Научный архив: статьи

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.

Проведены исследования и расчеты коэффициента поглощения для структур InGaAs, выращенных эпитаксией из металлоорганических соединений из газовой фазы (MOCVD), а также сравнение экспериментальных данных с теоретической моделью спектра поглощения, основанной на явлении собственного поглощения и общей теории прямых межзонных оптических переходов. Проведен графический расчет ширины запрещенной зоны по наклону экспериментальной характеристики поглощения.

Исследованы параметры многорядных фотоприемных устройств (ФПУ) на основе гетероэпитаксиальных структур HgCdTe различного формата 288×4; 480×6; 576×4; 576×6 и др. с шагом от 28 до 14 мкм. Благодаря выбору N+/P-/р-архитектуры, ФПУ функционируют при повышенных температурах в режиме временной задержки и накопления, с реализацией аналогового режима ВЗН и замещением дефектных элементов непосредственно в БИС считывания. ФПУ обладают возможностью формирования изображения высокой четкости формата 768×576 пикселей при кадровой частоте 50 Гц в режиме реального времени. Для многорядных ФПУ получены высокие фотоэлектрические параметры: обнаружительная способность в максимуме спектральной чувствительности D*  5×1012 см Вт-1 Гц1/2 при температурах Т ~170-200 К, количество годных каналов не менее 99,0 %.

Рассмотрены основные фундаментальные и нефундаментальные механизмы ограничения температурного разрешения тепловизионных систем (ТПС) на основе фотоприемных устройств (ФПУ) из CdHgTe (в русскоязычном варианте – КРТ). Проведены расчеты температурного разрешения ТПС при диффузионном ограничении параметров ФПУ из КРТ. Показано, что для структуры КРТ P+/n-типа проводимости при температуре Т = 77 К значение эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) составляет ~ 18 мК, в то время как для вакансионно-легированного материала N+/р-типа оно составляет ~ 30 мК. Проанализированы способы увеличения температурного разрешения в ТПС на основе ФПУ из КРТ.

Представлен обзор основных полупроводниковых материалов фотоэлектроники в инфракрасных диапазонах спектра: 1–3; 3–5 и 8–12 мкм, обеспечивающих предельные параметры фотоприемных устройств. Показаны направления развития и совершенствования новых материалов в Российской Федерации.

В работе представлены результаты моделирования времени жизни в узкозонных полупроводниковых слоях HgCdTe р- и n-типа проводимости в соответствии с механизмами рекомбинации Оже, излучательным и Шокли-Рида-Холла, используя эмпирические формулы Битти, Ландсберга и Блакемора (BLB), выведенные на основе kp модели Кейна с заданными начальными параметрами. Для структур HgCdTe р-типа проводимости состава x = 0,22 мол. дол., выращенных методом жидкофазной эпитаксии на подложках CdZnTe, методом приближения экспериментальных и теоретических данных рассчитаны характеристические коэффициенты |F1F2| и , значение которых находится в хорошем соответствии с аналогичными работами. Проведена оценка расположения энергетического уровня ловушек в запрещенной зоне материала р-типа проводимости.