12.6.2. Кванттық нүктелер негізіндегі фотоқабылдағыштар

Квантық шұңқырлардағы және кванттық нүктелердегі көлемді қабатты фотоқабылдағыштар қасиеттерін салыстыру соңғылардың жетістігін анықтайды. Кванттық нүктелер негізінде сәулелену қабылдағыштарының жетістіктері төмендегідей:

1. Қосымша торлар мен шағылыстырғыштарды қолданусыз жарықтың қалыпты түсуі кезінде құралдың жұмыс жасау мүмкіндігін қамтамасыз ететін, ФҚ жазықтығында полярланған оптикалық өтулерге тыйым салудың жоқтығы;

2. кеңістіктің үш өлшеміндегі қуат көзін тасымалдаушылардың толқындық функциясын локализациялау себебінен ішкі аймақтық және экситондық өтулер үшін жарық жұтудың жоғары коэффициенті;

3. КН-де тасымалдаушыларды алудың төмен жылдамдығы салдарынан фототітіркенген қуат көзін тасымалдаушылар өмір сүруінің ұзақтығы (демек, фотоэлектронды күшейтудің үлкен коэффициенті) . Соңғысының себебі не КН-дегі деңгей мен таралған жағдайлар аумағы арасындағы шешілген энергетикалық жағдайлардың болмауы, не түрлі кванттау деңгейлері арасындағы энергетикалық саңылау оптикалық фотон энергиясынан көп болған кездегі оптикалық фотондар жағдайында баяу шашырау;

4. КН-дегі тасымалдағыштардың дискретті энергетикалық спектрі салдарынан КН фотоионизация энергиясы мен өткізгіштік активациясы энергиясын теңестіру салдары ретіндегі кіші қараңғы токтар (демек, фотодетектордың жоғары жұмыс температурасы).

Кванттық нүктелер қабаттарымен фотоқабылдағыштардың жетіспеушіліктеріне жататындар:

1. Фото елестің абсолютті жиілігін жұту және азаю спектрінің біртекті емес кеңеюіне әкелетін, жиынтықтағы КН өлшемдерінің дисперсиясы;

2. Квантты шұңқырлы ФҚ-тың екі өлшемді аумақтары астындағы электрондардың әдеттегі концентрациясынан(10¹¹...10¹² см^–2) екі-үшке аз, КН төмен қабаттық тығыздығы (10⁹...10¹² см²).

Белсенді аймақтарда сегіз қабат Ge кванттық нүктелер құрайтын фото қабылдағыш құрылымы 12.29–суретте көрсетілген.

12.29 сурет. Ge кванттық нүктелер құрайтын фото қабылдағыш құрылымы.

Қабаттар төменгі электрлік байланыс қызметін атқарушы р –түріндегі қатты легирленген кремний төсемдеріне молекулалық-сәулелік эпитаксияәдісімен өсірілді.

Жоғары электрод p⁺–Si-қабатының 10¹⁹ см^–3 бор концентрациясымен 50 нм шөгуімен құрылды.

Көршілес Ge қабаттар арасындағы Si аудандар қалыңдығы 10 нм құрайды.

Ge нанокластерлері (кванттық нүктелері) 15 нм өсу жазықтығында орта өлшемге, 1,5 нм биіктікке ие болды, олардың қабаттық тығыздығы 3*10¹¹ см^–2 құрады.

Ge әр қабатынан 10 нм қашықтықта 6*10¹¹ см^–2бор концентрациясының қабатын Si бормен легирленуі жүргізілді. Мұндай қашықтықта барлық дерлік кемтіктер легирленген қабаттан Ge қабаттарына өтті, бұл іс жүзінде КН негізгі жағдайларының толықтай кемтіктермен жүктелуіне мүмкіндік берді.

Құралдың 1,5х 1,5 мм белсенді аймағы 5 мкм тереңдікке HF:HNO3 ерітіндісінде сұйықтық улау көмегімен түзілді.

Байланыс құру үшін p⁺–Si қабаттарына диаметрі 0,5 мм болатын алтын алаңшалар бүркілді. Фото елесті өлшеу p⁺–Si үстіңгі және астыңғы қабаттары арасында жүргізілді.

Фотодетектор дегеніміз жүзбелі базалы фоторезистор болып саналады. База ролін i–Si қабатының ішінде, p⁺–Si-эмиттері мен p⁺–Si-коллекторы арасында орналасқан Ge нанокластерлер алқабы орындайды.

КН жарықтануы болмаған кезде негізгі жағдайда тұрған кемтіктердің оң қуат көзі болады. қуат алған КН-дің электр потенциалы төмендегідей өлшемді кемтіктер үшін потенциалдық кедергі туғызады:

Мұндағы L —Ge қабаттарының қайталану кезеңі; N —КН қабаттарының саны; ∑ —КН әр қабатындағы қуат тығыздығы; ɛ—кремнийдің қатысты диэлектрлік өткізгіштігі; ɛ₀ —энергетикалық тұрақты.

КН-де кемтіктер жарықтандыру кезінде негізгі жағдайдан тітіркенген жағдайға ауысады, мұнда кедергіден өту салдарынан кемтіктің толқындық қызметі локалданудың үлкен радиусына ие болады. Бұл жарықтану кезінде КН қабатында орныққан оң қуат көзінің тиімді тығыздығы азаятындығын білдіреді, демек, эмиттер мен коллектор арасындағы потенциал кедергі төмендейді және құрылым арқылы кемтіктердің термоэмиссиялы тогы ұлғаяды.

1,1...1,6 мкм оптикалық диапазонындағы жұмыс үшін p–i–n–Ge/Si-биполярлық фототранзисторлар ұсынылды [76]. Транзистордың жүзбелі базасының ролін p- Si аумағына кіріктірілген Ge нанокластерінің 12 қабаты орындайды. Транзистордың іс-әрекеті Ge аралдарындағы кемтіктердің фотогенерациясы салдарынан зоналар арасындағы өтулер және эмиттерден коллекторге инжекция тогыныңы ұлғаюына әкелуші базада оң қуат көзінің пайда болуы нәтижесінде қатты легирленген n⁺–Si аумақтар арасындағы электрондар үшін потенциалдық кедергінің азаюына негізделген. Фототранзистордың жарықтануы p–n-өтулер жағынан жүзеге асырылады. 12,30-суретте Ge КН-дегі локалдану жағдайлары арасындағы кемтіктердің өтуі кезінде фототоктың пайда болуы сызба түрінде көрсетілген(Si –де Ge кванттық нүктелердің бір қабаты үшін валенттік зонасының көрінісі). Қарастырылып отырған құралдың фото елесінің спектрлі сипаттамасы 12.31-суретте келтірілген.

12.30 сурет. Фототранзистрлі механизм схемасы

12.31 сурет.фотоелестің спектральды сипаттамасы

Максимал кванттық тиімділік 1,3 мкм толқын ұзындығы үшін 3% құрады. Кванттық тиімділіктің 21% өсуі фотоқабылдағыштың толқындық құрылымының жүзеге асырылуы есебінен мүмкін болады. Қазіргі кезде 1,3...1,5 мкм аумағында жұмыс жасаушы БТОЖ (ВОСП) кеңінен қолданылып жүр. Бұл жүйелер үшін элементтер мен тораптардың барлық жиынтығын құрайтын чиптер (модуляторлар, демодуляторлар, мультиплексорлар, сәуле таратушылар және фотоқабылдағыштар) құру үлкен қызығушылық тудырып отыр. Жүйелердің құнын азайту үшін олардың барлық компоненттерінің қазіргі заманғы өте үлкен интегралдық жүйелердің кремний технологиясына жинақталуы (СБИС) және кремний төсемдерінде түзілуі қажет. Алайда кремнийдің өзі 1,1 мкм көп толқындар ұзындығындағы фотондар үшін мөлдір. 1,3...1,5 мкм аумағында жоғары сезімталдыққа германий ФҚ ие болып отыр. Осыған байланысты 1,3...1,5 мкм толқын ұзындықтары диапазонындағы бөлме температурасы кезіндегі фото сезімтал Ge/Si-гетеро құрылымдарын құруға қызығушылық туып отыр. Бастапқы кезеңде Si –де Ge көлемді қабаттарын тұндыруды, сонымен қатар Ge_xSi_1–x/Si көп қабатты қиын үлкен торларды өсіруді қолданатын фотоқабылдағыштар жасақталып шығарылды. Әдетте осындай ФҚ сапасын бағалау критерийлері ретінде 1 В кернеуіндегі қараңғы токтың кванттық тиімділігі немесе диодтық құрылымдардағы қанығу тогының тиімділігі жатады. λ= 1,3 мкм толқын ұзындығы кезінде осындай ФҚ кванттық тиімділігі сол кремний төсемдерінде түзілген планарлық толқын тудырушылар есіктерін жарықтандыру жағдайында η = 11% құрайды, Соңғы жағдайда жарықтың GeSi қабаттары бойымен жүруі және толқын тудырушылар қабырғаларынан бірнеше қайталанып сәуле шағылысуы жоғары кванттық тиімділікке η жетуге мүмкіндік берді. Қараңғылық тогының кәдімгі тығыздығы 1 В

жылжыту кезінде және бөлме температурасында 10^–4...10^–3 А/см² құрады, ал қанығу тогының тығыздығы — 10² А/см², бұл кремнийлік, сонымен қатар германийлік p–n-диодтарда токтың өсуін қамтамасыз етті. Тиімді Ge/Si-фотоқабылдағыштарын жасақтау мәселелерін шешудегі маңызды қадам GeSi тұтас қабаттарын германийлік кванттық нүктелер қабаттарымен алмастыру болды. Осындай элементтерді кремнийлік СБИС-не кіріктіру болашағы тарапынан, когерент енгізілген Ge нанокластерлермен Ge/Si-гетероқұрылымдары қызығушылық тудырып отыр, себебі олар тығыз байланысқан германий қабаттарын құрылымы жағынан жетілген Si қабаттарымен толтыру мүмкіндігімен сипатталады, бұл қабаттарда соңынан СБИС басқа элементтерін де құруға болады. КН ауқымын Ge құратын

10¹² см^–2 жуық қабат тығыздығы және 10 нм аз нүктелері бар Ge/Si-фотоқабылдағыштар құруда мүмкін болып отыр, олар аз қараңғылық токтарымен және 1,3...1,5 мкм фотондарының ұзындықты толқынды сәулелендіруге жоғары сезімталдығымен сипатталады. Мұндай фотоқабылдағыш базалық аумаққа КН Ge 30 қабаттарымен кіріктірілген қалыңдығы 20 нм аралық Si қабаттарымен бөлінген кремнийлік p–i–n-диод болады . Ge аралдарын кішірейту және олардың тығыздығын арттыру үшін, олар кремнийдің алдын ала тотықтырылған үстіңгі бетіне түзілуі тиіс.

Фотоқабылдағыш құрылысы мен диодтың энергетикалық диаграммасы тепе-теңдікте 12.32-суретте көрсетілген. Өсу жазықтығындағы Ge аралдарының орташа өлшемі - 8 нм,аралдар тығыздығы - — 1,2*10¹² см^–2.