Аналитическая модель квантовой эффективности фотодиодов на основе антимонида индия (2022)
Исследованы спектральные характеристики фотоприемных устройств (ФПУ), детектирующих излучение в средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, изготовленные на основе антимонида индия, предназначенные для обнаружения, распознавания и идентификации тепловых объектов. Проведен расчет квантовой эффективности в зависимости от конструктивных параметров фотодиодов с учетом прохождения излучения через антиотражающее покрытие, а также с учетом отражения от границы раздела «p+-слой/омический контакт» с последующим повторным поглощением в структуре фотодиода. Разработана аналитическая модель коэффициента поглощения антимонида индия с учетом эффекта Бур-штейна-Мосса и правила Урбаха. Определена оптимальная толщина базового слоя фотодиода при различных значениях времени жизни неосновных носителей заряда.
Spectral photoresponse of photodetectors based on indium antimonide, intended for detection, recognition and identification of thermal objects in the middle wavelength infrared (MWIR) has been investigated. Quantum efficiency depending on design parameters of photodiodes has been calculated taking into account the radiation transmission through the antireflection coating, and its reflection from the interface «p+-layer/ohmic contact» with subsequent reabsorption in the photodiode structure. An analytical model of the indium antimonide absorption coefficient has been developed taking into account the Burstein-Moss effect and the Urbach rule. The optimal thickness of the photodiode base layer has been determined for the various values of minority lifetime.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- Префикс DOI
- 10.51368/2307-4469-2022-10-3-277-288
- eLIBRARY ID
- 49173903
В работе приведены аналитические выражения квантовой эффективности p+–n-фотодиода для базовой области n-типа, обедненной области и области p+-типа, рассчитанные в рамках одномерной модели. Разработанная модель учитывает вклад отраженного излучения от фронтальной поверхности структуры, а также уточняет зависимости интенсивности излучения в каждой области фотодиода.
В рамках работы проведен расчет спектра пропускания однослойного интерференционного антиотражающего покрытия и спектра отражения от границы раздела «p+-InSb/омический контакт» методом матриц переноса. Определена требуемая толщина просветляющей пленки (0,5 мкм) для достижения минимального отражения в рабочем спектральном диапазоне. Кроме того, разработана модель поглощения антимонида индия с учетом эффекта Бурштейна-Мосса и правила Урбаха, уточняющая спектральную зависимость края поглощения.
По результатам численного моделирования наибольший вклад в полную квантовую эффективность фотодиода дает базовая область n-типа. Обедненная область и область p+-типа дают незначительный вклад в силу малой глубины проникновения по сравнению с толщиной базовой области. Кроме того, результаты исследования зависимости квантовой эффективности от скорости поверхностной рекомбинации показали, что для достижения повышенных характеристик необходимо обеспечение значения скорости поверхностной рекомбинации не выше 103 см/с. Определена оптимальная толщина базового слоя n-типа для достижения максимальной чувствительности фотодиода при различных значениях времени жизни неосновных носителей заряда. Для p = 3,6 мкс она составила 11 мкм, для p = 1,3 мкс – 9 мкм, для p = 0,6 мкс – 7 мкм.
Разработанная модель квантовой эффективности позволяет проводить прецизионную оценку выходных параметров фотодиодов на основе «объемного» антимонида индия, а также путем решения обратной задачи, сравнивая расчетные и измеренные спектральные характеристики фотодиодов, определять с заданной точностью значения фотоэлектрических параметров и характеристик матричных фотоприемных устройств.
Список литературы
- Shtrichman I., Aronov D., ben Ezra M., Barkai I., Berkowicz E., Brumer M., Fraenkel R., Glozman A., Grossman S., Jacobsohn E., Klin O., Klipstein P. C., Lukomsky I., Shkedy L., Snapi N., Yassen M., Weiss E. // Infrared Technology and Applications XXXVIII. SPIE. 2012. Vol. 8353. P. 1025.
- Gershon G., Avnon E., Brumer M., Freiman W., Karni Y., Niderman T., Ofer O., Rosenstock T., Seref D., Shiloah N., Shkedy L., Tessler R., Shtrichman I. // Infrared Technology and Applications XLIII. SPIE. 2017. Vol. 10177. P. 101771I.
- Razeghi M. // The European Physical Journal-Applied Physics. 2003. Vol. 23 (3). P. 149.
- D’Souza A. I., Robinson E., Ionescu A. C., Okerlund D., de Lyon T. J., Rajavel R. D., Sharifi H., Dhar N. K., Wijewarnasuriya P. S., Grein C. // Infrared Technology and Applications XXXIX. SPIE. 2013. Vol. 8704. P. 87041V.
- Van De Wiele F. Quantum Efficiency of Photodiode, in Solid State Imaging, eds. P. G. Jespers, F. Van De Wiele, and M. H. White, pp. 41–76 – Noordhoff, Leyden, The Netherlands, 1976.
- Rogalski A. Infrared and terahgerz detectors. – USA: CRC Press, 2019.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики Т. 4: Оптика. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013.
- Anderson W. W. // Infrared Physics. 1980. Vol. 20 (6). P. 363.
- Vaillon R., Perez J. P., Lucchesi C., Cakiroglu D., Chapuis P. O., Taliercio T., Tournie E. // Optics Express. 2019. Vol. 27 (4). P. A11.
- Шалимова К. В. Физика полупроводников: учебное пособие. – М.: Энергия, 1976.
- Bhowmick M., Xi H., Ullrich B. // Materials. 2021. Vol. 14 (7). P. 1639.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ. / под ред. Мотулевич Г.П. – М.: Наука, 1970.
- Golovashkin A. I., Levchenko I. S., Motulevich G. P., Shubin A. A. // Soviet Physics JETP. 1967. Vol. 24 (6). P. 1093.
- I. Shtrichman, D. Aronov, M. ben Ezra, I. Barkai, E. Berkowicz, M. Brumer, R. Fraenkel, A. Glozman,
S. Grossman, E. Jacobsohn, O. Klin, P.C. Klipstein, I. Lukomsky, L. Shkedy, N. Snapi, M. Yassen, and E. Weiss, Infrared Technology and Applications XXXVIII. SPIE 8353, 1025 (2012). - G. Gershon, E. Avnon, M. Brumer, W. Freiman, Y. Karni, T. Niderman, O. Ofer, T. Rosenstock, D. Seref, N. Shiloah, L. Shkedy, R. Tessler, and I. Shtrichman, Infrared Technology and Applications XLIII. SPIE. 10177 101771I (2017).
- M. Razeghi, The European Physical Journal-Applied Physics 23 (3), 149 (2003).
- A. I. D’Souza, E. Robinson, A. C. Ionescu, D. Okerlund, T. J. de Lyon, R. D. Rajavel, H. Sharifi, N. K. Dhar, P. S. Wijewarnasuriya, and C. Grein, Infrared Technology and Applications XXXIX. SPIE 8704, 87041V (2013).
- F. Van De Wiele, Quantum Efficiency of Photodi-ode, in Book: Solid State Imaging, eds. P. G. Jespers, F. Van De Wiele, and M. H. White, (Noordhoff, Leyden, The Netherlands, 1976).
- A. Rogalski, Infrared and terahgerz detectors (CRC Press, USA, 2019).
- D. V. Sivuchin, Obshij kurs fiziki V. 4: Optika (Moscow, FIZMATLIT, 2013).
- W. W. Anderson, Infrared Physics 20 (6), 363 (1980).
- R. Vaillon, J. P. Perez, C. Lucchesi, D. Cakiroglu, P. O. Chapuis, T. Taliercio, and E. Tournie, Optics Express 27 (4), A11 (2019).
- K. V. Shalimova, Fizika poluprovodnikov: uchebnoe posobie (Moscow, Energiya, 1976).
- M. Bhowmick, H. Xi, and B. Ullrich, Materials 14 (7), 1639 (2021).
- M. Born and E. Wolf, Osnovy optiki. edited by G. P. Motulevich (Moscow, Nauka, 1970).
- A. I. Golovashkin, I. S. Levchenko, G. P. Motulevich, and A. A. Shubin, Soviet Physics JETP 24 (6), 1093 (1967).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Козак А. К., Заклецкий З. А., Соколов А. С., Скворцова Н. Н.
Электронный журнал данных плазмохимического синтеза материалов в микроволновых разрядах, инициируемых излучением импульсного гиротрона в смесях порошков металлов и диэлектриков 225
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Гришина И. А., Иванов В. А.
Актуальные направления развития исследований по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в России в 2021 году
(Обзор материалов XLIX Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 14–18 марта 2022 г.) 234
Долголенко Д. А., Зотин Г. Е., Потанин Е. П.
Динамика неизотермической плазмы, вращающейся вблизи твердых диэлектрических поверхностей 256
Долгов А. Н., Клячин Н. А., Прохорович Д. Е.
Экспериментальное исследование динамики плазмы микропинча с использованием формирующей линии 264
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Ковшов В. С., Яковлева Н. И., Никонов А. В.
Аналитическая модель квантовой эффективности фотодиодов на основе антимонида индия 277
Трофимов А. А., Денисов И. А., Смирнова Н. А., Шабрин А. Д., Гончаров А. Е., Новикова А. А., Можаева М. О., Гладышева К. А., Косякова А. М., Малыгин В. А., Кузнецова С. А., Ильинов Д. В., Суханова А. С.
Особенности подготовки подложек кадмий-цинк-теллур для выращивания эпитаксиальных слоев соединения кадмий-ртуть-теллур методом молекулярно-лучевой эпитаксии 289
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Федотов Ф. С., Телегин А. М.
Исследование магнитной ловушки для магнетронной распылительной системы 301
Машошин Д. А., Денисов Д. Г., Морозов А. Б., Патрикеев В. Е.
Разработка и исследование схемотехнических решений при проектировании осветительной ветви динамического интерферометра для контроля качества оптических поверхностей 308
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
A. K. Kozak, Z. A. Zakletsky, A. S. Sokolov, and N. N. Skvortsova
Electronic journal for the data of plasma-chemical synthesis of materials in microwave discharges initiated by the radiation of a pulsed gyrotron in mixtures of metals and dielectrics powders 225
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
I. A. Grishina and V. A. Ivanov
Actual Trends in Research on Plasma Physics and Controlled Fusion in Russia in 2021 (Review of reports of the XLIX International Zvenigorod conference, 2022) 234
D. A. Dolgolenko, G. E. Zotin, and E. P. Potanin
Dynamics of nonisothermal plasma rotating near solid dielectric surfaces 256
A. N. Dolgov, N. A. Klyachin, and D. E. Prokhorovich
Experimental study of micropinch plasma dynamics using a forming line 264
PHOTOELECTRONICS
V. S. Kovshov, N. I. Yakovleva, and A. V. Nikonov
Analytical model of quantum efficiency of photodiodes based on indium antimonide 277
A. A. Trofimov, I. A. Denisov, N. A. Smirnova, A. D. Shabrin, A. E. Goncharov, A. A. Novikova, M. O. Mozhaeva, K. A. Gladysheva, A. M. Kosyakova, V. A. Malygin, S. A. Kuznetsova, D. V. Ilyinov, and A. S. Sukhanova
Processing aspects of CdZnTe fragments and 2ꞌꞌ wafers for epitaxial growing CdHgTe by molecular beam epitaxy 289
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
F. S. Fedotov and A. M. Telegin
Study of a magnetic trap for a magnetron sputtering system 301
D. A. Mashoshin, D. G. Denisov, A. B. Morozov, and V. E. Patrikeev
Development and study of circuit solutions in the design of the lighting branch of a dynamic interferometer for quality control of optical surfaces 308
Другие статьи выпуска
Разработано и экспериментально проверено схемотехническое решение, а именно модернизированная осветительная ветвь динамического интерферометра, позволяющее увеличить точность измерения параметров качества оптических поверхностей путём минимизации контраста спекл-структуры за счёт введения в схему осветительной ветви вращающегося диффузора.
Приведены результаты компьютерного и лабораторного моделирования магнитной распылительной системы (МРС), используемой для физического осаждения пленок в вакууме. Приведены рекомендации по выбору геометрических параметров МРС и значениям магнитного поля.
Твердый раствор кадмий-ртуть-теллур является в мире одним из основных материалов ИК-фотоэлектроники. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии обладает рядом преимуществ перед другими методами получения соединения кадмий-ртуть-теллур. Вместе с тем он достаточно требователен к подготовке подложек, предназначенных для ростовых процессов. Настоящая работа посвящена первичной отработке процессов полирования в освоении производства подложек кадмий-ртуть-теллур ориентации (211). Достигнутая шероховатость составила 1 нм.
Ранее было установлено, что существует взаимосвязь между динамикой плазмы и процессом ускорения электронов в микропинчевом разряде. Авторы предприняли попытку ввести управляемую временную задержку процесса ускорения электронов относительно процесса сжатия плазмы в перетяжке канала тока. С указанной целью для сильноточной вакуумной искры в режиме микропинчевания был использован комбинированный источник тока, состоящий из параллельно включенных конденсаторной батареи и формирующей линии переменной длины. Было обнаружено, что при использовании формирующей линии достаточной протяженности наблюдается поток высокоэнергетичных электронов с энергией порядка 104–105 эВ на частицу, распространяющийся в направлении внешнего электрода независимо от полярности электродов, а продолжительность существования условий для ускорения электронов примерно на два порядка величины превышает продолжительность быстрого радиационного сжатия и процесс ускорения не может быть связан исключительно с ним.
Рассматривается стационарное движение плазмы вблизи вращающегося с угловой скоростью протяженного диэлектрического диска при наличии внешнего потока с угловой скоростью в условиях действия внешнего однородного осевого магнитного поля и осевого градиента температуры. Анализ задачи выполнен в газодинамическом приближении с учетом центробежных сил и осевого перераспределения плотности. Рассчитаны профили радиальной компоненты скорости проводящего газа вблизи диэлектрической поверхности диска для различных параметров среды.
Дан обзор новых наиболее интересных результатов, представленных на ежегодной XLIX Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, состоявшейся с 14 по 18 марта 2022 года в режиме on-line. Проведен анализ развития и достижений основных направлений исследований в области физики плазмы в России и их сопоставление с аналогичными работами за рубежом.
Представлена программа электронного журнала для плазмохимических исследований по синтезу материалов на специализированном стенде с мощным импульсным гиротроном ИОФ РАН. На основании экспериментального цикла работ 2019–2020 гг. плазмохимического синтеза микро и наночастиц был создан прототип электронного журнала и сформированы для него требования по хранению и обработке информации. Прототип электронного журнала был разработан на платформе «1С: Предприятие». Созданная программа для формирования базы параметров плазмохимического синтеза была успешно протестирована в экспериментальных сессиях 2020–2021 гг.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400