МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 2, с. 83-87
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ
УДК 538.975,538.935
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Pbx _ _,Sn.,Te:In С Х > 0.3 ДЛЯ ФОТОПРИЕМНИКОВ С РАСШИРЕННЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ ДИАПАЗОНОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
© 2013 г. А. Н. Акимов, Д. В. Ищенко, А. Э. Климов, И. Г. Неизвестный, Н. С. Пащин,
В. Н. Шерстякова, В. Н. Шумский
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников
им. А.В. Ржанова СО Российской АН E-mail: ischenkod@isp.nsc.ru.
Поступила в редакцию 25.09.2012 г.
Исследованы фотоэлектрические свойства пленок Pbi _ xSnxTe:In состава х > 0.3 в интервале температур 4.2...80 К. При гелиевых температурах обнаружена высокая чувствительность образцов к излучению от источника типа АЧТ, причем с уменьшением температуры источника излучения чувствительность возрастает, что может быть связано с оптическими переходами в дальней ИК и тера-герцовой области спектра. Значение обнаружительной способности D* = 8.2 х 10 см • Гц1/2/Вт, соответствующее мощности эквивалентной шуму МЭШ = 3.1 х 10-18 Вт/Гц1/2, получено при температуре приемника 4.2 К и при ТАЧТ = 15 К.
Б01: 10.7868/80544126913020026
ВВЕДЕНИЕ
Известно [1, 2], что при гелиевых температурах в твердых растворах РЬ1 _ х8пхТе:1п (СОТ:1п) с составом 0.22 < х < 0.3 уровень Ферми стабилизируется в запрещенной зоне и возникает высокоом-ное состояние — так называемый переход "металл—диэлектрик". Для составов х = 0.24—0.26 низкие значения проводимости без освещения и большая фоточувствительность позволили создать фотоприемники (ФП) матричного типа с границей чувствительности X = 20—25 мкм и мощностью эквивалентной шуму при рабочей температуре 7фП = 7 К лучше, чем 10-18 Вт/Гц-05 [3].
Несмотря на успехи в разработке технологий ФП на основе СОТ:1п и в создании модели высо-коомного состояния при легировании СОТ индием (например [1]) остается не полностью выясненным вопрос о природе возникновения такого состояния только в ограниченной области составов и не исследована, кроме работы [3], возможность достижения высокоомного состояния в СОТ:1п с большим содержанием олова. Этот вопрос интересен также в связи с прикладными применениями: с увеличением содержания олова ширина запрещенной зоны уменьшается вплоть до нулевой при х ~ 0.35 с последующей инверсией зон, что позволяет в принципе увеличить длинноволновую границу чувствительности ФП.
Для состава х = 0.24-0.26 в [4] показано, что, в зависимости от уровня полевой и оптической ин-
жекции, преобладающими механизмами рекомбинации являются излучательная или оже-ре-комбинация. Кроме того, имеет место захват неравновесных электронов на локализованные центры в запрещенной зоне. Преобладание этих механизмов, а не рекомбинация через уровни (по Шоккли-Риду-Холлу), дает основание полагать, что с уменьшением ширины запрещенной зоны время жизни фотовозбужденных носителей заряда может оставаться достаточно большим для создания эффективных ФП.
Целью настоящей работы являлось исследование температурных зависимостей тока в пленках СОТ:1п с повышенным содержанием олова без и при воздействии освещения, времени релаксации фототока, определение пороговых характеристик фоточувствительных структур и перспективности использования пленок с х > 0.3 для создания фотоприемников с увеличенной длинноволновой границей чувствительности по сравнению с пленками СОТ:1п состава х ~ 0.26.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Пленки выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксией на подложках BaF2 (111). Легирование проводилось в процессе роста из дополнительного источника, содержащего сплав состава 1п0.85Те015. Качество предэпитаксиальной подготовки поверхности подложек и поверхности пленок в процессе роста контролировались мето-
10-и -1-1-1-1-1
0 50 100 150 200 250
1000/Т, К-1
Рис. 1. Зависимость тока от обратной температуры: черные фигуры — измерения без освещения, полые фигуры — при освещении лампой накаливания. Квадраты — образец с содержанием РЬТе С8п = 30.3%, содержанием индия Схп = = 0.8%, кружки — С8п = 31.7%, Схп = 0.7%. Напряжение на образце исм = 0.14 В.
дом дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО). По данным ДБЭО полученные пленки имеют монокристаллическую структуру. Оптимизация режимов роста с целью достижения требуемого состава пленок, включая содержание индия, проводилась на основе измеряемых электрофизических параметров пленок и фоточувствительных структур на их основе.
Исследовались пленки СОТ:1п состава х = 0.3— 0.35. На поверхности пленок методом фотолитографии формировались пары металлических контактов толщиной 100—200 нм, разделенных зазорами длиной около 0.2 см. Расстояние между контактами в различных структурах составляло 8, 16, 32 и
300
250
А200 я
м 150
о
Н
100
50
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Время, с
Рис. 2. Кривая релаксации фототока при исм = 0.14 В. Тачт = 90 К.
64 мкм. Схематичное изображение образца дано на вставке рис. 1. Измерения проводились на держателе в транспортном гелиевом сосуде Дьюара. Для экранирования от фонового излучения образец помещался в металлический кожух. В качестве источников излучения использовались миниатюрная лампа накаливания с вакуумирован-ной колбой и модель абсолютно черного тела (АЧТ), расположенные также внутри кожуха. АЧТ был снабжен механической заслонкой. Нагреваемая полость АЧТ располагалась в вакуумирован-ном корпусе. Выходное окно корпуса было изготовлено из тонкой полипропиленовой пленки, прозрачной в широком спектральном диапазоне, включая субмиллиметровый.
Зависимости тока от обратной температуры для двух образцов с различным содержанием олова и индия и расстоянием между контактами 32 мкм представлены на рис. 1. Видно, что заметное отличие тока при освещении от тока без освещения наблюдается при температуре свыше 25—30 К.
Динамика изменения тока при "включении" и "выключении" освещения и пороговые характеристики исследовались с использованием излучения АЧТ на образцах с содержанием олова х = = 0.32. Расстояние между контактами в данном случае составляло 32 мкм. Температура полости АЧТ варьировалась примерно от 10 до 90 К. Измерения временных зависимостей тока проводились при температуре образца Т = 4.2 К. На рис. 2 показана одна из таких зависимостей при температуре ТАЧТ = 90 К и напряжении смещения на об-
0
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ РЦ _ ^пхТе:1п
85
разце исм = 0.14 В. При низких температурах АЧТ после открытия заслонки ток возрастает почти линейно в широком интервале времени. При увеличении ТАЧТ скорость возрастания тока на линейном участке увеличивается, его протяженность уменьшается, и в дальнейшем возрастание тока носит сублинейный характер. При температурах АЧТ свыше ТАЧТ ~ 60 К форма временных зависимостей нарастания тока приближается к экспо -ненциальной. Временные зависимости уменьшения тока после закрытия заслонки АЧТ имеют сложный характер. С хорошей точностью они могут быть аппроксимированы двумя экспонентами: "быстрой" на начальном участке и "медленной" на участке долговременной релаксации тока (время свыше примерно 1000 с).
Ампер-ваттная чувствительность рассчитывалась для стационарного значения тока при освещении источником АЧТ. Поток излучения от АЧТ рассчитывался по формуле, аналогичной в [5]. Рассчитанная зависимость ампер-ваттной чувствительности от температуры АЧТ при напряжении смещения на образце Лсм = 0.14 В показана на рис. 3.
Измерения шума проводились селективным усилителем напряжения на сопротивлении нагрузки Ян = 4.45 МОм на частоте 1025 Гц. Ширина шумовой полосы усилителя составляла А = 20.5 Гц. Среднеквадратичный шум образца рассчитывался как разность квадратов шумовых напряжений при напряжении смещения Лсм = 0.14 В и Лсм = 0. Среднее значение шумового тока составило 1.9 х х 10-13 А. Рассчитанные на основе измеренных значений ампер-ваттной чувствительности и шума значения обнаружительной способности Б* и МЭШ приведены в таблице.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ
Важнейшим экспериментальным результатом исследований является наблюдение фототока при освещении образцов источником типа АЧТ с температурой ~10 К. Расчеты показывают, что при ТАЧТ = 10 К для состава образцов х = 0.32 поток фотонов на образец в области собственного поглощения недостаточен для объяснения появления фотосигнала вследствие генерации электронно-дырочных пар. Таким образом, можно предположить, что наблюдение фототока связано с возбуждением электронов с уровней в запрещенной зоне, глубина залегания которых соответствует чувствительности пленок в дальней ИК или субмиллиметровой области спектра.
Оценка спектральной области чувствительности была сделана следующим образом. Полагалось, что фототок пропорционален концентрации неравновесных носителей заряда
Рис. 3. Зависимость ампер-ваттной чувствительности образца состава х = 0.32 от температуры АЧТ. Напряжение смещения на образце исм = 0.14 В.
Ап ~ g0т [1 - ехр (—/т)],
где g0 — темп оптической генерации, т — время жизни неравновесных носителей заряда. При t ^ т Ап ~ & g0t (линейная зависимость тока от времени). По крутизне временных зависимостей фототока в области его линейного нарастания находилась зависимость g(ТАqТ), где g — относительная величина темпа оптической генерации. При этом полагалось, что в области чувствительности пленок как отражение, так и поглощение излучения АЧТ пленками слабо зависит от длины волны излучения. В случае, если чувствительность соответствует одной фиксированной длине волны, форма зависимости g(ТАqТ) должна совпасть с формой зависимости величины потока квантов от температуры АЧТ на этой же длине волны.
На рис. 4 приведены зависимости потоков квантов на различных длинах волн от ТАЧТ и рассчитанные из релаксационных кривых значения g(ТАЧТ) для нескольких значений ТАЧТ. Видно, что экспериментальные данные наилучшим образом соответствует спектральному диапазону чувствительности пленки примерно 200—400 мкм. Возможной причиной отличия эксперимента от расчетных кривых является чувствительность пле-
Таблица 1
Температура АЧТ, К Обнаружительная способность Б*, см • Гц1/2/Вт Мощность эквивалентная шуму
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.