РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 4, с. 433-436
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 621.382.23,621.396
ДВУХЦВЕТНЫЙ ФОТОДЕТЕКТОР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НИЗКОРАЗМЕРНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
ZnCdS/ZnMgS/GaP
© 2015 г. С. В. Аверин1, П. И. Кузнецов1, В. А. Житов1, Л. Ю. Захаров1, В. М. Котов1,
Н. В. Алкеев1, Н. Б. Гладышева2
1Фрязинский 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 2Федеральное государственное унитарное предприятие "Пульсар", Российская Федерация,
105187Москва, Окружной проезд, 27 Поступила в редакцию 27.11.2013 г.
На основе гетероструктуры ZnCdS/ZnMgS/GaP создан и исследован двухцветный фотодетектор ультрафиолетового излучения. При низких напряжениях смещения детектор демонстрирует узкополосный отклик на длине волны 350 нм, определяемый составом квантовой ямы ZnCdS. При увеличении смещения до 80.. .100 В наблюдается сдвиг максимальной чувствительности детектора на длину волны 450 нм с последующим резким спадом. В этом случае характеристика спектральной чувствительности детектора захватывает область максимального эффекта пигментационного излучения Солнца.
Б01: 10.7868/80033849415030043
ВВЕДЕНИЕ
Детектирование ультрафиолетового (УФ) излучения является важной задачей как для традиционных научных, так и вновь появляющихся гражданских и военных приложений. Весьма актуален также экологический контроль УФ-излу-чения [1], поскольку известно, что вредное влияние оказывает и недостаток УФ-излучения, и его избыток. УФ-излучение условно разделяется на три поддиапазона: ЦУ-А (315...400 нм) вызывает пигментацию кожи и ее ускоренное старение, способствует появлению морщин и веснушек; ЦУ-В (280. 315 нм) наиболее опасная часть УФ-излучения, вызывает онкологические заболевания кожи; ЦУ-С (200.280 нм) вызывает поражение сетчатки глаза. Известно также, что при прохождении ультрафиолетового излучения через атмосферу, значительная его часть, вызывающая разрушение ДНК (X = 200.300 нм), поглощается озоновым слоем, однако излучение с X = 300.450 нм (пигментационное, эритемное, витаминообразу-ющее, бактерицидное, канцерогенное) почти свободно проходит сквозь атмосферу Земли [1].
Биологическая эффективность УФ-излучения сильно зависит от длины волны излучения. Чувствительность кожи человека к УФ-излучению характеризуется спектром эритемного воздействия (кривая БА8) [1—3], причем слабое воздействие УФ-А-излучения (315.400 нм) совсем не
означает, что детектор может быть нечувствительным в этой области спектра, поскольку в нормальных климатических условиях такое излучение является пребладающим [1, 3]. Нужна тонкая подстройка спектральной чувствительности детектора применительно к поставленой задаче. В этой связи важной задачей является разработка и исследование детекторов отдельных участков УФ-спектра, т.е. селективных фотодетекторов. Однако чувствительность широко используемых в настоящее время детекторов на основе кремния наблюдается в достаточно широкой полосе и не удовлетворяет требованиям селективности [4, 5]. Реализация селективного приема с такими детекторами требует использования внешних фильтров. Это приводит к усложнению приемной системы и снижению ее чувствительности [4, 5]. Другим недостатком 81-детекторов является деградация параметров диодов вследствие воздействия излучения с энергией, существенно превышающей ширину запрещенной зоны этого полупроводникового материала [5].
В данной работе исследован новый тип фотодиодных структур — узкополосных селективных фотодетекторов, максимум спектральной чувствительности которых может быть подстроен к определенной длине волны излучения в УФ-ча-сти спектра. Детектор выполнен на базе низкоразмерной гетероструктуры широкозонного полупроводникового материала и потенциально
434
АВЕРИН и др.
ZnCdS
— ZnMgS
Подложка GaP
Рис. 1. Гетероструктура (ZnCdS/ZnMgS)^ = 5/GaP и встречно-штыревые контакты МПМ-фотодиода на ее основе.
10
-10
I, A
10
-11
10
-12
10
-13
20
40
60
80
100 V, B
0
Рис. 2. Спектр сигнала фотолюминесценции /фЛ(^) исследуемого образца; 1 — квантовая яма, 2 — барьерный слой.
устойчив к воздействию излучения высоких энергий и напряжений смещения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве базовой структуры для исследований были выбраны поверхностно-барьерные пла-нарные диоды на основе выпрямляющего контакта в системе металл—полупроводник—металл (МПМ-диод) [5, 6]. Особенностью этого детектора является структурная и технологическая простота — в нем используется только один тип проводимости полупроводника.
МПМ-детектор изготовлен на основе периодической гетероструктуры с пятью квантовыми
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика
(ZnCdS/ZnMgS)^ = 5/GaP МПМ-фотодиода.
ямами Zn0 89Cd011S (толщина 13.5 нм), разделенными барьерными слоями Zn08Mg02S (толщина 130 нм) (рис. 1). Гетероструктура выращена на полуизолирующей подложке (100) GaP методом химического газофазного осаждения из металлоор-ганических соединений. Состав слоев определен по спектрам рентгеновской дифракции и фотолюминесценции, а толщины слоев по спектрам in situ рефлектометрии и отражения. На рис. 2 приведен спектр сигнала фотолюминесценции исходной гетеростуктуры. При 300 К интенсивность излучения квантовых ям (350 нм) многократно превышает интенсивность излучения барьерных слоев (320 нм), что свидетельствует об эффективном стоке неравновеных носителей в квантовые ямы и подтверждает высокое кристаллическое совершенство гетероструктуры.
На выращенной гетероструктуре методами фотолитографии формировались встречно-штыревые МПМ-диоды с шириной барьерных контактов (Ni-Au) и расстоянием между ними 3 мкм при общей площади детектора 100 х 100 мкм2. Исследования вольт-амперных характеристик изготовленных диодных структур показали, что детекторы обладают малыми токами утечки даже при больших напряжениях смещения (рис. 3). Темновой ток составляет 2 х 10-12 А при напряжении смещения 40 В, что более чем на два порядка величины меньше, чем у AlGaN МПМ-диодов с той же геометрией контактов [7, 8]. Темновой ток в значительной степени определяет чувствительность фотодетектора и должен быть по возможности уменьшен [9].
Для измерения спектральных зависимостей фоточувствительности детекторов использовалась ксеноновая лампа, излучение которой про-
ДВУХЦВЕТНЫЙ ФОТОДЕТЕКТОР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
435
I, отн. ед.
X, нм
Рис. 4. Характеристика спектрального отклика /(X) МПМ-диода при напряжении смещения 20 В; 1 — квантовая яма, 2 — барьерный слой.
I, отн. ед.
X, нм
Рис. 5. Спектральный отклик /(X) МПМ-диода при увеличении напряжения смещения: 20 (1), 50 (2), 70 (3), 80 (4), 90 В (5).
ходило через монохроматор и фокусировалось на исследуемую диодную структуру. Фоточувствительность детектора определялась при его освещении монохроматическим 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.
Детектор демонстрирует сильную зависимость фотоотклика от напряжения смещения (рис. 4). Спектр сигнала фотоотклика детектора показывает, что при низких напряжениях смещения фо-тогенерированные носители сосредоточены в основном в квантовых ямах и частично в барьерных ZnMgS-слоях. В таких условиях детектор обеспечивает узкополосный отклик на воздействие ультрафиолетового излучения с максимумом спектральной чувствительности на длине волны 350 нм. При этом наблюдается быстрый спад сигнала фотоотклика детектора относительно своего максимума, положение которого совпадает с максимумом излучения квантовых ям на спектре сигнала фотолюминесценции (см. рис. 2). Детектор узкополосный, на длине волны 350 нм полная ширина сигнала фотоотклика на половине его амплитуды (full width at half maximum, FWHM) составляет 18 нм. Это меньше, чем у селективно-чувствительного МПМ-детектора на основе AlGaN-гетероструктуры (FWHM 50 нм) [10]. Увеличение смещения с 20 до 50 В дает трехкратное приращение сигнала фотоотклика детектора без изменения формы его спектральной характеристики. При 80... 100 В происходит существенное увели-
чение широкополосности детектора и сдвиг его максимальной чувствительности на длину волны 450 нм с последующим резким спадом (рис. 5). В этом случае детектор захватыват всю фиолетовую часть видимого света и его спектральная чувствительность близка области максимального эффекта пигментационного излучения Солнца (360.. .440 нм) [1]. Такое поведение детектора объясняется проникновением области обеднения МПМ-диода в ОаР подложку при больших смещениях. Таким образом, длинноволновая граница отклика исследуемого МПМ-диода может сдвигаться с 350 до 450 нм при увеличении напряжения смещения, при этом отклик диода на длине волны 350 нм сохраняется, т.е. обеспечивается двухцветное детектирование светового излучения. Следует также отметить, что при низких напряжениях смещения положение максимума спектральной чувствительности детектора в основном определяется составом квантовой ямы и, следовательно, может быть подстроено к желаемой длине волны излучения в диапазоне 340.. .400 нм с сохранением узкополосного отклика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Методом газовой эпитаксии из металлоорга-нических соединений выращены высококачественные гетероструктуры 2пСё8/ZnMgS/GaP, пригодные для создания на их основе МПМ-де-текторов ультрафиолетового излучения.
2. Диоды МПМ демонстрируют низкие значения темновых токов и сильную зависимость спектрального отклика от напряжения смещения.
436
АВЕРИН и др.
3. При напряжении смещения до 20 В детектор является узкополосным детектором ультрафиолетового излучения с максимумом спектральной чувствительности на длине волны 350 нм. Положение максимума спектральной чувствительности детектора определяется составом квантовой ямы ZnCdS и может быть подстроено к желаемой длине волны излучения в диапазоне 340.. .400 нм.
4. Увеличение напряжения смещения с 20 до 80... 100 В прив
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.