-S
Регистрация и визуализация ИК излучения до сих пор остается одной из наиболее актуальных задач оптоэлектроники. Для ее решения используются фотоэмиссионные приборы (ФЭУ, ЭОПы) и различные полупроводниковые приемники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы) с внутренним фотоэффектом [1]. Приборы эмиссионного типа обладают спектральным порогом в ближней ИК области спектра (не более 2 мкм), в то время как полупроводниковые приемники работают в среднеи длинноволновом диапазоне и их спектральный порог опреде.
Актуальность работы. В диссертации рассматривается фотоактивность полупроводниковых контактных структур — р-п переходов и диодов Шоттки в ИК диапазоне, обусловленная, главным образом, поглощением излучения свободными носителями заряда. Изучается взаимосвязь различных механизмов взаимодействия ИК излучения со свободными носителями в прямосмещенных р-п переходах в условиях, когда их концентрация остается постоянной, а меняется распределение по энергиям. Исследуется размножение носителей на барьере в обратно смещенных диодах Шоттки, приводящее к усилению первичного фототока. Доказывается, что размножение имеет место даже в слабых полях, недостаточных для лавинной ионизации. Приводится расчет коэффициента усиления для процесса лавинного размножения.
К началу настоящей работы было установлено, что при облучении прямоI смещенного р-п перехода излучением с длиной волны А~ 10 мкм в фотоответе при сутствует не только тепловая, но и чисто фотонная, безинерционная составляющая [2−7]. В диссертации продолжены эти исследования и выявлены закономерности I преобладания того или другого механизма в зависимости от внешних условий / (длины волны возбуждающего излучения, прямого смещения, температуры, частоты модуляции, а также материала полупроводника).
Простейшими малоинерционными детекторами ИК излучения могут служить охлаждаемые до 77 К германиевые и кремниевые одноэлементные диодные р- - п структуры, хотя их квантовая эффективность в диапазоне ~10 мкм невелика. По- 1 высить эффективность детектирования возможно используя триодные приемники излучения, которые сочетают внутреннее усиление с возможностью значительного понижения барьера за счет подачи прямого смещения на эмиттер. Транзисторы на горячих электронах обладают высоким быстродействием вследствие малого врежется лишь доступной температурой охлаждения. мени пролета носителей через базу [8, 9]. Нами показана принципиальная возмож- | ность создания более эффективных приемников ИК излучения с помощью эффекта | внутреннего усиления при использовании транзисторных структур вместо диод- ^ ных и предложена схема их устройства! 10].
Помимо приемников излучения, в которых непосредственно регистрируется ток внутренней эмиссии, могут быть созданы фотокатоды для ИК области спектра, ' т. е. могут быть созданы условия для эмиссии фотовозбужденных и перешедших через барьер электронов в вакуум [11−14, 19].
Вместе с тем, использование этих простейших приемников И К излучения в современных устройствах визуализации с повышенной плотностью съема информации в фокальной плоскости приемной системы затруднено из-за жесткости требований, предъявляемых к идентичности фотоотклика отдельных элементов матрицы. Здесь требуются простые, технологичные многоэлементные датчики с разбросом параметров отдельных элементов не превышающим ~0,5%. Этим требованиям удовлетворяют предложенные в США в 70-х годах матрицы диодов Шоттки, в которых И К излучение инжектирует носители тока из металла в полупроводник [15, 16]. Эти детекторы относятся к сравнительно новому классу приборов на горячих носителях заряда. В металле на порядки больше свободных носителей, чем в полупроводнике, которые способны поглотить квант излучения практически любой длины волны. Порог же спектральной чувствительности будет определяться высотой барьера металл-полупроводник, который при правильном выборе металла и полупроводника может быть в несколько раз меньше ширины запрещенной / зоны полупроводника. В частности, очень широко применяются диоды Шоттки РЬ/г-йь Высота потенциального барьера таких диодов —0,2 эВ, что позволяет регистрировать сигналы с длиной волны до 6 мкм.
Несмотря на то, что диоды Шоттки освоены технологически и широко применяются в промышленности, физическая основа некоторых происходящих в них явлений до сих пор изучена недостаточно. Во всех известных нам работах усиление обратных токов в них в слабых полях, в которых носитель на длине свободного. пробега не может набрать энергию, достаточную для межзонной ионизации, при- 1 писывалось исключительно изменению токопроводящих свойств контакта, а ран- (ний лавинный пробой — влиянию краевых эффектов. До настоящего времени не существовало теории, объясняющей усиление обратных токов в диодах Шоттки с низкими барьерами при малых (3−5 В) смещениях размножением носителей на барьере.
Нами было предложено принципиально новое объяснение усиления обрат- (ного фототока. Мы связали это усиление не с изменением токопроводящих свойств контакта, а с механизмом ударного размножения носителей.
При сравнительно небольших смещениях нами зарегистрирован также новый тип генерации, когда ускоренные полем неосновные носители (в р-типе электроны) не производят ионизацию непосредственно, а передают свою энергию носителям металла, вызывая надбарьерную инжекцию [11,17]. Чем больше энергия ускорившегося электрона, тем выше вероятность перехода вторичной дырки через барьер. Отличительной особенностью этого механизма является меньшее рабочее напряжение, чем-то, которое нужно для возникновения процесса лавинного умножения.
Исследование в целом посвящено проблемам регистрации ИК излучения полупроводниковыми барьерными структурами в режиме их работы на горячих носителях. Излучение с энергией кванта меньше ширины запрещенной зоны полупроводника поглощается свободными носителями, которые становятся горячими и получают возможность преодолеть барьер. Рассматриваются оба способа регистрации: с помощью приемников на р-п переходах и на диодах Шоттки. И те и другие обладают своими достоинствами и недостатками, и поэтому оба направления развиваются параллельно. Использование того или другого типа детекторов зависит от области применения. Во-первых, они рассчитаны на разный диапазон | длин волн. Диоды Шоттки успешно работают до 5−6 мкм, попытки продвинуться в более длинноволновую область наталкиваются на чисто технические трудности. Область работы приемников на р-п переходах — 8−12 мкм. Во-вторых, диоды Шоттки обладают высоким уровнем собственных шумов и, следовательно, малой обнаружительной способностью. Иногда этот недостаток возможно компенсировать работой в режиме накопления сигнала, но это сразу снижает на порядки их быстродействие.
Диоды Шоттки обладают такими неоспоримыми достоинствами, как невысокие требования к очистке материала и простота в изготовлении (отсюда их дешевизна по сравнению с р-п переходами), хорошая воспроизводимость (разброс чувствительности отдельных элементов матрицы составляет всего доли процента), простота интеграции. Поэтому их очень удобно применять в матричных приемниках излучения без узла сканирования, где матрица перекрывает все поле обзора.
Кроме того, диоды Шоттки очень устойчивы к внешним воздействиям. С другой стороны, диоды Шоттки не позволяют работу в области 8−12 мкм (второе окно прозрачности атмосферы в ИК области) и по обнаружительной способности и быстродействию уступают приемникам на р-п переходах.
Изучение малоисследованных процессов, протекающих в неоднородных барьерных структурах при наличии разогретых светом свободных носителей заряда, позволяет выявить особенности взаимодействия излучения с такими структурами и создать физическую основу для разработки новых видов элементов оптоэлектронных устройств ИК диапазона и улучшения параметров приемников, уже используемых в технике. Работа состояла в расширении и углублении исследований, посвященных разогреву носителей излучением и полем на полупроводниковых контактах. Это направление физики полупроводников базируется на наблюдавшемся нами принципиально новом явлении эмиссии носителей через барьер, стимулированной излучением и полем, и может поэтому рассматриваться как фундаментальное. Его развитие обещает многочисленные технические применения в области оптоэлектроники. Так, на основе явления фотоинжекции горячих носителей заряда в р-п переходах возможно создание, во-первых, фотоприемников для диапазонов 3−5 и 8−12 мкм, и, во-вторых, фотокатодов для длин волн более 2 мкм. Изучение эффекта размножения носителей на контактах металл-полупроводник позволяет рассчитывать на создание быстродействующих приемников (в том числе в матричном исполнении) с внутренним усилением и повышенной стабильностью по сравнению с существующими лавинными фотодиодами для диапазона 3−5 мкм.
Тема является частью широко развивающегося в последнее время направления исследований взаимодействия электронного газа с электрическими и магнитными полями.
Цель работы.
Исследование взаимосвязи различных механизмов взаимодействия ИК излучения со свободными носителями заряда в полупроводниковых контактных структурах в присутствии внешних электрических полей.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Изучение процессов разогрева свободных носителей заряда ИК излучением в сплавных диодных /"-«-структурах на основе классических полупроводниковых материалов (ве, 81, СаАв, 1п8Ь). Оценка перспективности применения таких структур в качестве малоинерционных приемников излучения средней И К области. Определение основных рабочих параметров таких приемников.
2. Исследование возможности повышения квантовой эффективности детектирования за счет расширения интервала энергий инжектируемых носителей путем понижения барьера.
3. Исследование путей визуализации токового сигнала.
4. Изучение процессов размножения носителей на контактах Шоттки с целью создания приемников ИК излучения с внутренним усилением и повышенной стабильностью по сравнению с существующими лавинными диодами.
Содержание диссертации изложено в четырех главах.
В первой главе, являющейся литературным обзором, рассматриваются: фотоэффект при поглощении света свободными носителямивнутренняя фотоэмиссия в р-п переходахфотоэлектрические свойства диодов Шоттки на кремниивопросы получения чистой границы силицид-кремнийобсуждается место приемников на горячих носителях среди других приемников ИК излучения.
Во второй главе дается описание и приводится схема экспериментальной установки, используемой для исследования фотоэлектрических свойств полупроводниковых контактных структур.
Третья глава посвящена исследованию внутренней фотоэмиссии в р-п переходах под действием излучения 10,6 мкм, обусловленной поглощении света свободными носителями. Рассматривается также возможность усиления фотосигнала при использовании транзисторных структур вместо диодных и предлагается устройство для малоинерционной регистрации ИК сигналов на их основе. Описывается устройство фотокатода для И К области спектра, действие которого основано на возбуждении внутренней фотоэмиссии в контакте и последующей эмиссией электронов в вакуум.
В четвертой главе проводится анализ фотоэлектрических характеристик диодов Шоттки и предлагается принципиально новое объяснение наблюдаемому эффекту усиления первичного фототока. Также приводятся сведения об изготовлении структур силицид кремния-кремний и результаты контроля их параметров.
Научная новизна.
1) Впервые оценен относительный вклад различных механизмов поглощения излучения среднего ИК диапазона свободными носителями в суммарный фо-тоток в зависимости от материала полупроводника, длины волны возбуждающего излучения, напряжения прямого смещения, температуры, частоты модуляции.
2) Впервые предлагается для повышения квантовой эффективности приемников ИК излучения на горячих носителях использовать вместо диодных транзисторные структуры, сочетающие возможность значительного понижения барьера с внутренним усилением.
3) Впервые проводится исследование фотоинжекции в р-п переходах на основе соединений АИ1 В?. До сих пор фотоинжекция наблюдалась лишь в атомных полупроводниках.
4) Предлагается новый принцип конструкции фотокатода для И К области, что позволяет расширить спектральный диапазон фотоэмиссии за край собственного поглощения полупроводника до 12 мкм и более.
5) Разработана физическая модель процесса усиления обратного фототока в диодах Шоттки, учитывающая возможность ударного размножения носителей в области барьера при любых, в том числе недостаточных для межзонной ионизации, смещениях.
Практическая ценность.
Знание соотношения между фотонной и тепловой составляющими фототока в зависимости от материала полупроводника, смещения и температуры позволит правильно подирать материал и оптимизировать рабочие параметры детектора в соответствии с поставленной задачей.
Использование в качестве малоинерционных приемников ИК излучения на горячих носителях транзисторных структур с внутренним усилением позволяет решить одну из основных задач, возникающих при детектировании излучения с длиной волны более 10 мкм, — повышение квантовой эффективности фотоинжекции.
Предложенная конструкция фотокатода для ИК области позволяет во-первых, регулировать спектральный порог, а во-вторых, продвинуться в длинноволновую область до 10−12 мкм, в то время как большинство используемых фотокатодов имеют порог 2 мкм.
Весьма перспективно изучение эффекта размножения носителей заряда в диодах Шоттки с низкими барьерами. Доказательство достаточной эффективности этого процесса открывает широкие возможности для создания матричных фотоприемников с внутренним усилением и большей стабильностью (меньшим избыточным шумом) по сравнению с существующими лавинными фотодиодами.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1) Изменение полного фототока через р-п переход при освещении его И К излучением с энергией кванта менее ширины запрещенной зоны полупроводника определяется четырьмя составляющими: двумя, имеющими место в плоскости перехода (фотои термоинжекцией через барьер) и двумя объемными процессами в балластном сопротивлении диода (фотои термоионизацией примесей). Соотношение между этими механизмами и преобладание какого-то одного из них зависит от материала полупроводника, длины волны возбуждающего излучения, рабочей температуры и величины прямого смещения.
2) Фотоинжекция имеет место не только в р-п переходах на основе моноатомных полупроводников (Ое, 81), но и в соединениях группы АШВУ (ОаАв, 1п5Ь).
3) Причиной усиления обратных токов на контактах металл-полупроводник с низкими барьерами (Р^/г-Бь ~0,2 эВ) является ударное размножение фотоносителей в поле обратно смещенного диода.
4) При смещениях, недостаточных для возникновения процесса лавинного умножения, нами наблюдался новый тип генерации, когда ускоренные полем носители не производят ионизацию непосредственно, а передают свою энергию носителям металла, вызывая вторичную надбарьерную инжекцию. Коэффициент усиления за счет вторичной инжекции зависит от энергии первичного электрона (которая в свою очередь является функцией длины волны возбуждающего излучения и напряженности электрического поля) и от высоты барьера.
5) Коэффициент лавинного усиления не зависит от высоты барьера и длины волны возбуждающего излучения.
Основные результаты исследований опубликованы в работах [10−14, 17−18]. Материалы диссертации изложены на 129 страницах, включая 40 рисунков. Вся экспериментальная часть работы выполнена автором самостоятельно или при ее непосредственном участии. Она также принимала активное участие в обсуждении результатов и написании статей.
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1. На всех прямосмещенных р-п переходах на Ое, 81, ОаАв, 1п5Ь в режиме поглощения свободными носителями заряда в соответствующем диапазоне прямых смещений и температур нами зарегистрирована чисто фотонная, безинерци-онная составляющая фотосигнала.
2. Квантовая эффективность фотонного процесса для длин волн регистрируемого излучения более 10 мкм очень мала. Повышение квантовой эффективности приемников излучения в этом диапазоне возможно за счет регистрации тер-моинжектированных носителей путем подачи большего прямого смещения для уменьшения высоты барьера.
3. Для работы в области больших смещений необходимо ослабить влияние дифференциального сопротивления диода, что невозможно в диодных и легко достижимо в транзисторных структурах. Транзисторы, используемые в качестве детекторов ИК излучения, обладают на порядки большей квантовой эффективностью, чем фотоинжекционные диоды, и, в то же время, значительно меньшей инерционностью, чем тепловые приемники, вследствие малого времени пролета носителей через базу.
4. Показана возможность создания условий для эмиссии фотоинжектиро-ванных через р-п переход носителей в вакуум, т. е. возможность создания фотокатода со спектральным порогом, регулируемым прямым смещением.
5. На обратно смещенных контактах металл-полупроводник с низкими барьерами (РЬ/э^, №-/?-81) зарегистрирована более сильная зависимость усиления фототока от смещения, чем можно было бы ожидать, принимая во внимание только изменение токопроводящих свойств контакта. Это усиление объяснено размножением носителей на барьере.
6. При смещениях меньше порога лавинного пробоя и при наличии неосновных носителей имеет место вторичная инжекция: разогнавшиеся в поле и перешедшие в металл электроны (барьер для них отсутствует) передают свою энергию дыркам, стимулируя переход последних через барьер.
7. Ток вторичной инжекции сильнее зависит от напряжения смещения, чем ток первичной инжекции, так как помимо зависимости от высоты барьера (12~ехрА<�р, Аф~Е½~и¼) он зависит от энергии, набираемой электроном в поле обратно смещенного диода до перехода в металл, что в случае первичной инжекции было бы эквивалентно сдвигу в сторону меньших длин волн возбуждающего излучения.
8. При обратных смещениях ие//> 10 — 12 В напряженность электрического поля в обедненном слое диода достаточна для начала ударной ионизации через запрещенную зону. Коэффициент лавинного усиления не зависит от высоты барьера и от длины волны возбуждающего излучения (при умеренных интенсивностях).
9. Коэффициент усиления зависит от рельефа границы раздела силицид-кремний (через напряженность электрического поля). За счет этого возможен выигрыш в отношении сигнал-шум за счет того, что шумы зависят от средней напряженности поля на контакте.
Следует отметить, что основное отличие изучавшихся явлений внутренней фотоэмиссии в диодах Шоттки и р-п переходах заключается в характере взаимодействия ИК излучения со свободными носителями заряда. В р-п переходах оно происходит в полупроводнике и носит объемный характер, а в диодах Шоттки — в силициде, обладающем металлическими свойствами, и, благодаря высокой концентрации носителей, локализовано в плоскости перехода.
Полученные фотоэлектрические параметры исследованных контактных структур, возможность управления их спектральным порогом чувствительности, а также наличие внутреннего усиления делают изучаемые явления перспективными в плане практического использования, особенно учитывая сравнительную простоту изготовления и надежность.
В заключение автор выражает благодарность своим научным руководителям — кандидатам физико-математических наук В. Л. Комолову и ИЛ. Мармуру за внимание и оказанную помощь.
.
В диссертационной работе изучалась фотоактивность полупроводниковых контактных структур (р-п переходов и диодов Шоттки), обусловленная, главным образом, поглощением света свободными носителями. Некоторые явления наблюдались впервые (например, фотонная составляющая фотоответа в соединениях А1,1 Ву). Явления, наблюдавшиеся ранее другими авторами на р-п переходах, систематизированы и установлена связь между ними. Эффекту усиления обратных токов в диодах Шоттки, хорошо ранее известному, дано принципиально новое физическое объяснение.