4.2 Нанофотодиод с квантовыми точками

Рассмотрим основные свойства p-i-n-фотодиода на базе структуры Ge/Si, содержащей массивы КТ Ge с плотностью в слоях на уровне 10¹² см–2, размерами точек менее 10 нм (рисунок 15). Прибор обладает малыми темновыми токами и высокой спектральной чувствительностью в диапазоне 1,3—1,5 мкм. Кремниевый p-i-n-фотодиод имеет 30 слоев КТ, встроенных в базовую область и разделенных промежутками Si толщиной 29 нм. КТ сформированы на предварительно окисленной поверхности кремния SiО₂, что позволяет уменьшить размеры и увеличить плотность КТ. На подложке n⁺ — Si с ориентацией (001) и удельным сопротивлением 0,01 Ом*см при температуре 500°С методами молекулярно-лучевой эпитаксии выращиваются слои Si и Ge. Вначале формируется буферный слой Si толщиной 250 нм. Далее поверхность кремния окисляется, создается буферный слой SiO₂ толщиной в несколько ангстрем, на который осаждается Ge с толщиной покрытия 0,5 нм. После этого осуществляется заращивание Ge слоем Si толщиной 20 нм. Последние три процедуры (получение SiO₂, осаждение Ge и нанесение Si) повторяются 30 раз. Многослойная структура Ge/Si покрывалась кремнием толщиной 220 нм. Формирование p-i-n-диода завершается ростом р⁺ — Si толщиной 200 нм с концентрацией бора 2*10¹⁸ см^–3 и p⁺ — Si толщиной 10 нм c концентрацией бора 10¹⁹ см^–3. Омические контакты с сильно легированными слоями Si создаются с использованием пленки из Аl.

Рисунок 15 – Структура нанофотодиода на КТ

После осаждения Ge на окисленную поверхность SiO₂ наблюдается дифракционная картина, характерная для трехмерных островков, имеющих ту же кристаллографическую ориентацию, что и кремниевая подложка. Островки Ge (КТ) формируются после подачи на подложку одного монослоя Ge без образования подстилающего слоя. Нанокластеры (КТ) в такой системе изолированы друг от друга. Механизм их формирования до конца еще не исследован. Средний размер КТ в плоскости роста 8 нм, их концентрация на поверхности 1,2*10¹² см^–2.

Рисунок 16 - Типичные спектральные характеристики при нормальном падении света к поверхности фотоприемника для различных обратных напряжений U_обр

Рассмотрим основные параметры и характеристики p-i-n-фотодиодода с КТ. Величина плотности темнового тока насыщения (j_т ~ 6*10^–6 А/см²) не зависит от площади диода, что свидетельствует о незначительности токов утечки. Величина тока насыщения на один—два порядка меньше, чем в германиевых p-i-n-диодax без КТ, что свидетельствует о большей ширине запрещенной зоны в гетероструктуре Ge/Si с КТ по сравнению с чистым Ge из-за эффекта размерного квантования энергетического спектра.

Типичные спектральные характеристики при нормальном падении света к поверхности фотоприемника для различных обратных напряжений U_обр показаны на рисунке 16, где кривым 1, 2, 3, 4 соответствуют обратные напряжения 0; 0,2; 0,5; 2 В. На рисунке 17 приведена зависимость квантовой эффективности η на длине волны λ = 1,3 мкм от обратного напряжения. Объяснить ход характеристик можно исходя из следующих соображений. Гетеропереход Gе/Si относится к типу II, поскольку самое низкое энергетическое состояние для электронов находится в зоне проводимости Si, а для дырок — в Ge. Если hν < E_з для кремния, то электроны из валентной зоны Ge переходят в зону проводимости Si. В результате в зоне проводимости Si появляются свободные электроны, а в островках Gе — дырки, которые локализуются в этих КТ на основе Ge. Поэтому в слабых электрических полях (малые значения U_обр) основной вклад в фототок вносят только электроны.

Рисунок 17 - Зависимость квантовой эффективности η на

длине волны λ = 1,3 мкм от обратного напряжения

При больших напряжениях дырки могут эффективно туннелировать из локализованных в КТ состояний в валентную зону Si, увеличивая фототок. При достаточно сильных полях практически все фотодырки уходят из КТ и наступает насыщение величины фототока.