УДК 621.383.4/5.029.674:621.315.592.2
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 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.
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).
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 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.
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.