Вплив структури базової області і контактів на характеристики інжекційних фотодіодів - Автореферат

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 обємі напівпровідника, яка в десятки та сотні разів перевищує вплив первинного збуджуючого фактора (світло) на інтегральну провідність бази p-i-n-діоду. 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. 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);“Довгий” діод можна зобразити як резистор, контакти якого інжектують в обєм 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. При напрузі V, коли провідність бази визначається нерівноважними носіями, інжектованими з контактів, але меншою, ніж напруга “зриву” (інжекційний пробій), ВАХ діода має вигляд де no - рівноважна концентрація електронів; nф - концентрація електронів, генерованих світлом з домішкового рівня за відсутності інжекції з контактів; інші позначення узвичаєні. У загальному випадку можливі два типи інжекційного підсилення, які можуть здійснюватися одночасно: а - обумовлене внутрішнім позитивним звязком по струму; б - підсилення за рахунок зміни параметрів розподілу носіїв заряду (час життя ?, біполярна дрейфова рухливість ?, біполярний коефіцієнт дифузії D) при перезарядці глибоких компенсуючих центрів у базі, так зване “параметричне” підсилення. 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.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. Струми, які протікають крізь p-Ge:Hg-діоди з d/L > 1 , визначаються дрейфом носіїв заряду в об?ємі 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 (l = 8…12 мкм) зі струмовою чутливістю Si = 2 А/Вт при Т = 77 К та детектуючою спроможністю D = 1010 см Гц1/2 Вт-1, що відповідає параметрам найкращих зарубіжних аналогів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

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 об?ємі 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 (l = 8…12 мкм) зі струмовою чутливістю Si = 2 А/Вт при Т = 77 К та детектуючою спроможністю D* = 1010 см Гц1/2 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 пов?язана з тим, що найбільша величина Si 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(р)-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-бар?єрних 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 l = 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.

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•Df 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 .ru