Публикации автора

В работе различными аналитическими методами исследовались эпитаксиальные структуры InSb, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии на сильнолегированных подложках InSb (100). Подложки предварительно подвергались серной пассивации в Na2S. Исследования показали, что образцы имели гладкую поверхность с значениями среднеквадратичной шероховатости менее 1 нм при достаточно хорошем структурном совершенстве. Исследования на просвечивающем электронном микроскопе подтвердили предположение о гладкости интерфейса между подложкой и эпитаксиальным слоем. На полученных структурах изготовлены и исследованы фотодиодные матрицы формата 320256.

Проанализирован характер зависимости пороговой энергии ударной генерации электроннодырочных пар в полупроводниках при двух частичных столкновениях от степени непрямозонности полупроводника. Показано, что эта зависимость ассиметрична и немонотонна относительно взаимного импульсного расположения зоны проводимости и валентной зоны, причем минимальная пороговая энергия меньше, чем в прямозонном полупроводнике.

Рассмотрены возможности электронной спектроскопии для определения элементного состава материалов. Показано, что для этого требуется разработка специального прецизионного оборудования вакуумной электроники — электронного спектрометра с дисперсионным магнитным анализатором. Предложен оригинальный вариант устройства диспергирующего магнита для спектрометра потерь энергий электронов, который можно установить на просвечивающие электронные микроскопы. Проведено приближённое математическое описание поведения электронов при взаимодействии с полем магнита, и составлен алгоритм, построенный на полученном описании. С помощью этого алгоритма проведены исследования с целью подбора оптимальных геометрических и конструктивных параметров системы, чтобы добиться наилучших результатов её работы. Предложена макетная конструкция диспергирующего магнита спектрометра.

Рассмотрен метод разработки сканирующего ФПУ, предназначенного для работы в автономном режиме с повышенной безотказностью в течение заданного продолжительного интервала времени. ФПУ включает заданное число модулей на основе многорядной линейки с фоточувствительными элементами (ФЧЭ), имеющими меньшее среднее время безотказной работы, чем заданный временной интервал. Метод включает использование аналитической модели МФПУ и аналитической модели безотказности МФПУ.

Аналитическая модель безотказности МФПУ использовалась для определения необходимого числа ФЧЭ в канале сканирующего ФПУ, зависящего от известного среднего времени безотказной работы одного ФЧЭ. В этом случае обеспечивается высокая вероятность безотказной работы каналов, модулей и ФПУ в течение заданного интервала времени. Аналитическая модель МФПУ применялась для расчёта и анализа фотоэлектрических параметров разрабатываемого устройства.

Совместное использование указанных аналитических моделей позволяет достаточно быстро и корректно определять конструктивные, эксплуатационные и фотоэлектрические параметры любого многоканального ФПУ с заданными надежностными параметрами. В качестве примера рассматривается разработка ИК ФПУ на спектральный диапазон (10,5—12,6) мкм с 1024 каналами, с гамма-процентной наработкой до 10 лет при вероятности безотказной работы не менее 0,99.

Исследованы матричные фотоприемные устройства (МФПУ) средневолнового ИК диапазона спектра (MWIR) на основе nBn-герероструктур с униполярными барьерами и с барьерами на основе сверхрешеток HgTe/CdHgTe. Измерены вольтамперные, спектральные характеристики и основные параметры фоточувствительных элементов (ФЧЭ) экспериментальных образцов МФПУ. Полученные результаты подтверждают возможность создания приборов на основе барьерных структур CdHgTe средневолнового ИК диапазона спектра.

Исследуются возможности метода спектроскопической эллипсометрии как бесконтактного метода изучения важнейших параметров полупроводниковых гетероструктур с наноразмерными слоями. Методом неразрушающей спектроскопической эллипсометрии определен состав, толщина, коэффициент преломления рабочих и вспомогательных слоев гетероэпитаксиальной структуры КРТ, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Используя аналитическую модель лавинного гетерофотодиода (ЛГФД), изложены принципы выбора его оптимальной структуры. Модель базируется на аналитических выражениях для поля лавинного пробоя p─n-гетероструктуры и межзонного туннельного тока в ней, который определяет минимальный уровень шума в ЛГФД на основе прямозонных полупроводников. Для уменьшения туннельного тока в этом случае нужно использовать структуру с разделенными областями поглощения и умножения (РОПУ). Рассмотренный подход позволяет аналитически определить параметры структуры, при которых последнее реализуется. Кроме того, он дает возможность в аналитическом виде определить параметры и структуры типа low-high-low, которые одновременно обеспечивали бы как минимальный туннельный ток, так и минимальный лавинный шумфактор.

Проведено сравнение результатов измерений среднеквадратичного отклонения профиля шероховатости (rms) поверхности подложек CdZnTe методами конфокальной микроскопии (КМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеновской рефлектометрии (РР). Установлено, что метод КМ дает большие значения rms, метод АСМ занимает промежуточное положение, а РР дает значения на порядок меньшие остальных двух методов. Показано, что значения rms существенно различаются в КМ при использовании разных объективов. Обсуждаются возможные причины рассогласования полученных результатов.

Проведен сравнительный анализ свойств корреляторов стационарных тепловых и фотоиндуцированных случайных полей (СП) концентраций и токов подвижных носителей заряда в ИКфотодиодах и гомогенных полупроводниках. Показано, что корреляторы тепловых и фотоиндуцированных СП концентраций подвижных носителей заряда определяются одинаковыми по смыслу выражениями при любой структуре p–n-перехода и произвольной полярности приложенного напряжения, в то время как корреляторы СП фотоиндуцированных и темновых токов определяются одинаковыми по смыслу выражениями только в случае обратносмещенного p–n-перехода с длинной базой.

Разработана аналитическая модель облученности фотослоя сканирующих и смотрящих матричных фотоприемных устройств (МФПУ). Плоскость фотослоя МФПУ в общем случае представляет собой любой заданный набор матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с различными спектральными характеристиками и расположением. Конструкция оптического тракта также представляет собой набор заданных плоскостей с любыми заданными окнами (диафрагмами), светопоглощающими экранами и светофильтрами, согласованными с заданным объективом и МФЧЭ. Учтены такие паразитные компоненты, как облученность от объектива, от всех светопоглощающих экранов и внешнего корпуса, от окон, с учетом их спектральных коэффициентов пропускания. Рассмотрены случаи с однородным и неоднородным внешним фоном, с изображением объектов с низкими и высокими пространственными частотами вплоть до точечных изображений.

Представленная математическая модель инфракрасного матричного фотоприемного устройства (ИК МФПУ) позволяет прогнозировать фотоэлектрические характеристики любого фоточувствительного элемента (ФЧЭ) матрицы, анализировать зависимости этих характеристик от конструктивных и эксплуатационных параметров и осуществлять их оптимизацию. Модель позволяет точно определять все характеристики ИК МФПУ с холодной диафрагмой произвольной формы, в том числе и многосвязной, с учетом всей совокупности паразитных излучений, падающих на матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ). Для модели разработан новый способ определения облученности МФПУ, использующий новый конструктивный параметр — коэффициент пропускания холодной диафрагмы. Коэффициент пропускания диафрагмы определяется интегралом по площади холодной диафрагмы, включающим координаты заданной точки в плоскости МФЧЭ, расстояние от этой плоскости до плоскости диафрагмы, форму и размеры диафрагмы. Доказано, что фоновая облученность прямо пропорциональна произведению коэффициента пропускания диафрагмы на облучённость от протяжённого источника излучения (абсолютно черное тело) с известной температурой, расположенного в полусфере вокруг заданной точки МФЧЭ. Проведена экспериментальная оценка корректности модели сравнением сигналов, шумов и фотоэлектрических характеристик ФЧЭ ИК МФПУ на основе фотодиодов с известными конструктивными и эксплуатационными параметрами. Их МФЧЭ чувствительны в диапазонах 0,9—1,7 мкм, 3—5 мкм и 8—10,6 мкм. Получены хорошие совпадения характеристик, подтверждающие корректность модели.

Данная работа представляет собой вторую часть общего обзора авторов. В первой части (см. «Успехи прикладной физики», 2016. Т. 4. № 1. С. 52) проведена общая постановка задачи по аналитическому вычислению межзонных туннельных токов в p–n-структурах, прежде всего, на основе прямозонных полупроводников в условиях лавинного размножения носителей, их коэффициентов размножения и лавинных факторов шума. Выполнена программа по вычислению коэффициентов размножения. В наиболее характерных ситуациях они представлены в аналитическом виде. Показано, что полученные аналитические результаты находятся в хорошем количественном согласии с проведенными ранее численными расчетами и экспериментальными данными.

В данной части обзора проведен теоретический анализ зависимости межзонного туннельного тока гетероструктуры с p+–n-переходом в ″широкозонном″ слое от параметров используемых полупроводниковых материалов, уровней легирования ″высокоомных″ слоев и их толщин при напряжениях лавинного пробоя гетероструктуры. Показано, что туннельный ток, как правило, немонотонно зависит от концентрации легирующей примеси в ″высокоомной″ части ″широкозонного″ слоя. В наиболее практически интересном случае существует оптимальная концентрация этой примеси, при которой для заданных толщин слоев и уровня легирования ″узкозонного″ слоя туннельный ток достигает абсолютного минимума. Выведена простая формула для определения величины этой концентрации. Получено также аналитическое выражение для определения минимального значения туннельного тока. В реальных случаях перепад токов может составлять несколько порядков. Выяснено, что увеличение уровня легирования ″узкозонного″ слоя во многих случаях приводит к уменьшению туннельного тока. Показано, что при понижении уровня легирования ″высокомных″ слоев гетероструктуры туннельный ток не обращается в нуль, а начиная с некоторой концентрации перестает зависеть от уровня легирования. Аналогичный эффект имеет место и для гомогенного p+–n-перехода. Обсуждаются физические причины такого поведения туннельного тока при напряжениях лавинного пробоя. Разработана методика оптимизации параметров гетероструктуры порогового лавинного фотодиода с разделенными областями поглощения и умножения. Проведены конкретные расчеты, например, для широко используемой системы InP-In0,53Ga0,47As-InP.

Рассмотрена возможность описания переходных процессов в p–n–n-лавинных фотодиодах (ЛФД) элементарными функциями, прежде всего, при начальном напряжении V0, большем напряжения лавинного пробоя VBD. Постановка задачи вызвана потребностью знать явные условия возникновения гейгеровской моды работы ЛФД. Выведено несложное выражение, описывающее динамику лавинного гейгеровского процесса. Получена формула для полного времени его протекания. Представлено явное аналитическое соотношение реализации моды Гейгера. Определены условия применимости полученных результатов.

В заключение на основе аналитических вычислений обсуждены и продемонстрированы преимущества лавинных гетерофотодиодов (ЛГФД) с разделенными областями поглощения и умножения (РОПУ) типа ‘‘low-high-low’’ перед классическими образцами. Нумерация формул, рисунков и литературы продолжает нумерацию части I.