Прикладная физика

Изучены темновые токи в средневолновых nBn-структурах на основе HgCdTe, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках из GaAs (013). Пассивация поверхности боковых стенок мезаструктур проводилась путем формирования пленок Al2O3 методом плазменного атомно-слоевого осаждения. Показано, что при составе в барьерном слое, равном 0,84, в nBn-структурах доминирует объемная компонента темнового тока. Энергия активации тока близка к ширине запрещенной зоны поглощающего слоя. Сопоставление экспериментальных результатов с эмпирической моделью Rule07 показало, что в диапазоне температур 180–300 К в изготовленных структурах реализуется диффузионное ограничение темнового тока. Из проведенных исследований следует, что молекулярно-лучевая эпитаксия HgCdTe на альтернативных подложках является перспективным способом создания униполярных барьерных детекторов для спектрального диапазона 3–5 мкм.

1. Исследованы многослойные структуры на основе полупроводниковых материалов группы антимонидов с поглощающими слоями InSb, и AlxIn1-xSb, в том числе структуры с барьерным слоем InAlSb (InSb/InAlSb/InSb), предназначенные для изготовления перспективных фотоприемных устройств (ФПУ), детектирующих излучение в средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра. На основе выращенных методом МЛЭ p–i–n и барьерных структур изготовлены фоточувствительные элементы (ФЧЭ) различной топологии с поглощающими слоями InSb, и AlxIn1-xSb. Показано, что широкозонные тройные растворы AlxIn1-xSb детектирующие излучение в средневолновой области спектра, являются альтернативой узкозонному бинарному соединению InSb, поскольку, вследствие широкозонности, фотодиоды на основе AlxIn1-xSb имеют меньшие темновые токи, а, следовательно, шумы. Для фотоприемных устройств на основе структур различной топологии измерены средние значения обнаружительной способности и эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ), так для р–i–n-структур среднее по ФЧЭ значение обнаружительной способности превысило D*  1011 см Вт-1 Гц1/2, а для структур с барьерным слоем – D*  1012 см Вт-1 Гц1/2.

На основе детекторов CdTe, CdZnTe был создан ряд перспективных приборов, которые нашли применение в металлургии, в решении задач таможенного контроля и задач контроля ядерных материалов, а также созданы матричные детекторы для изготовления медицинских приборов и приборов для исследования космического пространства. Созданные детекторы на основе поликристаллических полупроводниковых пленок CdTe и CdZnTe со столбчатой структурой на молибденовой подложке с толщиной d = 30150 мкм имели удельное сопротивление  > 105108 cм. Энергетическое разрешение CdTe и CdZnTe детекторов при комнатной температуре достигает величины 5 кэВ на линии 59,6 кэВ 241Am.

Проанализированы темновые токи в усовершенствованной архитектуре матрицы фотодиодов на основе тройного соединения CdHgTe, предназначенной для регистрации слабого инфракрасного излучения. Формирование областей противоположной проводимости в широкозонном слое уменьшает вклад токов генерации-рекомбинации ШРХ, что увеличивает влияние Оже-механизмов, определяющих ток диффузии. Используя области различного состава с переходными подслоями с уменьшенной на границах раздела скоростью поверхностной рекомбинации, можно снизить вклад поверхностных механизмов в суммарный темновой ток фотодиода. За счет правильного выбора состава области поглощения и верхнего широкозонного слоя в усовершенствованной архитектуре ФЧЭ можно добиться уменьшения темнового тока, что позволяет повысить фотоэлектрические параметры.

Описывается поведение многослойного фотодетектора с квантовыми точками германия в кремнии и его параметры при различных рабочих режимах. Рассматриваются вопросы оптимизации условий роста в методе молекулярно-лучевой эпитаксии для повышения эффективности инфракрасных фотоприемников с квантовыми точками. В качестве модельной материальной системы для теоретических исследований выбраны многослойные гетероструктуры с квантовыми точками германия на поверхности кремния. В представленной работе разработана теоретическая модель для учета наличия в фотодетекторах нескольких слоев квантовых точек, а также рассогласования квантовых точек по размерам. Проведены расчеты шумовых и сигнальных характеристик инфракрасных фотоприемников на основе гетероструктур с квантовыми точками германия на кремнии. Оценены темновые токи в таких структурах, вызванные тепловой эмиссией и барьерным туннелированием носителей. Для проверки модели мы сравнили теоретические значения темнового тока с экспериментальными результатами, полученными в работах других исследователей.

Тройной раствор теллурида-кадмия-ртути (КРТ, HgCdTe) один из немногих полупроводниковых материалов, используемый для конструирования фотодиодов с высокими параметрами. Проведен оценочный расчет параметров перспективной P+-ν()-N+-фотодиодной структуры на основе КРТ, предназначенной для построения матриц фоточувствительных элементов с малым темновым током. Уменьшение темнового тока достигается за счет использования усовершенствованной трехслойной архитектуры, состоящей из высоколегированных контактных слоев КРТ, между которыми располагается слаболегированный поглощающий слой, в котором подавляются процессы тепловой генерации-рекомбинации. Таким образом, в заданном спектральном диапазоне темновые токи ФЧЭ на основе трехслойной архитектуры КРТ уменьшаются до предела, задаваемого фоновым излучением и механизмом излучатель-ной рекомбинации, а при условии полного обеднения области поглощения – до значения, определяемого механизмом генерации-рекомбинации Шокли-Рида-Холла.

Проведен расчет температурной зависимости темнового тока фотодиодов на основе тройного раствора InAs1-хSbх, детектирующих излучение в средневолновой инфракрасной (ИК) области спектра. По рассчитанным значениям темнового и фототока проведена оценка отношения сигнал/шум. Прогнозируемое отношение сигнал/шум составило ~103 при Т = 150 К, что подтверждает возможность достижения высоких фотоэлектрических параметров фотодиодов на основе тройных растворов InAs1-xSbx и пригодность их использования в высокотемпературных применениях.