Длинноволновые фоторезисторы на основе полупроводниковых ?-легированных сверхрешеток и ИК матрицы с большим временем накопления фотосигнала

Одна из важных проблем полупроводниковой электроники состоит в создании крупноформатных смотрящих ИК матриц различного спектрального диапазона. Для реализации высоких пороговых характеристик время накопления фотосигнала (время кадра) в ячейках таких матриц должно быть достаточно велико [1], и во многих случаях его максимальное значение определяется постоянной времени человеческого глаза. Основной особенностью регистрации изображений в ИК диапазоне, по сравнению с видимым, является наличие сильного фонового излучения в диапазоне 3 — 5 и особенно 8−14 мкм. Сильное фоновое излучение обуславливает быстрое переполнение потенциальных ям ИК ПЗС и ПЗИ, а так же накопительных емкостей гибридных смотрящих матриц на основе узкозонных полупроводников, разработанных к настоящему времени [2 — 6]. Это является главной причиной, по которой пороговые характеристики современных крупноформатных гибридных ИК матриц далеки от теоретического предела, определяемого флуктуациями фонового излучения, несмотря на то, что единичные фотодетекторы на основе узкозонных полупроводников обладают предельно высокими параметрами. Большое время накопления фотосигнала в неохлаждаемых болометрических и пироэлектрических матрицах, которое достигает величины порядка постоянной времени человеческого глаза, приводит к тому, что пороговые характеристики таких матриц [7, 8] сопоставимы с параметрами смотрящих матриц на основе узкозонных полупроводников, работающих при криогенных температурах [2−6].

Попытки создания крупноформатных планарных смотрящих ИК ПЗС и ПЗИ матриц с высокими пороговыми характеристиками на основе узкозонных полупроводников оказались неудачными еще и потому, что в таких матрицах туннельный ток ограничивает коэффициент переноса и быстродействие [9]. Кроме того, высокая плотность поверхностных состояний на границе раздела узкозонный полупроводник — диэлектрик существенно ухудшает пороговые характеристики таких матриц.

Другим, помимо обнаружительной способности, важным параметром смотрящих матриц является разрешающая способность, которая характеризует свойства таких матриц как преобразователей изображения. Последняя тем выше, чем меньше размеры фоточувствительных площадок и расстояния между ними. В смотрящих ИК матрицах минимальные значения этих величин ограничены дифракционными эффектами и составляют величину порядка 15 — 30 мкм для спектральных диапазонов 3 — 5 и 8 -14 мкм. Однако, в разработанных к настоящему времени гибридных матрицах значительную часть площади под фоточувствительной ячейкой на кремниевой микросхеме занимают транзисторные ключи, а создание на остающейся малой площади достаточно большой емкости представляет собой не решенную к настоящему времени технологическую проблему.

Таким образом, разработка новых типов фотодетекторов с большим временем накопления фотосигнала и новых способов построения ИК матриц является актуальной задачей физики полупроводников.

Перспективным направлением в разработке новых ИК фотодетекторов является создание различного типа квантовых ям и сверхрешеток на основе относительно широкозонных полупроводников и прежде всего кван-товоразмерных ОаАз/АЮаАв [10 — 12] и гетероструктур [13]. В последние годы развитие полупроводниковой технологии позволило создать, так называемые, ¿—легированных структуры [14], которые БоЫег предложил и теоретически изучил еще в начале 70-х годов [15, 16]. В процессе выращивания таких структур в монокристаллическом полупроводнике создаются ¿—легированные области с концентрацией легирующей примеси порядка Ю20 см-3 и толщиной порядка периода кристаллической решетки [17, 18]. К настоящему времени ¿—легированные р — п переходы и многослойные сверхрешетки созданы на основе различных полупроводников, в том числе [18, 19], СаАэ [20 — 24] и ТпБЬ [25 — 28]. В частности, на основе Si, GaAs и InSb были созданы пилообразные ¿—легированные квантоворазмерные сверхрешетки, в которых поглощение длинноволнового излучения определяется переходами между минизонами, образующимися в пилообразном потенциальном рельефе таких структур [19, 20, 25]. Однако, фотодетекторы на основе квантоворазмерных структур обладают двумя существенными недостатками — в них излучение, падающее по нормали к плоскости сверхрешетки поглощается слабо [10,19, 20, 29, 30], а время жизни фотоносителей и фоточувствительность чрезвычайно малы [31,32].

Этих недостатков лишены классические легированные сверхрешетки п-г-р-г типа, которые в начале 80-х годов были предложены и теоретически изучены Неустроевым и Осиповым [33 — 36]. В таких сверхрешетках время жизни фотоносителей и фоточувствительность могут достигать огромных значений, вследствие пространственного разделения фотогенери-руемых электронов и дырок. Однако, в классических легированных сверхрешетках на основе широкозонных полупроводников длинноволновое ИК излучение поглощается слабо [37 — 39]. Это связано с тем, что поглощение такого ИК излучения определяется эффектом Франца — Келдыша [40, 41] в областях пространственного заряда р — п переходов, где максимальная величина напряженности электрического поля ограничена значением порядка 105 В/см. В принципе, за счет увеличения концентрации легирующих примесей в р — п переходах можно создать и большие электрические поля, но при этом возрастет туннельный ток р — п переходов, а следовательно резко уменьшится эффективное время жизни неравновесных носителей в таких сверхрешетках и фоточувствительность ИК фотодетекторов на их основе.

Данная диссертация посвящена теории трапецеидальной ¿—легированной сверхрешетки (TCP), которая предложена автором диссертации, и фотодетекторов на ее основе. В такой сверхрешетке образуются области однородного сверхсильного электрического поля, напряженность которого более чем на порядок превышает характерное максимальное значение напряженности поля в невырожденных р — п переходах. Вследствие этого TCP, выращенные на основе гомогенных относительно широкозонных полупроводников, обладают высокой фоточувствительностью в области длинноволнового ИК излучения (вплоть до 50 — 100 мкм) и поглощают излучение любой поляризации. Фотоносители в TCP разделены в пространстве, поэтому время их жизни может достигать гигантских величин. Большое время жизни неравновесных носителей в TCP фоторезисторах позволяет рассматривать их как весьма перспективные фотодетекторы для создания планарных смотрящих ИК матриц с предельно высокими пороговыми характеристиками и предельно простой архитектурой.

В диссертации также развита теория нового типа ИК матрицы, фоточувствительная ячейка которой представляет собой новый полупроводниковый прибор на основе р — п перехода из узкозонного полупроводника, совмещающий в себе все три основные функции: регистрацию ИК излучения, накопление фотосигнала и его считывание. Время накопления фотосигнала в такой ИК матрице может достигать величины, порядка постоянной времени человеческого глаза, поэтому пороговые характеристики таких матриц, в отличие от разработанных к настоящему времени, могут достигать абсолютного теоретического предела. Рассмотрена физика работы, методы обработки фотосигнала и архитектура такой матрицы, а также рассчитаны оптимальные параметры ее фоточувствительной ячейки, при которых реализуются предельно высокие пороговые характеристики.

Цель диссертации состояла в развитии теории предложенных автором трапецеидальных ¿—легированных сверхрешеток и фотодетекторов на их основе, а также теорий смотрящих ИК матриц на основе нового полупроводникового прибора.

Научная новизна работы.

В диссертации предложена сверхрешетка нового типа — трапецеидальная ¿—легированная сверхрешетка, развита теория такого типа сверхрешеток и фотодетекторов на их основе, а также теория ИК матриц на основе нового полупроводникового прибора, обладающих предельно высокими пороговыми характеристиками. В том числе:

— проанализированы спектры поглощения TCP и показано, что в TCP со сверхсильными встроенными электрическими полями может эффективно поглощаться длинноволновое ИК излучение с энергией кванта huj <�С Ед (вплоть до 50 — 100 мкм для InSb и InAs);

— выяснено, что в отличие от случая слабых полей, в сверхсильных встроенных электрических полях коэффициент поглощения ИК излучения в TCP определяется оптическими переходами из зоны тяжелых, а не легких дырок;

— проанализирована статистика невырожденных пространственно — разделенных электронов и дырок, локализованных в потенциальных ямах TCP, и показано, что она формально представляет собой статистику невырожденного электронного газа в некотором однородном полупроводнике с узкой эффективной запрещенной зоной.

— развита теория излучательной рекомбинации в TCP, рассчитана скорость такой рекомбинации и время жизни неравновесных носителей, проанализирован спектр люминесценции TCP и показано, что максимум этого спектра отвечает энергии фотонов Tiuo = Ef^ + кТ, много меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника Ед, на основе которого изготовлена TCP;

— проанализированы фотоэлектрические характеристики TCP фоторезистора и показано, что, в отличие от собственных и примесных фоторезисторов, вольтовая чувствительность TCP фоторезистора практически не зависит от времени жизни фотоносителей и концентрации равновесных носителей в TCP;

— рассчитана спектральная зависимость фоточувствительности TCP фоторезистора и найдено, что, в отличие от всех других типов фоторезисторов, фоточувствительность TCP фоторезистора вблизи края поглощения линейно возрастает с ростом энергии фотона;

— рассчитана спектральная плотность генерационно — рекомбинацион-ного шума в TCP и проанализирована обнаружительная способность TCP фоторезистора.

В диссертации впервые рассмотрена нового типа ИК матрица, фоточувствительная ячейка которой представляет собой новый полупроводниковый прибор. Развита теория такой матрицы, в рамках которой рассмотрены процессы накопления и считывания фотосигнала, рассчитаны фотоэлектрические и пороговые характеристики, проанализирована архитектура, методы обработки фотосигнала и оптимальные параметры фоточувствительной ячейки таких крупноформатных матриц на основе InSb и CdHgTe, позволяющие реализовать пороговые характеристики, близкие к теоретическому пределу.

Практическая и научная ценность работы.

1. Теоретически обосновано, что на основе предложенной трапецеидальной ¿—легированной сверхрешетки из относительно широкозонных полупроводников можно создать фотодетекторы длинноволнового и дальнего (вплоть до 50 — 100 мкм) ИК излучения.

2. Благодаря предсказанной аномально слабой зависимости вольтовой чувствительности TCP фоторезисторов от времени жизни неравновесных носителей и концентрации равновесных электронов и дырок, на основе предложенной сверхрешетки можно создать фоторезисторы с различным быстродействием и высокой вольтовой чувствительностью. Такая особенность TCP фоторезисторов показывает, что в отличие от общепринятых представлений, чувствительность и инерционность фотодетекторов в общем случае не являются взаимосвязанными параметрами. Таким образом, полученные в диссертации результаты существенно дополняют наши представления об общих принципах работы фотодетекторов.

3. С другой стороны, показано, что в предложенной TCP можно pea.

— 10 лизовать очень большое время жизни фотоносителей, что позволяет создавать на основе таких сверхрешеток планарные смотрящие ИК матрицы предельно простой архитектуры, имеющие пороговые характеристики близкие к теоретическому пределу.

4. Предложена оптимальная архитектура и методы обработки фотосигнала, которые позволяют реализовать в ИК матрицах на основе нового полупроводникового прибора время накопления фотосигнала порядка постоянной времени человеческого глаза. Это открывает путь к созданию крупноформатных смотрящих ИК матриц среднего и дальнего ИК диапазонов с пороговыми характеристиками, близкими к теоретическому пределу.

5. Полученные результаты использованы при разработке ИК матриц нового типа на основе InSb, а также для интерпретации экспериментальных данных, в том числе для объяснения наблюдающегося в таких матрицах нетривиального эффекта смены контраста ИК изображения при увеличении мощности фотосигнала.

6. Теория смотрящих ИК матриц нового типа, развитая в диссертации, вошла в курс «Формирователи сигнала изображения», читаемый на кафедре Физической электроники ф-та Физической и квантовой электроники МФТИ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Выращивая попарно-чередующиеся S-легированные слои пи р-типа в гомогенном монокристаллическом полупроводнике (с достаточно большой шириной запрещенной зоны Ед), можно создать сверхрешетку нового типа — трапецеидальную ¿—легированную сверхрешетку (TCP), в которой образуются области сверхсильных электрических полей, благодаря которым в такой TCP эффективно поглощается длинноволновое ИК излучение любой поляризации с энергией кванта 7га- «С Ед. Длинноволновая граница поглощения TCP определяется эффективной оптической запрещенной зоной ЕдМ, ширину которой в одном и том же полупроводнике можно изменять в широких пределах от Ед до нуля, варьируя только уровень легирования ¿—легированных слоев и расстояния между ними.

2. В отличие от случая не слишком сильных полей, коэффициент электропоглощения в TCP определяется оптическими туннельными переходами из зоны тяжелых, а не легких дырок. Коэффициент поглощения ИК излучения в TCP на основе InSb и InAs слабо зависит от длины волны вплоть до 50 — 100 мкм и составляет величину порядка 102 см-1. В TCP на основе GaAs может эффективно поглощаться ИК излучение вплоть до 3 мкм, а в TCP на основе Ge — до 4.5 мкм.

3. Статистика невырожденных пространственно-разделенных электронов и дырок, локализованных в потенциальных ямах TCP пир типа соответственно, формально представляет собой статистику невырожденного электронного газа в некотором однородном полупроводнике с эффективной шириной запрещенной зоны, равной EeJ^.

4. В TCP, эффективно поглощающих длинноволновое ИК излучение, существенную роль играет туннельно-излучательная рекомбинация, причем время жизни неравновесных носителей, определяющее кинетику спада фотопроводимости и время накопления фотосигнала, может достигать величин порядка 1 мс. При этом, максимум спектра люминесценции TCP определяется величиной т. е. отвечает энергии фотонов, много меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, на основе которого изготовлена TCP.

5. Вольтовая чувствительность фоторезистора на основе TCP практически не зависит от времени жизни фотоносителей и степени легирования TCP (концентрации равновесных носителей), т. е. TCP фоторезистор может иметь достаточно высокое быстродействие при сохранении большой вольтовой чувствительности. Спектральная зависимость фоточувствительности TCP описывается функцией (hu> — ЕдН)./(%ш)2, т. е. вблизи края поглощения чувствительность линейно возрастает с ростом энергии фотона Tiuj. По этим свойствам TCP фоторезистор принципиально от ли.

— 12 чается от собственных и примесных фоторезисторов. Такие необычные характеристики TCP фоторезистора меняют наши представления об общих свойствах фотодетекторов.

6. Спектральная плотность флуктуаций, обусловленных случайностью процессов генерации и рекомбинации носителей, для TCP фоторезистора имеет ту же функциональную зависимость от параметров фоторезистора, что и в собственных и примесных фоторезисторах, в частности, она пропорциональна квадрату коэффициента фотоэлектрического усиления.

7. Обнаружительная способность TCP фоторезистора и условие реализации режима ограничения флуктуациями фонового излучения (BLIP режим) определяются эффективной шириной запрещенной зоны TCP ЕдН, но за счет большого времени накопления температура BLIP режима TCP фоторезистора может быть достаточно высокой.

8. Архитектура, методы обработки фотосигнала и оптимальные параметры фоточувствительной ячейки гибридной и планарной смотрящей матрицы на основе TCP, InSb и CdHgTe, позволяющие реализовать в крупноформатных смотрящих матрицах среднего, дальнего и длинноволнового ИК диапазона пороговые характеристики, близкие к теоретическому пределу.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на III Российской конференции по физике полупроводников (Москва 1997), 1997 International semiconductor device research symposium (Charlottesville, USA, 1997), XV Международной научно — технической конференции по фотоэлектронике, электронным и ионно — плазменным технологиям (Москва, 1998), а также семинарах теоретического отдела ГНЦ РФ ГУП «НПО «Орион». Часть результатов диссертации получена в ходе выполнения работ по совместному Российско — Американскому гранту Министерства науки и технологий РФ и U.S. Civilian Research & Development Foundation (Award # REI — 287, 1997 — 1998 гг.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах [42 — 53].

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

В заключение сформулируем основные результаты и выводы диссертации:

1. Выращивая попарно — чередующиеся S-легированные слои пи р-типа в гомогенном монокристаллическом полупроводнике можно создать сверхрешетку нового типа — трапецеидальную ¿—легированную сверхрешетку, в которой отсутствуют гетерограницы и напряженные слои. В TCP между разноименно заряженными ¿—легированными слоями могут возникать области однородного сверхсильного электрического поля, напряженность которого более чем на порядок превышает характерное значение максимальной напряженности поля в невырожденных р — п переходах. В сверхсильных электрических полях TCP может эффективно поглощаться длинноволновое ИК излучение любой поляризации с энергией кванта fiuj <�С Ед1 причем, в отличие от случая слабых полей, коэффициент электропоглощения будет определяется оптическими переходами из зоны тяжелых дырок. В отличие от случая протяженного полупроводника (толщина которого превышает Eg/qE), для расчета коэффициента электропоглощения в сверхсильных электрических полях TCP можно применять теорию Франца-Келдыша. Длинноволновую границу поглощения TCP (ширину эффективной оптической запрещенной зоны Е^) в одном и том же полупроводнике можно варьировать в широких пределах вплоть до нуля, изменяя лишь параметры сверхрешетки. В широком спектральном диапазоне коэффициент электропоглощения TCP со сверхсильными электрическими полями слабо зависит от энергии кванта падающего излучения, так коэффициент поглощения ИК излучения в TCP на основе InSb и InAs слабо зависит от длины волны вплоть до 50 — 100 мкм и составляет величину порядка 102 см-1. В TCP на основе GaAs может эффективно поглощаться ИК излучение вплоть до 3 мкм, а на основе Ge — до 4.5 мкм. Таким образом предложенная трапецеидальная ¿—легированная сверхре.

— 119 шетка позволяет создавать на основе одного и того же относительно широкозонного полупроводника фотодетекторы среднего, длинноволнового и дальнего (вплоть до 50 — 100 мкм) ИК излучения.

2. В TCP, эффективно поглощающих длинноволновое ИК излучение, существенную роль играет туннельно-излучательная рекомбинация, причем время жизни неравновесных носителей, определяющее кинетику спада фотопроводимости и время накопления фотосигнала, может достигать величин порядка 1 мс. Такое большое время жизни неравновесных носителей является следствием пространственного разделения электронов и дырок в TCP, поскольку в предложенной сверхрешетке несмотря на существование сверхсильных встроенных электрических полей отсутствуют прямые туннельные переходы электронов между соответствующими потенциальными ямами. Большое время накопления фотосигнала позволяет создавать на основе TCP смотрящие ИК матрицы предельно простой архитектуры с предельно высокими пороговыми характеристиками.

3. Максимум спектра люминесценции TCP определяется величиной EeJf т. е. отвечает энергии фотонов, много меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, на основе которого изготовлена сверхрещетка %ио <�С Ед. Таким образом, на основе широкозонных полупроводников могут быть созданы эффективные источники длинноволнового излучения, в том числе преобразователи теплового излучения в сверхдлинноволновое.

4. Статистика невырожденных пространственно-разделенных электронов и дырок, локализованных в потенциальных ямах TCP пир типа, соответственно формально представляет собой статистику невырожденного электронного газа в некотором однородном полупроводнике с эффективной шириной запрещенной зоны, равной Еед^ т. е. эффективная оптическая ширина запрещенной зоны TCP играет также роль эффективной термической запрещенной зоны.

5. Пространственное разделение фотоносителей в TCP приводит к необычной ситуации: поглощение ИК излучения определяется межзонными.

— 120 оптическими переходами, сопровождающимися генерацией электронно-дырочных пар, а фотопроводимость носит монополярный характер и может определяться неосновными носителями в TCP. Вследствие этого, в отличие от собственных и примесных фоторезисторов вольтовая чувствительность фоторезистора на основе TCP практически не зависит от времени жизни фотоносителей и степени легирования TCP (концентрации равновесных носителей). Этот парадоксальный эффект позволяет создавать на основе предложенной сверхрешетки фоторезисторы с различным быстродействием и высокой вольтовой чувствительностью.

6. В отличие от всех других типов фоторезисторов спектральная зависимость фоточувствительности TCP описывается функцией (hu- — Egff)/(?iuj)2, т. е. вблизи края поглощения чувствительность линейно возрастает с ростом энергии фотона Tiuj.

7. Обнаружительная способность TCP фоторезистора в случае слабых фонов и условие BLIP режима определяются величиной эффективной ширины запрещенной зоны TCP ЕдН, но за счет большого времени накопления температура BLIP режима TCP фоторезистора может быть достаточно высока. Так, температура BLIP режима TCP фоторезистора эффективно поглощающего ИК излучение вплоть до со = 25 мкм примерно равна 86 К при температуре фона 300 К.

8. При оптимальном выборе параметров фоточувствительной ячейки на основе нового полупроводникового прибора, совмещающего в себе функции регистрации ИК излучения, накопления фотосигнала и его считывания, могут быть созданы крупноформатные ИК матрицы с большим временем накопления фотосигнала, (порядка постоянной времени человеческого глаза) имеющие пороговые характеристики, близкие к теоретическому пределу.