RU2589759C1 - Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами - Google Patents
Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2589759C1 RU2589759C1 RU2015108152/28A RU2015108152A RU2589759C1 RU 2589759 C1 RU2589759 C1 RU 2589759C1 RU 2015108152/28 A RU2015108152/28 A RU 2015108152/28A RU 2015108152 A RU2015108152 A RU 2015108152A RU 2589759 C1 RU2589759 C1 RU 2589759C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- barrier
- gaas
- regions
- boundaries
- well
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к фоточувствительным полупроводниковым приборам, работающим в инфракрасной области спектра, и может быть использовано при создании одно- и многоэлементных приемников излучения с фоточувствительными элементами на основе структуры с квантовыми ямами. Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами содержит подложку из полуизолирующего GaAs, на которой выращены сильно легированные нижний и верхний контактные слои из GaAs, а между ними множество периодов барьер - яма состава Alx Ga1-x As-GaAs, в которых на границах барьер - яма имеются области подъема энергии дна зоны проводимости барьера, при этом в нем сформированы области AlxGa1-xAs, проникающие сквозь множество периодов барьер - яма между верхним и нижним контактными слоями и имеющие характерную толщину в плоскости слоев и концентрацию легирующей примеси такие, что область пространственного заряда на границах с квантовыми ямами распространяется на всю толщину указанных областей. Техническим результатом является повышение рабочей температуры. Следствием указанного результата является существенное снижение требований к системе охлаждения, уменьшает энергопотребление и весогабаритные характеристики аппаратуры на его основе. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к фоточувствительным полупроводниковым приборам, работающим в инфракрасной области спектра, и может быть использовано при создании одно- и многоэлементных приемников излучения с фоточувствительными элементами (ФЧЭ) на основе структуры с квантовыми ямами (СКЯ).
Известны фотоприемники на основе структуры с квантовыми ямами (ФП СКЯ), содержащие подложку из полуизолирующего GaAs, на которой последовательно выращены сильно легированный нижний контактный слой n-типа из GaAs, множество периодов барьер - яма (обычно 50 периодов) состава Alx Ga1-x As-GaAs и сильно легированный верхний контактный слой n-типа из GaAs. Чувствительный элемент фотоприемника сформирован путем вытравливания мезы в СКЯ до нижнего контактного слоя. На нижнем и верхнем контактных слоях формируются омические контакты посредством напыления и вжигания сплава Au:Ge (см. B.F. Levine et al, Appl.Phys.Lett. v. 56(9), pp 851-853, (1990)). Недостатком указанного ФП является относительно низкая рабочая температура по сравнению с аналогами на основе узкозонных материалов, например HgCdTe. Так фотоприемник ФП СКЯ на диапазон 8-12 мкм обычно имеет рабочую температуру около 65 К, тогда как ФП на основе HgCdTe на тот же диапазон может работать при 77 К. Одной из основных причин низкой рабочей температуры ФП СКЯ является очень малое время жизни неравновесных носителей, составляющее порядка нескольких пикосекунд.
Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому ФП СКЯ, имеющий в основном ту же конструкцию, что и описанный выше, но отличающийся тем, что на границах барьер - яма в нем сформированы слои, имеющие более высокое содержание алюминия, чем в барьерах, и приводящие к ступенчатому подъему энергии дна зоны проводимости на границе с квантовой ямой (см. B.F. Levine, Semicond. Sci. Technol., v. 8, с.400--405 (1993)). Согласно экспериментальным данным в указанном ФП СКЯ достигается более высокое значение коэффициента фотоэлектрического усиления, чем в ФП СКЯ без дополнительных слоев. Такой результат позволяет предположить, что ФП СКЯ с дополнительными широкозонными слоями на границах барьер - яма имеет более высокие (на несколько десятков процентов) значения времени жизни неравновесных носителей. Однако указанный масштаб увеличения времени жизни не может привести к существенному повышению рабочей температуры ФП СКЯ.
Техническим результатом при использовании предлагаемой конструкции ФП СКЯ является повышение его рабочей температуры. Следствием указанного результата является существенное снижение требований к системе охлаждения ФП, уменьшает энергопотребление и весогабаритные характеристики аппаратуры на его основе.
Указанный технический результат достигается тем, что в ФП СКЯ, содержащем подложку из полуизолирующего GaAs, на которой выращены сильно легированные нижний и верхний контактные слои из GaAs, а между ними множество периодов барьер - яма состава Alx Ga1-x As-GaAs, в которых на границах барьер - яма имеются области подъема энергии дна зоны проводимости барьера, сформированы области AlxGa1-xAs, проникающие сквозь множество периодов барьер - яма между верхним и нижним контактными слоями и имеющие характерную толщину в плоскости слоев СКЯ и концентрацию легирующей примеси такие, что область пространственного заряда на границах с квантовыми ямами распространяется на всю толщину указанных областей.
Известно, что одним из важнейших факторов, определяющих рабочую температуру ФП, является время жизни неравновесных носителей в нем (см., например, П.А. Богомолов и др., «Приемные устройства ИК - систем», - М., Радио и связь, 1987 г., с. 49). В упрощенном виде рабочую температуру ФП можно оценить с помощью неравенства:
где Nd - концентрация свободных носителей с активной области ФП в см-3; Qb - фоновая облученность ФП в см-2с-1; α - коэффициент поглощения излучения в см-1; τ - время жизни генерированных светом носителей тока. Учитывая, что в СКЯ Nd=A(T)·exp[-EA/kT], где ЕА - термическая энергия активации квантовой ямы, k - постоянная Больцмана, Т - температура ФП, А(Т) - коэффициент пропорциональности, медленно меняющийся с Т, после несложных преобразований можно получить:
Из (2) следует, что конструктивными параметрами ФП СКЯ, влияющими на его рабочую температуру, являются α и τ. И если увеличение α, точнее, определяемой им квантовой эффективности в современных ФП СКЯ возможно лишь в весьма ограниченных пределах, то возможности по увеличению τ оказываются гораздо шире и могут быть реализованы путем изменения конструкции СКЯ. Идея, лежащая в основе предлагаемого технического решения, состоит в том, чтобы в известных СКЯ, имеющих на границах барьер - яма области подъема энергии дна зоны проводимости барьера, сформировать области того же состава, что и в основной части барьеров, проникающие сквозь всю СКЯ между верхним и нижним контактными слоями и образующие при этом металлургические контакты с пересекаемыми ими слоями СКЯ. Указанные области при рабочей температуре ФП СКЯ должны иметь минимально возможную равновесную концентрацию свободных носителей. Данное условие может быть обеспечено, если указанные области имеют характерную толщину в плоскости слоев СКЯ и концентрацию легирующей примеси такие, что область пространственного заряда на границах с квантовыми ямами распространяется на всю толщину указанных областей. В известных конструкциях ФП СКЯ свободные носители, дрейфующие под действием электрического поля поперек слоев СКЯ, находясь над ямами, имеют заметную вероятность рекомбинировать в них. В ФП СКЯ, в которых на границах ям и барьеров имеются препятствия в виде областей подъема энергии дна зоны проводимости барьеров, вероятность рекомбинации снижается из-за увеличения энергии пересекающих ямы носителей. Однако снижение вероятности рекомбинации не становится значительным, поскольку носители заряда и в данном случае вынуждены пересекать пространство над ямами в отсутствие иных траекторий движения, не связанных с пересечением ям. Дополнительные области с описанными характеристиками как раз и представляют собой альтернативные пути движения свободных носителей. Двигаясь по такому пути, носитель тока избегает необходимости пересечения квантовой ямы, где он может рекомбинировать, поскольку на границах дополнительных областей и квантовых ям в первых будет возникать положительный пространственный заряд, искривляющий зону проводимости дополнительной области и создающий препятствие для проникновения находящихся в ней носителей в квантовую яму. Для подавления поверхностной рекомбинации носителей на внешней границе дополнительной области может быть сформирован слой Aly Ga1-y As с y>х и меньшей концентрацией доноров в нем, препятствующий проникновению свободных носителей из дополнительной области к указанной границе.
Описанная выше конструкция ФП СКЯ отчасти является реализацией одного из подходов к задаче повышения времени жизни неравновесных носителей в примесных (extrinsic) фотопроводниках (N. Sclar, IEEE Trans.El.Dev, Vol. ED-27, №1, pp 109-118, (1980)). Идея, лежащая в основе указанного подхода, состоит в том, что превратить центры захвата свободных носителей из притягивающих или нейтральных в отталкивающие, что достигается частичной компенсацией ловушек соответствующим образом подобранных примесей. Указанный подход позволил увеличить время жизни свободных носителей в примесном германии на несколько порядков. В случае обычного ФП СКЯ квантовую яму можно рассматривать как нейтральный центр захвата свободных электронов. Превратить его в отталкивающий центр можно путем легирования барьеров, вследствие чего свободные носители из последних перетекают в яму и заряжают ее отрицательно. Введение дополнительных областей создает канал для протекания свободных носителей, отделенный от центра захвата потенциальным барьером и обеспечивающий таким образом значительное увеличение их времени жизни.
Сущность предложенного технического решения поясняется с помощью чертежей. На фиг. 1 представлен фрагмент одного периода ФП СКЯ, в котором 1 - квантовая яма из GaAs, ограниченная с двух сторон в направлении роста СКЯ барьерами 2 из Alx Ga1-x As. В плоскости, перпендикулярной слоям 1 и 2, расположена дополнительная область 3 в виде слоя Alx Ga1-x As, граничащего сними, а также 4 - внешний барьерный слой Aly Ga1-y As, обеспечивающий пассивацию внешней границы слоя 3.
На фиг. 2 представлен аналогичный фрагмент периода ФП СКЯ, в котором в отличие от конструкции на фиг. 1 между барьерами 2 и квантовой ямой 1 введены слои 5 Alz Ga1-z As, (z>x), обеспечивающие подъем энергии дна зоны проводимости на границах барьер - яма.
На фиг. 3. представлен фрагмент ФП СКЯ, в котором сформирована дополнительная область 6 в виде слоя Alx Ga1-x As, покрывающего стенки углубления, проникающего сквозь СКЯ.
На фиг. 4 представлен фоточувствительный элемент (ФЧЭ) на основе СКЯ, выполненный в виде мезы. В пределах площади ФЧЭ сформирован массив углублений в СКЯ, проникающих сквозь нее до нижнего контактного слоя 7. Внутри указанных углублений сформированы дополнительные области 6, показанные на фиг. 3.
Предлагаемая конструкция ФП может быть реализована следующими способами. СКЯ с областями подъема энергии дна зоны проводимости барьеров на границе барьер - яма может быть сформирована, например, выращиванием более широкозонных прослоек 5 (фиг. 2) на границах барьер - яма, как это сделано в прототипе, либо путем принудительного легирования барьеров (равномерно или только вблизи границ) донорной примесью, что при охлаждении ФП СКЯ приведет к возникновению у границ барьер - яма областей пространственного заряда, приводящих к подъему энергии дна зоны проводимости барьеров вблизи ям (фиг. 1). В изготовленной таким образом СКЯ посредством травления формируют ФЧЭ, а в пределах площади ФЧЭ вытравливают углубления до нижнего контактного слоя 7 (фиг. 3, 4), после чего СКЯ подвергается процессу заращивания: на поверхности с ФЧЭ методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) производится наращивание слоя AlxGa1-xAs того же состава, что и барьеры в СКЯ. В этом же процессе может быть выращен и слой Aly Ga1-y As с y>х, пассивирующий внешнюю поверхность дополнительной области. Со стороны верхнего контактного слоя ФЧЭ закрывают диэлектриком, например Si3N4. Так что слой дополнительной области растет только в углублениях и на боковой поверхности ФЧЭ. Толщина наращиваемого слоя определяется из условия: d≤(2εε0Uc/eNd)1/2, где εε0 - диэлектрическая проницаемость Alx Ga1-xAs, Uc - контактная разность потенциалов между барьером и ямой, е - заряд электронов, Nd - концентрация легирующей примеси в барьере. При концентрации фоновой донорной примеси в барьере около 1×1016 см-3 толщина области обеднения в наращиваемом слое будет около 0,1-0,2 мкм, т.е. металлургическая толщина слоя не должна превышать указанную величину. Благодаря данному условию на границах ямы с дополнительной областью и барьерами образуется треугольный барьер со стороны широкозонных слоев, препятствующий проникновению свободных носителей в яму. В результате часть из них вынуждены будут дрейфовать по дополнительной области в направлении положительного контакта. В качестве углублений, в которых формируются дополнительные области, можно использовать элементы дифракционной решетки, изготавливаемой обычно в ФП СКЯ для ввода излучения в ФЧЭ (см. фиг. 4). В этом случае элементы дифракционной решетки - углубления, - должны проникать сквозь СКЯ до нижнего контактного слоя и иметь глубину не λ/4n (в случае длинноволнового ФП это соответствует примерно 0,8 мкм), как обычно в ФП СКЯ, а 3λ/4n, что больше подходит для предлагаемой конструкции (λ - длина волны максимума спектра фоточувствительности ФП СКЯ, n - показатель преломления GaAs). Для примера рассмотрим длинноволновый ФП СКЯ с максимумом спектра фоточувствительности 9 мкм. Для GaAs на указанной длине волны n=3,3, а требуемая глубина рельефа дифракционной решетки будет около 2,1 мкм. При периоде СКЯ 50 нм и количестве периодов 50 углубления будут проникать вглубь СКЯ практически на всю ее толщину. При этом период дифракционной решетки должен выбираться из условия: D≈λmax/n и в рассматриваемом случае будет около 2,7 мкм. Следует отметить, что рассмотренные методы формирования ФЧЭ с дополнительными областями - травление углублений в СКЯ и их заращивание методом МЛЭ, - относятся к хорошо отработанным технологиям применительно к системе Al Ga As-GaAs.
Claims (2)
1. Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами (ФП СКЯ), содержащий подложку из полуизолирующего GaAs, на которой выращены сильно легированные нижний и верхний контактные слои из GaAs, а между ними множество периодов барьер - яма состава AlxGa1-xAs-GaAs, в которых на границах барьер - яма имеются области подъема энергии дна зоны проводимости барьера, отличающийся тем, что в нем сформированы области AlxGa1-xAs, проникающие сквозь множество периодов барьер - яма между верхним и нижним контактными слоями и имеющие характерную толщину в плоскости слоев СКЯ и концентрацию легирующей примеси такие, что область пространственного заряда на границах с квантовыми ямами распространяется на всю толщину указанных областей.
2. Фотоприемник по п. 1, отличающийся тем, что на внешних поверхностях областей AlxGa1-xAs сформированы дополнительные слои AlyGa1-yAs с y>x и с более низкой концентрацией доноров в нем.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015108152/28A RU2589759C1 (ru) | 2015-03-10 | 2015-03-10 | Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015108152/28A RU2589759C1 (ru) | 2015-03-10 | 2015-03-10 | Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2589759C1 true RU2589759C1 (ru) | 2016-07-10 |
Family
ID=56371320
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015108152/28A RU2589759C1 (ru) | 2015-03-10 | 2015-03-10 | Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2589759C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187695U1 (ru) * | 2018-12-14 | 2019-03-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Инфракрасный фотодетектор |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2022411C1 (ru) * | 1992-02-28 | 1994-10-30 | Научно-исследовательский технологический институт | Фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с квантовыми ямами |
US6445000B1 (en) * | 1999-07-30 | 2002-09-03 | Fujitsu Limited | Photodetecting device |
JP2008205128A (ja) * | 2007-02-19 | 2008-09-04 | Fujitsu Ltd | 量子井戸型光検知器及びその製造方法 |
RU2335035C2 (ru) * | 2001-09-13 | 2008-09-27 | Интенс Лимитед | Способ изготовления оптических устройств и соответствующие устройства |
-
2015
- 2015-03-10 RU RU2015108152/28A patent/RU2589759C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2022411C1 (ru) * | 1992-02-28 | 1994-10-30 | Научно-исследовательский технологический институт | Фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с квантовыми ямами |
US6445000B1 (en) * | 1999-07-30 | 2002-09-03 | Fujitsu Limited | Photodetecting device |
RU2335035C2 (ru) * | 2001-09-13 | 2008-09-27 | Интенс Лимитед | Способ изготовления оптических устройств и соответствующие устройства |
JP2008205128A (ja) * | 2007-02-19 | 2008-09-04 | Fujitsu Ltd | 量子井戸型光検知器及びその製造方法 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187695U1 (ru) * | 2018-12-14 | 2019-03-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Инфракрасный фотодетектор |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1470575B1 (en) | Mesa structure avalanche photodiode | |
CN101552303B (zh) | 光电二极管及其制造方法 | |
US9748429B1 (en) | Avalanche diode having reduced dark current and method for its manufacture | |
Wenus et al. | Two-dimensional analysis of double-layer heterojunction HgCdTe photodiodes | |
US5077593A (en) | Dark current-free multiquantum well superlattice infrared detector | |
US9887307B2 (en) | Diode barrier infrared detector devices and barrier superlattice structures | |
KR20110073493A (ko) | 나노구조 포토다이오드 | |
US5047810A (en) | Optically controlled resonant tunneling electronic devices | |
JPH065784B2 (ja) | アバランシエ光検出器 | |
US20070158664A1 (en) | Mesa structure photon detection circuit | |
US20150372634A1 (en) | Lateral photovoltaic device for near field use | |
US5313073A (en) | Light detector using intersub-valence band transitions with strained barriers | |
US9640701B2 (en) | Method of manufacturing a low noise photodiode | |
US5965899A (en) | Miniband transport quantum well detector | |
JP2010135360A (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
EP0023723A2 (en) | Multistage avalanche photodetector | |
JP2760596B2 (ja) | 導波路構造を有する半導体デバイスおよびその製造方法 | |
Wang et al. | A GaAs/AlAs/AlGaAs and GaAs/AlGaAs stacked quantum well infrared photodetector for 3–5 and 8–14 μm detection | |
RU2589759C1 (ru) | Фотоприемник на основе структуры с квантовыми ямами | |
Bajaj et al. | Comparison of type-II superlattice and HgCdTe infrared detector technologies | |
KR100436019B1 (ko) | 저온성장 화합물반도체를 이용한 hemt 구조의 msm광검출기 제조방법 | |
Gomółka et al. | Mid-wave InAs/GaSb superlattice barrier infrared detectors with nBnN and pBnN design | |
US5132763A (en) | InAs hole-immobilized doping superlattice long-wave-infrared detector | |
Wróbel et al. | Performance limits of room-temperature InAsSb photodiodes | |
JP2725993B2 (ja) | 受光素子および太陽電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210311 |