МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 6, с. 433-435
= МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.315.592
ФОТОПРИЕМНИКИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ к = 1.5-8 мкм НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ С МНОГОЗАРЯДНЫМИ НАНОКЛАСТЕРАМИ
АТОМОВ МАРГАНЦА © 2012 г. М. К. Бахадырханов, С. Б. Исамов, Н. Ф. Зикриллаев
Ташкентский государственный технический университет имени Абу Райхана Беруни,
E-mail: sobir-i@mail.ru Поступила в редакцию 30.08.2011 г.
Показана возможность создания фотоприемников ИК-излучения на основе кремния с многозарядными нанокластерами атомов марганца, работающих в области X = 1.55—8 мкм. Фотоприемники, изготовленные на основе таких материалов, имеют параметры: спектральная область чувствительности X = 1.55—8 мкм; температурная область работы T = 77—250 К; оптимальное электрическое поле Е = 5 В/см; оптимальные размеры V = 3 х 2 х l мм3; пороговая чувствительность S = 10-9 Вт/см2; время откликах т < 10-6 с.
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые фотоприемники являются основными элементами современных телекоммуникационных систем. Большой интерес представляет создание более чувствительных фотоприемников, позволяющих регистрировать ИК-излучение с длиной волны X = 1.5—8 мкм. В настоящее время в качестве таких фотоприемников используются лавинно-пролетные фотодиоды и гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений АШВУ, кремния и германия [1—3]. Кремниевые лавинно-пролетные фотодиоды (ЛПФ) не только имеют невысокую чувствительность ИК-излучения в области X < 1.5 мкм при Т > 100 К и достаточно высокий уровень шума [4], но и требуют более жесткой стабилизации напряжения. Создание фотоприемников, работающих в указанной области длин волн ИК-излуче-ния на основе кремния, легированного глубокими примесями, не увенчалось успехом. Это видимо, связано с достаточно низкой растворимостью примесей с глубокими уровнями и невозможностью подбора соответствующих энергетических уровней необходимых для фоточувствительности в указанной области. В этом плане представляет интерес использование функциональной возможности многозарядных нанокластеров примесных атомов в создания фотоприемников в области ИК-излучения X = 1.5—8 мкм.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
При определенных условиях легирования (см. работы [5, 6]) можно формировать нанокластеры, состоящие из четырех ионизованных атомов марганца (Мп)+, (Мп)++, находящихся в ближайших
эквивалентных соседних междоузельных положениях вокруг отрицательно заряженного атома бора. Предложенная в работе [7] технология легирования, так называемая "низкотемпературная и многоэтапная диффузия", не только позволила формировать такие кластеры, но и максимально использовать введенные атомы в составе кластера. Поэтому можно предполагать, что такие кластеры в зависимости от зарядового состояния атомов марганца, участвующих в кластере, могут находиться в различных зарядовых состояниях, и образуют следовательно целый спектр энергетических уровней, существенно отличающихся сечением захвата для электронов и дырок. Цель данной работы — исследование особенностей фотоэлектрических свойств кремния с многозарядными кластерами и возможностей использования таких материалов в создании фотоприемников ИК-излучения.
МЕТОДИКА
Фотоэлектрические свойства таких образцов были исследованы на установке ИКС-21, снабженной специальным криостатом, позволяющим проводить измерения в широкой области температур (Т = 77—320 К), интенсивности ИК-излуче-ния и электрического поля. Из полированных кремниевых пластин были установлены два фильтра с толщиной 500 мкм после глобара и в окошке криостата, чтобы исключить попадание фонового света.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве исходного материала использовался монокристаллический кремний ^-типа с удельным
1 х 10-3
1 х 10-4
1 х 10-5
1 х 10-6
^ 1 х 10-7
Л
1 х 10-8 1 х 10-9
1 х 10-10
10
-11
10
-12
БАХАДЫРХАНОВ и др 10-6
0.2 0.4 0.6
Ну, эВ
0.8
Рис. 1. Спектральная зависимость ФП-кремния с на-нокластерами атомов марганца с р ~ 7 х 103 Ом см4; Т = 77 К.
10
н
В
10
10
3 4 5 6 7 8
X, мкм
Рис. 2. Зависимость пороговой чувствительности от длины волны.
сопротивлением р ~ 2 Ом см и содержанием в нем кислорода N ~ 7 х 107 см-3. Диффузия марганца осуществлялась из газовой фазы по низкотемпературному и поэтапному методу [5]. Учитывая параметры исходного материала, температура и время выбирались таким образом, чтобы образцы после диффузии имели проводимость р-типа с р ~ ~ (6-7) х 103 Ом см, что обеспечивало нахождение практически всех атомов марганца в состоянии (Мп)++. В этом случае нанокластеры обладают максимальной кратностью заряда [ (Мп)+пВ— ]+(п 1).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены спектральные зависимости фотопроводимости (ФП) полученных образцов. Как видно, в них фотоответ начинается при длине волны X = 8 мкм (Ну = 0.16 эВ) и с уменьшением длины волны, т.е. с ростом энергии падающих фотонов фототок непрерывно и скачкообразно увеличивается и достигает своего максимального значения при Ну = 0.8 эВ (X = 1.5 мкм). Эти результаты свидетельствует, что в образцах кремния с нанокластерами атомов марганца имеется эффект аномально высокой примесной фотопроводимости в области X = 1.5-8 мкм, что не-
возможно получить в образцах кремния, легированного другими глубокими примесями.
Представляет интерес определение пороговой чувствительности образцов в исследуемой области спектра. Для этого, после точного измерения мощности излучения с помощью измерителя средней мощности и энергии лазерного излучения типа "ИМО-2Н" соответствующих длин волн, был использован калиброванный фильтр, позволяющий изменять мощность излучения от 10-9 до 10-6 Вт/см2. Зависимость пороговой чувствительности от длины волны представлена на рис. 2. Как видно, пороговая чувствительность исследуемых образцов при Ну = 0.8 эВ достаточно низкая и составляет I = 1.3 х 10-9 Вт/см2, но с ростом длин волн пороговая чувствительность увеличивается.
Результаты исследования спектральной зависимости ФП от температуры (рис. 3) показали, что с ростом температуры начало фотоответа смещается в сторону коротких волн, но фоточувствительность при этом в интервале температур Т = 77-200 К практически не меняется. Пороговая чувствительность также медленно смещается в сторону высокой интенсивности света (рис. 3, кривые 1-5). Исследования зависимости относительного изменения фототока от электрического
ФОТОПРИЕМНИКИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ X = 1.5-8 мкм
435
I, A
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
hv, эВ
Рис. 3. Спектральная зависимость ФП-образца Si(B,Mn) с р = 8 х 103 Ом см ^-типа от температуры: 5°С (1); —21°С (2); -50°С (3); -97°С (4); -100°С (5).
поля в образце при различных энергиях фотонов (рис. 4) показали, что с ростом электрического поля фоточувствительность образцов существенно растет, особенно это заметно в области Е = 0—20 В/см. Аналогичные результаты имеют место при использовании ИК-излучения с другими длинами волн.
Таким образом, полупроводниковые материалы на основе кремния с многозарядными нано-кластерами атомов марганца являются очень хорошими объектами для изготовления фотоприемников, работающих в области X = 1.55—8 мкм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Polyakov S.V., Schettini V. et al. Improved multiplexed infrared single photon detectors // Proc. of SPIE. 2008. V. 7082. P. 70820S.
2. Семенов A.H., Терентьев Я.В., Мелъцер Б.Я., Соловьев В.А., Попова Т.В., Нащекин А.В., Андреев И.А.,
Куницына Е.В., Усикова А.А., Яковлев Ю.П., Иванов С.В. Молекулярно-пучковая эпитаксия термодинамических метастабильных твердых раство-
5 10 15 20 25 30
U, B
Рис. 4. Зависимость относительного изменения фототока от электрического поля при различных энергиях фотонов.
ров Ga1nAsSb для фото детекторов среднего ИК-диапазона // ФТП. 2010. Т. 44. № 5. С. 699-705.
3. Айзенштат Г.И., Лелеков М.А., Толбанов О.П. Динамика формирования фотоответа в детекторной структуре из арсенида галлия // ФТП. 2008. Т. 42. № 4. С. 451-456.
4. Мартинес-Дуарт Дж.М., Мартин-Палма Р.Дж., Агулло-Руеда Ф. Нанотехнология для микро- и оптоэлектроники // М.: Техносфера, 2007. С. 344.
5. Бахадырханов М.К., Мавлонов Г.Х., Исамов С.Б., Илиев Х.М., Аюпов К.С., Сапарниязова З.М., Тачи-лин С.А. Электрофизические свойства кремния, легированного марганцем методом низкотемпературной диффузии // Неорг. материалы. 2011. Т. 47. № 5. С. 479-483.
6. Бахадырханов М.К., Аюпов К.С., Мавлянов Г.Х., Илиев Х.М., Исамов С.Б. Фотопроводимость кремния с нанокластерами атомов марганца // Микроэлектроника. 2010. Т. 39. № 6. С. 426-429.
7. Абдурахманов Б.А., Аюпов К.С., Бахадырханов М.К., Илиев Х.М., Зикриллаев Н.Ф., Сапарниязова З.М. Низкотемпературная диффузия примесей в кремнии // Доклады АН РУз. 2010. № 4. С. 32-36.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.