Фотодиоды средневолнового ИК диапазона на основе узкозонных полупроводников InAs(Sb), облучаемые со стороны слоя р-типа проводимости

• Автор: Рыбальченко, Андрей Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Обзор литературы и постановка задачи

1.1 Основные параметры и характеристики ФД

1.1.1 Вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики

1.1.2 Чувствительность и спектр фотоответа

1.1.3 Обнаружительная способность

1.2 Материалы и структуры для средневолновых ИК ФД

1.3 Конструкции ИК ФД

1.3.1 Флип-чип ФД

1.3.2 ФД, облучаемые со стороны слоя р-типа проводимости

1.4 Сгущение линий тока в диодных структурах
1.5 Отрицательная люминесценция в ИК диодах
1.6 Постановка задачи
1.7 Выводы
2. Исследование ФД на основе структур ІпАз/ІпАзБЬР (Ятах = 3-3.4 мкм)
2.1 Предварительные замечания
2.2 Образцы и методика измерений
2.3 Особенности растекания тока в диодах; описание модели
2.4 Анализ ватт-амперных и вольт-амперных характеристик диодов
2.5 Исследование барьеров в структурах методом СКЗМ
2.6 Вольт-фарадные характеристики диодов
2.7 Выводы
3. Фотодиоды для спектрального диапазона X > 4 мкм
3.1 Предварительные замечания
3.2 ФД на основе градиентных структур ІпАз8Ь(Р)/ІііАз
3.3 ФД на основе ОГС ІпАзЗЬР/ІпАзБЬ/ІпАз
3.4 Аналитическое исследование характеристик ФД
3.4.1 Описание модели
3.4.2 Результаты расчетов
3.5 Выводы
4. Моделирование характеристик газового сенсора
4.1 Предварительные замечания
4.1 Устройство и принцип работы оптических газовых сенсоров
4.2 Моделирование характеристик сенсора углекислого газа
4.3 Выводы
Заключение
Список литературы
Введение
Актуальность темы. В средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (Я = 3-5 мкм) содержатся фундаментальные полосы поглощения многих промышленных и природных газов, таких, как, например, С„Нт, СО, СОг, МхО:, и др. Этим обусловлен повышенный интерес к разработке оптических газовых сенсоров, измеряющих пропускание среды на выделенных длинах волн в данном диапазоне, с целью определения концентрации газов. В настоящее время такие сенсоры находят применение в трассовых системах безопасности на нефтеперегонных заводах [1], для измерения вредных газов в выхлопе автотранспорта [2], для контроля качества воздуха в помещениях [3], в медицинской диагностике [4] и других областях человеческой деятельности [5].
В качестве источников и приемников излучения для оптических газовых сенсоров начинают активно использоваться свето- и фотодиоды (СД и ФД соответственно), достоинствами которых являются компактные размеры, малое энергопотребление, высокое быстродействие, длительное время наработки на отказ. Важным преимуществом ФД перед другим распространенным типом фотонных приемников — фоторезисторами — является возможность работы при нулевом напряжении смещения, при котором уровень шума минимален. Среди материалов для изготовления средневолновых ИК ФД все более широкое распространение получают гетероструктуры 1пА5(5Ь)/'1пА85ЬР, выращиваемые на подложках ЗпАб, характеризующиеся низкой плотностью дефектов в эпитаксиальной части и перекрывающие своими рабочими спектрами весь диапазон длин волн 3-5 мкм.
Конструкция ФД с контактом ограниченной площади к эпитаксиальному слою р-типа проводимости и сплошным контактом к подложке остается наиболее распространенной из-за простоты фотолитографических процессов, применяемых при изготовлении диодов. Особенности технологии формирования омических контактов путем осаждения металла и последующего вжигания с проникновением металла в приповерхностную область полупроводника обусловливают типичную

сверхрешетками на время начала работы не получили широкого практического распространения.
С помощью структур с трех- и четырехкомпонентными твердыми растворами полупроводников типа АШВУ успешно решается задача создания оптоэлектронных приборов, работающих в широком спектральном диапазоне. Дальнейшее расширение рабочих спектров и улучшение основных параметров приборов может быть достигнуто путем применения эпитаксиальных структур с пятикомпонентными твердыми растворами (ПТР). Достоинством ПТР является возможность путем варьирования состава независимо изменять три парметра, например, ширину запрещенной зоны, период решетки и коэффициент теплового расширения. Это позволяет получать структуры, изопериодные как при температуре эпитаксии, так и при температурах эксплуатации приборов, что вызывает снижение дефектности структур, улучшает характеристики и увеличивает срок службы приборов [20]. Среди таких структур для создания приборов средневолнового ИК диапазона представляет интерес система Са1пАз8ЬРЛпАз, исследованная в работе [33]. В целом, на время начала работы структуры ЛШВ'' с ПТР не получили широкого практического распространения вследствие методологических трудностей.
Для расширения рабочих спектров приборов в область Я > 4.8 мкм получают распространение неизопериодные структуры с активной областью из 1пАз8Ь, выращиваемые на подложках IпАь и содержащие между подложкой и активной областью буферные слои «промежуточного» состава, так, например, на основе структур [пАз/1пАз8Ьол2/1пАз8ЬР с буферными слоями из 1пАз8Ьо.об были созданы ФД, работающие в диапазоне Я = 2.5-4.9 мкм с максимумом чувсвительности при Я ~ 4.5 мкм [34].
В последнее время для изготовления СД и ФД, работающих в диапазоне Я >
3.6 мкм, также находят применение неизопериодные гетероструктуры без буферных слоев, выращиваемые на подложках п-1пАз и содержащие либо активную область из нелегированного пЛпАзБЬ и широкозонный слой из Р-йзАэЗЬР, либо градиентный слой 1пАз8Ь(Р) с р-п-переходом. Большую роль в