ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОДИОД ДЛЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SEMICONDUCTOR INFRARED PHOTODIODE

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, конкретно - к приемникам инфракрасного (ИК) излучения, и может найти применение в спектрометрах, в системах обнаружения, слежения, охранных и противопожарных системах и связи.
В спектральной области (3-5 мкм) доминирующее положение по объему использования занимают фотодетекторы из CdHgTe и PdSe(PbS). Это связано отчасти с хорошо проработанной технологией постростовой обработки этих материалов и исключительно большим диапазоном изменения ширины запрещенной зоны в CdHgTe, позволяющим изготавливать фотодиоды как в первом, так и во втором окне прозрачности атмосферы [1, 2]. Методы получения PbSe(PbS) достаточно просты, и исследования фотоприемников на их основе были начаты в середине прошлого века. В то же время для обоих упомянутых материалов характерно наличие шума 1/f, кроме этого получения высоких значений обнаружительной способности требуется, как правило, термоэлектрическое охлаждение.
3
5
2
0
0
0
0
Альтернативой указанным материалам являются полупроводники AB, которые в отличие от вышеуказанных обладают металлургической стабильностью и невосприимчивостью к влаге. Основные исследования, направленные на создание фотодиодов из наиболее подходящего для диапазона (3-5 мкм) полупроводника - арсенида индия - были выполнены в 70 годы прошлого века, и уже несколько десятилетий на рынке имеются промышленно выпускаемые фирмами Hamamatsu, AG&G фотодиоды с красной границей при 3.6 мкм на основе гомо p-n-структур. Вместе с тем, фотодиоды на основе гомо p-n-переходов обладают невысокими значениями сопротивления в нуле смещения. Так, например, в работе [3] приводятся значения R=30-55 Ом (RA~0.1 Ом·см) для структур, полученных на подложке p-InAs методом MOCVD, что недостаточно для многих применений. Поэтому актуальны фотодиоды, в которых используются гетероструктуры, позволяющие достигать высоких значений RA. Так, например, при использовании широкозонного «окна» на поверхности InAs, расширяющего спектральную кривую в область коротких длин волн, удалось снизить поверхностную рекомбинацию [4] и избежать проблем, связанных с образованием инверсного слоя на поверхности арсенида индия р- типа [5] с одновременным увеличением значения RA.
0.1
Создание фотоприемников с границей фоточувствительности на длине волны 4-5 мкм было связано, в основном, с использованием InAsSb в качестве материала активной области. Освещаемые с неэпитаксиальной стороны слои InAsSb получали на подложках n-InAs (точнее - на буферных слоях n-InAsSb, предварительно выращенных на InAs) [6], на подложках GaAs [7] или GaSb [8]. В последнем случае применялся твердый раствор состава InAsSb, имеющий одинаковый с GaSb период решетки при температуре эпитаксии.
Известен фотодиод для среднего инфракрасного диапазона спектра, включающий p- и n-области с токоподводящими контактами, разделенные p-n-переходом, активную область, электрически связанную с p-n-переходом, при этом по крайней мере один из контактов на поверхности области, принимающей фотоны от изучаемого объекта, выполнен прозрачным в рабочей области длин волн [9]. В известном решении на поверхности структуры GaSb/In(Al)GaAsSb методом распыления в вакууме был нанесен сплошной токоподводящий контакт из CdO, или ZnO, или RuSiO4. Указанные материалы контакта имели прозрачность >80%, что обеспечивало возможность минимизации затенения контактом активной области и повышение фоточувствительности. Однако используемые материалы обладают невысоким коэффициентом преломления (см. таблицу 1), поэтому наличие контактов из этих материалов на светопринимающей поверхности создает трудности для изготовления эффективных иммерсионных фотодиодов. Зависимость обнаружительной способности иммерсионных ФД от коэффициента преломления слоев, расположенных между ФД и линзой, рассмотрена в [10].
Таблица 1
Оптические характеристики материалов контактов
Материал контакта
CdO
ZnO
RuSiO<sub>4</sub>
Показатель преломления λ=2.2 мкм
1.78
1.81
1.75
Известен фотодиод для среднего инфракрасного диапазона спектра [11], совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип, при этом фотодиод-прототип отражает наиболее распространенную версию конструкции, используемую на практике [12], [13]. Фотодиод-прототип включает p- и n-области с токоподводящими непрозрачными контактами, разделенные p-n-переходом, активную область, электрически связанную с p-n-переходом, и один контакт на поверхности области, принимающей фотоны от изучаемого объекта. Эпитаксиальная структура для фотодиода была получена на подложке GaSb последовательным выращиванием методом молекулярно-пучковой эпитаксии слоя твердого раствора n-GaInAsSb, легигованного теллуром (Te) толщиной 2 мкм, и слоя p-GaInAsSb, легированного германием (Ge) толщиной 1 мкм. При этом активная область была выполнена из твердого раствора InGaAsSb, имеющего период решетки, близкий к периоду решетки GaSb, диаметр меза-диода, т.е. диаметр активной области составлял 300 мкм, а контакт, состоящий из сплава AuGe, занимал лишь небольшую часть структуры. Диаметр контакта согласно [12] составлял 50 мкм.
Недостатком известного фотодиода для среднего инфракрасного диапазона спектра является низкая фоточувствительность при комнатной температуре и недопустимо низкая при повышенных температурах.
Задачей заявляемого изобретения является разработка такого фотодиода для среднего инфракрасного диапазона спектра, который бы имел повышенную фоточувствительность как при комнатной, так и при повышенной температурах.
Поставленная задача решается тем, что фотодиод для среднего инфракрасного диапазона спектра включает p- и n-области с токоподводящими непрозрачными контактами, разделенные p-n-переходом, активную область, электрически связанную с p-n-переходом, при этом один или несколько контактов на поверхности области, принимающей фотоны от изучаемого объекта, имеют общий периметр, значение которого выбирают из интервала:
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>p</mi><mo>-</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>.</mo><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>≥</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>p</mi><mo>-</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>1</mn><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
p-n
p-n
cont
spr
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
где P,S - периметр и площадь активной части p-n-перехода соответственно, Р - суммарный периметр всех областей контакта(ов), участвующих в сборе фототока, L - длина растекания тока,
- периметр контакта с минимально возможной для используемых технологических процессов площадью.
Каждый из контактов на поверхности области, принимающей фотоны от изучаемого объекта, может содержать элементы с повторяющейся геометрической формой.
По крайней мере, часть контакта(ов) может выполнена в виде спирали.
По крайней мере, часть контакта(ов) может иметь ячеистую структуру.
spr
В ряде случаев минимальное расстояние между краями соседних элементов контакта(ов) не превышает половины длины растекания тока L.
Активная область может быть выполнена из INAsSb.
Активная область может дополнительно содержать атомы галлия, при этом период кристаллической решетки активной области близок к периоду кристаллической решетки InAs.
Активная область может дополнительно содержать атомы фосфора.
1-x-y
x
y
Область, принимающая излучение, может быть выполнена из твердого раствора InAsSbP(o<x<0.2, y=2-2.2)·x).
Область, принимающая излучение, может дополнительно содержать атомы галлия.
1-w
w
Контакт(ы) к p-области могут быть выполнен(ы) из последовательности металлических слоев Cr-Au-Zn-Ni-Au, причем слой из Cr примыкает к поверхности p-области, a w=0.01-0.2.
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
В отличие от фотодиода-прототипа в заявляемом фотодиоде контакт на освещаемой поверхности (контакт, участвующий в сборе фототока) имеет увеличенный периметр, в прототипе периметр контакта составлял значение
, т.е. имел размер, обусловленный требованием получения минимального затенения активной области при сохранении возможности электрического соединения с проволокой, типичной для используемых технологических процессов. Увеличенный периметр контакта позволяет производить сбор фототока более эффективно, чем в фотодиодах с малым периметром контакта. В фотодиодах для среднего инфракрасного диапазона спектра фототок неравномерно распределен по поверхности: в непосредственной близости от контакта он максимален и минимален в областях, удаленных от контакта. Указанное свойство неравномерности усиливается с уменьшением ширины запрещенной зоны и/или при увеличении температуры фотодиода. Поэтому в фотодиодах с малым размером контакта (т.е. при малом его периметре) эффективность, особенно при длинах волн, более 3 мкм, или при температурах выше 40 С, низка. Напротив, фотодиоды с увеличенным периметром даже в случае затенения значительной части активной области (например, при использовании сплошного контакта круглой формы) имеют повышенную эффективность.
cont
Значения оптимального суммарного периметра всех областей контакта(ов), участвующих в сборе фототока, Р, находится внутри интервала:
<mrow><mn>7.4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>p</mi><mo>-</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>≥</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>p</mi><mo>-</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>.</mo><mn>7</mn><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
p-n
p-n
cont
spr
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>min</mi></mrow></msubsup></mrow>
где Р,S - периметр и площадь активной части p-n-перехода соответственно, Р - суммарный периметр всех областей контакта(ов), участвующих в сборе фототока, L - длина растекания тока,
- периметр контакта с минимально возможной для используемых технологических процессов площадью.
spr
o
spr
Длина растекания тока L, т.е. расстояние, на котором величина тока уменьшается в (е) раз от значения вблизи от контакта определяется соотношением между динамическим сопротивлением p-n-перехода в нуле смещения (R) и сопротивлениями p- и n-областей и соотношениями между геометрическими характеристиками образца (толщинами, латеральными размерами, месторасположением и формой). Для расчета значений L пользуются формализмом, изложенным в монографии Ф.Шуберта [14], статьях [15] или определяют экспериментально, используя методы атомно-силовой микроскопии совместно с методом Кельвина (Kelvin probe), позволяющие определить распределение потенциала на поверхности [16], или используют ИК-изображения (т.е. 2D - распределение интенсивности) поверхности ФД, на которые подано смещение [17, 18].
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>p</mi><mo>-</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>1</mn><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
При
контакт с соответствующей геометрией не позволяет собрать большую часть фототока и эффективность фотодиода низкая, несмотря на небольшую ступень затенения активной области.
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>p</mi><mo>-</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>.</mo><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
При
большая часть рожденных в активной области пар электрон-дырка дает вклад в фототок, однако общее количество рожденных пар невелико из-за затенения большей части активной области контактом. Вследствие этого эффективность фотодиода также невелика.
Выполнение каждого из контактов на поверхности области, принимающей фотоны от изучаемого объекта, с элементами с повторяющейся геометрической формой увеличивает периметр взаимодействия с фотовозбужденными парами электрон-дырка, как указано выше, а значит, это приводит к повышению эффективности фотодиода.
Выполнение, по крайней мере, части контакта(ов) в виде спирали увеличивает эффективность фотодиода, поскольку такая форма контактов обеспечивает минимальное затенение активной области при максимальном периметре контакта в случае, когда ширина спиральной части контакта максимально уменьшена применительно к используемым технологическим процессам.
Выполнение части контакта(ов) в виде ячеистой структуры важно для увеличения стабильности (прочности) соединения контакта с полупроводником, т.е. для увеличения эффективности фотодиода при длительной наработке или при неблагоприятных условиях, например при термоциклировании.
spr,
spr
Выполнение контактов с минимальным расстоянием между краями соседних элементов контакта(ов), превышающим половины длины растекания тока L позволяет получить фотодиод с максимальной эффективностью, т.к. при этом обеспечивается эффективный сбор фототока при минимальном затенении активной области. В фотодиодах, в которых расстояние между краями соседних элементов контакта(ов) более половины L, сбор фототока осуществляется эффективно, а значит они неэффективны.
Выполнение активной области из InAsSb обеспечивает создание эффектиных фотодиодов, долговечных при повышенных температурах, поскольку в отличие от других материалов для среднего ИК-диапазона (например, CdHgTe) твердый раствор InAsSd обладает металлургической стабильностью.
Выполнение активной области из InAsSb с дополнительным содержанием атомов галлия и периодом кристаллической решетки, близким к периоду кристаллической решетки InAs, обеспечивает дополнительное увеличение долговечности при повышенных температурах вследствие «упрочнения» твердого раствора InGaAsSb. Близость периодов решеток слоя InGaAsSb и InAs обеспечивает, с одной стороны, необходимый диапазон длин волн в среднем ИК диапазоне, а с другой - обеспечивает возможность получения кристаллически совершенных (а, значит, и эффективных) фотодиодов.
Введение пятого компонента - фосфора - обеспечивает возможность согласования не только периодов решетки, но и коэффициентов термического расширения материалов подложки и слоя, что увеличивает эффективность при длительной наработке в условиях изменяющейся температуры..
1-x-y
1-x-y
Выполнение области, принимающей излучение, из твердого раствора InAs SbxPy(o<x<0.2, y=(2-2.2)·x) обеспечивает увеличение эффективности вследствие увеличения суммарной высоты барьера на гетеро p-n-переходе, при условии, что в материале не создаются дефекты (дислокации несоответствия), т.е. при у=(2-2.2)·х. При х>0.2 получаемые составы InAs SbxPy находятся внутри области несмешиваемости, т.е. в области с нестабильными свойствами, где получение качественных слоев затруднено.
1-x-y
x
y
Введение в область из твердого раствора InAs SbP пятого компонента - галлия - обеспечивает возможность согласования не только периодов решетки, но и коэффициентов термического расширения материалов подложки и слоя, что увеличивает эффективность при длительной наработке в условиях изменяющейся температуры.
1-w
w
Выполнение контакта(ы) к p-области из последовательности металлических слоев Cr-Au-Zn-Ni-Au, в которой слой из Cr примыкает к поверхности p-области, a w=0.01-0.2, повышает эффективность при длительной наработке в условиях повышенных температур, поскольку является самым надежным и долгоживущим из всех известных автору.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где
на фиг.1 схематически изображен первый вариант воплощения заявляемого фотодиода для среднего инфракрасного диапазона спектра,
на фиг.2 схематически показан второй вариант фотодиода для среднего инфракрасного диапазона спектра,
на фиг.3 схематически изображен третий вариант воплощения заявляемого фотодиода для среднего инфракрасного диапазона спектра,
Заявляемый фотодиод для среднего инфракрасного диапазона спектра 1 (см. фиг.1), включает p- 2 и n-области 3 с токоподводящими непрозрачными контактами 4, 5, разделенные p-n-переходом 6, активную область 7, электрически связанную с p-n-переходом 6, при этом один или несколько контактов на поверхности области, принимающей фотоны от изучаемого объекта 8, имеют общий периметр, значение которого выбирают из интервала значений, получаемых расчетом.
Второй вариант воплощения фотодиода для среднего инфракрасного диапазона спектра 1 (см. фиг.2) отличается от первого варианта тем, что контакт содержит элементы с повторяющейся геометрической формой, создающие ячеистую форму. Кроме этого, второй контакт сформирован не на тыльной стороне фотодиода, как в первом варианте, а на стороне, обращенной к изучаемому объекту.
Третий вариант воплощения фотодиода для среднего инфракрасного диапазона спектра 1 (см. фиг.3) отличается от первого варианта тем, что, по крайней мере, часть контакта 4 выполнена в виде спирали. От второго варианта он также отличается тем, что второй контакт 5 выполнен ограниченной площади, т.е. «точечным».
Заявляемый фотодиод для среднего инфракрасного диапазона спектра работает следующим образом. Внешний источник энергии, например регистрируемый объект, с повышенной по сравнению с фоном температурой создает поток фотонов, которые попадают в активную область 7 через поверхность, принимающую фотоны от изучаемого объекта 3, где поглощаются, производя пары электрон-дырка, разделяемые потенциальным барьером на p-n-переходе 6. Разделенные пары создают электрическое поле, препятствующее дальнейшему движению избыточных носителей к p-n-переходу 6. Изменение напряжения на p-n-переходе с помощью контактов 4, 5 регистрируется во внешней цепи в виде полезного сигнала. При замыкании контактов 4, 5 в цепи течет ток, являющийся полезным сигналом - фототоком.
1-w
w
spr
Пример 1. Пример выполнения фотодиода был осуществлен в ООО «ИоффеЛЕД» с использованием стандартных процессов получения градиентных структур InAsSbP на подложке InAs методом ЖФЭ. Образцы были аналогичны описанным нами ранее [19] и имели плавное изменение состава по толщине градиентных слоев InAsSbP. После проведения фотолитографии и удаления подложки химическим травлением фотодиод включал в себя p-область из InAsSb (2), n-область из InAsSb (7), InAsSbP (5), ограниченные мезой травления диаметром 300 мкм с токоподводящими непрозрачными контактами (4, 5), разделенными p-n-переходом p-InAsSbP/n-InAs (6), активную область из InAsSb (7), электрически связанную с p-n-переходом, при этом контакт на поверхности области p-InAsSb, принимающей фотоны от изучаемого объекта (4, анод), сформированный напылением металлической композиции Cr-Au-Zn-Ni-Au (w=0.05) в вакууме, имел диаметр 50 мкм и располагался в центре мезы; тыльный непрозрачный металлический контакт к n-InAsSbP (5, катод), сформированный напылением металлической композиции Cr-AuGe-Ni-Au в вакууме, был сплошным, занимающим всю поверхность n-InAs. Перед измерениями фоточувствительности ФД монтировались в стандартный корпус ТО-18, при этом контакт с минимально возможной для используемых технологических процессов площадью имел диаметр 50 мкм, а длина растекания тока (L) составляла 280 мкм. При этом верхний контакт к металлическому диску диаметром 50 мкм осуществлялся приваркой либо пайкой индием золотой проволоки диаметром 30 мкм. Во втором случае имелась возможность изменять площадь контакта, проводя повторную пайку контакта с отличающейся массой припоя. В качестве источника излучения служил Глобар с температурой 300 С.
cont
cont
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>p</mi><mo>-</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>.</mo><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>≥</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>p</mi><mo>−</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>13</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>m</mi><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
На Фиг.4 представлены данные измерений фоточувствительности (фототока при фиксированной плотности падающего потока) в серии идентичных ФД, описанных выше и отличающихся лишь диаметром D, (периметром P) непрозрачного анода на принимающей фотоны поверхности. Как видно из данных на Фиг.4, чувствительность фотодиодов, у которых периметр анода удовлетворял условию
,
cont
отвечающему диапазону значений, отмеченных пунктирными линиями, была, по крайней мере в два раза выше, чем в известном ФД с точечным контактом D=50 мкм. За пределами интервала со стороны больших диаметров контакта фоточувствительность убывала из-за затеняющего действия контакта и преимуществ перед известным фотодиодом не было.
cont
cont
Пример 2. Во втором примере выполнения фотодиода, последний изготавливался из гетероструктуры, аналогичной описанной в первом примере, однако меза (активная область p-n-перехода) имела форму квадрата со стороной 450 мкм. При этом контакт на принимающей фотоны поверхности состоял из соединенных вместе повторяющихся прямоугольных элементов, образующих «гребенку» из 3-х полосок шириной 20 мкм, расположенных параллельно друг другу и электрически соединенных вместе прямоугольным элементом 300×100 мкм. Крайние элементы полученного «гребенчатого» контакта, по форме напоминающего букву «Ш» русского алфавита, были расположены от края мезы на расстоянии 75 мкм, а сам контакт имел периметр Р=1800 мкм, значение которого находилось внутри оптимального с нашей точки зрения интервала 275……2275 мкм, полученного расчетным путем с использованием предложенных соотношений. Для сравнения был изготовлен ФД с точечным контактом (D=50 мкм), расположенным в центре квадратной мезы. Оба ФД были смонтированы аналогично описанному выше, при этом фоточувствительность ФД с точечным контактом была в 5 раз ниже, чем у заявляемого ФД с «Ш»-образным контактом.
Пример 3. Образцы были аналогичны предыдущим, описанным в примерах 1 и 2, и имели сплошной нижний контакт (к n-InAs). Верхний контакт (к p-InAsSb(P)) имел четыре модификации: 1) круг диаметром 80 мкм, расположенный в центре мезы, 2) контакт по п.1, к которому добавлены полоски шириной 10 мкм, составляющие узор в виде «двухстворчатой оконной рамы без форточки»; центральная полоска контакта соединялась с кругом, 3) контакт по п.2, к которому добавлены еще две полоски, формирующие незатененные участки в виде вытянутых прямоугольников, 4) контакт по п.3 с добавлением еще четырех полосок, при этом две из «новых» полосок соединялась (пересекались) с центральным кругом. Геометрия контактов показана на вставке справа от фиг.5. Фоточувствительность измерялась при использовании модели черного тела, нагретого до 573 К; предполагалось, что в ФД доминирует Джонсоновский (тепловой) шум и при вычислении D*затенение контактом не учитывалось, то при вычислениях учитывалась полная мощность потока, падающая на всю мезу; при измерениях спектров фотоответа использовался Глобар.
cut-off.
На Фиг.5 приведены вольтамперные характеристики (I-V) для четырех типов образцов, описанных выше. Спектр фоточувствительности полученных диодов имел максимум при ~ 5.3 µm (300 К) (λ=5.8 µm) и был затянут в коротковолновую область благодаря диффузии фотогенерированных носителей к p-n-переходу.
sat
I
λреак
o
Как видно из Фиг.5, три из четырех образцов (№2-4), обладающих развитой структурой контакта, имели примерно одинаковые значения темнового тока насыщения (I ~ 40 mА); в области средних значений напряжений увеличение тока следовало за увеличением площади анода. Диод с точечным контактом (№1) характеризовался в ~2 раза меньшим в сравнении с вышеперечисленными ФД-током и отсутствием хорошо выраженного насыщения в обратной ветви I-V характеристики. В нашем случае увеличением периметра контакта (удалось повысить фотосигнал по крайней мере втрое; на Фиг.6 приведены зависимости чувствительности (S), обнаружительной способности (D), динамического сопротивления в нуле смещения (R) от периметра анода, подтверждающие сказанное.
Следует помнить, что при увеличении периметра контакта происходит не только увеличение фоточувствительности, но и уменьшение величины динамического сопротивления ФД вследствие увеличения площади, участвующей в токопрохождении, т.е. площади сбора фототока. Поэтому при работе с такими ФД надо соотносить увеличение фототока с возможным увеличением шумов фотоприемного устройства, состоящего их ФД и усилителя сигнала. Подход для такого анализа изложен в [20].
Автор благодарит Закгейма А.Л., Ильинскую Н.Д., Карандашева С.А., Мжельского И.В., Половинкина ВТ. Ременного М.А., Рыбальченко А.Ю., Стуся Н.М. и Чернякова А.Е. за помощь при проведении экспериментов.
Литература
1. David P.Leech, Iwars Gutmanis, “The U.S. Infrared detector industry: prospects for commercial diversification”, SPIE 1683 (1992) 2-12.
2. A.Rogalski “Heterostructure infrared photovoltaic detectors” Infrared Physics and Technology 2000, 41, 213-238.
3. С.С.Кижаев, М.П.Михайлова, С.С.Молчанов, Н.Д.Стоянов, Ю.П.Яковлев, «Выращивание InAs фотодиодных структур из металлоорганических соединений», Письма ЖТФ, 1998, 24, №7, 1-7.
4. В.И.Корольков в сб. Фотоприемники и фотопреобразователи. - Л.:Наука 1988, с.8-36.
5. D.A.Baglee, D.K.Perry, C.W.Wieder, J.Vac.Tech, 1980, n17, 1032-1036.
6. D.T.Cheung, A.M.Andrews, E.R.Gertner et al “Backside-illuminated InAs1-xSbx-InAs narrow-band photodetectors”, Appl. Phys. Lett., 1977, 30, 587-589.
7. J.Podlecki, L.Gouskov, F.Pascal, F.Pascal-Delannoy, A.Giani “Photodetection at 3.65 µm in the atmospheric window using InAs0.91Sb0.09 /GaAs heteroepitaxy”, Semicond. Sci. Technol. 11 (1996) 1127-1130.
8. L.G.Bubulak, A.M.Andrews, E.R.Gertner and D.T.Longo, “Backside-illuminated InAsSb/GaSb broadband detectors”, Appl. Phys. Lett., 1980, 36, 734-736.
9. К.Golaszewska,, E.Kamińska, A.Piotrowska, J.Rutkowski, R.Kruszka, E.Kowalczyk, E.Papis, A.Wawro, and Т.Т.Piotrowski, “Transparent ohmic contacts to GaSb/In(AI)GaAsSb photovoltaic cells”, phys. stat. sol. (a) 204, No. 4, 1051-1055 (2007) / DOI 10.1002/pssa.200674149.
10. Jones R.C., “Immersed radiation detectors”, Appl. Opt, 1, 607-613 (1962).
11. Берковиц В.Л., Куницына Е.В., Львова Т.В., Улин В.П., Яковлев Ю.П., Андреев И.А. Способ получения нитридной пленки на поверхности гетероструктуры на основе GaSb, патент на изобретение №2370854, заявка: 2008125705/28, 16.06.2008.
12. Н.Д.Стоянов, М.П.Михайлова, О.В.Андрейчук, К.Д.Моисеев, И.А.Андреев, М.А.Афраилов, Ю.П.Яковлев «Фотодиоды на основе гетеропереходов II типа в системе Gab/InGaAsSb для спектрального диапазона 1.5-4.8 мкм», ФТП, 35, 467-473(2001).
13. A.Krier and W.Suleiman, “Uncooled photodetectors for the 3-5 µm spectral range based on III-V heterojunctions”, APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 083512 (2006)4
A.Krier and Y.Mao, "High performance InAsSb/InGaAs photodiodes for the 1.8-3.4 µm wavelength range", Infrared Physics & Technology, 38, 397-403 (1997);
A.Krier, Y.Mao (1997);
А.П.Астахова, Б.Е.Журтанов, А.Н.Именков, М.П.Михайлова, М.А.Сиповская, Н.Д.Стоянов, Ю.П.Яковлев «Улучшение параметров фотодиодных структур GaSb/GaInAsSb/AIGaAsSb с тонкой активной областью для спектрального диапазона 1.0-2.5 мкм», Письма ЖТФ, 33, 8-15 (2007);
Y.Sharabani, Y.Paltiel, A.Sher, A.Raizman, Z.Zussman, “InAsSb/GaSb heterostructure based mid wavelength infrared detector for high temperature operation”, MIOMD-VII Abstracts 8th International Conference on Mid-Infrared Optoelectronics: Materials and Devices (MIOMD-VIII) May 14-16, 2007, Bad IschI, Austria.
14. Шуберт Ф., «Светодиоды», пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича, с.496 (Москва, «ФИЗМАТЛИТ», 2008).
15. V.К.Malyutenko, A.V.Zinovchuk, О.Yu.Malyutenko. Semicond. Sci. Technol. 23 (2008) 085004.
16. В.A.Matveev, A.V.Ankudinov, N.V.Zotova, S.A.Karandashev, T.V.L'vova, M.A.Remennyy, A.Yu.Rybal'chenko, N.M.Stus', “Properties of mid-IR diodes with n-InAsSbP/n-InAs interface” (Proceedings Paper), Published 25 February 2010 Vol.7597: Physics and Simulation of Optoelectronic Devices XVIII, Bernd Witzigmann; Fritz Henneberger; Yasuhiko Arakawa; Marek Osinski, Editors, #75970G Proc. SPIE, v.7597, страницы: #75970G-
17. Зотова Н.В., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный M.A., Рыбальченко А.Ю., Стусь Н.М., «Пространственная неравномерность протекания тока и ее учет при определении характеристик поверхностно облучаемых фотодиодов на основе InAsSbP/InAs», ФТП, 2011, том 45, выпуск 4, 554-559.
18. Закгейм А.Л., Ильинская Н.Д., Карандашев С.А., Матвеев Б.А., Ременный M.A., Черняков А.Е., Шленский А.А. “Распределение излучения в светодиодах на основе GaInAsSb/GaSb”, ФТП, том 43, выпуск 5, 689-694 (2009).
19. В.A.Matveev, N.V.Zotova, S.A.Karandashev, M.A.Remennyi, N.M.Stus' and G.N.Talalakin “Towards longwave (5÷6 µm) LED operation at 80oC: injection or extraction of carriers?”, IEE Proceedings - Optoelectronics v. 149 (2002), Issue 1, pp.33-35.
20. Гаврилов Г.А., Матвеев Б.А., Сотникова Г.Ю., «Предельная чувствительность фотоприемного устройства на основе фотодиодов А3В5 среднего ИК-диапазона спектра», Письма ЖТФ, 37(18), 50-57 (2011).