Лавинные фотодиоды, фотодиоды Шоттки, фотодиоды с гетероструктурой

Чувствительность приемников излучения на основе р-n-перехода можно увеличить, расширяя область объемного заряда, ширину перехода, создавая р-i-n-диоды, в которых широкая область собственного материала (i) расположена между двумя легированными областями противоположного знака электропроводности. При наложении обратного напряжения сильное электрическое поле распространяется на всю область собственной проводимости. Если фотоносители ускоряются так, что в процессе соударения рождаются дополнительные электронно-дырочные пары, то приемник обладает внутренним усилением и называется лавинным фотодиодом. Такая структура позволяет получать очень быстродействующий и чувствительный приёмник излучения. Повышение быстродействия p-i-n фотодиода обусловлено тем, что процесс диффузии фотоносителей в этих структурах заменяется дрейфом в сильном электрическом поле p-n-перехода. Из-за малого уровня шума обнаружительная способность фотодиодов на основе p-n-перехода имеет большие значения по сравнению с фотопроводящими приемниками.

На основе контакта металл-полупроводник создаются фотодиоды Шоттки. Реальные контакты металла c полупроводником в настоящее время создаются методом напыления в вакууме металла на полупроводник. Барьеры Шоттки образуются как на контакте металла с полупроводником n-типа, так и с полупроводником р-типа. Спектральная характеристика фотодиода на основе контакта металл-полупроводник шире, чем спектральная характеристика фотодиода с р-n-переходом из того же полупроводника, так как поглощение квантов излучения происходит в металле с энергией, меньшей ширины запрещённой зоны. В диодах Шоттки не происходит накопления заряда неосновных носителей, инерционность этих приборов определяется только временем пролета фотоносителей через область объемного заряда и равна (10^-10 – 10^-11) с. Барьеры Шоттки отличаются простотой их создания и изготовления на разнообразных полупроводниках, в том числе и на таких, в которых не удаётся получить классический p-n-переход.

До сих пор мы рассматривали гомопереходы, р- и n- области созданы из одного и того же полупроводника, они имеют одинаковые значения ширины запрещенной зоны. Представляют интерес гетеропереходы, в которых р- и n- области перехода изготовлены из различных полупроводников – широкозонного и узкозонного. В гетеропереходе есть возможность получить высокоэффективную инжекцию неосновных носителей в узкозонный полупроводник. Зонная диаграмма р-n-гетероперехода представлена на рис. 26. Благодаря разрывам DЕ_с и DЕ_v высоты потенциальных барьеров для электронов и дырок разные. Поэтому в гетеропереходе обычно происходит односторонняя инжекция носителей из широкозонного полупроводника в узкозонный. Когда прямое смещение выравнивает валентные зоны, дырки инжектируются в n- область.

Рис. 26. Идеальная зонная схема для гетероперехода.

а-в условиях равновесия, б-при прямом смещении V.

Инжекции же электронов в р- область препятствует барьер DЕ = Е_g1- E_g2. При освещении поверхности со стороны широкозонного полупроводника в узкозонном полупроводнике поглощаются фотоны с энергией Е_g2 < ħw < E_g1. Широкозонный полупроводник служит «окном», прозрачным для света, поглощаемого в узкозонном полупроводнике.

Хорошие результаты получены при использовании гетероструктур для создания солнечных элементов. Коэффициент полезного действия (к.п.д) этих элементов будет больше, если расширить спектральную область падающего на солнечный элемент излучения. Одними из первых были получены и исследованы гетероструктуры на основе Ge-GaAs. Свет падает на p-GaAs и поглощается в n-Ge. К.п.д современных солнечных батарей равняется ~ 25%, рабочая область l = (0.4 – 0.9) мкм.

Для получения идеальных монокристаллических гетеропереходов необходимо, чтобы у полупроводников совпадали типы кристаллических решёток с точностью ~ 0.1%.

З. 3. 7. Фотоприёмники с зарядовой связью. ПЗС – структуры.

Структуры металл-диэлектрик-полупроводник, МДП, металл-окисел-полупроводник, МОП, являются основными ячейками образования фото-ПЗС структур (приборов с зарядовой связью). ПЗС-структура является прибором, в котором электрический сигнал представлен не током или напряжением, а зарядом. МДП- и МОП – структуры можно представить, как обычный конденсатор, у которого нижняя металлическая обкладка заменена полупроводником. Верхняя металлическая обкладка называется затвором. Если к такому конденсатору приложить постоянное напряжение, то в отличие от металла заряд в полупроводнике не будет сосредотачиваться на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние вглубь полупроводника. Система ПЗС состоит из большого количества МДП-конденсаторов, расположенных рядом и взаимодействующих друг с другом.

Пусть полупроводник под затвором кратковременно облучается лучистым потоком. В полупроводнике генерируются электроны и дырки. Электрическое поле перехода разделяет фотоносители: электроны идут вглубь полупроводника, а дырки накапливаются у его поверхности (полупроводник n-типа). Накопленный у поверхности дырочный заряд называется зарядовым пакетом, он больше, если больше энергия излучения и служит в фото-ПЗС носителем информации об изображении. Рабочий режим ПЗС - нестационарный, динамический, он не рассчитан на длительное хранение информации, иначе может произойти усреднение сигналов. Время переноса заряда тем меньше, чем меньше расстояние между затворами, чем выше подвижность носителей и напряжение считывания. В фото-ПЗС происходит преобразование оптического излучения (почти всегда видимого) в электрический сигнал в виде заряда.

С точки зрения применения фото-ПЗС особенно перспективны как многоэлементные фотоприемники. Накопление, хранение и передача оптической информации обеспечиваются одними и теми же элементами. Твердотельные формирователи изображения на фото-ПЗС успешно вытесняют классические передающие электронно-лучевые трубки. Успешно продвигается разработка телеаппаратуры на фото-ПЗС.

3. 3. 8. Приёмники излучения для ультрафиолетовой области спектра.

В настоящее время исследователи всё большее внимание уделяют получению информации путём работы в ультрафиолетовой области спектра. Ультрафиолетовое излучение занимает спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн от 400 до 10 нм. УФ-область условно делится на ближнюю (400 –200 нм) и далёкую, вакуумную (200 – 10 нм) области. Спектральная область от 200 до 400 нм называется биологически активным ультрафиолетом: область (320 – 400) нм – УФ-А, область (200 – 320) нм – УФ-Б. Ультрафиолетовое излучение поглощается верхними слоями тканей растений, кожи человека и животных. При этом происходит химическое изменение молекул биополимеров. Малые дозы оказывают благотворное действие на организм – способствуют образованию витаминов группы D, улучшают иммунобиологические свойства. Большие дозы могут вызвать ожоги кожи. Характерной чертой для УФ-излучения является уменьшение прозрачности (увеличение коэффициента поглощения) большинства тел, прозрачных в видимой области спектра. В коротковолновой области спектра прозрачны увиолевое стекло, сапфир, фтористый магний, кварц, флюорит, фтористый литий и некоторые другие материалы. Из газообразных материалов наибольшую прозрачность имеют инертные газы, самую коротковолновую границу прозрачности имеет He - l = 50.4 нм. Коэффициент отражения всех материалов, в том числе металлов, в УФ-области убывает с уменьшением длины волны. Например, коэффициент отражения Al резко уменьшается при l < 90 нм.

Излучение накаленных до температур ~ 3000 К твёрдых тел содержит заметную долю УФ непрерывного спектра. Мощный источник УФ излучения – газоразрядная и высокотемпературная плазмы, также используются ртутные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы.

Естественные источники УФ излучения – Солнце, звёзды, туманности и другие космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть излучения Солнца (l > 290 нм) достигает земной поверхности. Основная доля этого излучения с λ = 240 – 290 нм проникает до высот 20 – 40 км, где поглощается озоном, вызывая его диссоциацию. Энергия излучения с длинами волн λ < 240 нм поглощается на высотах 80 – 100 км, вызывая диссоциацию О₂.

Для регистрации УФ-излучения применяются фотоэлектрические приёмники, использующие способность ультрафиолетового излучения вызывать ионизацию и фотоэффект: фотодиоды, фотоумножители. Разработан также особый вид фотоумножителей - каналовые электронные фотоумножители, позволяющие создавать микроканаловые пластины. В таких пластинах каждая ячейка является каналовым электронным умножителем размером до 10 мкм. При исследовании также используются различные люминесцирующие вещества, преобразующие УФ-излучение в видимое. Разработаны диссекторы с теллур-цезиевым фотокатодом, а также фотокатод с хорошей «солнечной слепотой» на основе иодида – цезия. В литературе имеются сведения о создании фотокатодов GaAs+Cs с квантовым выходом h ~ 35%, а также фотокатода на основе GaP+Сs с h ~ 40%.

Фотоумножители обладают самой высокой чувствительностью среди приёмников излучения. Но при своей работе они требуют использования высокого напряжения. В настоящее время созданы матрицы УФ-излучения (32х32) на основе p-i-n-фотодиодов на гетероструктуре GaN/AlGaAs. Базовым слоем является n-AlGaN с cодержанием Al ~ 2% Вся структура находится на сапфировой подложке, со стороны которой падает излучение. Элемент фотодиода чувствителен к излучению с длиной волны ~ 320 – 365 нм. Границу фоточувствительности матрицы возможно смещать, изменяя содержание в слое Al. Наибольший интерес для практических целей представляет солнечно-слепой УФ-детектор, принимающий изображение в области 250 – 280 нм, который может следить за струями газа, отрабатываемого ракетой. Приёмник ультрафиолетового излучения полезен для распознавания биологического оружия, для изучения озонового слоя, в УФ-астрономии.

На основе эпитаксиальных плёнок AlGaN, полученных методами молекулярно-лучевой эпитаксии и из металло-органических соединений, разработаны фотосопротивления, фотодиоды Шоттки, фотодиоды на p-n-переходе для УФ области спектра. На рис. 27 представлена зависимость фотоотклика фотодиодов Шоттки из Al_xGa_1-xN от содержания Al (х).

Рис. 27. Спектральная чувствительность фотодиода Шоттки

на основе Al_xGa_1-xN в зависимости от содержания Al:

х = 0(1), 0.19(2), 0.27(3), 0.35(4).

Созданы эпитаксиальные структуры лазерных диодов на основе GaInN, дающие излучение с длинами волн 418 и 428 нм.

р-n-Переходы находят широкое применение для создания лазерных диодов (ЛД). Пороговый ток I_пор инжекции полупроводниковых диодов тем больше, чем больше ширина излучающего перехода. Для простого р-n- перехода I_пор = 10⁵ А/cм², для гетероструктур его можно снизить на два порядка. Переход к структурам с квантово-размерными эффектами приводит к уменьшению I_пор не только вследствие уменьшения ширины перехода, но и в результате большой локализации функции плотности квантовых состояний. Для структуры с квантовыми ямами достигнуто I_пор = 160 А/см². Сложная лазерная структура, сочетающая квантовую яму и короткопериодные сверхрешётки, позволила получить значения пороговой плотности тока I_пор = 40 А/ см² Наиболее значительные изменения в данной области произошли только после применения в лазерах двойной гетероструктуры. Использование одиночной квантовой ямы и короткопериодных сверхрешёток привело фактически к достижению теоретического предела порогового тока полупроводниковых лазеров.

3. 3. 9. Приёмники излучения на основе квантово-размерных эффектов.

Традиционный подход к управлению свойствами полупроводниковых материалов основан на использовании процессов легирования их примесями, создающими определённые электронные уровни в запрещённой зоне. Однако в ряде случаев традиционный подход наталкивается на принципиальные ограничения, обусловленные отсутствием в природе примесей с подходящими свойствами, низким пределом растворимости атомов многих примесей в кристаллической решётке полупроводника, высокой концентрацией электрически активных собственных дефектов решётки и т. д. В связи с этим, в последние годы активно развивается новый подход к управлению свойствами полупроводников, основанный на формировании в полупроводниковой матрице наноразмерных кластеров, в состав которых могут входить атомы вводимых примесей, атомы собственных компонентов.

В 80-х годах прошлого столетия зародилась новая наука – наноэлектроника. Можно выделить три основных типа наноструктур: квантовые ямы, где носители ограничены в направлении, перпендикулярном к слоям, и могут двигаться свободно в плоскости слоя (двумерные системы); квантовые нити или проволоки, где носители заряда ограничены в двух направлениях и свободно перемещаются вдоль оси проволоки (одномерные образования); квантовые точки, в которых носители заряда ограничены уже во всех трёх направлениях и обладают полностью дискретным электронным спектром (нульмерные структуры). На рис. 28 представлены схематические диаграммы функции плотности состояний для этих типов структур.

Рис. 28. Схематические диаграммы функции плотности состояний для

структур с квантовыми ямами (а), квантовыми проволоками (б),

квантовыми точками (с).

В наноразмерных структурах «запирание» электрона приводит к увеличению его импульса. Соответственно увеличивается и кинетическая энергия электрона. Таким образом, квантовое ограничение приводит к увеличению минимальной энергии «запертого» электрона и дополнительному квантованию энергетических уровней, соответствующих его возбуждённому состоянию. Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур существенно отличаются от свойств объёмных материалов, из которых они сделаны. Уникальным свойством квантовых частиц является их способность проникать через преграду даже в случае, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, влияет на туннелирование через потенциальные барьеры, и оно приобретает резонансный характер.

Высокая концентрация кластеров, наноразмерных структур, и наличие встроенных электрических полей способствует быстрому захвату и рекомбинации неравновесных носителей заряда. Например, характерные времена жизни носителей заряда, экспериментально измеренные в арсениде галлия, содержащем кластеры мышьяка, составляет 1пс. Большое удельное сопротивление в сочетании с рекордно малым временем жизни носителей заряда делают эти структуры привлекательными для различных применений в сверхбыстродействующей полупроводниковой электронике.

Электронный спектр идеальной квантовой точки представляет собой набор дискретных уровней, разделённых областями запрещённых состояний, и соответствует электронному спектру одиночного атома, хотя реальная квантовая точка при этом может состоять из сотен тысяч атомов. С приборной точки зрения это даёт возможность устранить основную проблему современной микро- и оптоэлектроники – «размывание» носителей заряда в энергетическом окне kТ, приводящее к деградации свойств приборов при повышении рабочей температуры.

Большое внимание в настоящее время уделяется созданию структур с квантовым точкам, поскольку в отличие от квантовых ям они обладают рядом только им присущих особенностей. К ним следует отнести, например, снятие запрета по квазиимпульсу на непрямые оптические переходы; дискретный спектр энергетических состояний в квантовых точках с энергетическими зазорами между уровнями Е_g > kТ. Наличие дискретности энергетических уровней способствует созданию полупроводниковых приборов, обладающих температурно-независимыми оптическими свойствами.

В течение долгого времени во всём мире предпринимались попытки изготовления приборов на квантовых точках «традиционными способами»: путём селективного травления, роста на профилированных подложках, на сколах. Качественный прорыв в этой области связан с использованием эффектов самоорганизации полупроводниковых наноструктур на кристаллических поверхностях. Такие структуры могут возникать в замкнутых системах, например, при отжиге образцов или при длительном прерывании роста, а также в открытых системах в процессе роста кристалла.

В настоящее время во многих организациях мира разработаны технологии создания элементов оптоэлектроники - фотоприёмников и источников излучения - на основе квантово-размерных эффектов. Инфракрасные фотоприёмники с квантовыми ямами (QWIP) изготавливают из полупроводников А³В⁵ с широкой запрещённой зоной (1.43 эВ для GaAs). В QWIP-фотоприёмниках используются внутризонные электронные переходы в зоне проводимости или в валентной зоне. QWIP –приёмники излучения являются примесными высокоомными фоторезисторами. Выбор спектрального диапазона, например для GaAs/Al_xGa_1-xAs, достигается изменением концентрации Al или толщины легированных кремнием слоёв (ям) GaAs в процессе выращивания многослойной структуры (сверхрешётки). Квантовые ямы заполняют электроны с энергией Ферми выше основного состояния, при этом допускается поглощение ИК фотонов, энергия которых совпадает с разностью энергий между основным и возбуждённым состояниями. Используя различные значения ширины квантовых ям и состав барьеров, можно изменять длинноволновую границу спектральной чувствительности QWLP от 3 мкм до 20 мкм. Для фотоприёмников с квантовыми ямами характерна чувствительность в узкой полосе. В настоящее время созданы QWIP – матрицы большого формата (256х256 и 640х480) с малыми размерами пикселов (~5х5 нм) в основном на структурах GaAs/Al_xGa_1-xAs n – типа, выращенных на подложках GaAs. Короткое время жизни основных носителей и большой темновой ток ведут к низким температурам режима ограничения фоном (< 70 К) для матрицы с длинноволновой отсечкой 9 мкм.

Лазеры на квантовых точках имеют более высокие характеристики по сравнению с лазерами на квантовых ямах. Преимущества лазера на квантовых точках обусловлены в основном d - образным спектром функции плотности состояний. Прежде всего, в них ожидается высокое дифференциальное усиление, сверхнизкое значение пороговой плотности тока и высокая температурная стабильность пороговой плотности тока. В настоящее время созданы лазеры на квантовых точках на основе InGaAs/GaAs, выращенных на подложках из GaAs. Достигнут значительный прогресс как в области получения массивов квантовых точек высокой плотности, упорядоченных по форме, размеру и относительному расположению и пригодных для использования в качестве активной области инжекционных гетеролазеров, так и в области исследования свойств лазеров на квантовых точках. Дальнейший прогресс в области гетероструктур с квантовыми точками связан с расширением их области применений в различных приборах микро- и оптоэлектроники, получением более однородных квантовых точек, что позволит качественно улучшить рабочие характеристики большинства современных приборов.

Дата добавления: 2014-01-05