Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

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 примесную фотопроводимость. Для кремния наиболее длинноволновыми приемниками являются приемники из Si(B) (Хгр = 28 мкм), для германия — из Ge(Sb) и Ge(Ga) (Ягр = 115-130 мкм). Продвижение в более длинноволновую область в таких фотоприемниках возможно за счет эффекта уменьшения энергии ионизации 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 фоточувствительности от 114 к 200 мкм [265],

Наиболее серьезным недостатком примесных фотоприемников является низкий коэффициент примесного поглощения. Хотя растворимость водородоподобных примесей в Ge и Si обычно высока (101 9 -102 1 см"3 [10]), однако начиная с концентрации ~ 5 • 1014 см"3 из-за перекрытия волновых функций отдельных

темновой ток фотоприемников резко возрастает, а чувствительность — падает. По этой причине оптимальная концентрация

фотоприемников является то, что их рабочее напряжение ограничено 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.

получили патент на новую необычную конструкцию инфракрасного фотоприемника, которая позволяет одновременно заметно повысить чувствительность примесных фотоприемников и сдвинуть границу фотопроводимости в область длинных волн. Это —

так называемый фотоприемник с блокированной примесной

точно сильно легированный водородоподобными примесями слой полупроводника отделен от одного из контактов блокирующим слоем из нелегированного полупроводника толщиной в несколько

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

Следует особо подчеркнуть, что для изготовления BIBфотоприемников 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 ^ 4 5 мэВ были изготовлены еще в конце 80-х годов. В разрабатываемых в настоящее время приемниках из Ge с энергией ионизации доноров ~ 1 0 мэВ концентра-

форму с шириной на половине высоты, равной 11 мэВ. Достаточно узкая полоса фоточувствительности вообще характерна для всех фотоприемников, работающих на переходах между уровнями размерного квантования; ее ширина определяется конечным времени жизни возбужденного состояния (0,17 пс в рассматриваемом случае) и конечной вероятностью туннелирования. Токовая чувствительность описываемого приемника составляла 0,8 А/Вт для поляризованного ИКизлучения 1).

Недостатком описанного выше фотоприемника является довольно 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,3iGa0>69As шириной 300 А. Из-за малой ширины ямы в ней может локализоваться только один уровень размерного квантования, а остальные уровни 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 сразу попадает в область континуума и ему не нужно туннелировать сквозь барьер, толщина барьера может быть увеличена. Это позволяет сильно уменьшить темновой ток и повысить вольтваттовую чувствительность (см. рис. 7.66). Чтобы максимально ослабить темновой ток в структурах с толстыми барьерами, в которых он определяется тепловым выбросом электронов и термополевой эмиссией с уровня Е\, необходимо, чтобы этот уровень максимально далеко отстоял от границы квазинепрерывного

') Согласно правилам отбора, оптические переходы между подзонами, образуемыми из зоны проводимости полупроводника, разрешены только для электромагнитных колебаний, в которых вектор электрического поля имеет компоненту, перпендикулярную слоям сверхрешетки (см. (77)).

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 минизоне, образованной из уровня Чтобы уменьшить темновой ток, связанный с проводимостью по первой мини-зоне, в структуру можно добавить блокирующий слой, аналогичный используемому в BIB-фотоприемниках (см. с. 394). Положение края зоны проводимости в этом слое выбирается так, чтобы он лежал между мини-зонами, образованными из уровней Е\ и Е^. Эта конструкция фотоприемника характеризуется значениями вольт-ваттовой чувствительности и обнаружительной способности, промежуточными между рассмотренными выше конструкциями. Улучшить эти параметры можно, расположив мини-зону в области квазинепрерывного спектра [275],

Коэффициент поглощения, связанный с оптическими пере-

коэффициента поглощения для получения высокой квантовой эффективности в одиночных QWIP-приемниках излучение вводится в структуру под углом 45° к плоскости слоев (геометрия типа «скошенный край»), а для матриц фотоприемников более технологичным оказывается придание поверхности структуры «шероховатой» формы. При этом падающее на приемник излучение

поглощается в объеме структуры.

Другими способами отклонения падающего излучения является 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 использовании переходов между уровнями размерного квантования в валентной зоне. Дело в том, что из-за сильного перемешивания 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 ввода излучения в фотоприемник. К сожалению, из-за низкой подвижности дырок возбужденные носители рекомбинируют намного раньше, чем они достигают контактов, и чувствительность 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 использование слоев самоорганизованных квантовых точек вместо квантовых ям [276-278]. Теория фотоприемников на квантовых

Усложнение структуры сверхрешетки позволяет получить новые свойства в QWIP-приемниках. Так, для расширения спектральной области чувствительности фотоприемников сверхрешетки строят из повторяющихся блоков, состоящих из нескольких квантовых ям с несколько различной шириной и высотой барьера [280]. Создание асимметричных ям и барьеров позволяет создавать фотоприемники, область спектральной чувствительности 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/ А1GaAs [282] и GaAs/InGaAs [283]. Быстродействие описываемых фотоприемников ограничивается временем жизни фотовозбужденных носителей, которое в структурах GaAs/AlGaAs состав-

тепловизионных систем с разрешением по температуре, достигающим 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, чувствительных в дальней инфракрасной области спектра (50200 мкм), пополнилась новым типом фотоприемников, работа

sion) [285]. Приемники этого типа представляют собой многослойные структуры, построенные из очень тонких чередующихся слоев сильно легированного полупроводника, в котором происходит поглощение излучения на свободных носителях, и слоев

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 параметры 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. Ш у м ы в фотоприемниках. Введенная на с. 389 вольт-ваттная чувствительность не может полностью охарактеризовать фотоприемник, поскольку в действительности регистрация сигнала проводится в условиях шума, и существует нижняя граница значения сигнала, который может быть обнаружен. Источниками шума при измерениях фотопроводимости являются: тепловой шум, дробовой шум, генерационно-рекомбинационный шум, фликкер-шум, а также радиационный (фотонный) шум.