Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

УДК 621.315

ВПЛИВ СТРУКТУРИ БАЗОВОЇ ОБЛАСТІ І КОНТАКТІВ

НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ІНЖЕКЦІЙНИХ ФОТОДІОДІВ

05.12.20 - оптоелектронні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сидорець Ростислав Григорович

Одеса - 2004



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова Державного комітету зв'язку та інформатизації України.

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Курмашев Шаміль Джамашевич, Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова, Міністерства освіти і науки України, директор Експертного центру Сенсорна електроніка

Офіційні опоненти доктор фізико-математичних наук, професор Дроздов Валентин Олексійович, Одеський інститут сухопутних військ, Міністерства оборони України,завідуючий кафедрою фізики

кандидат технічних наук, доцент Корнійчук Володимир Іванович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Державного комітету звязку та інформатизації України, доцент кафедри волоконно-оптичних ліній зв'язку

Провідна установа: Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова Національної Академії наук України, м. Київ

Захист відбудеться 29.06.2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.01 в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської національної академії зв'язку за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна, 1.

Автореферат розісланий 27.05.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, професор А.М. Іваницький



Сидорець Р.Г. Вплив структури базової області і контактів на характеристики інжекційних фотодіодів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.20 - оптоелектронні системи. - Одеська національна академія звязку ім. О.С.Попова, Одеса, 2004.

Дисертація присвячена актуальним питанням удосконалення характеристик оптоелектронних елементів прийому та реєстрації випромінювання на базі нових науково-технічних рішень і розробці нових типів інжекційних фотодіодів.

Одержав подальший розвиток метод підвищення фоточутливості діодів шляхом реалізації внутрішнього інжекційного підсилення. Розроблено критерії оцінки фотоелектричного інжекційного підсилення в області “домішкового” та “власного” поглинання випромінювання.

Отримані аналітичні вирази для розрахунку характеристик на основі неоднорідно-легованих та варизонних напівпровідників. Використанням базових матеріалів з неоднорідною структурою можна досягти значного підвищення фоточутливості ІФД.

Досліджено умови та механізми реалізації фотоелектричного інжекційного підсилення в поверхнево-барєрних структурах при досягненні досить високого рівня інжекції з контакту метал-напівпровідник. Одержані та досліджені інжекційні фотодіоди на основі Ni-Si:Au-ПБС.

Ключові слова: інжекційний фотодіод, ІЧ-фотоприймач, неоднорідно-легований напівпровідник, варизонний напівпровідник, поверхнево-барєрна структура. інжекційний оптоелектронний випромінювання фотодіод



Сидорец Р.Г. Влияние структуры базовой области и контактов на характеристики инжекционных фотодиодов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.20 - оптоэлектронные системы. - Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Одесса, 2004.

Работа посвящена совершенствованию характеристик оптоэлектронных элементов приема и регистрации излучения на основе новых научно-технических решений и разработке новых типов инжекционных фотоприемников.

Развитие волоконно-оптических систем связи, автоматических устройств управления, навигации, способов контроля и мониторинга окружающей среды повысило требования к чувствительности фотоприемников. Существует целый ряд проблем, которые могут быть решены только с помощью фотоприемников с внутренним усилением.

Одним из направлений в области конструирования фотоприемников является создание инжекционных фотодиодов (ИФД) - детекторов с внутренним усилением на основе высокоомных компенсированных полупроводников. Под инжекционным усилением понимают такое изменение уровня инжекции носителей заряда в объеме полупроводника, которое в десятки и сотни раз превышает влияние первичного возмущающего фактора (свет) на интегральную проводимость базы диода. Чувствительность таких диодов к оптическому излучению намного выше, чем у соответствующих безинжекционных аналогов.

В работе обоснована актуальность направлений исследований, проведен обзор исследований по механизмам токопереноса и фоточувствительности “длинных” диодов (длина базы d превышает диффузионную длину носителей заряда L).

Исследованы инжекционные фотодиоды с различной структурой базы и контактов. Изучены электрофизические и фотоэлектрические характеристики ИФД на основе p-i-n-структур с однородной базой (p-Ge:Hg) и установлены условия их эффективной работы. Получил дальнейшее развитие мотод повышения фоточувствительности диодов путем внутреннего инжекционного усиления.

Токи, протекающие через p-Ge:Hg-диоды с d/L > 1, определяются дрейфом носителей заряда в электрическом поле, вследствие чего реализуется степенная зависимость темнового тока и токовой фоточувствительности от приложенного напряжения. Разработаны критерии оценки фотоэлектрического инжекционного усиления в области “примесного” и “собственного поглощения” излучения. Инжекционное усиление при “примесной” засветке реализуется за счет непосредственного воздействия света на биполярную дрейфовую подвижность. Установлено, что коэффициент усиления ИФД является произведением коэффициентов внутреннего усиления для основных и неосновных носителей заряда (электронов и дырок).

Определены механизмы влияния встроенных квазиэлектрических полей (неоднородно-легированные и варизонные полупроводники) на характер протекания тока в “длинных” диодах. Показано, что встроенные поля определяют распределение неравновесных носителей в базе структур, а также коэффициент инжекционного усиления. Максимальное воздействие на вид вольтамперной характеристики и коэффициент фотоэлектрического инжекционного усиления на степенном участке ВАХ оказывает неоднородное распределение глубокой примеси. Такие структуры обладают большой детектирующей способностью. Встроенные поля влияют на время пролета инжектированных носителей заряда.

Применение в качестве базы варизонных полупроводников позволяет получать ИФД с перестраиваемой (в зависимости от уровня инжекции) спектральной характеристикой, что расширяет функциональные возможности фотоприемников.

Исследованы условия и механизмы реализации фотоэлектрического инжекционного усиления в поверхностно-барьерных структурах (ПБС) при достижении достаточно высокого уровня инжекции из контакта металл-полупроводник. Получены ИФД на основе Ni-Si:Au-ПБС. Показано, что лазерный отжиг ПБС обеспечивает возможность перестройки длинноволнового порога спектральной чувствительности Mo-Si-диодов при давлении. Вариант управления токовой характеристикой фоточувствительности ПБС посредством анизотропного сжатия позволяет работать в режиме гашения фототока и повышать детектирующую способность D* фотоприемника.

Установлена возможность управления характеристиками ИФД посредством воздействия магнитного поля. Фоточувствительность диодов может быть существенно повышена при наличии дополнительного МДП-элемента на поверхности базы.

Ключевые слова: инжекционный фотодиод, ИК-фотоприемник, неоднородно-легированный полупроводник, варизонный полупроводник, поверхностно-барьерная структура.



Sidoretz R.G. Influence of the base region and contacts structure on the characteristics of the injection diodes. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on specialty 05.12.20 - optoelectronics systems. - Odessa national academy of communications, Odessa, 2004.

To urgent questions of advancing of the characteristics of the optoelectronics elements of the detection and registration of the illumination on the base of the new scientific-technical decision and the elaboration of the new type of the injection photodiodes.

It is receive the further development the method of the increasing of the diode's sensitivity by the way of the inside injection amplification. The criteria of the estimation of the photoelectric injection amplification on the region of the extrinsic and intrinsic absorption of the illumination were elaborated.

The analytical expression for account of the characteristics of the injection photodiodes on the base of the non-homogeneous-doping and graded band-gap semiconductors.

By utilization of the base materials with the non-homogeneous structure we may to achieve of the considerable increase of the IPhD's sensitivity.

The conditions and mechanisms of the realization of the injection amplification in the surface-barrier structures when was arrived the rather high level of the injection from the contacts were investigated. The injection photodiodes on the base of the Ni-Si:Au surface-barrier structures were elaborated.

Keywords: injection photodiod, IR-photodetector, non-homogeneous semiconductor, graded band-gap semiconductor, surface-barrier structure.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні сфери використання оптоелектронних систем прийому та реєстрації інформації поширюються з кожним днем. Одним з важливих елементів сучасних приладів оптоелектроніки є напівпровідникові фотоприймачі (дискретні та матричні). Розвиток волоконно-оптичних систем зв'язку, автоматичних пристроїв керування, навігації, засобів контролю і моніторингу довкілля підвищив вимоги до чутливості фотодетекторів. Існує цілий ряд проблем, які можуть бути вирішені лише за допомогою фотоприймачів з внутрішнім підсиленням.

Одним з напрямків в області конструювання фотоприймачів є створення інжекційних фотодіодів (ІФД) - детекторів із внутрішнім підсиленням на основі p-i-n-структур з довгою базою (довжина бази d перевищує дифузійну довжину носіїв заряду L). Під інжекційним підсиленням розуміють таку зміну рівня інжекції носіїв заряду в об'ємі напівпровідника, яка в десятки та сотні разів перевищує вплив первинного збуджуючого фактора (світло) на інтегральну провідність бази p-i-n-діоду. Чутливість довгих діодів до оптичного випромінювання набагато вища, ніж у відповідних безінжекційних аналогів. Це знімає цілий ряд проблем, які можуть бути вирішені лише за допомогою фотоприймачів із внутрішнім підсиленням. Так, різко знижуються вимоги до якості передпідсилювачів, а в ряді випадків з'являється можливість відмовитись від них взагалі.

Крім того, якщо широко розповсюджені лавинні фотодетектори працюють в спектральній області, яка обмежена лише власним поглинанням напівпровідника, спектральна чутливість ІФД розповсюджується в область домішкового поглинання. Тобто на їх основі можуть бути створені ефективні фотоприймачі для інфрачервоної області спектра.

Всі ці відомості свідчать про те, що ІФД є одним із перспективних типів фотоприймачів для оптоелектронних систем. Проте слід зазначити, що для широкого впровадження ІФД необхідно перебороти деякі труднощі та відповісти на ряд питань як теоретичного, так і практичного характеру. Кількість публікацій, присвячених дослідженню фотоелектричних явищ у “довгих” діодах порівняно мала. Експериментальні дані та їх тлумачення інколи надто суперечливі.

Серед основних проблем, що стоять перед розробниками та дослідниками, можна назвати задачу одержання фотоприймачів з неоднорідною структурою базової області і контактів та вивчення основних фізичних процесів і конструктивно-технологічних факторів, які визначають ефективність таких ІФД.

Все вищевикладене визначило актуальність вирішення науково-технічної задачі, наукового обґрунтування та розробки комплексу засобів і методів удосконалення, а також створення нових типів оптоелектронних елементів на базі ІФД для існуючих і перспективних засобів прийому інформації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до фундаментальних держбюджетних науково-дослідних робіт Інжекційно-плазмові явища в неоднорідних напівпровідниках при дії зовнішніх факторів (держ. реєстр. № 0100U002860), Дослідження фотоелектричного інжекційно-плазмового підсилення в компенсованих напівпровідниках (держ. реєстр. № 0103U0003788) та прикладної держбюджетної НДР Дослідження впливу зовнішніх факторів та електричних режимів на характер закономірностей відмов напівпровідникових структур і розробка методології їх прискорених випробувань на надійність (держ. реєстр. № 0100U002891).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення характеристик оптоелектронних елементів прийому та реєстрації випромінювання на базі нових науково-технічних рішень і розробка нових типів ІФД.

Для досягнення поставленої мети у дисертації за допомогою сучасного матеріалознавства, фізичного та математичного моделювання розвязуються наступні взаємопов'язані задачі:

дослідження електрофізичних та фотоелектричних характеристик ІФД на основі p-i-n-структур з однорідною базою (p-Ge:Hg) та визначення умов їх ефективної роботи;

розробка критеріїв оцінки фотоелектричного інжекційного підсилення в області “домішкового” та “власного” поглинання випромінювання;

з'ясування механізму впливу вбудованих квазіелектричних полів (неоднорідно-леговані та варизонні напівпровідники) на характер струмопротікання в “довгих” діодах;

підвищення фоточутливості ІФД шляхом використання базових напівпровідникових матеріалів з неоднорідною структурою;

вивчення умов і механізмів реалізації фотоелектричного інжекційного підсилення в поверхнево-бар'єрних структурах;

дослідження нових напрямків використання ІФД та розробка нових приладів на їх основі.

Об'єкт дослідження - оптоелектронні елементи реєстрації інформації на основі p-i-n- та поверхнево-бар'єрних інжекційних структур з довгою базою на основі компенсованих напівпровідників.

Предмет дослідження - процеси та механізми, які протікають в розроблених ІФД; засоби удосконалення характеристик ІФД.

Методи дослідження. Для розв'язання перелічених задач у дисертації використані методи феноменологічного аналізу інжекційних струмів, фізики напівпровідників і діелектриків, комп'ютерного моделювання та сучасних методів обробки даних експериментальних досліджень (програмні пакети MathCAD 2002 Pro, Electronics Workbench 5.12, Tbcurve 3.0).

Достовірність отриманих наукових результатів і висновків перевірена порівнянням теоретичних положень з експериментальними даними, отриманими при випробуванні виготовлених зразків.

Наукова новизна отриманих результатів:

установлено фізичні механізми функціонування ІФД;

одержав подальший розвиток метод підвищення фоточутливості діодів шляхом внутрішнього інжекційного підсилення. Вперше детально досліджено механізм підсилення в p-i-n-діодах на основі p-Ge:Hg, в результаті чого установлено, що коефіцієнт внутрішнього підсилення структури є добутком коефіцієнтів підсилення для основних та неосновних носіїв заряду (дірок та електронів);

вперше отримано аналітичні вирази для розрахунку характеристик ІФД на основі неоднорідно-легованих і варизонних напівпровідників. Показано, що вбудовані квазіелектричні поля визначають розподіл нерівноважних носіїв заряду в базі структури та коефіцієнт інжекційного підсилення;

вперше обґрунтовано принципи реалізації фотоелектричного інжекційного підсилення в поверхнево-бар'єрних структурах при досягненні достатньо високого рівня інжекції носіїв заряду з контакту метал-напівпровідник;

розроблено методи підвищення чутливості ІФД.

Практичне значення одержаних результатів:

Результати досліджень, розроблені методи та пристрої поширили науково-технічну базу для проектування фотоприймачів з інжекційним підсиленням для оптоелектронних систем.

Розроблені датчики випромінювання на основі p-Ge:Hg для ІЧ-області спектра (л = 8…12 мкм) з пороговими характеристиками, близькими до найкраще можливих.

Фоточутливість ІФД може бути суттєво підвищена за наявності додаткового МДН-елементу на поверхні бази.

Суттєвого підвищення (в десятки разів) чутливості датчиків можна досягти, створюючи в об'ємі напівпровідника вбудовані квазіелектричні поля (неоднорідно-леговані і варизонні напівпровідники).

На основі поверхнево-бар'єрних структур розроблено ІЧ-фотоприймачі з внутрішнім інжекційним підсиленням.

Спектральною чутливістю ІФД можна керувати магнітним полем та тиском.

Результати роботи становлять науковий і практичний інтерес для науково-дослідних організацій та підприємств радіоелектронної галузі України, які займаються питаннями розробки і виробництва засобів опто- і мікроелектроніки, зокрема, для ЦКБ “Ритм” (м. Чернівці), НДІ Радіотехніки (м. Львів), а також для навчального процесу в курсі дисципліни Фізика оптичного зв'язку” в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень електрофізичних та фотоелектричних властивостей ІФД. Здобувачу належать формулювання та вибір шляхів розвязання задач, теоретичне обґрунтування одержаних результатів, вибір методів та засобів дослідження об'єктів, класифікація та систематизація результатів, розробка нових типів ІФД. За результатами роботи опубліковано 14 робіт. В роботах [1, 2, 6-8, 9, 10, 14] автором проаналізовано механізми фотоелектричного інжекційного підсилення, розроблено критерії визначення інжекційного підсилення та запропоновано засоби підвищення коефіцієнта інжекційного підсилення, тобто підвищення фоточутливості діодів.

В роботах [4,11] автором запропоновано методи підвищення чутливості ІФД шляхом створення в базі структур вбудованих квазіелектрічних полів (неоднорідно-леговані і варизонні напівпровідники).

В роботах [3, 5, 12, 13] автором показана можливість реалізації фотоелектричного інжекційного підсилення в поверхнево-бар'єрних структурах та засіб керування спектральною характеристикою фотодіодів при тиску.

Особистий внесок дисертанта в опублікованих роботах складає від 20 до 50%.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 6 науково-технічних міжнародних та республіканських конференціях: 1 Українська конференція з фізики напівпровідників (Одеса, 2002); V1 Міжнародна НПК Системи та засоби передачі та обробки інформації (Одеса, 2002); ХХ НПК стран СНГ Дисперсные системы (Одесса, 2002); III Международная НТК Современные информационные и электронные технологии (Одесса, 2002); VII Міжнародна НПК Системи та засоби передачі та обробки інформації (Одеса, 2003); IV Международная НТК Современные информационные и электронные технологии (Одесса, 2003).

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 14 наукових робіт, в тому числі: 6 - у фахових журналах і збірниках:

2 статті в міжвідомчому науковому збірнику Фотоелектроніка;

3 статті в науково-технічному журналі Технология и конструирование в электронной аппаратуре;

1 стаття в теоретичному і науково-практичному журналі радіозв'язку, радіомовлення та телебачення (Праці УНДІРТ);

у 7 статтях та докладах на міжнародних конференціях, а також 1 патент України на винахід.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Обсяг дисертації становить 147 сторінок друкованого тексту, із них 46 рисунків, список використаних джерел налічує 155 найменувань, додатки (2 с.).



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дослідження, сформульовані мета та задачі дослідження, відображені наукова новизна і практична цінність роботи, наведені дані про апробацію, публікації і використання результатів дослідження, визначено особистий внесок здобувача.

У першому розділі - “Стан предмета дослідження і формування вирішуємої проблеми” - наведено аналіз сучасного стану оптоелектронних елементів прийому та реєстрації випромінювання на основі інжекційних структур.

Розглянуто явища інжекційної модуляції провідності бази “довгих” діодів (довжина бази d перевищує дифузійну довжину носіїв заряду L). Проаналізовано структури з негативним диференційним опором на вольт-амперній характеристиці (S-діоди). Визначено умови реалізації інжекційного пробою.

“Довгий” діод можна зобразити як резистор, контакти якого інжектують в об'єм бази надлишкові носії заряду обох знаків, що приводить до значного зростання провідності бази. У випадку, коли інжекційний струм залежить від інтенсивності світла, фоточутливість такого діоду може значно перевищувати чутливість фоторезистора з такою ж базою. “Довгі” діоди, в яких інжекція призводить до зростання фоточутливості порівнянно з безінжекційними приладами і називають інжекційними фотодіодами (ІФД). Резистор з базою тих же розмірів з того ж матеріалу, що й ІФД, називають еквівалентним (даному ІФД) фоторезистором.

У попередніх дослідженнях установлено, що “довгі” діоди можуть бути використані як оптоелектронні перемикачі, височутливі індикатори світла. Але кількість наукових робіт, присвячених дослідженню впливу світла на інжекційні діоди, до теперішнього часу не дуже велика. У більшості з них зроблено лише якісний висновок про високу фоточутливість таких пристроїв. Замалою вважається кількість досліджень, присвячених роботі (ІФД) в аналоговому режимі, хоча в цьому випадку з'являється можливість не лише фіксувати наявність оптичного сигналу (бістабільний оптичний перемикач), а й оцінювати величину цього сигналу.

Розглянуто теорію фотоелектричних явищ у довгих p-i-n-діодах при біполярній інжекції носіїв заряду. Проаналізовано механізм фотоелектричного підсилення, який не зводиться до позитивного зворотного зв'язку по струму і можливий на значній ділянці ВАХ діода. Використовувалась модель діода з достатньо довгою базою, в якій розподіл носіїв заряду майже всюди описується дрейфовим наближенням. При напрузі V, коли провідність бази визначається нерівноважними носіями, інжектованими з контактів, але меншою, ніж напруга “зриву” (інжекційний пробій), ВАХ діода має вигляд

де n_o - рівноважна концентрація електронів; n_ф - концентрація електронів, генерованих світлом з домішкового рівня за відсутності інжекції з контактів; інші позначення узвичаєні.

Вираз (1) порівнювався з ВАХ аналогічного (еквівалентного) фоторезистора. Коефіцієнт інжекційного підсилення (коефіцієнт фоточутливості)

G = J^ІФД/J^ФР.

У загальному випадку можливі два типи інжекційного підсилення, які можуть здійснюватися одночасно: а - обумовлене внутрішнім позитивним зв'язком по струму; б - підсилення за рахунок зміни параметрів розподілу носіїв заряду (час життя ф, біполярна дрейфова рухливість м, біполярний коефіцієнт дифузії D) при перезарядці глибоких компенсуючих центрів у базі, так зване “параметричне” підсилення.

Оскільки особлива увага в роботі приділяється дослідженню ІФД, як приймачів слабких світлових сигналів, розглянуто шуми в діодних структурах. Наведено наявні дані по вивченню “довгих” діодів на основі неоднорідних напівпровідників та поверхнево-бар'єрних структур.

У другому розділі - “Методи вимірювання характеристик інжекційних фотодіодів (ІФД) - приведено методи вимірювання характеристик ІФД з урахуванням специфічних особливостей зразків та умов роботи (високий вхідний опір, низький рівень освітлення, низькі робочі температури). Вимірювання ВАХ проводили, здебільшого, за наявності фонового випромінювання (Т ? 300 К). При необхідності зразки повністю екранувалися від фонового випромінювання (холодна екраніровка).

При вимірюванні фоточутливості, спектральних та люксамперних характеристик використовували спектрометр ІКС-21 з призмою NaCl і глобаром. Джерелом випромінювання була також модель абсолютно чорного тіла (при л > 2 мкм) з температурою порожнини Т ? 500 К. Представлено методику вимірювання шумових характеристик.

У роботі розглянуто 4-зондовий метод вимірювання фотопровідності еквівалентних фоторезисторів з використуванням катодних повторювачів з високоомними входами.

Описано методику вимірювання частотних характеристик на низьких (f < 10 Гц) та на високих частотах з використанням електрооптичного модулятора МЛ-8.

Третій розділ - “Інжекційні діоди на основі p-i-n-структур з однорідною базою” - присвячено інжекційним p-i-n-діодам на основі германію, компенсованого ртуттю. Енергія активації рівнів Hg в забороненій зоні Ge визначає чутливість цього матеріалу в інфрачервоному діапазоні (л = 8…12 мкм), на який припадає випромінювання СО₂-лазера (л =10,6 мкм). Конструкцію ІФД наведено на рис. 1. Вона передбачає багаторазове внутрішнє відбивання світла, тобто збільшення довжини шляху світлового проміню. Один з контактів випрямовуючий, другий - омічний. Довжина бази діодів d = 1…4 мм (тобто d/L > 4).

На ВАХ діодів можна виділити декілька характерних областей: 1 - ділянка лінійної (омічної) залежності струму І від напруги V; 2 - ділянка степеневої (квадратичної) залежності І ~ Vⁿ (n ? 2); 3 - область різкого підвищення струму перед інжекційним пробоєм (негативний диференційний опір - НДО).

Обговорено деякі закономірності протікання струмів подвійної інжекції. Розподіл інжектованих носіїв заряду визначається не дифузійними процесами, а біполярним дрейфом в електричному полі. Омічна область на ВАХ p-Ge:Hg-діодів має місце при низькому рівні інжекції, коли концентрація нерівноважних носіїв заряду менша, ніж концентрація рівноважних .Така лінійна залежність І від V для “довгих“ діодів практично співпадала з ВАХ еквівалентних резисторів. При струмах, коли має місце модуляція провідності бази інжектованими з контактів носіями, темнова ВАХ описується співвідношенням, аналогічним до (1), коли n_ф = 0.

Проведено якісне порівняння експериментальних результатів (рис. 3) з теоретичними розрахунками. Напруга переходу з омічної ділянки на степеневу (1) для домішкового напівпровідника (коли p₀ >> n₀)

. (3)

При вивченні фотоелектричних характеристик ІФД увага приділялася в першу чергу виявленню механізмів, забезпечуючих підсилення первинного фотоструму (фотопровідність), обумовленого світлом. Залежність струмової фоточутливості S_i від напруги V, як і темнові ВАХ, містить лінійну (І ~ V) і степеневу (І ~ V²) області. Струмова чутливість S_i вимірювалася до напруги, за якої виявлялися шуми чи струмові нестійкості, які роблять реєстрацію фотострумів неможливою.

При низькій температурі концентрація носіїв заряду в базі “довгого” діода з компенсованого напівпровідника (p-Ge:Hg) навіть при достатньо високих (10²) рівнях інжекції буває звичайно на декілька порядків менша, ніж концентрація глибоких рівнів. Внаслідок цього інжекційна перезарядка глибоких центрів (Hg) в більшій частині бази незначна (ф const). За цих умов в діодах з d/L > 1 може мати місце сильне інжекційне підсилення домішкового фотоструму. ВАХ при дії світла визначається виразом, аналогічним (1). При низькому рівні інжекції ВАХ діода співпадає з характеристикою еквівалентного фоторезистора.

Одержано вираз для коефіцієнта фотоелектричного підсилення та струмової фоточутливості діода. Розглянуто випадок генерацій носіїв заряду одного знака (домішкове випромінювання). Коефіцієнт підсилення визначався як відношення J_вих/J_вх, де J_вих - частина повного питомого струму, яка пов'язана з оптичною генерацією електронів; J_вх - “вхідний” фотострум, пропорційний кількості електронів, генерованих світлом у базі діода (генераційний струм електронів).

Коефіцієнт підсилення ІФД

Тут t_d,n і t_d,p - час прольоту електронів та дірок крізь базу діода відповідно.

Якщо в базі p-типу світло генерує дірки, то, як свідчить (4), підсилення в такому ІФД перевищує підсилення в еквівалентному резисторі приблизно в ф_n/t_d,n разів:



У випадку, коли ділянка, яка передує області НДО, достатньо стійка, струмова чутливість S_i для ІФД за рахунок інжекційного підсилення може на 2 порядки перевищувати чутливість еквівалентного резистора в ІЧ-області спектра і досягати 1 А/Вт при Т < 77 К.

Спектральні характеристики ІФД при Т = 55 К для різних напруг наведені на рис. 4. Видно, що зі зростанням напруги “домішкова” частина спектральної характеристики зростає швидше, ніж “власна”. Внаслідок цього за рахунок інжекційного підсилення “домішкова” чутливість практично виходить на один рівень з “власною”.

Розглядуваний в роботі механізм фотоелектричного підсилення пов'язаний із впливом світла на біполярну дрейфову рухливість м. У відомому виразі для м стоїть величина n-p•dn/dp, яка залежить від різниці концентрації носіїв заряду. Зовнішнє освітлення, особливо із області домішкової фоточутливості (генерація носіїв одного знаку), змінюючи цю величину, впливає на концентрацію носіїв, інжектованих з контактів. Залежність S_i(V) в ІФД з квадратичною ВАХ також квадратична, що й підтверджують результати експерименту. Напруга V₁₂^Si при цьому приблизно співпадає з (3).

При освітленні ІФД квантами з області власного поглинання виходить, що V₁₂^Si , як і спостерігається на досліді. Перехід на квадратичну ділянку S_i відсутній і параметричного підсилення немає.

Спад частотної характеристики фотовідповіді ІФД починається при f ? 10⁵ Гц. Графіки характеристики слідують співвідношенню

I_ф ~ (1+щ²ф²)^-1/2

Постійна часу відповідає часу життя носіїв (електронів) в p-Ge:Hg. Коефіцієнт підсилення ІФД при f < 4 МГц перевищує підсилення в еквівалентному резисторі, а при f > 4 МГц практично дорівнює йому. Діапазон, в якому G^ІФД > G^ФР, може бути суттєво розширений при збільшенні напруги на діоди тому, що з ростом V підсилення G^ІФД зростає швидше, ніж G^ФР.

З метою оптимізації порогових характеристик розглянуто генераційно-рекомбінаційні шуми (ГР) p-Ge:Hg-діодів на “дозривних” ділянках ВАХ. Вимірювалась залежність шумового струму І_ш, віднесеного до одиничної смуги частот, від напруги V. За величиною І_ш визначалася порогова потужність, а також детектуюча спроможність D* фотоприймачів.

В ІФД існує декілька типів ГР-шумів з різною залежністю І_ш від напруги. Для досліджуваних фотодіодів можна виділити три ділянки І_ш =f(V). При відносно низьких напругах (V<8…10В) І_ш ~ V^3/2 і D* ~ V^1/2. При V > 10 В І_ш ~ V² і D* = const. Напругам V > 40…50 В відповідає різке зростання шумового струму (І_ш ~ V^5/2) і D* ~ V^-1/2.

Спектри шумового струму при напругах на ІФД, які відповідають першим двом ділянкам І_ш =f(V), добре апроксимуються залежністю I_ф ~ (1+щ²ф²)^-1/2, тобто вони обумовлені ГР-шумом. Так, рекомбінаційний шум І_ш ~ V^3/2 визначається фоторезистивно підсиленими флуктуаціями захвату неосновних носіїв заряду глибокими центрами. Компонента шуму І_ш ~ V² пов'язана з інжекційним підсиленням рівноважних флуктуацій генерації та захвату (рекомбінації) збуджених світлом носіїв. Струм І_ш ~ V^5/2 відповідає інжекційно підсиленим флуктуаціям захвату інжектованих носіїв заряду.

Максимальна величина детектуючої спроможності D* в нашому випадку є найбільш можливою для ІФД з даного матеріалу. Якщо темнова провідність діода визначається оптичною генерацією носіїв заряду фоновим випромінюванням, то він (ІФД) працює в режимі “обмеження фоном”. Його шум відповідає підсиленим флуктуаціям тієї частини потоку випромінювання фона, яка поглинається в базі діода.

У четвертому розділі - “ІФД на основі неоднорідних напівпровідників” - розглянуто характеристики ІФД з неоднорідною структурою бази. Обговорюється явище виникнення вбудованого квазіелектричного поля при нерівномірному легуванні бази діода домішками. Величина та знак поля залежать від градієнта концентрації домішок. Напруженість вбудованого поля

де b = _n/_p, p - концентрація дірок в n-базі; N_d - концентрація донорної домішки. При низькому рівні інжекції (p << N_d) ця напруженість співпадає з величиною E у незбуреному кришталі. При великих рівнях інжекції роль вбудованого поля в сумарній напруженості послаблюється і при p >> N_d ним можна знехтувати.

Обговорення дрейфових струмів визначило, що при неоднорідному легуванні бази глибокою компенсуючою домішкою крутизна ВАХ діода також змінюється, не дивлячись на те, що вбудоване поле набагато слабкіше за струмове. Уявлення про гальмуючу чи прискорюючу дію квазіелектричного поля в даному випадку не застосовується. Залежність ВАХ від знака градієнта домішки можна пояснити в термінах рекомбінаційного механізму. Коли інжектуючий контакт знаходиться з тієї сторони зразка, де концентрація домішки максимальна ( < 0, величина визначається направленням градієнта концентрації домішки), то інжектовані носії заряду за рахунок сильної рекомбінації протягуються на меншу глибину, ніж у випадку рівномірного розподілу домішки. При інжекції в базу зі сторони з меншою концентрацією глибокої домішки ( > 0) довжина протягування носіїв зростає і струм при фіксованій напрузі збільшується.

За наявності градієнта домішки коефіцієнт інжекційного підсилення (напівпровідник n-типу)



, (7)

де K - коефіцієнт, який визначає різницю в крутизні ВАХ з градієнтом концентрації домішки в базі і без нього. Таким чином, при K > 1 коефіцієнт фотоелектричного інжекційного підсилення зростає.

В роботі експериментально досліджувалися ІФД на основі кремнію n-типу, легованого фосфором. Глибокою компенсуючою домішкою було золото. Показано, що шляхом неоднорідного легування бази можна керувати фоточутливістю ІФД і підвищити інжекційне підсилення на квадратичній ді лянці ВАХ.

Проведено дослідження ІФД, база якого є варизонним напівпровідником. У загальному випадку нерівноважні носії заряду в нерівномірно легованому варизонному напівпровіднику зазнають вплив внутрішніх полів, величина та знак яких визначається градієнтом країв забороненої зони і концентрації домішки.

Показано, що в ІФД на основі варизонних напівпровідників можлива перебудова спектральної характеристики фоточутливості при зміні рівня інжекції, а також при дії магнітного поля (за рахунок гальвано-магніто-рекомбінаційного ефекту). Це значно розширює функціональні можливості фотоприймачів.

Виявлено, що при існуванні вбудованих полів суттєво змінюється практично важлива характеристика структури - час прольоту неосновних носіїв заряду крізь зразок. Ця характеристика значною мірою визначає чутливість напівпровідника до освітлення.

Середній час прольоту інжектованих носіїв залежить від напруженості E і направлення вбудованого поля. Коефіцієнт інжекційного підсилення для бази з p-матеріалу дорівнює



де t_п⁰ - час прольоту носіїв заряду крізь базу за умов відсутності внутрішнього поля. Таким чином, струмова чутливість S_i за рахунок наявності E значно підвищується.

В п'ятому розділі - “Фотоелектричне інжекційне підсилення у поверхнево-барєрних структурах” - розглянуто фотоелектричне інжекційне підсилення в структурах на основі випрямляючого контакту метал-напівпровідник (поверхнево-бар'єрні структури - ПБС). Проведено аналіз інжекційних явищ в ПБС. Зрозуміло, що для створення інжекційних фотоприймачів на основі ПБС необхідно забезпечити високий рівень інжекції неосновних носіїв заряду в обєм напівпровідника. Експериментально досліджувалися структури на основі Si:Au. Установлено, що оптимальною з точки зору високого рівня інжекції є товщина діелектричного прошарку між металом і напівпровідником = 25…40 ?. Частина зовнішньої прикладеної напруги падає на цьому шарі, що зменшує висоту барєра _p для неосновних носіїв. Виходячи з оцінки висоти потенційного барєра _p 0.64 еВ зроблено висновок, що біля поверхні кремнію існує інверсійний шар з підвищеною концентрацією носіїв заряду, з якого можлива їх інжекція в обєм напівпровідників при прямому зміщенні. Відносно високого рівня інжекції для структур Ni-Si:Au можна досягти за рахунок підвищення питомого опору вихідного кремнію та зниження робочої температури.

Ділянка надлінійного збільшення струму І з напругою V Ni-Si:Au-ПБС (I~V²) на прямих ВАХ свідчить про достатньо сильну модуляцію провідності бази інжектованими з контакту носіями заряду. Залежність струмової фоточутливості S_i від зовнішнього зміщення V при освітленні фотонами з енергією h = 0,55…0,7 еВ, як і в разі p-i-n-структури (див. розд. 3) подібна до темнової ВАХ.

Спектральні характеристики при зміненні напруги деформуються (рис. 7). Значне зростання чутливості в області домішкового поглинання кремнію ( > 1,1 мкм), порівняно з фоторезисторами, в Ni-Si:Au-ПБС починається при напругах V, для яких має місце надлінійна залежність S_i від V. Чутливість в області власного поглинання ( < 1,1 мкм) зростає за лінійним законам.

Величина коефіцієнта підсилення G максимальна при h 0,8 еВ ( 1,5 мкм) і його зростання починається при менших напругах по відношенню до освітлення з h 0,6 еВ ( 2,1 мкм). Таким чином, в Ni-Si:Au-ПБС реалізовано інжекційне підсилення фотоструму. Найбільше підсилення припадає на область довжин хвиль = 1,25…2,25 мкм (енергія фотонів h = 0,85…0,9 еВ) та може досягати 15 і більше.

У дисертації розглянуто можливість керування характеристиками чутливості фотоприймачів, використовуючи тиск (анізотропний стиск) на випрямляючий контакт метал-напівпровідник. У роботі вивчалася можливість підвищення діапазону перебудови спектральної межі чутливості за рахунок зростання швидкості зміни висоти потенційного барєра при дії тиску. Для цього випрямляючі контакти піддавалися лазерному відпалу (неодимовий лазер ГОС-30М, = 1,06 мкм). У результаті відпалу в забороненій зоні кремнію виникає рівень з енергією активації ~ 0,085 еВ. Відносна перебудова межі чутливості складала 50% при тиску 1,5•10⁶ Па. Таким чином, крім можливості змінювати спектральну характеристику ІФД, зявляється можливість створювати датчики тиску на основі фоточутливих інжекційних структур.



ВИСНОВКИ

Проведені дослідження, спрямовані на удосконалення фотоприймачів з інжекційним підсиленням, призначених для використання в оптоелектронних системах, виявили ряд закономірностей, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета може вважатися досягнутою. При виконанні роботи використовувалися коректні і достовірні методи досліджень. Розроблені методи і пристрої можуть бути впроваджені в промисловості і в навчальному процесі.

Струми, які протікають крізь p-Ge:Hg-діоди з d/L > 1 , визначаються дрейфом носіїв заряду в обємі напівпровідника, внаслідок чого реалізується степенева залежність темнового струму та струмової фоточутливості від прикладеної напруги. Інжекційне підсилення при домішковому освітленні реалізується у ІФД за рахунок безпосереднього впливу світла на біполярну дрейфову рухливість, тобто є параметричним.

Коефіцієнт фотоелектричного підсилення ІФД дорівнює добутку коефіцієнта підсилення еквівалентного резистору та коефіцієнту підсилення струмів неосновних носіїв заряду. Це дозволило створити фотоприймачі з відносним коефіцієнтом підсилення К = 10…100 для ІЧ-області спектра ( = 8…12 мкм) зі струмовою чутливістю S_i = 2 А/Вт при Т = 77 К та детектуючою спроможністю D* = 10¹⁰ см Гц^1/2 Вт-¹, що відповідає параметрам найкращих зарубіжних аналогів.

Наявність польового МДП-електрода на боковій поверхні бази дозволяє збільшити фоточутливість ІФД. Можливість збільшення детектуючої спроможності D* при цьому повязана з тим, що найбільша величина S_i припадає на область напруг, де генераційно-рекомбінаційні шуми структури малі.

Неоднорідне легування бази та наявність градієнта ширини забороненої зони в базі p-i-n-діода приводять до появи вбудованих квазіелектричних полів, впливаючих на розподіл нерівноважних носіїв заряду.

В результаті дослідження ІФД на основі неоднорідно-легованих і варизонних напівпровідників установлено, що:

а) максимальний вплив на вид вольт амперної характеристики і коефіцієнт фотоєлектричного підсилення на степеневій (I V²) ділянці ВАХ визначає неоднорідний розподіл глибокої домішки. Крутизна ВАХ зростає, якщо концентрація домішки мінімальна біля інжектуючого n-i(p)-переходу;

б) найбільш сильний вплив вбудованих полів проявляється при малих напругах зовнішнього зміщення. Такі структури поряд з високим коефіцієнтом інжекційного підсилення мають велику детектуючу спроможність D*;

в) вбудовані поля впливають на час прольоту інжектованих носіїв заряду; зменшення цього часу збільшує фоточутливість діодів;

г) використання як бази ІФД варизонних напівпровідників дозволяє одержувати діоди з можливістю перебудови (при зміні рівня інжекції) спектральної характеристики, що розширяє функціональну спроможність фотоприймачів;

д) спектральною характеристикою ІФД можна керувати магнітним полем внаслідок прояву гальвано-магнітно-рекомбінаційного ефекту.

7. Дослідженням інжекційних поверхнево-барєрних структур установлено, що:

а) високого рівня інжекції для структур Ni-Si:Au можна досягти створенням діелектричного прошарку між металом та напівпровідником, створенням інверсійного шару біля поверхні кремнію та підвищенням питомого опору вихідного матеріалу;

б) реалізовано інжекційне підсилення фотоструму в Ni-Si:Au-ПБС. Найбільше підсилення припадає на область довжин хвиль = 1,25…2,25 мкм і може досягати 15 та більше

в) лазерний відпал забезпечує перебудову довгохвильової межі спектральної чутливості (по зворотньому струму) Mo-Si-діодів порядку 50%;

г) варіант керування струмовою характеристикою фоточутливості ПБС шляхом анізотронного стискання дозволяє працювати в режимі гасіння фотоструму та підвищувати детектуючу спроможність D* фотоприймача.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Викулин И.М., Курмашев Ш.Д., Сидорец Р.Г. Усиление фототока в инжекционных фотодиодах с полевым МДП-электродом // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2003. - № 4. - С. 46-49.

Панов Л.И., Сидорец Р.Г. Опыт совершенствования толстопленочной технологии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2002. - №1. - С. 43-46.

Спектральная фоточувствительность Ni-Si:Au поверхностно-барьерных структур / Ш.Д. Курмашев, И.М. Викулин, С.В.Ленков, Р.Г. Сидорец // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2002. - № 6. - С.16 - 19.

Курмашев Ш.Д.. Викулин И.М., Сидорец Р.Г. Инжекционное усиление в неоднородно-легированных полупроводниках // Фотоэлектроника. - 2003. - № 12. - С. 33-35.

Курмашев Ш.Д., Викулин И.М., Сидорец Р.Г. Инжекция неосновных носителей заряда в поверхностно-барьерных структурах на основе Si:Au // Фотоэлектроника. - 2002. - № 11. - С.46 - 52.

Курмашев Ш.Д., Сидорец Р.Г. Чувствительность фоторезисторов, эквивалентных инжекционным фотодиодам // Праці Українського науково-дослідного інституту радіомовлення та телебачення (УНДІРТ). - Одесса, 2002. - № 4 (32). - С. 38-40.

Викулина К.И., Панфилов М.И., Сидорец Р.Г. Методы увеличения чувствительности фотоприемников - Одесса: ОНАС, 2002. - 42 с.

Позитивне рішення по заявці на Патент України. Фотоприймач / Вікулін І.М., Курмашев Ш.Д., Сидорець Р.Г. - № 20031211649, заявлено 16.12.03.

Курмашев Ш.Д., Викулин И.М., Сидорец Р.Г. Частотные характеристики инжекционных фотодиодов // Тр. VI НПК Системы и средства передачи и обработки информации. - Одесса, 2002. - С.122.

Курмашев Ш.Д., Викулин И.М., Сидорец Р.Г. Время фотоответа и произведение G•f инжекционных фотоприемников //Тр. III НПК Современные информационные и электронные технологии. - Одесса, 2002. - С.230.

Курмашев Ш.Д., Викулин И.М., Сидорец Р.Г. Фотоэлектрическое усиление в неоднородных полупроводниках // Тез. доп. І Української конференції з фізики напівпровідників. - Одеса, 2002. - Т.1. - С.122.

Курмашев Ш.Д., Сидорец Р.Г., Шенкевич А.Л. Датчики давления на основе поверхностно-барьерных структур // Тез.доп. І Української конференції з фізики напівпровідників. - Одеса, 2002. - Т. 2. - С. 164.

Тезочувствительные фотоприемники / Ш.Д. Курмашев, Р.Г. Сидорец, А.Н. Софронков, А.Л. Шенкевич // Тез. докл. ХХ НПК стран СНГ Дисперсные системы. - Одесса, 2002. - С. 63.

Инжекционные фотодиоды с полевым электродом / И.М. Викулин, Ш.Д. Курмашев, Р.Г Сидорец, Ю.Г. Туманов // Тр. VII НПК Системы и средства передачи и обработки информации. - Одесса, 2003. - С. 134.

Размещено на Allbest.ru

...