РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 58, № 3, с. 309-312
^ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.382.23,621.396
М ПМ - ФОТО ДЕТЕКТОР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ © 2013 г. С. В. Аверин, П. И. Кузнецов, В. А. Житов, Л. Ю. Захаров, Н. В. Алкеев
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российская Федерация, 141190 Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1 E-mail: sva278@ire216.msk.su
Изготовлены и исследованы фотодетекторы ультрафиолетового излучения на основе встречно-штыревых Шоттки барьерных контактов к гетероструктуре ZnCdS/GaP, которые характеризуются низкими величинами темновых токов. Установлено, что характеристики спектрального отклика детекторов зависят от напряжения смещения и что длинноволновая граница отклика ZnCdS/GaP МПМ-диода может сдвигаться с 355 до 440 нм при изменении напряжения смещения c 40 до 80 В. Найдено, что на длине волны максимальной фоточувствительности (355 нм) ампер-ваттная чувствительность детектора составила 0.1 А/Вт.
DOI: 10.7868/S0033849413030029
ВВЕДЕНИЕ
Последние годы характеризуются интенсивным развитием ультрафиолетовой фотоники [1]. Фотодетектор является ключевым элементом оптических измерительных, исследовательских и информационных систем, поэтому поискам путей улучшения его характеристик придается большое значение. Были созданы и исследованы различные типы фотодетекторов УФ-части спектра, включая диоды на основе PN-перехода [2], PIN-фотодиоды [3, 4], детекторы с барьером Шоттки [5], детекторы на основе барьера Шоттки в системе встречно-штыревых контактов металл—полупроводник—металл (МПМ-диоды) [6, 7]. Одним из основных параметров фотодетектора, наряду с квантовой эффективностью, токовой чувствительностью, отношением сигнал—шум и темновым током, является его спектральная фоточувствительность. Для большинства детекторов оптического излучения спектральная фоточувствительность определяется зонной структурой используемого полупроводникового материала и не может изменяться. В то же время для ряда практических применений желательно иметь фотодетектор, спектральная чувствительность которого может быть подстроена к определенной длине волны оптического сигнала. При этом специальной задачей является разработка фотодиодов для области длин волн 300...450 нм, так называемых не чувствительных к видимому свету детекторов (visible blind sensors) [8]. Необходим также фотодетектор, позволяющий осуществить контроль УФ-излуче-
ния, вредного для человека [9]. В данной работе мы описываем фотодетектор, пик спектрального фотоотклика которого может сдвигаться в достаточно большом диапазоне длин волн УФ-части спектра самым удобным способом — путем изменения напряжения смещения на фотодиоде.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Фотодетектор ультрафиолетового излучения с электрически перестраиваемой спектральной чувствительностью был изготовлен на основе встречно-штыревых контактов с барьером Шоттки к гетероструктуре ZnCdS/GaP. МПМ-диоды являются перспективными фотодетекторами оптического излучения вследствие их структурной простоты и возможности использования полупроводникового материала только одного типа проводимости [10].
Структуры были выращены методом MOCVD на проводящих и полуизолирующих подложках GaP, легированных соответственно серой и хромом, с 10-градусным отклонением базовой плоскости (100) по направлению к плоскости (111)A. Гетероструктуры выращивали при атмосферном давлении водорода в щелевидном кварцевом реакторе, обогреваемом снизу печью сопротивления, с оптическим окном для in situ рефлектомет-рического контроля толщины выращиваемой пленки и качества ее поверхности. Использовались следующие элементоорганические соединения: диэтилцинк, диметилкадмий и трет-бутил-сульфид. Эпитаксии предшествовал отжиг подложки в течение 1 мин при температуре 600° С в
310
АВЕРИН и др.
атмосфере водорода с целью деоксидации ее поверхности. Качество выращенных гетероэпитак-сиальных слоев контролировали методами фотоотражения, фотолюминесценции, рентгеновской дифракции, оптической и атомно-силовой микроскопии. Исследования оптического и структурного совершенства серии выращенных образцов (более 50) показали, что лучшие слои изопериодного состава с содержанием 10 мол. % кадмия и краевым излучением на длине волны 358 нм получены при 415°С и расходе водорода 1.5 л/мин. Такие образцы впоследствии были использованы для изготовления тестовых фотодетекторов. При этом установлено, что 10-градус-
ный наклон плоскости (001) подложки в направлении (111 )A и соотношение VI : II в паровой фазе, близкое к 1 : 1, обеспечивают 2D-механизм роста и, как следствие, достаточно гладкую поверхность эпитаксиальных слоев ZnCdS, вплоть до их толщины 5 мкм. На рис. 1 представлена фотография поверхности полупроводниковой гетерострук-туры ZnCdS/GaP с толщиной слоя ZnCdS ~1 мкм. Среднеквадратичная величина неровности на площадке 2 х 2 мкм2 составляет 41 нм. Следует отметить высокое совершенство кубической кристаллической структуры выращенных образцов. Для составов слоев ZnCdS, близких к изопериод-ному, ширина рентгеновской кривой качания в окрестности отражения (400) не превышала 100 угловых секунд.
На выращенных гетероэпитаксиальных структурах были изготовлены МПМ-фотодиоды (рис. 2). Пленки Au/Ni осаждались на поверхность ZnCdS для формирования встречно-штыревых контактов с шириной 2.8 мкм и зазором между ними также 2.8 мкм. Активная площадь диодов составляла 90 х 90 мкм2. Расчеты показывают, что при такой геометрии системы контактов МПМ-диода обеспечивается время отклика детектора ~30 пс [11].
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) изготовленных фотодиодных МПМ-структур были исследованы на измерителе параметров полупроводниковых приборов Agilent B 1500A. Они показывают возможность работы фотодиодов при больших напряжениях смещения с малыми токами утечки (рис. 3). Известно, что увеличение напряжения смещения увеличивает динамический
ZnCdS активный слой
ZnS буферный слой
GaP подложка
Рис. 2. Встречно-штыревые Шоттки барьерные контакты и структура слоев МПМ-диода. Толщина слоя ZnCdS ~1 мкм, слоя — 2 нм.
МПМ-ФОТОДЕТЕКТОР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
311
-9
10
< ю-10
10
11
10
-12
20 40 60 80 Напряжение смещения, В
100
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики ZnCdS/GaP МПМ-фотодиодных структур: 1 — темновой ток, 2 — при освещении оптическим излучением на длине волны (X) 350 нм с мощностью 10-8 Вт.
g В
о
а, р
о
У s
е
ч м
и
0.1
н
О
0.01
1E-3
6
1
3
5
2
4
200
300
400 X, нм
500
600
Рис. 4. Характеристики спектрального фотоотклика МПМ-фотодиода, изготовленного на эпитаксиаль-ном слое ZnCdS, выращенном на полуизолирующей GaP подложке при напряжениях смещения, равных 20 (1), 40 (2), 60 (3), 70 (4), 80 (5) и 100 В (б).
1
2
0
диапазон фотодетектора, поскольку позволяет исключить эффекты экранирования внутреннего поля диода при больших уровнях сигнала оптического возбуждения детектора [12]. Наблюдаемое в эксперименте ясно выраженное симметричное поведение зависимости тока от приложенного смещения демонстрирует присутствие встречно-включенных Шоттки барьеров Au/Ni на ZnCdS невплавного типа. Темновой ток МПМ-диода слабо зависит от напряжения смещения и составляет 2 пА при напряжении смещения 40 В, что более чем на два порядка величины меньше, чем у МПМ-солнечно-слепых фотодиодных структур, изготовленных на гетеробарьерных слоях AlGaN/AlN [7]. Анализ ВАХ исследуемых диодов показал, что темновой ток описывается в рамках диодной теории выпрямления. Темновой ток в значительной степени определяет чувствительность фотодетектора и зависит от параметров барьера Шоттки. Его низкое значение подтверждает высокое качество выращенных эпитаксиаль-ных слоев. Как известно, отношение сигнального фототока к темновому току фотодиода должно быть, по возможности, как можно больше для того, чтобы предотвратить детектирование ложного полезного сигнала в случаях, когда темновой ток флуктуирует, например, вследствие изменений температуры [13].
Для измерения спектральных зависимостей фоточувствительности детекторов использовалась Xe-лампа, излучение которой проходило через монохроматор и фокусировалось на исследуемую диодную структуру. Фоточувствительность детектора определялась при его освещении моно-
хроматическим светом путем измерения фотопроводимости диода. Точность измерений повышалась за счет использования модуляции светового потока и синхронного детектирования сигнала. Мощность оптического излучения измерялась калиброванным кремниевым фотодиодом.
На рис. 4 представлены характеристики спектрального фотоотклика МПМ-фотодиода изготовленного на эпитаксиальном слое ZnCdS, выращенным на полуизолирующей подложке ОаР. Детектор демонстрирует сильную зависимость фотоотклика от напряжения смещения. При напряжениях смещения до ~60 В электрическое поле сосредоточено в верхнем ZnCdS-слое и резкий спад сигнала фотоотклика диода относительно своего максимума на длине волны 360 нм хорошо согласуется с шириной запрещенной зоны ZnCdS, Е& = 3.44 эВ. При этом увеличение напряжения смещения с 20 до 60 В дает некоторое приращение сигнала фотоотклика детектора без изменения формы его спектральной чувствительности, а при напряжениях смещения 80... 100 В приводит к существенному увеличению широко-полосности детектора и сдвигу его максимальной чувствительности на длину волны 440 нм с последующим резким спадом. Такое поведение детектора объясняется проникновением области обеднения МПМ-диода в ZnS буферный слой и затем в ОаР подложку при смещениях более 80 В. Подложка ОаР имеет пороговую энергию прямых оптических переходов с высоким коэффициентом поглощения света Е0 = 2.8 эВ (X = 443 нм) [1]. Спад уровня сигнала детектора в области больших энергий оптического импульса объясняется
312
АВЕРИН и др.
ростом поверхностной рекомбинации фотогене-рированных носителей заряда. В видимой области спектра уровень сигнала с детектора резко спадает. При напряжении смещения 40 В отношение сигнала фотоотклика на длине волны 355 нм к сиг
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.