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.
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 320256 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.
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 %.
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 kp 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.
Из решения уравнения непрерывности для одномерной модели р–n-перехода с граничными условиями, определяющими поведение концентрации неосновных носителей заряда и тока на границах раздела областей р- и n-типа проводимости, получена зависимость произведения R0A от длины волны и температуры. Проведено сравнение влияния характерных для материала HgCdTe механизмов рекомбинации (излучательной, поверхностной, Оже, Шокли-Рида-Холла), на параметры фотодиодов. Показано, что параметры фотодиодов в большей степени зависят от механизмов рекомбинации Оже и ШРХ, при этом рекомбинация ШРХ в области объемного заряда дополнительно уменьшает произведение R0A более чем в 3 раза по сравнению с рекомбинацией Оже, а поверхностная рекомбинация на границе раздела области поглощения уменьшает произведение R0A на 1,5 порядка. Предложены рекомендации по улучшению технологии изготовления фотодиодов на основе HgCdTe, которые заключаются в усложнении архитектуры фоточувствительного элемента (ФЧЭ) и улучшение качества границ раздела между слоями.
Рассмотрены основные механизмы Оже-рекомбинации и рассчитаны скорости генерациирекомбинации и времена жизни в зависимости от состава и температуры в материале HgCdTe р- и n-типа проводимости на основе модели Битти–Ландсберга–Блэкмора (Beattie– Landsberg–Blakemore (BLB). Определены пороговые значения энергии, требуемые для процессов рекомбинации по механизмам Оже-1, Оже-7 и Оже-3. Проведена оценка темновых токов и обнаружительной способности в узкозонных полупроводниковых структурах HgCdTe с учетом фундаментальных Оже-механизмов.
- 1
- 2