-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................4
ГЛАВА 1. МЕЖЗОННОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ДЛИННОВОЛНОВОГО ИК ИЗЛУЧЕНИЯ В ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫХ ^-ЛЕГИРОВАННЫХ СВЕРХРЕШЕТКАХ (ТСР)...........................,.........20
1.1 Структура ТСР....................................... 20
1.2 Поглощение ИК излучения в областях сверхсилыюго
электрического поля ТСР ............................. 23
1.3 Эффективный коэффициент поглощения
ИК излучения в ТСР................................... 31
ГЛАВА 2. СТАТИСТИКА И ТУННЕЛЬНО - ИЗЛУЧАТЕЛЬНЛЯ РЕКОМБИНАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО - РАЗДЕЛЕННЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ТСР.......................................33
2.1 Статистика носителей заряда в ТСР................... 33
2.2 Туппельно - излучательная рекомбинация в ТСР.........35
2.3 Люмппесценция ТСР................................... 39
2.4 Прямая рекомбинация Шокли - Рида в ТСР.............. 40
ГЛАВА 3. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ПОРОГОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОРЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ ТСР.........................44
3.1 Фотопроводимость ТСР ............................... 14
3.2 Фоточувствптельность ТСР фоторезистора.............. 48
3.3 Пороговые характеристики ТСР фоторезистора ......... 54
ГЛАВА 4. ИК МАТРИЦЫ С БОЛЬШИМ ВРЕМЕНЕМ НАКОПЛЕНИЯ ФОТОСИГНАЛА ......................................58
4.1 Физика работы и эквивалентная схема планарной
ИК матрицы........................................... 58
4.2 Локальная туннельная генерация носителей в
фоточувствительных элементах ИК матриц................68
4.3 Время накопления фотосигнала.........................80
-3-
4.4 Гибридная И К матрица ................................ 87
4.5 Фотоэлектрические и пороговые характеристики
ИК матриц .............................................93
4.6 Предельные параметры ИК матриц.........................104
4.7 Взаимное влияние процессов накопления и считывания фотосигнала. Режим ускоренного опроса .....................111
4.8 Физика работы матрицы в условиях сильных засветок. Нелинейный фотоотклик......................................115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................118
ЛИТЕРАТУРА ...................................................121
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Одна из важных проблем полупроводниковой электроники состоит в создании крупноформатных смотрящих ИК матриц различного спектральною 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 - б]. 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 фото сигнала 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 па 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 состо-
- 5 -
яний на границе раздела узкозонный полупроводник диэлектрик существенно ухудшает пороговые характеристики таких матриц.
Другим, помимо обнаружителыгой способности, важным параметром смотрящих матриц является разрешающая способность, которая характеризует свойства таких матриц как преобразователей изображения. Последняя тем выше, чем меньше размеры фоточувствитсльных 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 И К фотодетекторов является создание различного типа квантовых ям и сверхрешеток на основе относительно широкозонных полупроводников и прежде всего квантоворазмерных СаАя/АЮаАя [10 - 12] и 81/Се81 гетероструктур [13]. В последние годы развитие полупроводниковой технологии позволило создать. так называемые, «^-легированных структуры [14], которые БбЫег предложил и теоретически изучил еще в начале 70-х годов [15, 16]. В . процессе выращивания таких структур в монокристачлическом полупроводнике создаются 8-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 сверхрсшетки созданы на основе различных полупроводников, в том числе [18, 19], ваАя [20 - 24] и 1п8Ь [25 - 28]. В частности,
-6-
на основе СаАа и 1пБЬ были созданы пилообразные <5-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 кваитоворазмерных 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 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 сверх-решетках 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 И К фотодетектороп на их основе.
Данная диссертация посвящепа теории трапецеидальной ^-легированной сверхрсшеткп (ТСР), которая предложена автором диссертации, и фотодс-текторов на ее основе. В такой сверхрешетке образуются области однородного сверхсильного электрического поля, напряженность которого более
-7-
чем на порядок превышает характерное максимальное значение напряженности поля в невырожденных р - п переходах. Вследствие этого ТСР, 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 ТСР разделены в пространстве, поэтому время их жизни может достигать гигантских величин. Большое время жизни неравновесных носителей в ТСР 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, фото-чувствительная 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 И К 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 <5-легированных сверхрешеток и фотодетекторов на их основе, а также теории смотрящих ИК матриц на основе нового полупроводникового прибора.
Научная новизна работы.
В диссертации предложена сверхрешетка нового тииа трапецеидаль-
-8-
ная 6-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 ТСР и показано, что в ТСР со сверхсильными встроенными электрическими полями может эффективно поглощаться длинноволновое ИК излучение с энергией кванта йи> Ед (вплоть до 50 - 100 мкм для 1п8Ь и ІпАз);
- выяснено, что в отличие от случая слабых полей, в сверхсильных встроенных электрических полях коэффициент поглощения ИК излучения в ТСР определяется оптическими переходами из зоны тяжелых, а не легких дырок;
- проанализирована статистика невырожденных пространственно - разделенных электронов и дырок, локализованных в потенциальных ямах ТСР, и показано, что она формально представляет собой статистику невырожденного электронного газа в некотором однородном полупроводнике с узкой эффективной запрещенной зоной Ед**;
- развита теория излучательной рекомбинации в ТСР, рассчитана скорость такой рекомбинации и время жизни неравновесных носителей, проанализирован спектр люминесценции ТСР и показано, что максимум этого спектра отвечает энергии фотонов Тій,' = Е*** + кТ, много меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника Еу, на основе которого изготовлена ТСР;
- проанализированы фотоэлектрические характеристики ТСР фоторезистора и показано, что, в отличие от собственных и примесных фоторезисторов, вольтовая чувствительность ТСР фоторезистора практически не зависит от времени жизни фотоносителей и концентрации равновесных носителей в ТСР;
- рассчитана спектральная зависимость фоточувствительности ТСР фоторезпетора и найдено, что, в отличие от всех других типов фоторе-
-9-
зисторов, фоточувствительность ТСР фоторезистора вблизи края поглощения линейно возрастает с ростом энергии фотопа;
рассчитана спектральная плотность генерационно - рекомбинационного шума в ТСР и проанализирована обнаружительная способность ТСР фоторезпетора.
В диссертации впервые рассмотрена нового типа И К матрица, фото-чувствительная 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 фо-точувствительной ячейки таких крупноформатных матриц на основе ІпБЬ и СМЫ^Ге. 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 фотодстекторы длинноволнового и дальнего (вплоть до 50 - 100 мкм) ИК излучения.
2. Благодаря предсказанной аномально слабой зависимости вольтовой чувствительности ТСР 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 ТСР 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 паши представления об общих принципах работы фотодетекторов.
3. С другой стороны, показано, что в предложенной ТСР можно реа-
- 10-
лизовать очень большое время жизни фотоноситслей, 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 фотоспг-нала, 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 И К матриц среднего и дальпего И К диапазонов с пороговыми характеристиками, близкими к теоретическому пределу.
5. Полученные результаты использованы при разработке ИК матриц нового типа на основе ГиЯЬ, 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 5-легированные слои п- и р-типа в гомогенном монокристаллическом полупроводнике (с достаточно большой шириной запрещенной зоны Ед), можно создать сверхрешетку нового типа - трапецеидальную <5-легированную сверхрешетку (ТСР), в которой образуются области сверхсильных электрических полей, благодаря которым в такой ТСР эффективно поглощается длинноволновое И К излучение любой поляризации с энергией кванта Ли? Ед. Длинноволновая граница поглощения ТСР определяется эффективной оптической запрещенной зоной Е'**, ширину которой в одном и том же полупроводнике можно
-11 -
изменять в широких пределах от Ед до нуля, варьируя только уровень легирования й - легированных слоев и расстояния между ними.
2. В отличие от случая не слишком сильных полей, коэффициент электропоглощения в ТСР определяется оптическими туннельными переходами из зоны тяжелых, а не легких дырок. Коэффициент поглощения ИК излучения в ТСР на основе 1пЭЬ и 1пАв слабо зависит от длины волны вплоть до 50 - 100 мкм и составляет величину порядка 102 см-1 . В ТСР на основе СаА§ может эффективно поглощаться ИК излучение вплоть до 3 мкм, а в ТСР на основе вс - до 4.5 мкм.
3. Статистика невырожденных пространственно-разделенных электронов и дырок, локализованных в потенциальных ямах ТСР пир типа соответственно, формально представляет собой статистику невырожденного элект!Х)нпого газа в некотором однородном полупроводнике с эффективной шириной запрещенной зоны, равной .
4. В ТСР, 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 величип порядка 1 мс. При этом, максимум спектра люминесцспщш ТСР определяется величиной т.е. отвечает энергии фотонов, много меньшей ширипы запрещенной зоны полупроводника, на основе которого изготовлена ТСР.
5. Вольтовая чувствительность фоторезистора на основе ТСР практически не зависит от времени жизни фотоносителей и степени легирования ТСР (копцептрашш равновесных носителей), т.е. ТСР фоторезистор может иметь достаточно высокое быстродействие при сохранеппи большой вольтовой чувствительности. Спектральная зависимость фоточувствительности ТСР описывается функцией (Ьш — £у^)/(Ли;)2, т.е. вблизи края поглощения чувствительность линейно возрастает с ростом энергии фотона Ни). По этим свойствам ТСР фоторезистор принципиально отли-
- Київ+380960830922