ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ИК ИЗЛУЧЕНИЯ НА КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ

Предлагаемая полезная модель устройства относится к микроэлектронике, в частности к фотоэлектрическим приборам, предназначенным для работы в качестве приемника оптического излучения в широком диапазоне длин волн в системах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, оптической пеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля.
+
+
Известен способ создания фотоприемника (детектора) лазерного излучения с управлением фоточувствительностью посредством внешних полей. Фотоприемник (детектор) выполнен на основе полностью обедненной легированной сверхрешетки GaAs, перекрывающей диапазон от 0,8 до 1,4 мкм (Horikoshi Y., Poog К. // Appl. Phys. A. - 1985, v.37, p.47; Херман М. «Полупроводниковые сверхрешетки». Изд. «Мир», 1989, с.240 [2]). Фотовозбужденные электроны и дырки сразу после рождения разделяются полем легированной сверхрешетки, что приводит к высокой квантовой эффективности прибора. Благодаря полному обеднению легированная сверхрешетка ведет себя как очень высокоомный материал, что позволяет прикладывать вдоль слоев сильные электрические поля с помощью селективных n-р-переходов. Чувствительность прибора на длине волны 1,3 мкм достигает 90% от исходного межзонного фотоотклика при 0,85 мкм, а внешний квантовый выход при 0,85 мкм достигает 65%. Такая высокая фоточувствительность достигается приложением достаточно большого электрического поля, включающего внутреннее поле объемного заряда и внешнее приложенное электрическое поле. 1
Однако приложение высоких напряженностей электрических полей приводит к увеличению токов утечки, шумов и электрическому пробою полупроводниковых слоев сверхрешетки.
x
1-x
x
1-x
18
-3
Ближайшим техническим решением к заявленному является фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с квантовыми ямами, включающий подложку из полуизолирующего GaAs с буферным i-слоем, первый контактный слой n-GaAs, систему чередующихся слоев AlGaAs и GaAs, причем в один из материалов системы чередующихся слоев введена примесь кремния до уровня легирования 2·10 см, и второй контактный слой n-GaAs. При этом примесь кремния введена в слой AlGaAs в виде тонкого слоя, расположенного на расстоянии не больше Дебаевской длины экранирования от одной из границ раздела чередующихся слоев (RU2022411 [7]).
Недостатком известного детектора является сложность интеграции процесса его изготовления в стандартную монолитную кремниевую технологию. Кроме того, детекторы данного типа предназначены для работы исключительно в режиме фотосопротивления и не предназначены для детектирования излучения в фотовольтаическом режиме.
Заявляемое устройство детектирования ИК излучения направлено на создание нового поколения детекторов, допускающих как самостоятельное использование в виде дискретных детекторов оптического излучения, так и использование в виде элементов интегральных схем, таких как многоэлементные и матричные фотодетекторы, включая перспективные устройства плазмоники (электронно-фотонные микросхемы) (Ozbay Е. "Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimentions." // Science - 2006, v.311, p.189; Zia R., Schuller J.A., Chardan A., Brongersma M.L. "Plasmonics: the next chip-scale technology." // Mater. Today. - 2006, v.9, p.20; Ebbesen T.W., Genet C, Bozhevolnyi S.I. "Surface-plasmon circuitry." // Phys. Today - 2008, v.61, p.44 [8]).
Заявляемая полезная модель фотоприемника позволяет повысить его чувствительность, снизить уровень шумов приемника, уменьшить энергопотребление, уменьшить тепловыделение на чувствительном элементе фотоприемника, повысить воспроизводимость его параметров в рамках стандартного цикла изготовления фотоприемника.
Указанный результат достигается тем, что заявленная полезная модель фотоприемника, содержащего сформированную на основе кремния p-i-n структуру, в i-области которой создан массив (массивы) германиевых квантовых точек, источник опорного излучения, представляющий собой светодиод, энергия излучения которого соответствует диапазону фундаментального поглощения кремния, для создания опорной (наведенной) эдс, и блок регистрации, измеряющий величину изменения опорной эдс при облучении области структуры с германиеевыыми квантовыми точками детектируемым ЯК излучением для достижения максимальной чувствительности детектора, толщина i-области структуры подбирается такой, чтобы уровень Ферми в области массива квантовых точек был расположен ниже основного состояния для всех слоев квантовых точек. Создание опорной эдс за счет пространственного разделения зарядов, возникающих при облучении p-i-n структур, формируемых на основе кремния и включающих в себя массив квантовых точек в i-области структуры, оптическим излучением в области фундаментального поглощения, облучение области структуры с массивом квантовых точек детектируемым (регистрируемым) оптическим излучением, измерение величины изменения эдс при облучении структуры детектируемым ИК излучением и определение параметров детектируемого излучения по величине изменения эдс.
Сущность заявляемого устройства детектирования ПК излучения поясняется примером реализации и графическими материалами. На фиг.1 представлена структурная схема устройства детектирования ИК излучения. На фиг.2 схематически представлено изображение структуры детектора, входящего в состав устройства регистрации и измерения ИК излучения. На фиг.3 приведена зонная диаграмма детектора. Приемник содержит: 1 - чувствительную структуру с квантовыми точками, 2 - криостат, 3 - источник опорного излучения, 4 - собирающую линзу, 5 - нагретое тело, 6 - регистрируемое ИК излучение, 7 - устройство для детектирования изменения фото-ЭДС (вольтметр).
Детектор (формируемая на основе кремния структура) изготавливался следующим образом: методом сверхвысоковакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии на основе кремния формировалась p-i-n структура со встроенным в i-область многослойным массивом германиевых квантовых точек. Фотоприемные площадки детектора формировались методом фотолитографии и химического травления. Омические контакты к полупроводниковой структуре формировались термическим или плазменным напылением металлов.
Устройство для детектирования ИК излучения функционирует следующим образом.
11
-2
Рассмотрим инфракрасный детектор, созданный на основе кремниевого p-i-n перехода, сформированного на подложке Si(100), в i-области пространственного заряда которого на плоскости (001) выращено 5 слоев (плотных двумерных массивов со слоевой концентрацией ~2·10 см) квантовых точек Ge с эффективной толщиной каждого слоя осажденного германия ~10Å, разделенных слоями кремния с толщиной ~30Å. Опорная эдс в такой структуре создавалась светодиодом АЛ145А с энергией квантов в области фундаментального поглощения Si. Управление опорной эдс осуществляется посредством изменения зарядового состояния массива германиевых точек вследствие воздействия инфракрасного излучения от глобара с длинной волны в интервале 2-5 мкм, соответствующей энергетической структуре сформированных квантовых точек Ge в кремнии. Спектральный диапазон такого детектора в определенной степени зависит от типа и геометрических параметров германиевых квантовых точек, их слоевой плотности (что определяется условиями роста и контролируется методом сканирующей туннельной микроскопии), количества слоев и рабочей температуры детектора.