УДК 621.383.4/5.029.674:621.315.592.2

ФОТОПРИЕМНИКИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА
НА ОСНОВЕ ШИРОКОЗОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ А3В5

И. Д. Анисимова, В. И. Стафеев

Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Орион",
Москва, Россия

          Разработаны фотоприемники на основе широкозонных полупроводниковых материалов GaP, GaAs и их тройного соединения GaPхAs1-х. Для создания фотоприемников использован барьер Шоттки с полупрозрачным металлическим слоем. В качестве исходного материала использованы эпитаксиальные структуры n-n+-n типа с нелегированным n-слоем. Приведены основные параметры фотоприемников.

          Фотоприемники с чувствительностью в ультрафиолетовом диапазоне спектра представляют интерес в таких областях применения, как экология, медицина, промышленное и научное приборостроение (спектрометрия, хромотография, астрофизические исследования), астронавигация, аппаратура оборонного назначения.
          Фотоприемники на основе широкозонных полупроводниковых материалов типа CaP, GaPхAs1-х и GaAs дают уникальную возможность создания фотоприемных устройств и приборов со спектральной чувствительностью в ультрафиолетовой и видимой областях спектра (200-900 нм). Большая по сравнению с кремнием ширина запрещенной зоны приводит к более высоким рабочим температурам, высокой стабильности, радиационной стойкости. Использование GaP и GaPхAs1-х позволяет создавать селективные фотодиоды ультрафиолетового диапазона, практически не фоточувствительные в видимой области спектра.
          Одним из перспективных типов УФ-фотоприемников является фотодиод с барьером Шоттки, в котором разделение электронно-дырочных пар происходит на барьере контакта металл-полупроводник непостредственно на поверхности, т. е. в области поглощения квантов высоких энергий. Поэтому фоточувствительность сдвигается в коротковолновую сторону.
          Для создания УФ-фотодиодов нами использовался полупрозрачный слой золота толщиной ~ 100 A° , наносимый на свежетравленую поверхность полупроводника методом термического напыления. В качестве исходных материалов использовались эпитаксиальные структуры на основе GaP и GaPхAs1-х и GaAs n-n+-типа толщиной ~350 мкм, в которых активной областью является нелегированный n-слой толщиной ~10 мкм. В структурах со слоем GaPхAs1-х подложкой являлся n+-GaAs. Содержание фосфора в n-слое составляло 25 и
40 %. Концентрация носителей заряда в подложке всех трех типов структур равнялась (3-7) · 1017 см-3. Концентрация носителей заряда в n-слое составляла: для GaP - < 2 · 1016 см-3, для GaPхAs1-х - < 5 · 1015 см-3, для GaAs - < 5 · 1014 см-3. Выделение фоточувствительных площадок проводилось с помощью фотолитографии с дальнейшим вытравливанием меза-структуры.
          Разработанная технология позволила создавать одноэлементные фотодиоды с размерами чувствительных площадок 150х150 мкм2, диаметром - 0,3; 1,0; 1,5; 2; 3; 5; 8 мм, многоэлементные в виде линейки с размером элементов 150х150 мкм2, зазором 30 мкм, а также с размером элементов 400х400 мкм2 и зазором 100 мкм.
          Дифференциальные сопротивления фотодиодов с диаметром чувствительной площадки 1 мм при
(U = ±10 мВ) cоставляют: для GaP и GaPхAs1-х > 1011 Ом, для GaAs ~108 - 109 Ом. Величина емкости:
для GaP ~300 пФ, для GaPхAs1-х ~ ~150, для GaAs ~ 40 пФ.
          Оптимальный режим работы фотодиодов при Vсмещ = 0.

Фотодиоды на основе GaP

          Фотодиоды с барьером Шоттки на основе GaP обладают фоточувствительностью в диапазоне 200-510 нм (рис. 1). Максимум фоточувствительности (lmax) находится при 430-440 нм. Токовая чувствительность при lmax достигает 0,15 А/Вт, при l = 300 нм токовая чувствителльность равна 0,06 А/Вт.
          Типичное расчетное значение порога чувствительности при lmax для фотодиодов с фоточувствительной площадкой диаметром 1-1,5 мм не хуже 2·10-15 Вт·Гц-1/2. В реальном измерительном фотоприемном устройстве порог чувствительности (при частоте < 100 Гц) был (1 - 2) 10-14 Вт · Гц-1/2.
          Фотодиоды на основе GaP обладают широким динамическим диапазоном: линейность сохраняется от 10-12 до 10-2 Вт/см2. Инерционность фотодиодов равна нескольким десяткам наносекунд.

Рис. 1. Спектральные характеристики фотодиодов на основе GaP, GaPхAs1-х и GaAs

         Параметры фотодиодов не изменяются после длительного воздействия повышенной засветки мощностью ~ 10-2 Вт/см2 в спектральном диапазоне 320-520 нм.
          Разработанные фотодиоды способны работать в широком температурном диапазоне: -200 - +200°С. На рис. 2 приведены типичные спектральные характеристики фотодиодов при температурах -190 - +320°С. В области 250-410 нм чувствительность практически остается постоянной вплоть до +300°С. Длинноволновая часть спектра изменяется в соответствии с температурной зависимостью ширины запрещенной зоны GaP (см. рис. 2).

Рис. 2. Спектральные характеристики фотодиода на основе GaP
при различных температурах Т°С:
1 - -190; 2 - 20; 3 - 200; 4 - 300; 5 - 320

Фотодиоды на основе GaPхAs1-х

          Фотодиоды на основе GaPхAs1-х обладают фоточувствительностью в области 250- 680 нм (при х = 0,40) и 250-750 нм (при х = 0,25) (см. рис. 1).
          Максимум фоточувствительности приходится на l = 550 и 650 нм, соответственно. Токовая чувствительность при lmaх достигает значения 0,23 А/Вт, при l = 300 нм - 0,03 А/Вт.
          Расчетный порог при lmaх был ~ 1 · 10-15 Вт · Гц-1/2. В составе фотоприемного устройства порог чувствительности равен > 1,0 ·10-14 Вт · Гц-1/2.
          Динамический диапазон фоточувствительности охватывает область 10-12 - 10-2Вт/см2. Исследования, проведенные при освещении фотодиодов от источника типа "А", показали линейную зависимость фототока от освещенности вплоть до 60 000 лк.
          Фоточувствительность фотодиодов с диаметром чувствительной площадки 1 мм остается постоянной до частоты ~ 10 кГц.
          Разработанные фотодиоды могут использоваться в диапазоне температур -60 - +120°С, при этом происходят небольшие изменения длинноволновой границы фоточувствительности.

Фотодиоды на основе GaAs

          Фотодиоды на основе GaAs обладают широкой областью фоточувствительности - от 250 до 900 нм (см. рис. 1). Максимум фоточувствительности находится вблизи 800 нм. Токовая чувствительность при lmax достигает 0,5 А/Вт, при l = 300 нм - 0,04 А/Вт.
          Типичное значение порога чувствительности при lmax для фоточувствительной площадки с диаметром
1 мм ~ 1,5 · 10-14 Вт · Гц-1/2. Динамический диапазон фотодиодов охватывает область 10-12 - 10-5 Вт/см2. Инерционность фотодиодов при диаметре площадки 300 мкм составляет 100 нс. Спектральная чувствительность не изменяется в диапазоне температур -40 - +80°С. Основные параметры рассмотренных фотоприемников представлены в таблице.

  Основные параметры фотоприемников с диаметром чувствительной
площадки 1 мм при 25°С
 
Параметры Фотоприемник
на основе
GaP
на основе
GaAs
на основе
GaPхAs1-х
Cпектральный диапазон, нм 200-510 250-900 250-680
(740)
Длина волны в максимуме чувстительности, нм 430-440 800 550(650)
Токовая чувствительность, А/Вт:
при lmax
при l = 300 нм
0,15
0,06
0,50
0,04
0,22
0,03
Монохроматический порог чувствительность при lmax, Вт·Гц-1/2 2 · 10-15 1,5 · 10-14 < 1 · 10-15
Динамический диапазон, Вт·см2 10-15 - 10-2 10-12 - 10-5 10-12 - 10-2
Емкость, пФ < 300 < 40 < 150
Динамическое сопротивление (при 10 мВ), Ом > 1010 108 - 109 > 1010

          На базе разработанных фотоприемников было создано несколько типов фотоприемных устройств.

 

UV PHOTODETECTORS BASED ON WIDE BANDGAP A3B5 COMPOUNDS

I. D. Anisimova, V. I. Stafeev
The State Unitary Enterprise "RD&P Centre "Orion", Moscow, Russia

          We reported on the fabrication and characterization of ultraviolet photodetectors with Schottky barrier based semiconductors GaP, GaPхAs1-х and GaAs. As row materials are used n-n+-type epitaxial structures. The general parameters of the photodetectors have been demonstrated.

Содержание журнала "Прикладная физика" № 2, 1999 г.