Научный архив: статьи

Проведен анализ матричных фотоприемных устройств формата 320х256 элементов на основе гетероэпитаксиальных структур AlxGa1-xN (ГЭС InGaAs) с p─i─n-фотодиодами, работающих в режиме лавинного усиления. Гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС) с фоточувствительным слоем InGaAs i-типа проводимости выращивались методами мосгидридной эпитаксии (МОСГЭ) на подложках InP. Качество p─i─n-фотодиодов, работающих в режиме лавинного усиления, оценивалось по измерению вольт-амперных характеристик. Лавинное усиление начиналось при напряжениях минус 15 В, определен коэффициент лавинного усиления для архитектуры прибора с общей областью поглощения и усиления.

Проведен анализ гетероэпитаксиальных структур тройных соединений A3B5 для построения матричных фотоприемных устройств, работающих в режиме лавинного усиления. Установлены оптимальные условия работы лавинных фотодиодов для достижения максимальных значений обнаружительной способности и вольтовой чувствительности. Рассчитаны наиболее критичные параметры фотодиодов, работающих в режиме лавинного усиления. Определен шум-фактор лавинного фотодиода при различных значениях скоростей ионизации электронов и дырок.

Проведены исследования и расчеты коэффициента поглощения для структур HgCdTe, выращенных методами жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и эпитаксией металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD) и сравнение экспериментальных данных с теоретической моделью спектра поглощения, основанной на явлении собственного поглощения и общей теории прямых межзонных оптических переходов, и с другими эмпирическими зависимостями. Проведены расчеты смещения уровня Ферми исследованных структур HgCdTe, а также наклона экспериментальных характеристик поглощения.

Технологией мезатравления изготовлены матрицы фоточувствительных элементов на основе p–i–n-фотодиодов в гетероэпитаксиальных структурах InGaAs/InP, в том числе с широкозонным барьерным слоем AlInAs. Показана важная роль токов туннелирования в структурах InGaAs и уменьшение на два порядка токов диффузии и генерациирекомбинации для МФЧЭ с барьерным слоем InAlAs. Проведено приближение измеренных и теоретических ВАХ методом подгонки параметров, определена скорость поверхностной рекомбинации на границе слоя поглощения.

Обсуждаются основные процессы генерации-рекомбинации носителей заряда в структурах на основе тройного соединения CdHgTe: объемные процессы (излучательная и безизлучательная рекомбинация) и процессы, происходящие на поверхности. Рассматривается концепция моделирования согласно классической теории, представлены параметры и коэффициенты, необходимые для расчета времени жизни в узкозонных гетероэпитаксиальных структурах. Показано влияние ударных Оже-процессов, излучательного механизма и механизмов рекомбинации, зависящих от наличия дополнительных уровней в запрещенной зоне вследствие включений, примесей и несовершенств кристаллической решетки, являющихся центрами рекомбинации ШоклиРида-Холла, в заданном температурном диапазоне. Построены аналитические зависимости времени жизни неосновных носителей заряда от обратной температуры в полупроводниковых структурах CdHgTe различного состава.

Рассматриваются влияние процессов рекомбинации на вольт-амперные характеристики и возможности уменьшения темнового тока в фотодиодах на основе тройных соединений теллуридов кадмия ртути. Показано, что процессы туннелирования через уровни в запрещенной зоне, зависящие от напряжения смещения, рабочей температуры и уровня легирования, могут являться одним из главных факторов, ограничивающим выходные параметры прибора.

Для изготовления быстродействующих матриц фоточувствительных элементов с малыми темновыми токами использовались двойные гетероструктуры на основе соединений InGaAs– InGaAlAs–InAlAs на InP-подложках. Они включали поглощающий узкозонный слой InGaAs, градиентный слой InGaAlAs и широкозонный слой буферный слой InAlAs. Проведены измерения и сравнение темновых токов в одинарных гетероструктурах InGaAs–InP (с широкозонным слоем InP) и в двойных гетероструктурах InGaAs–InGaAlAs–InAlAs (с широкозонным барьерным слоем InAlAs), выявлено уменьшение токов генерациирекомбинации и диффузии на два порядка в структурах InGaAs–InGaAlAs–InAlAs. Проведено приближение измеренных и теоретических ВАХ-методом подгонки параметров, определена рабочая температура, необходимая для оптимальной работы матриц фотодиодов на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs, которая лежит в пределах 260—280 К.

Рассматривается концепция моделирования времени жизни в полупроводниковых структурах InGaAs и CdHgTe. Представлены параметры и коэффициенты, необходимые для расчета времени жизни в гетероэпитаксиальных структурах. Построены аналитические зависимости времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых структурах CdHgTe и InGaAs различного состава в широком диапазоне температур.

Проведено исследование лавинного матричного фотомодуля формата 320×256 элементов на основе тройных соединений группы А3В5 с поглощающим слоем InGaAs на спектральный диапазон 0,9—1,7 мкм и барьерным слоем InAlAs. Матрица лавинных фотодиодов формата 320×256 элементов изготавливалась в nBp-наногетероструктуре по мезатехнологии. Измерены количество неработоспособных элементов, зависимость темнового тока от напряжения смещения и коэффициент лавинного усиления.

Проанализированы особенности построения архитектур лавинных фотодиодов с разделенными областями поглощения (InGaAs) и умножения (InAlAs). Рассмотрены две архитектуры: p+–M–с–i–n+ и p+–i–с–M–n+-типа, реализованные в гетероструктурах (ГЭС) InGaAs/InAlAs/InP. Обязательными для каждой архитектуры являлись три основных слоя: поглощающий (i), зарядовый (c) и умножающий (М). На основе данных ГЭС InGaAs/InAlAs/InP, выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ), формировались матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ). Исследования вольтамперных характеристик лавинных элементов в матрицах позволило рассчитать коэффициенты умножения фототока, которые в диапазоне обратных напряжений смещения U = 8—14 В изменялись от 1 до 18—25.

Проведены исследования матричных фотоприемных устройств формата 320256 элементов на основе четырехслойных гетероструктур р+-B-n-N+-типа с широкозонным барьерным слоем. Гетероэпитаксиальные структуры (ГЭС) с поглощающим узкозонным слоем InGaAs n-типа проводимости выращивались методами мосгидридной эпитаксии (МОСГЭ) на подложках InP. С помощью четырехкомпонентного тонкого слоя AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны устранен разрыв между поглощающим (In0,53Ga0,47As) и барьерным (In0,52Al0,48As) слоями. Использование дельта-легированных слоев в составе гетероструктуры позволило уменьшить барьер в валентной зоне и устранить немонотонность энергетических уровней. Проведены экспериментальные исследования темнового тока, среднее значение которого по матрицам фотодиодов с шагом 30 мкм не превышало 10 фА.

Проведены экспериментальные исследования коэффициента поглощения в структурах HgCdTe с одним фоточувствительным слоем р-типа проводимости, выращенных методами жидкофазной эпитаксии на подложках CdZnTe, эпитаксией из металлоорганических соединений и молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs, а также сравнение экспериментальных данных с теоретической классической моделью коэффициента поглощения, основанной на явлении собственного поглощения и общей теории прямых межзонных оптических переходов, и другими эмпирическими зависимостями. В области энергий ħω > Eg (области собственного поглощения) для всех образцов на основе материала HgCdTe получено удовлетворительное соответствие экспериментальных и теоретических зависимостей коэффициента поглощения. В области энергий ħω < Eg (область Урбаха) у структур HgCdTe, выращенных методами ЖФЭ, МЛЭ и МОС, наблюдаются отклонения характеристик поглощения по сравнению с теоретическими экспоненциальными зависимостями Урбаха. Экспериментальные исследования коэффициента поглощения структур InGaAs, выращенных эпитаксией из металлоорганических соединений на кристаллически соответствующих подложках InP, показали соответствие экспериментальных и теоретических зависимостей в рабочей области длин волн. Отклонение угла наклона теоретической и экспериментальной характеристик поглощения структур на основе InGaAs в 6— 10 раз меньше, чем у структур HgCdTe, что показывает на лучшее кристаллическое совершенство материалов группы А3В5 и их пригодность для изготовления фотоприемных устройств с предельными параметрами.