PHOTOELECTRONIC INFRARED DETECTORS WITH CONTROLLABLE SPECTRAL CHARACTERISTICS. .pdf В данной работе проведено сравнение пороговых характеристик различных типов фотоэлектрических детекторов дальней ИК-области с управляемой спектральной характеристикой. К таким детекторам можно отнести собственные детекторы на полупроводниковом твердом растворе Hg1-xCdxTe, ширина запрещенной зоны которого зависит от состава (x). В данном случае возможно управление энергетической диаграммой фоточувствительного элемента МДП-структуры на основе варизонного слоя Hg1-xCdxTe [1]. Кроме того, к ним относятся детекторы на основе структур с внутренней фотоэмиссией: барьеры Шоттки типа PtSi/p+-Si/p-Si с сильнолегированным поверхностным слоем на границе раздела силицид металла - кремний, а также гетерост-руктуры типа GexSi1-x/p-Si. Изменение параметров сильнолегированного слоя (уровня легирования и толщины) позволяет в широких пределах управлять спектральной характеристикой детекторов на основе силицидов металлов. Контролируемое изменение состава и уровня легирования примесью бора твердого раствора GeSi также приводит к изменению спектральной области чувствительности детекторов на основе гетероструктур. Как видно из сказанного выше, в структурах PtSi/p+-Si/p-Si и GexSi1-x/p-Si имеется принципиальная возможность управления высотой энергетического барьера для фотоносителей [2,3]. Наконец, последним типом детекторов рассматриваемого класса являются детекторы на основе сверхрешеток и структур с множественными квантовыми ямами, в которых управление спектральной характеристикой достигается изменением уровня легирования и толщины слоев с квантовыми ямами и барьерных слоев. При этом изменение спектральной характеристики достигается за счет реализации различных видов оптических переходов между связанными состояниями и состояниями континуума [4]. Оценим соответствие характеристик перечисленных выше фотоприемников требованиям современных ИК-систем.Новое поколение ИК-систем предъявляет следующие требования к фотоприемным устройствам:•·Высокие рабочие температуры, вплоть до комнатной.•·Большие площади фоточувствительных элементов (большое число элементов разложения (пикселей) с минимальным размером площадки отдельного фоточувствительного элемента).•Высокая частота кадров или малые времена интеграции сигналов.•Реализация многоспектральных устройств с внутренним управлением спектральной характеристикой.•Исключение оптического сканирования и упрощение оптической системы.•·Усовершенствование электронных схем обработки сигнала (при электронном сканировании матриц элементов).•·-Снижение объема и веса, а также стоимости.•Предложенные для рассмотрения типы фотоприемников•·отвечают высоким требованиям, предъявляемым к современным ИК-системам, так как технологически эти прием-•·ники реализуются на основе полупроводниковых соединений с высокой степенью однородности параметров по площади (современные эпитаксиальные технологии МЛЭ, ГФЭ), малым временем жизни фотоносителей, большим коэффициентом поглощения (собственное поглощение или поглощение при оптических переходах между состояниями в квантовой яме). Энергетическая диаграмма рассматриваемых полупроводниковых структур способствует созданию многоспектральных устройств с электронным управлением их спектральной фоточувствительностью. Матричное исполнение таких фотоприемников обеспечивается применением достижений микроэлектронной технологии для фоточувствительных структур на основе кремния (PtSi/Si, GeSi/Si); использованием в будущем фотоприемников на основе сверхрешеток и квантовых ям из твердого раствора GeSi с барьерами из Si [4]; выращиванием гетероэпитакси-альных структур HgCdTe на подложках из Si [5].•·Ниже приводится сравнительный анализ рабочего диапазона температур и обнаружительной способности рассматриваемых детекторов, в котором за основу взят режим фонового ограничения фотодетектора. Мы будем следовать методике, предложенной ранее в работах M. Kinch [6, 7], А. Рогальского и А. Войцеховского [4,8,9]. При этом рассмотрим следующие полупроводниковые материалы (структуры):•·собственные узкозонные полупроводники (Hg1 xCdxTe), в том числе МДП-структуры Me/SiO2/ Hg1 xCdxTe;•·барьеры Шоттки силицид металла - кремний (PtSi/Si, PtSi//>+-Si//>-Si);•·квантовые ямы на основе GaAs/AlGaAs.АНАЛИЗ РАБОТЫ ИК-ДЕТЕКТОРОВ РАЗЛИЧНОГО ТИПАСобственный полупроводникВ данном разделе анализируются характеристики детектора на собственном фотоэффекте, в частности на основе полупроводникового соединения Hg^CdxTe. Независимо от типа используемого детектора (фотосопротивление, фотодиод, МДП-структура) рассмотрение носит фундаментальный характер. В использованной модели не рассматриваются шумы, связанные c туннельной генерацией, с генерацией через поверхностные состояния, состояния дефектов, тепловой генерацией в области пространственного заряда, так как вклад данных явлений зависит от технологии изготовления материала и приборных структур, т.е. от концентрации дефектов решетки и плотности поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик -полупроводник. Основными параметрами, определяющими обнаружительную способность Dk и рабо-164чую температуру Tv, являются: скорость тепловой генерации gtll и квантовая эффективность т| (для определенности выбран материал и-типа проводимости):АВ режиме фонового ограничения: 1 I г| Avvw V Фи(9)Јth(1)(1-Л)[1-ехр(-ои& (Фв>я&/а).(4)(5) (6)Отличия всех типов собственных детекторов определяется их температурными зависимостями щЈТ), х(Г) и величиной а. Запишем выражения для шумового и сигнального токов::qUlq40BAG2+qgiilG2W;j = qrjPsGhvгде G - коэффициент фотоэлектрического усиления, параметр U = 4 для фотосопротивления и U = 2 для фотодиода и МДП-структуры; А/ - полоса рабочих частот; Ps - мощность сигнального излучения. Пороговая мощность принимаемого излучения (Is = /N):РГ=-^Ф,А + 81к.(7)Л Обнаружительная способность детектора равна:sTA-4Ґ _ Л1pmmAvvw /g±1/лФв +\/лА.=-A(8)B+Gthйул/и,/ф2т,2т,2т,2т,Считаем, что в рассматриваемом узкозонном полупроводниковом материале Hg^CdxTe основным механизмом рекомбинации является оже-рекомбинация [10, 11]. Тогда выражения для времен жизни носителей заряда запишутся в виде(10)п{п + р)1+"-1+рР(п + р)й3Ј2(1 + ц)1/2(1 + 2И)ехр1 + 2иУ 1 + ц кТ16(27r)5/2g4|^|Wo|^2'«г*2 'mnKEgJ\-5/(4Е/кТ)(И)■ у s 6\ + 3/(2Eg/kT)где р. = me /nth - отношение эффективных масс электронов и дырок; \F\F2\ - интегралы перекрытия периодической части блоховских функций; хлъ хЛ1 -времена жизни при оже-рекомбинации для механизмов электронных и дырочных взаимодействий (Аъ А7); 1ап, 1Лп - времена жизни при оже-рекомбинации для механизмов А\ и А1 соответственно в собственном полупроводнике; Т - температура; и,- - собственная концентрация; п,р - концентрации электронов и дырок; Eg - ширина запрещенной зоны; h - постоянная Планка; к - постоянная Больцмана.Исходные параметры материала и-HgCdTe, принимаемые во внимание при расчете: а=103см-1, и=1015см"3приГ=77К.Следует отметить, что на время жизни неосновных носителей заряда влияют и другие механизмы рекомбинации, например, поверхностная рекомбинация. Важной задачей является уменьшение влияния поверхностной рекомбинации на объемное время жизни, что позволяет приблизиться к расчетным значениям пороговых характеристик. Одним из способов снижения роли поверхностной рекомбинации является создание приповерхностных широкозонных слоев HgCdTe (с большей, чем в объеме молярной доле CdTe) [5, 10].Барьеры Шоттки силицид металла - кремний (PtSi/Si)В данных детекторах поглощение ИК-излучения осуществляется в металле и процесс детектирования можно разделить на три стадии: генерацию основных носителей, их перенос к барьеру и последующий переход через барьер [4]. Первые две стадии формируют квантовый выход фотоэффекта (скорость генерации фотоносителей, включая фоновую генерацию, относительно скорости тепловой генерации). Третья стадия определяет коэффициент разделения носителей (рис. 2).Концентрация носителей заряда, возникших при тепловой генерации,равна165щ =[8nm3/2kT(2(EF + Еg)}'2h3]exp -M, (12)kTгде i%, Јp - ширина запрещенной зоны и энергия уровня Ферми соответственно.волны (в мкм); Хс - граничная длина волны (в мкм), которая равна 1,24/фь (фъ - высота потенциального барьера на границе металл - полупроводник, эВ). Выражение для темнового тока через барьер в случае доминирования термоэмиссионной составляющей:1,24(14)хлт1 = А-А :Гехргде А - эффективная постоянная Ричардсона. Поэтому при ограничении пороговых свойств детектора дробовыми шумами темнового тока можно записать следующее выражение для обнаружительной способности фотоэмиссионного детектора данного типа:Рис. 2. Энергетическая диаграмма детектора на основе барьера Шоттки PtSi/p-SiВремя жизни горячих носителей в металле, определяемое взаимодействием носителей между собой, составляет т[с] = 1,5-I0~u/Eg2, где Eg в эВ. С учетом конструкции оптического резонатора для повышения степени поглощения излучения оптимальная толщина слоев PtSi равна 1-2 нм.Возможность изменения высоты потенциального барьера на границе раздела электрод - кремний, определяющей граничную длину волны Хс фотоэмиссионных детекторов, важна для оптимизации характеристик детекторов применительно к конкретным условиям регистрации излучения. Первоначально изменения высоты потенциального барьера (граничной длины волны) добивались путем использования в качестве электрода различных силицидов, сплавов силицидов или изменением технологий формирования силицидов [4]. Позже было показано, что возможно уменьшение эффективной высоты потенциального барьера в детекторах PtSi/Si вследствие эффекта Шоттки, который приводит к увеличению напряженности электрического поля вблизи барьера, обусловленного созданием приповерхностного сильнолегированного слоя в полупроводнике [12]. Авторами данной работы предложено использовать для создания в кремнии сильнолегированных приповерхностных слоев короткоимпульсную имплантацию атомов бора методом ядер отдачи [13]. В работе авторов [14] рассчитаны спектральные и пороговые характеристики детекторов с приповерхностными сильнолегированными слоями и показано, что граничные длины волн детекторов на основе барьеров Шоттки PtSi/Si могут быть увеличены до 14 мкм при создании высоколегированного слоя данным методом, что обеспечивает увеличение квантовой эффективности в спектральном диапазоне 3-5 мкм и возможность детектирования излучения в диапазоне 8-12 мкм. Выражение для квантовой эффективности фотоэмиссионного детектора вблизи длинноволновой границы согласно формуле Фаулера имеет следующий вид:j__J_X К\2(13)ц(Х) = 1,24С1Хгде С\ - эмиссионный коэффициент, зависящий от технологии и геометрии прибора; X - рабочая длинаА(15)Толщина и концентрация примеси в сильнолегированном слое определяют граничную длину волны детекторов PtSi/p+-Si//?-Si:Xc=Xc{Na,d)=lf(16)где Na - концентрация примеси в сильнолегированном слое (обычно N.d> 6-1018 см"3); d - толщина сильнолегированного слоя; фь - высота потенциального барьера в отсутствие эффекта Шоттки; Афь - понижение высоты потенциального барьера вследствие эффекта Шоттки.Например, для случая постоянной концентрации примеси в сильнолегированном слое понижение барьера Афь может быть найдено при помощи выраженияqE(17)Anz0zsАфь =2дКгде Е - напряженность электрического поля в приповерхностной области полупроводника, определяемая выражением [4](18)чV + V„sns„где Е0 - диэлектрическая постоянная; zs - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; V - приложенное напряжение; Vc - контактная разность потенциалов. Обнаружительные способности и пороговые разности температур при различных параметрах сильнолегированных слоев детекторов PtSi/p-Si/p-Si рассчитаны в работах [14, 15].Изменение параметров сильнолегированного слоя позволяет оптимизировать спектральную характеристику детекторов для конкретных тепловизионных применений.Гетеропереходы GexSii_^/SiНовые технологические возможности управления граничной длиной волны фотоэмиссионных кремниевых детекторов предоставляют гетеропереходы /7+-GexSii_x//7-Si (рис. 3), в которых высота потенциального барьера на гетерогранице зависит от содержания германия и концентрации бора в пленке силицида германия [16-18].166p+-GeSi

Скачать электронную версию публикации