Фотоприемники на квантовых ямах

Фотоприемники и фоточувствительные элементы на основе квантоворазмерных структур

Применение квантово размерных структур

Лекция 6

Процессы оптической ионизации квантовых ям могут использоваться для создания новых типов приемников инфракрасного излучения. Принцип приемника весьма прост: выброс носителей в зону проводимости широкозонного полупроводника (потенциального барьера) увеличивает проводимость в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры.

По своему действию такой приемник напоминает примесный фоторезистор, где в роли центров выступают квантовые ямы. Напомним принцип работы полупроводникового фоторезистора.

Важной особенностью полупроводников является способность увеличивать электропроводность под действием света. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням. Носители тока, возникшие в результате освещения, называются неравновесными или избыточными. Увеличение числа свободных носителей заряда приводит к уменьшению сопротивления полупроводника.

В примесном полупроводнике под действием света с энергией кванта, превышающей энергию активации примеси, электроны могут переходить с донорных уровней примеси в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни примеси. В первом случае возникает электронная проводимость, во втором - дырочная.

На рис 6.1.а представлена схема образования электрона фотопроводимости и дырки у собственного беспримесного полупроводника.

Рис. 6.1. Фотопроводимость различных типов полупроводников. а - беспримесный полупроводник, б,в - примесные полупроводники (с донорной (б) и акцепторной (в) примесью).

Фотон с энергией равной или большей ширины запрещенной зоны, переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. При этом образуется пара – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Они участвуют в создании собственной фотопроводимости полупроводника. На рисунках 6.1.б и 6.1.в показано, как создаются носители тока под действием света в примесных (донорных 6.1.б и акцепторных 6.1.в) полупроводниках. В случаях, когда энергия фотона больше или равна энергии активации примесной проводимости, электрон либо переходит с донорного уровня в зону проводимости, либо из валентной зоны на акцепторный вакантный примесный уровень.

Фотопроводимость приёмника на квантовых ямах, так же как и обычного фоторезистора, определяется произведением трех факторов: скорости оптической генерации, которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту поглощения α, времени жизни в делокализованном состоянии и эффективной подвижности в нем µ_эф, которая, очевидно, должна быть пропорциональна квантово-механическому коэффициенту прохождения электрона над квантовой ямой. Первый и третий факторы максимальны для резонансных квантовых ям, a , напротив, минимально для них. Однако анализ показывает, что совокупное действие всех факторов оказывается таковым, что фотоприемники на квантовых ямах будут иметь лучшие параметры в случае резонансных ям.

Рис. 6.2. Процесс захвата неравновесного электрона в квантовую яму с испусканием оптического фонона.

Приемники на основе квантовых ям могут составить конкуренцию фоточувствительным структурам на основе твердых растворов CdHgTe — важнейшему типу приемников для данного спектрального диапазона. Основным достоинством структур на квантовых ямах является большая стабильность и меньший разброс параметров, что особенно важно для матричных фоточувствительных структур.

Путем сравнительно небольших изменений состава широкозонных слоев и толщины ямы можно менять положение максимума и ширину полосы фоточувствительности. Последнее обстоятельство связано с тем, что по мере нарушения точного условия резонанса спектр фотоионизации квантовой ямы становится более плавным и имеет менее резкий максимум.

Рис. 6.3. Способы ввода излучения в фотоприемник с квантовыми ямами. а — через скошенный торец подножки; б — с помощью дифракционной решетки. 1 — подложка; 2 — фоточувствительная структура с квантовыми ямами; 3 — дифракционная решетка.

В связи с тем, что оптическая ионизация квантовых ям может вызываться лишь светом, поляризованным по нормали к квантовым слоям, описанные фотоприемники должны содержать специальные приспособления, поляризующие падающий свет требуемым образом. Есть два основных способа сделать это. Свет может направляться в фоточувствительную структуру под углом через скошенный торец подложки (Рис. 6.3.a). В другом варианте свет проходит через подложку по нормали, а должную поляризацию приобретает после дифракции на решетке, специально нанесенной на верхнюю поверхность структуры (Рис. 6.3.б). Возможно альтернативное решение проблемы поляризации, позволяющее избежать описанных выше конструкционных усложнений. Речь идет о выращивании квантовых структур из полупроводников с анизотропным энергетическим спектром. При наличии анизотропии электрическое поле нормально падающей световой волны, лежащее в плоскости слоев, придает электронам импульс под некоторым углом к этой плоскости. С позиций квантовой механики это означает возможность переходов между различными квантово-размерными уровнями или между уровнем и континуумом состояний над квантовой ямой, что и требуется для работы приемника.

На практике для реализации этой идеи чаще всего используют гетероструктуры на основе той же, наиболее освоенной технологически, системы GaAs-Al_xGa_1-xAs, но имеющие не n-, а p-тип легирования. При этом сложный характер энергетического спектра валентной зоны обеспечивает фоточувствительность при нормальном падении света.

Дата добавления: 2014-01-11