания лашшшх фотодиодов с низкими избыточными шумами.

2. Пслевья зависимость коаффициетов ионизации электронов и дырок в твердах растворах Ga^.^Tn.^Ae^Sb^y (х= 0.18-0.20) в области электрических полой Е=(Г.5-2.5)10° В/см определяется соотношением втда а,р - ехр С - (Ед/'Е )2], что соответствует диффузионному механизму набора энергии разогретыми носителями заряда. При этом ооо'шоа!вние коэффициентов ионизации составляет величину (3/а= 4-7. С-. Темнозой ток е предпробойной области лэеиншх фотодиодов с разделенными областями умножения к поглощения, обусловленный туннели-ромкием носителей заряда на гетерогранице между шкрокозонннм и узко-зонные полупроводниками,снижается на порядок при использовании s области учаокекия шфокозонкого непрямозонного материала.

4. Меклэдадьное. етноивкяе . коэффициентов ионизации дарок.и электронов р/а>30 и минимальный уровень избыточного шума : F=2 ('«utc.t д^сткг^югсч в лавинных фотодиодах с областью поглощения в тзордом растюре но орнове Ga-j ''ciqIRq !7^Ч).ВЗ и областью умножения на основе твердого раствора Ga^ qjAIq Q4Sb "резонансно-

- 7 -

го" состава =tsc= 0,76 оВ, Т-300 К).

Апробация работы. Основные результата диссертационной работы докладавались паТ-Ш Всесоюзной конференции "Тройные полупроьод-ники и их применение" (Кишинев, 1983 г.); 4-ой Всесоюзной конференции "Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах" (Mimck, I9S6 i1.); 5-ой Всесоюзной конференции "Тройные полупроводники и их применение (Кгазинев.1987 г.); 1-ом Всесоюзном совещании по физ-ким основам твердотельной электроники (Ленинград,I9B9 г.); 1-ой Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим ¡шдеяиям в полупроводниках (Ташкент, 1989 г.); V-ой Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990 r):2 Confererice on Physics and Technology of GaAs and other III-V Semiconductors (Budapest, Hungary,8-11 Sept 19S6),SPIE*s International Symposium OE/PIBERS'91 (3-6 Sept 1991,Boston,ÜSA).

Публикации. IIo материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатнызГработ,список которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения й~приложения, огшоко цитируемой .иттесотурн £10 .наименований. Общий объем работа составляет 1^2 страниц,в том числе рисунков, ¿таблиц и 1о5"страниц текста, . СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы как с научной, так и практической~точек зрения. Изложены основные результаты работы и представляемые к защите научные положений.

Первая глава носит обзорный характер и поов.щеня литературным данным, которые касаются лавинного умножения фототока и ударной ионизации в полупроводниковых материалах А°Б1>. Рассматривает; ся кратко феноменологическая теория процессов ударной ионизации. Приводятся соотношения, связыващиз коэффициенты умножения носителей заряда с коэффициентами ионизации и обсуждается критерий локального приближения, вакнкй для правильного определения kos$£u циентов ионизации в р-п-лереходах. Анализируется один из основных параметров ударной ионизации- пороговая энергия ионизации в зависимости от особенностей зонной структуры. Рассматривается. обнаруженное, в Î976 г. явление "резонансной" ударной ионизации, которое позволяет получить высокое отношение коэффициентов ионизаиям до-рок и электронов. Показано, что шумовые характеристики ЛШ существенным образом определяется отношением корффициентоа ж-низгицш

носителей заряда, поэтому для создания малошумящих ЛФД необходим поиск материалов с большой асимметрией коэффициентов ионизащш.

До настоящей работы основное внимание в литературе уделялось исследованию и разработке ЛФД на основе таких материалов как ¿ийнАв, 1пСа^аР, СаА13Ь, актуальных д.;я ВОЛС на основе кварцевых волоконных световодов на спектральный диапазон 1,3-1,6 мкм. В таких материалах коэффициенты ионизации близки, что создает проблемы при создании т их основе малошумящих ЛФД.

Отмечено, что к началу настоящей работы отсутствовали исследования лавинного умножения и ударной ионизации в узкозонных твердых растгорах Са1_х1пхА^,/5Ь1_„, 1пАв1_хЗЬх, 1пАэ1_х_уЗЬхРу и имелась лишь незначительная информация по исследованию этих материалов. Делается вывод о перспективности твердых растворов на основе 1пАэ и ИаБЬ для создания ЛФД, работающих в спектральных диапазонах 1,8-2,4 мкм и 2,0-4,0 мкм. Отмечено, что данный диапазон перспективен как для ВОЛС III-го поколения (2-4 мкм) на основе флюоридных стекол, так и для лазерной дальнометрии и локации в безопасном для глаз спектральном диапазоне.

В конце главы приводятся выводы и формулируются задачи ор гинальных исследований автора.

Вторая гл&ва является методической и содержит обоснование выбора материалов для исследований, описание исследовавшихся структур, технологии создания фоточувствительных структур. Показано, что в качестве активных областей фотодиодных структур для спектрального диапазона 1,6-2,5 мюн наиболее целесообразно использовать твердые растворы Са1_х1пхАзуБЬ1_у(0<х'0,24)в качестве ш^рокозонных "окон" и областей умножения ЛФД-твердые растворы г',а,_);А1 хА£уБЬ 1 _у(0< <0,5), изопериодные с подложкой (ЗаБЬ.

Для диапазона длин волн свате 2-х мкм перспективными представляются узкооонные твердые растворы .изопериодные с 1пАз-1г1Аз5Ь и ТаАв.?ЬР. В этой главе рассмотрены экспериментальные установки, специально созданные для изучения фотодиодах. структур ■ с внутпечаи усилением: установка для исследования коэффициентов уложения носителей за^лда: установка для . измерений шумовых характеристик процессов лавинного умножения в ЛФД; установка для исследования кинетики фотоответа; . описано устройство для поддержания стабильных тэтератур ь диапазоне 77-300 К.

В третьей главе содержатся результаты оригинальных исследова-

ний. Эта глава состоит из двух частей.Первая часть посвящена экспериментальному исследованию полевых "з>Гвксймостей коэффициентов ударной ионизации и параметров ударной ионизации в твердых раст ворах GaInAs3b,TaA¿Sb,InAsSbP. Вторая часть главы посвящена создании и исследовании лабораторных образцов ЛЩ1Гна~спектрздъный диапазон 1,6-2,4 мкм на основе твердых растворов GaJnAoSb/GaAlAoSb.

Для исследования коэффициентов ударной ионизации в ПаШАзЗЬ использовались структуры, создаваемые методом жидкоогной

эпитаксш на подложках n-GaSb (III), легированных Те до

Í7 -Ч

концентрации носителей заряда (5-7)10* см , и состоящие из узкозонного активного слоя n-Ga^ 501п0 ^Sb^ толщиной

2,3 мкм (Eg=0,53 эВ при Т=300 К) и широкозонного "окна"

P+-Ga0,66A10.34As0.025Sl)0,975 <V1,2 9В СрИ Т=30° К)

2,0 мкм, легированного Со до концентрации дырок (Í-?.)Ш см .

Концентрация носителей заряда в узкозонном слое составила 2 Ю^см-'". Величина максимального электрического поля при нулевом смещении равнялась ЕПЮ=4,Э Ю'Ьз/см, а ширина области объемного раряда, лежащей в узкозошюм активном слое, W0=2,Q 10~°см. Из полученных структур методом фотолитографии были изготовлены мезафотодиода с рабочей площадкой диаметром 300 мкм.

Структуры на основе узкозонккх твердых растворов ТпАзЗЬР и InAaSb выращивались методом ющкофазной эпитаксии на подложках InAs п-типа проводимости с концентрацией 2 см*"3. Как б

тройных, так и в четверных твердых растворах активные области специально не легировались и были n-типа. Концентрация носителей заряда составляла (З-б) Ш*® ем"°. Р-области р-п- структур формировались в процессе эпитаксиального выращивания легированием Zn или Мл. Толщины р-облястей составляли 3-5 мкм.

Коэффициенты ударной ионизация электронов а и дырок ¡3 рассчитывались из экспериментально полученных коэффициентов лавинного умножения фототека по формулам для резких р -п - переходов. Коэффициенты умножения дырок М и электронов Ма в GaTnAsS'o измерялись при освещении структур через р- GaAlAsSn слабо или сильно поглощаемым монохроматическим модулированным излучением с длинами волн Л-2.1 и I.I мкм, соответственно.

Б случае узкозонных гатероструктур на основе IiiAsSb и IuA::SbP К09ф15щиентн умноадния фот-отока измерялись как при освоении лх сильнопоглощьемчм светом со сторона точкой р-обляо-ги, так и через

- го -

более широкую подложку, предварительно утоньшенную. В ряде случаев для измерения умножения дырками проводилось освещение структур через п-область слабо поглощаемым светом. Сопоставление результатов по коэффициентам ионизации носителей заряда в таких материалах, полученных при экспериментах обоих типов, показало их удовлетворительном согласие друг с другом. Исследования проводились в интервале температур 77-300 К.

Показано, что для твердых растворов СаТпАаЗЬ экспериментальная зависимость коэффициентов ионизации от электрического поля имела экспоненциальный характер и могла быть записана эмпирическим соот ношением: а^0аиехрС-(Ео/Е)тЗ, где т~2. («^-коэффициент ионизации в бесконечно большом электрическом поле, Е0-характеристическое по ле). Во всем интервале электрических полей (1,5-2,5) 10^ В/см коэффициент ионизации дырок превышает коэффициент ионизации электронов и их отношение составляло р/о~ 4-7. Такой характер полевой зависимости обусловлен тем обстоятельством, что как для электронов, так и для дырок критерий сильного поля еЕ\ >3£ф выполняется, где бф-энергия оптического фонона (для исследуемого твердого раствора £ф-0,02Э эВ). По этим зависимостям были определены параметры ударной ионизации (см. таблицу I)- величины характеристических полей Е0, а также <х,м ,¡3^ -коэффициенты ионизации в бесконечно больших электрических полях. В.таблицу внесены рассчитанные пороги ударной ионизации для электронов и дырок (как для тяжелых дырок e-.jp,так и дырок из спин-орбитально отщепленной зоны

Показано,что уменьшение отношения коэффициентов ионизации р/а в твердых растворах Са1пАзЗЬ ф/а=4-7) обусловлено двумя обстоятельствами. Во-первых, коэффициент ионизации дырок из спин-орбяталько отщепленной валентной зоны слегка уменьшается эа счет того, что порог ударной ионизации, близкий к А0, превышает Е^Луход от "резонанса" зон). Для тяжелых дырок порог для прямой ударной ионизации намного выше ,1 эВ =2Eg и вклад их в ударную иони-зацив не столь велик. Во-вторых, возрастает роль электронов а ударной ионийдции по.сравнений с СаБЪ, Поскольку в твердых растворах СаХпАзЗЪ побочная Ь-долина лежит высоко (¿Ц >0,7 эВ) и поскольку порог ионизации для электронов 8.^=0,62 эВ -'Ар^. то-электроны в Ъ-долкну не рассеиваются. Коэффициент -ионизации эаектро-ков- у=Аличив*етсл, т.к. большее их число -принимает участие . в процессе ударной ионизации.- Действительно, если в СайЬ коэффици-

ент ионизации электронов ои ТО3 см-'-, то в исследуемом твердом растворе СаТпАзБЪ л > 'О'1 см-* в тех же электрических полях. Р результате в данном твердом растворе отношение р/а становится меньше, чем в случав, когда выполняется условие "резонанса".

Таблица I. Параметры ударной ионизации для твердого раствора

^о.во^о.го^о.п^'о.зз' т=230 к-

к.эв 0,57 й0,эВ. 0.72 е1п.эВ 0,62 | ¡1 ¡1 0.72 | |

а -о 2,47 70в [ Ем,В/см 4,45 70° 61Р'эВ

р ,см-1 0» 7,93 70° Е0р,В/см Й • 3,69 70 61в-о,эВ

о ! Г.2,3 ....... о Х1ГА - ', . <=8,0 Дгь,зВ 0,7 | 1__ ] ]|

. Полученные полевые 'зависимости коэффициентов ионизации били сопоставлены с номограммами модифицированной теории ударной ионизацию Бараффа. Экспериментальные •значения коэффициентов ионизации хорошо укладываются на соответствующие кривые Бараффа при выборе в качестве подгоночного параметра для электронов значения сродней длины пробега для рассеяния оптического фононя АП=32,Б 2 и для дырок -А. =42,5 8. Значения длин пробега, полученных по теории Бяраффа,4 согласуются с рассчитанными наш из экспериментально определенных значений характеристических нолей Е0 по формуле л. = ГЗе^ / (еЕ0)?' (см. таблицу I).

Экспериментально полученное значение коэффициента ионизации днрок позволило оценить скорость генерации пар в твердом растворе

йа0,80Тп0,20^0,1.7,С1Ъ0,»3: 'г_1=Р(Е)г»г1(Е)1где г^-дрй^вая скорость.

Коли использовать для'оценки величину гь ~ 5 70г'см/с, полученную

л 1 т

нами ранее [63 в яоле Е>2 1СГ Б/см и значение 70 ом то

_т тт -т

получим вполне разумное! значение х -И с .

Получении полевые .зависимости коэффициентов иешшпщш логли в основу расчета напряжения лавинного пробоя в фотоляодаг* структурах на основе твердых растворов 0а7пА-з5"г> и С<ШАв5!>. При гыгол-

№ >: кении соотношения г г

^<Е(х))бхрС-|{р(Б(х))- <\(В(х)))йх' З&с * 7

о о

имеет место лавинный пробой. Вычисляется ширина слоя объемного заряда Шр, соответствующая напряжению лавинного пробоя и затем определяется значение напряжения пробоя Проведено сравнение полученного расчетного Ув с напряжением пробоя,^вычисленным по эмпирической формуле Зи УВ=60СЕ5/1,1]3/2(ЫВ/Ю^в)""3/4. В исследуемой структуре значения напряжений пробоя составили величины, соответственно, 10,4 В и 12,3 В. Подобные измерения и вычисления были проведены для твердого раствора Са0 0 04ЭЬ и получены следукщиэ значения напряжений лавинного пробоя: экспериментальное 29,5 В, оцененное по формуле Зи 32,8 В, вычисленное по измеренным коэффициентам ионизации 30,9 В.

В первой части данной главы также приведены результат;ч исследований палевых зависимостей коэффициентов ионизации электронов и дырок в узкозонных твердых растворах на основе 1пАз: ХпА.зЗЪ, ГпСяАз •1пАв5ЬР. Во всем интервале исследуемых составов тройных и четверных твердых растворов 1пАз,_х5Ъх и 1пАз^/х_уЗЬ^Ру(х=0,08-0,12 и у=0,04-0,14) коэффициенты ионизации .дырок превышали коэффициенты ионизации электронов.

Полевые зависимости'коэффициентов ионизации носителей заряда в исследуемых полях для 1пАз0 рдБЬд ц, описывались соотношением : (а.рЫа.^, .р^ )ех.р(-Е0П,50Г)/Ё), при этом величины характеристических полей Е0 были близкими для электронов и дырок: Еоп= Е0р= I,§ Ю5 В/см, а предокспонецциальные множители составляли а ..=1,2 10° см"Т, ТО5 см"1, при этом р/а=3-3,5.

Для четверных твердых растворов 1пАз,_х_уЗЬхРу (Ец=0,45 эВ и Е^=0,39 эВ) шлевке зависимости коэффициентов ионизации имели вид 1п(ш,р)~-(Е0Г),Е0р/Е)'г',чт0 связано с насыщением коэффициентов.иони зацки ь сильном электрическом поле объемного заряда. Для твердых растворов ТпАгБЬР (Ер,=0,39 и Ег=0,45 эВ) определены значения характеристических полей^и предэкспонвноиахьннх.множителей,которые' яо. кали в диапазоне: Еоп».<9,3-11,0) ДО4 В/см, Бор» (8,7-10) ТО4 В/см, лаО=(1,6-5,3),105 см"1, §.,¿=(2,1-4,7) 10^3/ом, В инт&рьале электрических полей (в,5-97"~10' В/см отношение, коэффициентов ионизации составило р/а=1,Б-2,5. ' . , '

Показано, что уменьшение отношения коэффициентов ионизации ь твердых растьзрах ко сравнению с 1»Ая, где это отношение- велико .'. фА-д.>?СП, связано с изменением соотношения ,м<?вду й.;. и Д0»н отхс^ дсм от ',peзoнgйc^l', зон. И'.: рис.! .представлен?! з'авиошость 'отнош*- :

ния коэффициентов ионизации дырок и электронов, полученная нами

для ряда узкозонных твердых растворов: InAsSb, InAsSbP, InGaAs.a также для InAe от величины Af/"Eg при 77К. Как и ожидалось, наиболее высокие отношения коэффициен тов ионизации достигались в InAs и близких к нему по составу In^Ga^As (я=0,02-0,СМ) и IitAsq 08" ^алое !ФИ Увели-

чении или уменьшении Е по орав-, нению с Д0. отношение р/л падвет. В твердых растворах InGaAa р/а-10-15, в InAsSb 5-10, в InAsSbP отношение fiAl уменьшается до Происходит также абсолютное уменьшение коэффициента ионизации дырок по причине увеличения для них прямого порога ударной ионизации.

Вторая часть главы 3 посвящена созданию и исследованию лабораторных образцов лавинных фотодиодов на спектральный диапазон 1,6-2,5 мкм на основе твердых растворов CaInAoSb/G;iAl А,чЗов том числе с разделенными областями поглощения и умножения. Были созданы и исследованы три типа ЛФД. Проведены исследования электрических, фотоэлектрических и шумовых характеристик лавинных фотодиодов. Псе .¡ТЭД создавались методом жидкостной эт;такски на iron-ло^ах гГ-ОяЗЬ (III), легированных Те до концентрации (5-7) 10 см~°. Узкозонный активный слой состоял из специально келегировян-ного твердого раствора Ga0 gln0 pks-Q ,TSbCi ag(Eg=0.53 sE).

В первом типе ЛФД-Г активный слой размещался между двумя ийрокоэонщши слоями из GaP| -g5Al0 j^As^ 02^5Ъ0 д?-. Верхний слой выполнял роль "шрг.'Кйаолного". окна, а нижний служил для снижения токов утечки по периметру мег^афотодиоде. Верхний слой легировался 3« до ксшцентояции ' (1-3) ТО^см-^. Концььтрацйл носителей ааряди з .уе,ко:;<-'нкой ак?"Л5н<.<Р: области составила ' (4-6) IGwCM . Мезафотодиода имели диаматр 200-400 мкм. Татю ЛФД обладали широкой класть» спектральной , чувствительности 1-2,4 «

постоянной квантовой эффективностью 0,6' электр/фатон s диапазоне .1,2-3,3 мкм. .(без умножения). Напряженно - пробоя. опрегелчлоое. при величин-? обр$т-нг.1Х> тока -7 мА и лежало ь : иктеимя* Б при

г/*/*

Т=77К

10

0,1

• Ink* a InfraAs olnAtSft •InAtSBP

I- I 1 I I I 1 I I 1 I

0,8 1,0 l,г A0/Ej

Рис.I.

комнатной температуре. Максимальный ко&йищиент умножения на длине волны Х=2,3 мкм достигал величины М=10-20 при Т=300 К. ТемновоЙ ток в интервале напряжений 10-20 В умножался пропорционально фототоку, что свидетельствовало об объемном характере умножения в исследуемых структурах и отсутствии микроплазм. Отношение (3/а, оцененое из коэффициентов умножения-, составило величину p/a~(Mp-I)/(Mn~I)>5, что подтверждает полученное ранее при исследовании коэффициентов ионизации значение для твердого раствора GalnAsSb. Быстродействие фотодиодов, измеренное при освещении та через сватоводное волокно импульсами света от полупроводникового лазера с, >.=1,3 мкм, в диапазоне поглощаемой мощности 10~4-10"%г не превышало 0,5 но и определялось значением постоянной времени электрической цепи, которая равна произведению сопротивления нагрузки (50 Ом) и емкости Фотодиода в рабочем режиме (Сф<10 пФ).

Для уменьшения величины темпового тока в предпробойаом режиме бала реализована конструкция ЛФД, предложенная в Г73 с разделенными областями умножения и поглощения. При этом мы использовали в области поглощения узкозонный (Eg=0.53 эВ) твердый раствор Gan glnn рАа0 17-Sb0 gg, в в области умножения широкозонный непрямозонный твердый раствор Gan 66A1q 34ASQ o?5Sb0.975 &В),-ЛФД-П. Р-п переход располагался в иирокозонном слое на расстоянии 0,3 мкм от гетерограница. Показано, что вынесение области умножения в более шкракозонный материал (GaAlAaob) увеличивает высоту барьера для туннелирования. Кроме того, использование непрямозонвого широкозонного материала (с содержанием Al 34% ) приводит к уменьшению вероятности туннелирования носителей заряда и, следовательно, к снижению туннельной компоненты обратного-темиоього тока. Обратный темнокой ток был уменьшен более, чем на порядок в предагробойном режиме и реализован лавинный характер пробоя. Температурный коэффициент напряжения пробоя в таких структурах был положительным и составлял величину ¡= dVg/dT (VB)"I>0, Ю-3 Величина напряжения пробоя составило

VH-?J-24 В и определялась широкозонным материалом. Величина электрического поля в области пространственного заряда широкозонного материала составляла величину Е ¿3,5 IG''B/ом и пзд&яа до 8 Ю^В/ом границе с узкозонным слоем. Электрическое по.пе проникало» в уякогокный слой при напряжении на структур* 4-5 В,

- 1Б -

что хорошо было видно по ступеньке на обратной ветви ВАХ при освещении. По оценкам значение электрического поля для начала заметного туннелирования в широкозонном материале составляет Е~106В/см,а в узкозонном слое свыше 2,5 Ю5В/см. Спектральное распределение фоточувотвительности при напряжениях до \Г<4 В (напряжение "прокола") определялось широкозонным материалом. При напряжениях свыше 4 В спектр фотоотвота определялся узкозонннм материалом и лежал в диапазоне 1,1-2,4 мкм. Инерционность ЛФД, измеренная при освещении импульсами излучения с Х=1,3 и 2,0 мкм составила в лавинном режиме 0,5-2,0 не и определялось емкостью фотодиода.

Нами был создан также аналогичный по конструкции лавинный фотодиод на основе СаIпАзЗЬ/ПаА1АяБЬ с использованием в области умножения твердого раствора (ЗяМБЪ "резонансного" состава ( ЛФД-III ). Особенностью этой структуры было то, что на слой поглощения из СаХпАзБЬ наращивался слой умножения п-Стап>5йА10_0д£Ь ( Ло=0,76 &В ) с концентрацией 8 Т016см~3, а сверху широкозонннй р^-СаАЗА^Ь (1^=1,2 эВ).

На таких ЛФД были исследованы лавинное умножение фототока, ВАХ, спектры фоточувствительности и быстродействие. Напряжение пробоя в таких структурах составляло 10-12 в; а коэффициенты умножения лежали в интервале 30-40 для Х=2,1 мкм. Спектр 'фотоответа ЛФД лежал в диапазоне 1,0-2,4 мкм. Быстродействие фотодиодов в рабочих режимах было не хуже 0,5 не.

Нами было проьедено сравнительное исследование шумовых характеристик разработанных ними трех типов лавинных фотодиодов на базе ТпСоА.чЗЪ. Измерение шумовых' характеристик проводилось но склнияльной установке' ча основе измерителя коэффициента шумз Х5-30 .(ч&статя 3 МГц и полоса частот 0,3 МГц). В прибор* испольяомлоя р«жим градуирорки генераторов шума. Освещение структур производилось полупроводниковыми лазерами с длинами ноли \=1,3 или >.=2,0 мм, что обеспечивало создание чисто дарочней ипяюкции п область умножения. Зависдаоеть спектральной плотности мощности шума Ящ от коэффициента рмоштн описывздоеь соотношением вида: Зщ (Н) (М 5 ДГ® *п, где е- заряд

электрона, 1(|0-внициир-у»»диП фото'ток, М-коаМищюнт умножения,Р(МЬизбыточный коэффициент шумэ. Из экспериментэльки* . кривы?: 31;,(1л/ была определена зависимость коэффициента 'избыточного шума ?(М) от кояффиционта умножения,а также оценено

отношение коэффициентов ионизеции к=р/<л из сопоставления экспериментальных зависимостей с теоретическими кривыми Мак-Интайра С83 Р(М)=ИП-(1-Ю/к (Ы-1)2ЛГ1. В лавинном гетерофотоди-оде 1-го типа получено значение к=6-7, что согласуется с результатами определения коэффициентов ионизации по коэффициентам умножения фототека в твердом растворе 6а1пАзЗЬ. Получена зависимость величины избыточного шума от коэффициента умножения Р(М)=М0,5, 1410)= 3,2. Для ЛФД II го типа били. . получены зависимость Р(М)=М°,7.и значения Р(Т0)=Б,0 и к=2-3.

Самое низкое значение коэффициента избыточного шума при М=10, близкое к теоретическому пределу,получено да ЛФД третьего типа, где в области умножения использовался твердый раствор "резонансного" состава. При ьтом было получено наиболее высокое значение р/<х=60, и зависимость Б'(М)= М0,2.

Четвертая глава посвящена перспективам практического использования малошумящях ЛФД на основе 0а1пАз5Ъ/0аА1АаЗЬ. В частности, нами исследован порог чувствительности приемного оптического модуля для систем волоконно-оптических линий связи 3-го поколения на осноей флюоридных стекол с малошумящим ЛФД третьего типа на .длину волны Х.=2,1 мкм для скорости передачи В=500 Мбит/с. Показано, что при оптимальных коэффициентах умножения Мопт=34-39 такие оптоэлектронные модули имеют порог чувствительности -42,3 дБм (Т=ЗСЮ К), близкий к порогу чувствительности модули на основе Ое ЛФД (Мопт=ТО, Х=Т,3 мкм) и обладают более низким порогом при М>М0ПТ за счет более высокого отношения коэффициентов ионизации р/и в наших ЛФД. При термоэлектрическом охлаждении П;ЛнА;;ЯЪ ЛФД порог оптоэлектронных модулей улучшается оща на 5 дБ (Т-200-250 К).

В главе 4 проведена также оценка перспективности применения ЛФД на основе Са1пА£5Ь/0аА1АаЗЬ в системах лазерной дальнометрии и локации для спектрального диапазона 2-2,1 мкм, безопасного для зрония. На этот спектральный диапазон имеются достаточно мощные твердотельные лазеры на основе УАД-Сг, Ты:Но (Ы2.0Э мкк;) и Ш';Но мкм) и для регистрации их излучений необходимы высокоэффективные быстродействующе фотоприемники с внутренним усилением сигнала. Анализ результатов расчетов показывает, что, для улучшения чувствительности (снижение порога) фотоприемныл устройств (<НТУ) с такими ЛФД нообходюю снижение ко^ГФициянта

избыточного шума Р(М)=МЬ и уменьшение величины темпового умножаемого тока 1тм. На оонове результатов оценки среднего чиспя фотоэлектронов, фиксируемых МТУ в режиме оптимального умножения, о учетом экспериментально полученных опектряпьннх, токовых и шумовых характеристик, разработанных наш ЛФД-Ш, была определена вели^-чя минимальной принимаемой ФПУ энергии,е)п|п. Для Х=2,0-2,1 мкм (8Х»1 А/Вт, 1.Т6А и ?(М)=Н°'2) и характерной длительности лазерного излучения ~10 не получено минимальное значение регистрируемой внергии 6^^=6,4 Ю_16Дж. Показано, что лавинный фотодиод, с областью умножения из твердого раствора СаА15Ь "резонансного" состава в составе ФПУ для области спектра 2,0-2,1 мкм благодаря низкому уровню избыточного шума, обладает чувствительностью лучшей, чем Се ЛФД на Х=1,54 мкм, несмотря на более высокое по сравнению с бе ЛФД значение темнового тока (для Се ЛФД 6^=0,6 А/Вт, Р(М)=М°'Э~1»°,1тм=Т0"7А, а *т1п=1,03 10"15Цзк).

В общем заключение к работе сформулированы основное результаты, полученные при проведении исследований:

1. Впервые проведено исследование лавинного умножения фототока, и экспериментально определены полевые зависимости коэффи: -тентов ударной ионизации дырок (р) и электронов (<х) в твердых растворах 0а1_х1пхАЗу5Ь1_у , 1пАв<_хБЬх , 1пА9уЗЬхР1_х_у и определены основные параметры, характеризующие ударную ионизацию. Полученные результаты сопоставлены с модифицированной теорией Бара&Ра.

2. Установлено, что уменьшение отношения коэффициентов ионизации дырок и электронов по сравнению с СаГ.Ь или ТгЛв в исследуемых

.. твердых растворах СаГпАвБЬ, ТпАдЗЬ, 1пАе5ЬР, ТпОаАя связано с отходом от выполнения условия "резонвтсд" зон т.е.

особенностями их зонной структуры.

3. На осноье экспериментальна полученных коэффициентов ионизации проредены расчеты напряжения лавинного пробоя в структурах н* основе твердых растворов Сэ1пАб5Ь I» СаАЗАеБЬ. Полученные рчзу.г»ыо ты имочт хорошее согласие с экспериментальными значениями.

4. Впервые ооздпны л.<Уюраторнт образцч трех типов лаеитшх фотодиодов нъ основе тсердых рвет«* ров С'ЛчА^Ъ, ря5от,»»щио г. . спектральном диапазоне. Г.6-2,4 мкм, в том числ® с р%зд»л«нккми

оПяъотт» поглощения (СаГпАлгЬ) и умножения "5аАШ>ЯЬ или - различного'состава)' и исследованы их осчоькн* характеристики, -' включая бнг<н'ОДРЙствие и шумы. Мзк-лямадькпл. г«9чени* йдаяеняи

, - 18 -

коэффициентов ионизации составило ß/a=5Q. Установлено, что минимальный коэффициент избыточного шума Р(М)=2 при М=Ю достигается в лавинном фотодиоде с "резонансным" составом . в области умножения Gaj.j-Al^Sb (х=0.04-0.06).

5. Проведена оценка пороговой чувствительности оптоэлектронного модуля для волоконно-оптических линий связи на длине волны А=2,1 ты с использованием в качестве приемника ЛОД на основе GalnAsSb/ GaAlAsSb с "резонансным" составом в области умножения. Порог чувствительности модуля составил -42,2 д.Бм при скорости передачи SOG Мбит/С. Показана перспективность использования таких ЛФД в ВОЛС 3-го поколения на основе флюоридных стекол.

6. Показано, что лавинный фотодиод на основе GalnAsSb/GaAlAaSb в составе фотоприемного устройства для области спектра 2,0-2,1 мкм> используемого в системах лазерной дельнометрий и локации с твердотельными лазерами на основе YAG-Cr,Tm:Ho и ILF:Ho>благодаря низкому уровню избыточного шума обладает высокой чувствительность». При длительности импульса лазерного излучения 10 не может регистрироваться минимальная энергия emin= 6,4 Ю"хЬДж.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: Г.Андреев И.А., КйкаШюва, М.П., Слойодчиков С.Е7', Стусь" Н.М. Коэффициенты ударной ионизации электронов и дырок в узкозонных твердых растворах на основе InAs//<KTI.-1984.-т.18.-УЗ.-с.545-547.

2.Андреев И.А..Баранов А.Н.,Жингарев М.З.,Корольков В.И..Михайлова М.П.,Яковлев Ю.П. Темковые токи в диодных структурах GaAiSb (Аз) "резонансного" состава // 4ТП.-1935.-тЛ9.-МЭ.-сЛ605-1Б11.

3. Андреев К.А., Афраклоь М.А., Баранов А.Н., Дааильченко В,Г. Михайлова М.П. ,ЯкоалевЮ.П. îotoдиоды на основе т&ердых растворов GaTnAeSb/GaAlAsSb // Письма в ЖТФ.-IS36.-т.12.-в.21.-с.I3II-I3I5.

4.Андреев И.А.«Баранов А.Н..Мирсагатов М.А,Михайлова М.П.,Яковлев С.П. Лавшное умножение в фотодиодах структурах ка основе твердых растворов GainAßSbZ/Письма в ЖТФ.-1507.-т.13.-в.8.-о.481--486.

5.Андреев И.А., Афряилов М.А., Баранов А.Н., Мироагатов М.А., Михайлова М.П. .Яковлев Ю.П. Лав«шшй фотодиод с разделенными областями поглощения и умножения на основе GalnAsSb/GaAlAaSb // Письма, ь ЗРГФ.-I9B8.~т Л 4.-?аД1 .~с.986-9ЭТ..

ß. Андрее» H.A., Бораноз А.Н., Мироагатов'М.А., Михайлова М.П.,

Яковлев Ю.П. Особенности лавичьот • умножения.л^о'со'фбка ъ дяодачх" структурах .иг» основе СЭДпАкБ». .V • ' "Полупроводники и .га*«»со-пф^коду''.-изд. "Валгус"-. -Таллин. --TS87.-L-. 57. ' А

7. Андреев И.А., Афраилов М.А., Баранов А.Н., Михайлова М.П., Марьинская H.H.,Яковлев Ю.П. Малошумящий ЛФД с разделенными областями поглощения и умножения для спектрального диапазона 1,6 -2,4 мкм // Письма в ЖТФ.-1939.-т.15.-в.17.-с.7Î-76

8.Андреев H.A. .Афрэшюв М.А. .Баранов А.Н. .Михайлова М.П..Марьинская H.H..Мирсагатов М.А.,Яковлев Ю.П.Лавинное умножение фототока и коэффициенты ионизации, дырок и электронов в гетероструктурах на основе GalnAsSb // Тез. докл. Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках.- Ташкент.-1989.-е.254.

9. Андреев H.A., Баранов А.Н., Михайлова М.П., Яковлев Ю.П. Лавинное умножение и коэффициенты ионизации в гетеооструктурах GalnAsSb/GaAlAeSb // Тезисы докладов Всесоюзной конферешлии по физике полупроводников.-Киев,-1990.-ч.1.-с.41-42.

10.Андреев К.А..АФраилов М.А.,Баранов А.Н..Михайлова М.П.,Моисеев К.Д., Тимченко H.H., Шерстнев В.В., Умзнский В.Е;, Яковлев Ю.П. $еохлаждяемие фотодиода на основе InAs/InAsSbP для спектрального диапазона 2,0-3,6 мкм //Письма в ЖГФ.-1ЭЭ0.-т.16.- в.4.-с.27-32.

И.Андреев И.А..Баранов А.Н..Михайлова М.П..Яковлев Ю.П. Левикное умножение и коэффициенты ионизации в готероструктурах GalnAsSb/ GaAlAsSb/'/Teз.докл.V Всесоюзной конференции по физическим процессам в п/'п гетороструктурах,- Калуга,-1990.-т.1.-е.33-34.

12.Андреев IT,А.,Михайлова М.П..Мельников C.B..Сморчкова Ю.П..Яков лев tn.IT. Лавинное умножеше и коэффициенты ионизации в GalnAsSb// ФТП.-199Х.-т.25.-в.8.-с.1429-1435.

13. Андреев И.А., Баранов А.Н., Возшпцшй М.В.;- Ермаков ..Б. А., Михайлова М.П., Сиренко Т.Н. . Яковлев Ю.П. Малошумящие лавинные Фотодиода для регистрации лазерных сигналов области спектра 1,58,5 мкм //Оптико-механическая промышленность.-1991,-в.7.-сЛ9-23.

Цитируемая литература.

I .Lucas J. Infrared fibers// Infr.Phys. -19Ô5-V.25-N1- p. 277-281.

2.Kava/л M. Coherent laser radar provides eye-eafe operation// : Тляег focus wor] <1. -1991. -N1. -. p. 27-28.

I.Flíroün R. H,Fletcher A.M. Catalog of TR Spectra for Qualitative Anallsle of Gaees/ZAnalyt. Chem.-1956-v.28-N8.- p.1218-1239.

4.Корольков В.И.,Михайлова М.П. ЛФД на основе твердых раствооов п/проволнакоБнх соединений А385//ФТП.-1983.-т.17.-в.4.-с.569-682.

П.Михайлова М.П. .Рсгачев A.A. .Яссиэшч И.Н. Ударная ионизация и Оже рекомбинация в 1пАв//ФШ.-1975.-т.10.-в.8.-с.1460~Т468.

6.Андреев И.А..Баранов А.Н..Конииков С.Г.,Мирсагатов М.А.,Салата 0.В..Михайлова М.П.,Уманский В.Б..Яковлев Ю.П. Сверхбыстродейст-вуищий р-1-п фотодиод нз основе G¿InAsSb для спектрального '.диапазона 1,5-2,3 мкм.//Письма а ЖГФ.-1939.-t.ÎG.-6.7.-с.16-19.

N. Ч. ,Ando П..Kanb» H. Characteristics In GalnAs/

In? APD with" Земгаtel Absorption and M»lt I ollcati-w. ' Furgtona// IEEE J. of (íuar.t.Electr.-i^r.-v. VT.-IV.- ,p".243-250.

B.McTntvre R.J. Muïtlpllcfitlod noleé In uniform wvalaiHiie cUrd^s . : //ГЕЙ? Irsns, El. №v: - !. -ER-13. -p. t-

РТП ПИЯФ, аак.7?0, тир.100, уч,-изд.л.1; 29Д-1993г. Бесплатно