ФОТОПРИЕМНИК НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ
PHOTODETECTOR BASED ON STRUCTURE WITH QUANTUM WELLS

Предлагаемое изобретение относится к фоточувствительным полупроводниковым приборам, работающим в инфракрасной области спектра, и может быть использовано при создании одно- и многоэлементных приемников излучения с фоточувствительными элементами (ФЧЭ) на основе структуры с квантовыми ямами (СКЯ).
x
1-x
Известны фотоприемники на основе структуры с квантовыми ямами (ФП СКЯ), содержащие подложку из полуизолирующего GaAs, на которой последовательно выращены сильно легированный нижний контактный слой n-типа из GaAs, множество периодов барьер - яма (обычно 50 периодов) состава Al Ga As-GaAs и сильно легированный верхний контактный слой n-типа из GaAs. Чувствительный элемент фотоприемника сформирован путем вытравливания мезы в СКЯ до нижнего контактного слоя. На нижнем и верхнем контактных слоях формируются омические контакты посредством напыления и вжигания сплава Au:Ge (см. B.F. Levine et al, Appl.Phys.Lett. v. 56(9), pp 851-853, (1990)). Недостатком указанного ФП является относительно низкая рабочая температура по сравнению с аналогами на основе узкозонных материалов, например HgCdTe. Так фотоприемник ФП СКЯ на диапазон 8-12 мкм обычно имеет рабочую температуру около 65 К, тогда как ФП на основе HgCdTe на тот же диапазон может работать при 77 К. Одной из основных причин низкой рабочей температуры ФП СКЯ является очень малое время жизни неравновесных носителей, составляющее порядка нескольких пикосекунд.
Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому ФП СКЯ, имеющий в основном ту же конструкцию, что и описанный выше, но отличающийся тем, что на границах барьер - яма в нем сформированы слои, имеющие более высокое содержание алюминия, чем в барьерах, и приводящие к ступенчатому подъему энергии дна зоны проводимости на границе с квантовой ямой (см. B.F. Levine, Semicond. Sci. Technol., v. 8, с.400--405 (1993)). Согласно экспериментальным данным в указанном ФП СКЯ достигается более высокое значение коэффициента фотоэлектрического усиления, чем в ФП СКЯ без дополнительных слоев. Такой результат позволяет предположить, что ФП СКЯ с дополнительными широкозонными слоями на границах барьер - яма имеет более высокие (на несколько десятков процентов) значения времени жизни неравновесных носителей. Однако указанный масштаб увеличения времени жизни не может привести к существенному повышению рабочей температуры ФП СКЯ.
Техническим результатом при использовании предлагаемой конструкции ФП СКЯ является повышение его рабочей температуры. Следствием указанного результата является существенное снижение требований к системе охлаждения ФП, уменьшает энергопотребление и весогабаритные характеристики аппаратуры на его основе.
x
1-x
x
1-x
Указанный технический результат достигается тем, что в ФП СКЯ, содержащем подложку из полуизолирующего GaAs, на которой выращены сильно легированные нижний и верхний контактные слои из GaAs, а между ними множество периодов барьер - яма состава Al Ga As-GaAs, в которых на границах барьер - яма имеются области подъема энергии дна зоны проводимости барьера, сформированы области AlGaAs, проникающие сквозь множество периодов барьер - яма между верхним и нижним контактными слоями и имеющие характерную толщину в плоскости слоев СКЯ и концентрацию легирующей примеси такие, что область пространственного заряда на границах с квантовыми ямами распространяется на всю толщину указанных областей.
Известно, что одним из важнейших факторов, определяющих рабочую температуру ФП, является время жизни неравновесных носителей в нем (см., например, П.А. Богомолов и др., «Приемные устройства ИК - систем», - М., Радио и связь, 1987 г., с. 49). В упрощенном виде рабочую температуру ФП можно оценить с помощью неравенства:
d
b
d
А
-3
-2
-1
-1
где N - концентрация свободных носителей с активной области ФП в см; Q - фоновая облученность ФП в смс; α - коэффициент поглощения излучения в см; τ - время жизни генерированных светом носителей тока. Учитывая, что в СКЯ N=A(T)·exp[-EA/kT], где Е - термическая энергия активации квантовой ямы, k - постоянная Больцмана, Т - температура ФП, А(Т) - коэффициент пропорциональности, медленно меняющийся с Т, после несложных преобразований можно получить:
y
1-y
Из (2) следует, что конструктивными параметрами ФП СКЯ, влияющими на его рабочую температуру, являются α и τ. И если увеличение α, точнее, определяемой им квантовой эффективности в современных ФП СКЯ возможно лишь в весьма ограниченных пределах, то возможности по увеличению τ оказываются гораздо шире и могут быть реализованы путем изменения конструкции СКЯ. Идея, лежащая в основе предлагаемого технического решения, состоит в том, чтобы в известных СКЯ, имеющих на границах барьер - яма области подъема энергии дна зоны проводимости барьера, сформировать области того же состава, что и в основной части барьеров, проникающие сквозь всю СКЯ между верхним и нижним контактными слоями и образующие при этом металлургические контакты с пересекаемыми ими слоями СКЯ. Указанные области при рабочей температуре ФП СКЯ должны иметь минимально возможную равновесную концентрацию свободных носителей. Данное условие может быть обеспечено, если указанные области имеют характерную толщину в плоскости слоев СКЯ и концентрацию легирующей примеси такие, что область пространственного заряда на границах с квантовыми ямами распространяется на всю толщину указанных областей. В известных конструкциях ФП СКЯ свободные носители, дрейфующие под действием электрического поля поперек слоев СКЯ, находясь над ямами, имеют заметную вероятность рекомбинировать в них. В ФП СКЯ, в которых на границах ям и барьеров имеются препятствия в виде областей подъема энергии дна зоны проводимости барьеров, вероятность рекомбинации снижается из-за увеличения энергии пересекающих ямы носителей. Однако снижение вероятности рекомбинации не становится значительным, поскольку носители заряда и в данном случае вынуждены пересекать пространство над ямами в отсутствие иных траекторий движения, не связанных с пересечением ям. Дополнительные области с описанными характеристиками как раз и представляют собой альтернативные пути движения свободных носителей. Двигаясь по такому пути, носитель тока избегает необходимости пересечения квантовой ямы, где он может рекомбинировать, поскольку на границах дополнительных областей и квантовых ям в первых будет возникать положительный пространственный заряд, искривляющий зону проводимости дополнительной области и создающий препятствие для проникновения находящихся в ней носителей в квантовую яму. Для подавления поверхностной рекомбинации носителей на внешней границе дополнительной области может быть сформирован слой Al Ga As с y>х и меньшей концентрацией доноров в нем, препятствующий проникновению свободных носителей из дополнительной области к указанной границе.
Описанная выше конструкция ФП СКЯ отчасти является реализацией одного из подходов к задаче повышения времени жизни неравновесных носителей в примесных (extrinsic) фотопроводниках (N. Sclar, IEEE Trans.El.Dev, Vol. ED-27, №1, pp 109-118, (1980)). Идея, лежащая в основе указанного подхода, состоит в том, что превратить центры захвата свободных носителей из притягивающих или нейтральных в отталкивающие, что достигается частичной компенсацией ловушек соответствующим образом подобранных примесей. Указанный подход позволил увеличить время жизни свободных носителей в примесном германии на несколько порядков. В случае обычного ФП СКЯ квантовую яму можно рассматривать как нейтральный центр захвата свободных электронов. Превратить его в отталкивающий центр можно путем легирования барьеров, вследствие чего свободные носители из последних перетекают в яму и заряжают ее отрицательно. Введение дополнительных областей создает канал для протекания свободных носителей, отделенный от центра захвата потенциальным барьером и обеспечивающий таким образом значительное увеличение их времени жизни.
x
1-x
x
1-x
y
1-y
Сущность предложенного технического решения поясняется с помощью чертежей. На фиг. 1 представлен фрагмент одного периода ФП СКЯ, в котором 1 - квантовая яма из GaAs, ограниченная с двух сторон в направлении роста СКЯ барьерами 2 из Al Ga As. В плоскости, перпендикулярной слоям 1 и 2, расположена дополнительная область 3 в виде слоя Al Ga As, граничащего сними, а также 4 - внешний барьерный слой Al Ga As, обеспечивающий пассивацию внешней границы слоя 3.
z
1-z
На фиг. 2 представлен аналогичный фрагмент периода ФП СКЯ, в котором в отличие от конструкции на фиг. 1 между барьерами 2 и квантовой ямой 1 введены слои 5 Al Ga As, (z>x), обеспечивающие подъем энергии дна зоны проводимости на границах барьер - яма.
x
1-x
На фиг. 3. представлен фрагмент ФП СКЯ, в котором сформирована дополнительная область 6 в виде слоя Al Ga As, покрывающего стенки углубления, проникающего сквозь СКЯ.
На фиг. 4 представлен фоточувствительный элемент (ФЧЭ) на основе СКЯ, выполненный в виде мезы. В пределах площади ФЧЭ сформирован массив углублений в СКЯ, проникающих сквозь нее до нижнего контактного слоя 7. Внутри указанных углублений сформированы дополнительные области 6, показанные на фиг. 3.
x
1-x
y
1-y
3
4
0
c
d
0
x
1-x
c
d
max
1/2
16
-3
Предлагаемая конструкция ФП может быть реализована следующими способами. СКЯ с областями подъема энергии дна зоны проводимости барьеров на границе барьер - яма может быть сформирована, например, выращиванием более широкозонных прослоек 5 (фиг. 2) на границах барьер - яма, как это сделано в прототипе, либо путем принудительного легирования барьеров (равномерно или только вблизи границ) донорной примесью, что при охлаждении ФП СКЯ приведет к возникновению у границ барьер - яма областей пространственного заряда, приводящих к подъему энергии дна зоны проводимости барьеров вблизи ям (фиг. 1). В изготовленной таким образом СКЯ посредством травления формируют ФЧЭ, а в пределах площади ФЧЭ вытравливают углубления до нижнего контактного слоя 7 (фиг. 3, 4), после чего СКЯ подвергается процессу заращивания: на поверхности с ФЧЭ методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) производится наращивание слоя AlGaAs того же состава, что и барьеры в СКЯ. В этом же процессе может быть выращен и слой Al Ga As с y>х, пассивирующий внешнюю поверхность дополнительной области. Со стороны верхнего контактного слоя ФЧЭ закрывают диэлектриком, например SiN. Так что слой дополнительной области растет только в углублениях и на боковой поверхности ФЧЭ. Толщина наращиваемого слоя определяется из условия: d≤(2εεU/eN), где εε - диэлектрическая проницаемость Al GaAs, U - контактная разность потенциалов между барьером и ямой, е - заряд электронов, N - концентрация легирующей примеси в барьере. При концентрации фоновой донорной примеси в барьере около 1×10 см толщина области обеднения в наращиваемом слое будет около 0,1-0,2 мкм, т.е. металлургическая толщина слоя не должна превышать указанную величину. Благодаря данному условию на границах ямы с дополнительной областью и барьерами образуется треугольный барьер со стороны широкозонных слоев, препятствующий проникновению свободных носителей в яму. В результате часть из них вынуждены будут дрейфовать по дополнительной области в направлении положительного контакта. В качестве углублений, в которых формируются дополнительные области, можно использовать элементы дифракционной решетки, изготавливаемой обычно в ФП СКЯ для ввода излучения в ФЧЭ (см. фиг. 4). В этом случае элементы дифракционной решетки - углубления, - должны проникать сквозь СКЯ до нижнего контактного слоя и иметь глубину не λ/4n (в случае длинноволнового ФП это соответствует примерно 0,8 мкм), как обычно в ФП СКЯ, а 3λ/4n, что больше подходит для предлагаемой конструкции (λ - длина волны максимума спектра фоточувствительности ФП СКЯ, n - показатель преломления GaAs). Для примера рассмотрим длинноволновый ФП СКЯ с максимумом спектра фоточувствительности 9 мкм. Для GaAs на указанной длине волны n=3,3, а требуемая глубина рельефа дифракционной решетки будет около 2,1 мкм. При периоде СКЯ 50 нм и количестве периодов 50 углубления будут проникать вглубь СКЯ практически на всю ее толщину. При этом период дифракционной решетки должен выбираться из условия: D≈λ/n и в рассматриваемом случае будет около 2,7 мкм. Следует отметить, что рассмотренные методы формирования ФЧЭ с дополнительными областями - травление углублений в СКЯ и их заращивание методом МЛЭ, - относятся к хорошо отработанным технологиям применительно к системе Al Ga As-GaAs.