4 Фотоприемники на наноразмерных гетероструктурах

Достижения молекулярно-лучевой эпитаксии позволили создавать гетероструктуры с толщинами слоев в несколько постоянных решетки базового материала. В таких структурах ярко выраженные эффекты размерного квантования используются при создании нового класса фотоприемников, принципиальное отличие которых от приборов на классических примесных полупроводниках заключается в следующем:

1) потенциальные барьеры, препятствующие протеканию сквозного темнового тока, дают возможность изменять концентрацию легирующей примеси на несколько порядков вплоть до вырождения полупроводников;

2) коэффициент поглощения в квантово-размерных структурах в 102 раз больше по сравнению с поглощением на примесных уровнях при сопоставимых энергиях и концентрациях, что достигается за счет локализации волновой функции в прямоугольной потенциальной квантовой яме;

3) широкий диапазон изменения спектральных и электрофизических характеристик фотоприемников за счет технологического варьирования геометрией квантово-размерных слоев.

4.1 Нанофототранзистор на квантовых точках

Создание приемников излучения с квантовыми точками (КТ) (λ = 10 — 20 мкм) в настоящее время базируется в основном на использовании гетероструктур InAs — GaAs, Ge — Si. Такие фотоприемники (ФП) могут работать в большей части ИК-диапазона, начиная от телекоммуникационных длин волн в ближней части (1,3 — 1,5 мкм) до дальней ИК-области (20 — 30 мкм). Приборы на КТ по сравнению с приемниками на квантовых ямах (КЯ) имеют ряд преимуществ, к которым можно отнести следующие:

• большая величина коэффициента поглощения для внутризонных переходов из-за локализации волновой функции носителей заряда по всем направлениям;

• большое время жизни фотоносителей заряда, а следовательно, и большой коэффициент усиления из-за низкой скорости захвата носителей в КТ;

• малые тепловые токи и, следовательно, большая рабочая температура из-за равенства энергии фотоионизации КТ и энергии активации проводимости по причине дискретности энергетического спектра носителей в КТ.

К основным недостаткам ФП на КТ относятся:

• разброс размеров КТ, приводящий к неоднородному уширению спектральных линий поглощения и уменьшению интенсивности фотоотклика;

• низкая плотность КТ (10⁹—10¹⁰ см^–3) по сравнению с КЯ (10¹¹—10¹² см^–2).

Рассмотрим основные свойства нанофототранзистора (рисунок 11). Роль активной базы в этом случае выполняют 8 слоев КТ из германия, заключенных внутри слоя i — Si, расположенного между р⁺ — Si-эмиттером и р⁺ — Si-коллектором. Размеры электродов и концентрация примеси в эмиттере и коллекторе указаны на рисунке 11. Нанокластеры КТ из Ge имеют средние размеры в плоскости роста 15 нм, высоту 1,5 нм, их слоевая плотность 3*1011 см^–2. На расстоянии 10 нм от каждого слоя Ge осуществляется легирование Si бором (рисунок 11, δ-слой Si:B) со слоевой концентрацией бора 6*1011 см^–2. При таком расстоянии дырки переходят из легированных слоев в слои Ge, что обеспечивает полное заселение основного состояния КТ дырками.

Рисунок 11 – Структура нанофототранзистора

Активная освещаемая область прибора имеет размеры 1,5 × 1,5 мм² и формируется жидким травлением в растворе HF : HNO₃ на глубину 5 мкм. Золотые контакты (Au) к р⁺ — Si напыляются на площадки р⁺ — Si диаметром 0,5 мм. В отсутствие светового потока КТ имеют положительный заряд из-за накопленных дырок, который создает потенциальный барьер для фотодырок. При освещении КТ дырки переходят из основного состояния в возбужденное, в котором волновая функция дырки имеет больший радиус локализации, т. е. при освещении уменьшается эффективная плотность положительного заряда в слое КТ. В результате потенциальный барьер между эмиттером и коллектором уменьшится (рисунок 12) и возрастает термоэмиссионный ток дырок через всю структуру, т. е. через нанофототранзистор.

Рисунок 12 - Изменение потенциального барьера между эмиттером и коллектором

Спектральная характеристика рассматриваемого транзистора при различных напряжениях между эмиттером и коллектором U_КЭ (рисунок 13, где значения U_КЭ = 0,2 В; 0,3 В; 0,4 В; 0,5 В соответствуют кривым 1 — 4) имеет два пика чувствительности. Пик чувствительности на длине волны λ ~ 20 мкм связан с переходом дырки из основного в первое возбужденное состояние (переход E₀₁), а пик на λ ~ 10 мкм обусловлен переходом E₀₂. Зависимость максимальной чувствительности как функции напряжения между коллектором и эмиттером U_КЭ дана на рисунке 14, где верхняя кривая относится к переходу Е₀₁ (врезка на рисунке 13), а нижняя — к переходу Е₀₂. Падение чувствительности при U_КЭ > 0,4 В (рисунок 13, кривая 4) происходит из-за накопления дырок в возбужденных состояниях. В результате оптические переходы блокируются согласно принципу Паули.

Квантовая эффективнocть нанофототранзистора η, рассчитанная по максимальной токовой чувствительности и известных коэффициенте усиления и частоте фотона, составляет величину порядка 0,1%, что больше, чем аналогичная величина η для структур типа InAs/GaAs.

Рисунок 13 - Спектральная характеристика нанофототранзистора при различных напряжениях между эмиттером и коллектором U_КЭ

Рисунок 14 - Зависимость максимальной чувствительности как функции напряжения между коллектором и эмиттером U_КЭ

Темновая проводимость и ее зависимость от температуры при U_КЭ - 0,1 В определяется энергией активации, близкой к глубине залегания энергетического уровня дырки в основном состоянии (~ 0,4 эВ). При U_КЭ > 0,1 В ток начинает расти по квадратичному закону, т. е. пропорционально U_КЭ, что связано с инжекцией дырок в КТ, их накоплением в возбужденном состоянии, и, следовательно, уменьшением энергии активации проводимости.

Нанофототранзистор, свойства которого были рассмотрены, работает в диапазоне длин волн 10 — 20 мкм. В настоящее время исследованы различные структуры с КТ, имеющие рабочие длины волн в диапазоне 5 — 14 мкм. Однако одним из важных направлений развития перспективных способов передачи информации является разработка волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), работающих в ближнем окне пропускания атмосферы (1,3—1,5 мкм). Поэтому для ВОЛС необходимы фотоприемники, функционирующие в данном спектральном участке, которые могут быть интегрированы в кремниевую технологию сверхбольшой интегральной схемы (СБИС). Одним из перспективных фотоприемников для этих целей является фотодетектор с Ge/Si КТ, на основе которых были разработаны фотодетекторы типа p-i-n-диодов со встроенными КТ.