Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

392

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

Спектры фоточувствительности. Спектры чувствительно-

сти фотосопротивлений в пренебрежении поверхностной реком-

бинацией по сути дела уже были рассчитаны нами выше (см.

формулу (7.12)). Как и следовало ожидать, спектральная чув-

ствительность пропорциональна доле потока квантов, поглощен-

ной в образце, которая, в свою очередь, определяется спектраль-

ной зависимостью коэффициента поглощения в полупроводни-

ке а(1гш) и толщиной образца.

Нам остается лишь на качественном уровне обсудить влияние

поверхностной рекомбинации на спектры фотопроводимости. Как

мы отмечали выше, влияние поверхностной рекомбинации можно

учесть, решив уравнение (7.5) с граничными условиями (7.13).

Анализ этого решения показывает, что фоточувствительность

образца уменьшается:

1) с увеличением скорости поверхностной рекомбинации s

при фиксированном значении а и

2) с увеличением коэффициента поглощения а при фиксиро-

ванном значении s (см. рис. 7.3).

100

г>

ь Ю

Рис. 7.4. Спектры фотопроводимости

кремния, легированного индием, при

Т = 93 К. Спад сигнала выше края

собственного поглощения связан с

влиянием поверхностной рекомбина-

ции [10]

Спектр фотопроводимости

образца p-Si(In), на кото-

ром видны полосы примес-

ной и собственной фотопрово-

димости, показан на рис. 7.4.

Уменьшение фотопроводимо-

сти при TLUJ > Eg обусловле-

но описанным выше влиянием

поверхностной рекомбинации,

а небольшое уменьшение при-

месной фотопроводимости в

области энергий кванта 0,3-

0,7 эВ — особенностью спек-

тральной зависимости сече-

ния фотоионизации для оп-

тических переходов глубокая

примесь-зона [10].

Ни}, эВ

Инфракрасные приемники. Создание фотоприемников, ра-

ботающих в инфракрасной (ИК) области спектра, представляет

собой важную задачу. В этой области лежат полосы погло-

щения многих газов (прежде всего Н2О и СО2), отделенные

друг от друга так называемыми окнами прозрачности ат-

мосферы. Фотоприемники, работающие в окнах прозрачности

7.1. Приемники излучения

393

атмосферы, используются для регистрации сигналов от удален-

ных источников (например, при наблюдении поверхности Земли

из космоса, слежении за летящими целями, в астрономии).

Они также применяются в системах ночного видения, тепло-

видении, секретной связи, для бесконтактного измерения тем-

пературы в технике и медицине. Фотоприемники, настроенные

на полосы поглощения, используются в задачах контроля за

состоянием окружающей среды (контроль загрязнения атмосфе-

ры СО, NO2, NH3, H2S, определение содержания СН4, озона

и др.) [262].

Работа инфракрасных фотоприемников может основываться

либо на явлении примесного поглощения, либо на собствен-

ном поглощении в полупроводнике. Несмотря на более высо-

кие параметры, достигаемые в «собственных фотоприемниках»,

набор полупроводников, из которых они могут быть созданы,

в общем, ограничен. Кроме Ge, Si, InSb, InAs, PbS, PbSe, ко-

торые характеризуются фиксированным значением ширины за-

прещенной зоны [262], приемники на основе собственной фо-

топроводимости изготавливают еще из ряда твердых раство-

ров, наиболее важными среди которых являются Hgi_

CdrTe

и Pbi-jSnxTe [261, 264]. В первом из этих твердых растворов

ширина запрещенной зоны непрерывно возрастает от отрица-

тельного значения 0 до 1,53 эВ с ростом содержания кадмия,

а во втором при увеличении х она сначала уменьшается до

нуля, а затем снова возрастает. Таким образом, подбирая состав

твердого раствора, в этих узкозонных полупроводниках можно

изменять положение края собственного поглощения в достаточно

широких пределах.

Работа «примесных фотоприемников» основана на явлении

примесного поглощения, длинноволновая граница которого

определяется энергией ионизации примеси. Эти фотоприем-

ники обычно изготавливают из полупроводников, технология

которых хорошо развита (Ge, Si). Наибольшее значение среди

таких фотоприемников для средней ИК-области имеют Ge(Au),

Ge(Hg), Ge(Cu), Ge(Zn) [262]. Для получения высокой

чувствительности примесные фотоприемники требуют охла-

ждения до температуры, при которой кТ составляет примерно

1/20 от энергии ионизации уровня. Спектры фоточувствитель-

ности некоторых из этих приемников можно увидеть ниже на

рис. 7.7.

®) Теллурид ртути является полуметаллом — материалом, в котором дно

зоны проводимости по энергии расположено ниже потолка валентной зоны.

394

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

При попытке продвинуться в еще более далекую ИК-область

спектра разработчики фотоприемников сталкиваются с тем, что

энергия ионизации примесей не может быть меньше энергии

ионизации водородоподобных уровней. Поэтому понятно, что для

каждого полупроводника существует некоторая максимальная

длина волны, до которой в нем еще можно наблюдать примес-

ную фотопроводимость. Для кремния наиболее длинноволновы-

ми приемниками являются приемники из Si(B) (Х

гр

= 28 мкм),

для германия — из Ge(Sb) и Ge(Ga) (Я

гр

= 115-130 мкм). Про-

движение в более длинноволновую область в таких фотоприем-

никах возможно за счет эффекта уменьшения энергии иониза-

ции акцепторных уровней в результате снятия вырождения зон

легких и тяжелых дырок при одноосной деформации кристаллов

вдоль оси [100]. Так, в фотоприемниках из напряженного Ge(Ga)

удается сдвинуть длинноволновую границу фоточувствительно-

сти от 114 к 200 мкм [265],

Наиболее серьезным недостатком примесных фотоприем-

ников является низкий коэффициент примесного поглощения.

Хотя растворимость водородоподобных примесей в Ge и Si обыч-

но высока (10

-10

см"

[10]), однако начиная с концентрации

~5 • 10

см"

из-за перекрытия волновых функций отдельных

атомов примеси в полупроводнике образуется примесная зона

и появляется прыжковая проводимость по этой зоне. При этом

темновой ток фотоприемников резко возрастает, а чувствитель-

ность — падает. По этой причине оптимальная концентрация

акцепторов в фотоприемниках Ge(Ga) состзвляет всего х

х 10

см

-3

, а соответствующий ей коэффициент примесного

поглощения равен 2 см

-1

. Еще одной особенностью примесных

фотоприемников является то, что их рабочее напряжение огра-

ничено сверху напряжением возникновения примесного пробоя

(см. подстрочное замечание на с. 45). Так, приемники из Ge(Ga)

работают при напряжении смещения всего 30-50 мВ. Все это,

вместе с необходимостью работать при температуре, близкой к

температуре жидкого гелия (4,2 К), делает конструкцию этих

примесных фотоприемников довольно сложной.

Фотоприемники с блокированной примесной зоной.

В 1986 г. Петроф и Стейплброк [266] из Rockwell International

получили патент на новую необычную конструкцию инфракрас-

ного фотоприемника, которая позволяет одновременно заметно

повысить чувствительность примесных фотоприемников и сдви-

нуть границу фотопроводимости в область длинных волн. Это —

так называемый фотоприемник с блокированной примесной

7.1. Приемники излучения

395

зоной (BIB — blocked impurity band). В этих приемниках доста-

точно сильно легированный водородоподобными примесями слой

полупроводника отделен от одного из контактов блокирующим

слоем из нелегированного полупроводника толщиной в несколько

мкм (см. рис. 7.5). Благодаря тому, что только возбужденные

в зону проводимости электроны могут преодолеть блокирующий

слой, а электроны, на-

ходящиеся в примесной

зоне, этого сделать не

могут, темновой ток

фотоприемника при низкой

температуре чрезвычайно

мал (1—100 электро-

нов в секунду). Эта

особенность позволяет

примерно в 100 раз повы-

сить концентрацию леги-

рующих примесей в погло-

щающем слое и за счет

увеличения коэффициента

поглощения увеличить

чувствительность фото-

приемника. При этом,

поскольку за счет эффек-

тов сильного легирования с ростом концентрации примесеи их

энергия ионизации уменьшается, это одновременно приводит

и к сдвигу красной границы поглощения в длинноволновую

область. Так, в фотоприемниках с блокированной примесной

зоной из Ge(Ga) удалось сдвинуть границу чувствительности

от Хрр = 115 мкм к 220 мкм [267].

Следует особо подчеркнуть, что для изготовления BIB-

фотоприемников необходимы полупроводники с очень низкой

концентрацией остаточных примесей в г-области и очень малым

коэффициентом компенсации в поглощающем слое, причем

с уменьшением энергии ионизации уровней требования к чистоте

полупроводника сильно возрастают. Первые BIB-приемники из Si

с энергией ионизации примеси ^45 мэВ были изготовлены еще

в конце 80-х годов. В разрабатываемых в настоящее время прием-

никах из Ge с энергией ионизации доноров ~10 мэВ концентра-

ция остаточных примесей в г-области должна быть <10

см~

а коэффициент компенсации в поглощающем слое <10~

Последнее обусловлено тем, что квантовая эффективность фото-

приемника определяется толщиной области пространственного

поглощающий

СЛОЙ j-

п+

тг

блокирующий

слой

примесная

зона

Рис. 7.5. Энергетическая диаграмма фото-

приемника с блокированной примесной зо-

ной

396

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

заряда W (см. рис. 7.5), а эта величина в случае, когда все

доноры заполнены электронами 0, определяется концентрацией

компенсирующей примеси (отрицательно заряженными акцепто-

рами). Из уравнения Пуассона следует, что толщина W, рабочее

напряжение на фотоприемнике V

g и концентрация компенсиру-

ющей примеси N

связаны соотношением

^6V

pa6

/(27rqW

Для V

£ = 50 мВ и W = 50 мкм в случае германия величина N

должна составлять всего 3- Ю

см

-3

. Максимальная напряжен-

ность электрического поля при этом равна 20 В/см, что близко

к напряженности поля примесного пробоя (см. подстрочное за-

мечание на с. 45). Интересно, что из-за того, что в области из-

гиба зон все донорные уровни полностью заполнены, электроны,

возбуждаемые ИК-излучением в зону проводимости, не могут

рекомбинировать во время своего движения к положительному

контакту, что обеспечивает полное собирание носителей, генери-

руемых в этой области.

Матрицы BIB-фотоприемников из Si(As) размером 256х

х256 элементов и из Si(Sb) размером 128x128 элементов в на-

стоящее время используются для астрономических наблюдений

из космоса на инфракрасном телескопе SIRTF; матрицы из Si(As)

размером 1024x1024 элемента будут установлены на спутнике

WISE, который планируют запустить в 2009 году. Имея при-

мерно такую же чувствительность, как и традиционные при-

месные фотоприемники (токовая чувствительность ~30 А/Вт

на длине волны 30 мкм), BIB-фотоприемники обладают суще-

ственно большей помехоустойчивостью по отношению к радиа-

ционному космическому фону, что связано с меньшей толщиной

поглощающего слоя.

В последние годы начаты работы по созданию BIB-

приемников на основе GaAs(Te). При энергии ионизации доно-

ров около б мэВ длинноволновая граница чувствительности

в лабораторных образцах этих детекторов в настоящее время

превышает 300 мкм [268]. Используя различные технологические

ухищрения, разработчикам удалось получить GaAs с разностной

концентрацией |Nd - N

\ < 10

см

-3

. Для продвижения в

область еще более длинных волн предполагается использовать

InAs и InSb, энергия ионизации доноров в которых составляет

') При подаче напряжения смещения на структуру необходимые для этого

электроны подходят из объема поглощающего слоя.

7.1. Приемники излучения

397

соответственно 1,4 и 0,7 мэВ [269]. К сожалению, в настоящее

время технология получения этих кристаллов недостаточно

разработана, и концентрация остаточных примесей в них

составляет ~10

см

-3

Интересной особенностью BIB-фотоприемников является воз-

можность их работы в режиме счета фотонов при регистрации

квантов ИК-излучения. Создав в некоторой области поглоща-

ющего слоя, прилегающей к блокирующему слою, условия для

ударной ионизации примесей и получив при этом коэффициент

лавинного умножения М= 10

-10

, авторам работы [270] уда-

лось создать на основе BIB-фотоприемника из Si(As) твердотель-

ный аналог фотоэлектронного умножителя, который регистри-

ровал отдельные кванты излучения в области длин волн 0,4-

28 мкм с эффективностью 30% на длине волны 20 мкм.

Фотоприемники на переходах между уровнями размерно-

го квантования. Новым типом ИК-фотоприемников для обла-

сти длин волн 3-35 мкм являются фотоприемники, работающие

на переходах между уровнями размерного квантования в сверх-

решетках [271] О. Преимуществом этих приемников является

ббльшая гибкость в формировании необходимого спектра фото-

чувствительности (длины волны в максимуме и ширины спек-

тра). Из этих фотоприемников уже изготавливаются матрицы

с числом элементов 1024x1024, однако темновые токи в них

пока выше, чем в традиционных фотоприемниках.

Принципиальную возможность использования сверхрешеток

в качестве приемников излучения обсуждали еще Есаки в

1977 г., но детальную теорию фотоприемников на оптических

переходах между уровнями размерного квантования первыми

развили Кун и Карунасири [272]. В одном из первых фото-

приемников такого типа, созданном в Bell Laboratories [273],

использовалась сверхрешетка, имевшая 50 периодов и состо-

явшая из квантовых ям (GaAs) шириной 76 А, разделенных

потенциальными барьерами из

широкозонного полупроводника

(Alo,36Gao,64As) шириной 130 А. Энергетический зазор между

первым и вторым уровнями размерного квантования при этом

составлял 123 мэВ, что соответствует длине волны А,« 10 мкм,

Структура была легирована так, чтобы при низкой температу-

ре в равновесии нижний уровень размерного квантования был

полностью заполнен электронами. При поглощении кванта света

') В зарубежной литературе для обозначения этого типа фотоприемников

используется аббревиатура QW1P (quantum well infrared photodetector).

398 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

электроны возбуждались с уровня Е\ на уровень Е

(см.

рис. 7.6 а), откуда они путем туннелирования в приложенном

к образцу электрическом поле (8 • 10

В/см) переходили

в область к вази непрерывного энергетического спектра и,

таким образом, увеличивали проводимость образца. Спек-

тры поглощения, отвечающие переходам между первым и

вторым уровнями размерного квантования, имели лоренцеву

форму с шириной на половине высоты, равной 11 мэВ.

Достаточно узкая полоса фоточувствительности вообще

характерна для всех фотоприемников, работающих на пере-

ходах между уровнями размерного квантования; ее ширина

определяется конечным времени жизни возбужденного состоя-

ния (0,17 пс в рассматриваемом случае) и конечной вероятно-

стью туннелирования. Токовая чувствительность описываемого

приемника составляла 0,8 А/Вт для поляризованного ИК-

излучения

Недостатком описанного выше фотоприемника является до-

вольно большой темновой ток, связанный с туннелированием

электронов между ямами в структуре с недостаточно толстыми

барьерами. Флуктуации этого тока снижают чувствительность

приемника. Этот недостаток удалось преодолеть в структуре,

описанной в работе [274]. В ней сверхрешетка также имела

50 периодов и состояла из квантовых ям из GaAs шириной 40 А,

разделенных потенциальными барьерами из Alo,3iGa

69As шири-

ной 300 А. Из-за малой ширины ямы в ней может локализоваться

только один уровень размерного квантования, а остальные уров-

ни попадают в область квазинепрерывного спектра. При этом

ширина спектра для межподзонных переходов увеличивается по

сравнению со структурами, в которых яма содержит два уровня

размерного квантования. Поскольку возбужденный электрон сра-

зу попадает в область континуума и ему не нужно туннелировать

сквозь барьер, толщина барьера может быть увеличена. Это

позволяет сильно уменьшить темновой ток и повысить вольт-

ваттовую чувствительность (см. рис. 7.66). Чтобы максимально

ослабить темновой ток в структурах с толстыми барьерами,

в которых он определяется тепловым выбросом электронов и тер-

мополевой эмиссией с уровня Е\, необходимо, чтобы этот уро-

вень максимально далеко отстоял от границы квазинепрерывного

') Согласно правилам отбора, оптические переходы между подзонами, об-

разуемыми из зоны проводимости полупроводника, разрешены только для

электромагнитных колебаний, в которых вектор электрического поля имеет

компоненту, перпендикулярную слоям сверхрешетки (см. (77)).

7.1. Приемники излучения

399

Е,

Е\

310

I-

а>

(О

>»

110

длина волны, мкм

9 8 7 6

2-Ю

150 200

энергия кванта, мэВ

Рис. 7.6. Энергетическая диаграмма (с) и спектр фоточувствительности при

77 К (б) ИК-фотоприемника на основе сверхрешетки [274]

спектра. Для этого ширина ямы и высота барьера подбираются

так, чтобы энергия уровня Е2 совпадала с положением края зоны

проводимости в материале барьера.

В еще одном варианте конструкции QWIP-фотоприемника

барьерные слои в сверхрешетке создаются настолько тонкими,

чтобы перенос возбужденных носителей осуществлялся по мини-

зоне, образованной из уровня Чтобы уменьшить темновой

ток, связанный с проводимостью по первой мини-зоне, в струк-

туру можно добавить блокирующий слой, аналогичный исполь-

зуемому в BIB-фотоприемниках (см. с. 394). Положение края

зоны проводимости в этом слое выбирается так, чтобы он ле-

жал между мини-зонами, образованными из уровней

Е\

Е^.

Эта конструкция фотоприемника характеризуется значениями

вольт-ваттовой чувствительности и обнаружительной способно-

сти, промежуточными между рассмотренными выше конструк-

циями. Улучшить эти параметры можно, расположив мини-зону

в области квазинепрерывного спектра [275],

Коэффициент поглощения, связанный с оптическими пере-

ходами между уровнями размерного квантования, составляет

500-3000 см

-1

. Из-за сильной поляризационной зависимости

коэффициента поглощения для получения высокой квантовой эф-

фективности в одиночных QWIP-приемниках излучение вводит-

ся в структуру под углом 45° к плоскости слоев (геометрия типа

«скошенный край»), а для матриц фотоприемников более тех-

нологичным оказывается придание поверхности структуры «ше-

роховатой» формы. При этом падающее на приемник излучение

400

Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

преломляется под случайными углами и достаточно эффективно

поглощается в объеме структуры.

Другими способами отклонения падающего излучения явля-

ется создание двумерных дифракционных решеток на плоской

поверхности структуры [276] и придание поверхности рифленой

формы путем ее избирательного химического травления.

Интересная возможность ослабить описанную зависимость

поглощения от поляризации излучения появляется при исполь-

зовании переходов между уровнями размерного квантования

в валентной зоне. Дело в том, что из-за сильного перемешива-

ния состояний легких и тяжелых дырок запрет на поглощение

излучения с ориентацией вектора электрического поля волны

параллельно плоскости слоев снимается и в таких структурах

исчезает необходимость в создании специальной геометрии вво-

да излучения в фотоприемник. К сожалению, из-за низкой по-

движности дырок возбужденные носители рекомбинируют на-

много раньше, чем они достигают контактов, и чувствитель-

ность таких QWIP-приемников примерно на порядок ниже, чем

для приемников, использующих переходы между состояниями,

образуемыми из зоны проводимости. По-видимому, идеальным

решением задачи создания «изотропного» приемника на основе

переходов между уровнями размерного квантования является ис-

пользование слоев самоорганизованных квантовых точек вместо

квантовых ям [276-278]. Теория фотоприемников на квантовых

точках (QDIP — quantum dot infrared photodetector) развита

в работе [279].

Усложнение структуры сверхрешетки позволяет получить

новые свойства в QWIP-приемниках. Так, для расширения спек-

тральной области чувствительности фото прием ни ков сверхре-

шетки строят из повторяющихся блоков, состоящих из несколь-

ких квантовых ям с несколько различной шириной и высотой

барьера [280]. Создание асимметричных ям и барьеров поз-

воляет создавать фотоприемники, область спектральной чув-

ствительности которых перестраивается внешним электрическим

полем [281].

Кроме рассмотренной выше гетеропереходной пары

GaAs/AlGaAs, для создания QWIP-приемников используются

пары GaAs/InGaP, GaAs/AlInP, InGaAs/InP, InGaAsP/InP,

InGaAs/AlInAs, InGaAs/GaAs. Наиболее «длинноволновые»

фотоприемники получены на основе сверхрешеток GaAs/ А1-

GaAs [282] и GaAs/InGaAs [283]. Быстродействие описываемых

фотоприемников ограничивается временем жизни фотовозбуж-

денных носителей, которое в структурах GaAs/AlGaAs состав-

7.1. Приемники излучения

401

ляет пс [284]. На основе QWIP-приемников в настоящее

время выпускается широких набор переносных и стационарных

тепловизионных систем с разрешением по температуре, достигаю-

щим 0,01 К, которые находят применение в пожаротушении,

вулканологии, медицине, астрономии, а также в оборонной

технике.

Фотоприемники, основанные на явлении внутренней

фотоэмиссии. В последние годы группа фотоприемников, чув-

ствительных в дальней инфракрасной области спектра (50-

200 мкм), пополнилась новым типом фотоприемников, работа

которых основана на явлении внутренней фотоэмиссии (HI-

WIP — homojunction interfacial workfunction internal photoemis-

sion) [285]. Приемники этого типа представляют собой много-

слойные структуры, построенные из очень тонких чередующихся

слоев сильно легированного полупроводника, в котором проис-

ходит поглощение излучения на свободных носителях, и слоев

почти собственного полупроводника.

Энергетический зазор между положением уровня Ферми

в сильно легированном слое и краем зоны проводимо-

сти в нелегированном слое, который в значительной мере

определяется эффектом сужения запрещенной зоны в сильно

легированном полупроводнике (см. п. 2.2.1), определяет ту

пороговую энергию, которую должен получить от кванта света

электрон, чтобы преодолеть потенциальный барьер и начать

участвовать в проводимости структуры.

Использование гетеропереходов (например, GaAs-Alo.o2G3o.98

As) для формирования барьеров позволяет не только сделать

параметры этих фотоприемников более управляемыми, но также

уменьшает темновой ток и повышает токовую чувствительность

до значений, которые заметно превосходят соответствующие па-

раметры QWIP-фотоприемников [286]. В отличие от барьеров

Шоттки, в которых квантовый выход фотоэмиссии из металла

не превышает 1% (см. с. 326 в гл. 5), в HIWIP-фотоприемниках

уже достигнута квантовая эффективность 24% [286].

7.1.3. Шумы в фотоприемниках. Введенная на с. 389

вольт-ваттная чувствительность не может полностью охаракте-

ризовать фотоприемник, поскольку в действительности регистра-

ция сигнала проводится в условиях шума, и существует нижняя

граница значения сигнала, который может быть обнаружен. Ис-

точниками шума при измерениях фотопроводимости являются:

тепловой шум, дробовой шум, генерационно-рекомбинационный

шум, фликкер-шум, а также радиационный (фотонный) шум.