CC BY
25
3.2. ДВУХПЕРЕХОДНЫЕ AlxGa1-xP /GaP/ GayInl-y P ФОТОДИОДЫ СЕЛЕКТИВНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ В ФИОЛЕТОВОЙ И БЛИЖНЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ПОЛОСАХ СПЕКТРА
Абдукадыров Мухитдин Абдурашитович, д-р техн. наук, профессор, Ташкентский университет информационных технологий, e-mail: avaz.tuit@ gmail.com
Ахмедова Нодира Аминджановна, канд. физ.-мат. наук, доцент, Ташкентский университет информационных технологий, e-mail: [email protected]
Ганиев Аброр Саттарович, канд. физ.-мат. наук, доцент, Ташкентский университет информационных технологий, e-mail: [email protected]
Аннотация: приведены структуры и фотоэлектрические свойства двухпереходных гетерофотодиодных структур на основе AlxGal-xP (0< х < 0.6) и GayInl-yP (0.6 < у < 0.7), а также их основные параметры.
Показано, что исследованные гетерофотодиоды обладают разделенной спектральной чувствительностью в фиолетовой и ультрафиолетовой (УФ) полосах спектра, перспективных в системах абсорбционного спектрофотометрического анализа и контроля горения органических веществ дифференциальным методом.
Ключевые слова: полупроводник, гетероструктура, фоточувствительность, фотоэлектрические свойства, гетерофотодиоды.
TWO TRNASITIVE AlxGal-xP / GaP / GayInl-yP PHOTODIODES WITH A SELECTIVE SENSITIVITY IN A VIOELET AND THE MIDDLE OF THE ULTRAVIOLET BAND OF THE SPECTRUM
Abdukadirov Muhitdin Abdurashitovich, Dr. of sciences, Professor, Tashkent University of information Technologies, e-mail: avaz.tuit@ gmail.com
Axmedova Nodira Amindjanovna, PhD, Tashkent University of information Technologies, e-mail: [email protected]
Ganiyev Abror Sattarovich, PhD, Tashkent University of information Technologies, e-mail: [email protected]
Abstract: structures and photoelectric properties of two-transition hetero-photo-diode structures based on AlxGal-xP (0 0.6) and GayInl-yP (0 0.7), as well as their main parameters, are presented. It is shown that investigated heterophotodiodesstudied have a divided spectral response in the violet and ultraviolet (UV) bands of the spectrum, promising in the systems of absorption spectrophotometry analysis and control of burning of organic substances by a differential method.
Index terms: semiconductor, heterostructure, photosensitivity, photoelectric properties, heterophotodiodes.
В последние годы резко возрос интерес к многопереходным гетероструктурам на основе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны[1,2]. Для выделения требуемой длины волны и обеспечения контроля и стабилизации мод в лазерных системах весьма перспективны фотодиоды с двумя р-п переходами[3]. Такой интегральный полупроводниковый прибор используется одновременно как чувствительный и разделительный элемент, где с помощью отношения фотосигналов двух фотодиодов можно разделить длину волны и при выходе из лазера с разрешением, достаточным для обнаружения дрейфа положения максимума спектра излучения.
В данной работе изучены свойства гетерофотодиодов (ГФП), работающих в спектральной полосе 0.35 <Л< 0.6 мкм,
где широко- и узкозонные р-п переходы выполнены на основе твердых растворов Д!хСа1-хР и Сау!п1-уР (0< х < 0.6, 0.6 < у < 0.7) соответственно, а несущий кристалл (подложка) - из GaP, расположенного между двумя р-п переходами (рис.1,а). На рис. 1,б приведено изменение энергии межзонных переходов в подобной гетероструктуре. Общая толщина подложки не превышает 100 мкм. Суммарная толщина твердых растворов р- и п- типа проводимости в каждой структуре не превышает суммы длины диффузии неосновных носителей заряда и толщины областей объемного заряда р-п переходов. Омический контакт области nGaP электрически соединяет р-п переходы. Тыльная сторона узкозонной Сау!п1-уР р-п структуры покрыта отражающим металлическим контактом.
ДВУХПЕРЕХОДНЫЕ AlxGa1-xP /GaP/ GayIn1-y P ФОТОДИОДЫ СЕЛЕКТИВНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ В ФИОЛЕТОВОЙ И БЛИЖНЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ПОЛОСАХ СПЕКТРА
Абдукадыров М. А., Ахмедова Н. А., Ганиев А. С.
Рис. 1. Структура ГФД на основе А^ба^Р/баР/бауПуР гетеросгруктур (а): 1 - р,п А!>,ба1-хР, 2 - р,п бау!п1-уР, 3 - подложка из GaP, 4,5,6 - омические контакты; изменение энергии межзонного перехода носителей в структуре (б).
При освещении ГФД со стороны широкозонного А!хба1-хР, фотоны с hv, превышающей энергии прямых оптических переходов твердого раствора, преимущественно поглощаются в широкозоннойструктуре и генерирует
фототок в р-п переходе. Благодаря реализации прямых оптических переходов непрямозонном твердом растворе А!хба1-хР, длинноволновой край сильного поглощения и максимум фоточувствительности достигается при энергии фотонов hv> 2.8 эВ. Часть фотонов с энергией hv< 2.8 эВ проникает сквозь широкозонную структуру подложки без поглощения, попадают в узкозонную структуру и вызывают в нем фототок. Так как, бау!п1-уР р-п переход расположен под широкозонной структурой с подложкой GaP, длинноволновой край поглощения фотонов в узкозонном р-п переходе соответствует ширине запрещенной зоны прямозонно-го бау!п1-уР , а его коротковолновая граница фотоответа определяется спектром пропускания GaP. Поэтому, узкозонный р-п переход регистрирует излучение в спектральной полосе 1.9 <Ну< 2.8 эВ.
Рассматриваемая многослойная гетероструктура позволяет регистрировать оптическое излучение и разложить его на два спектральных интервала (рис. 2). В отличие от традиционных интегральных ФД, дифференциальное поглощение излучения в изучаемых ГФД структурах дополнительно возрастает благодаря введению достаточно прозрачной подложки между широко- и узкозонными р-п переходами. Несмотря на это, экспериментально обнаруживается образование зоны перекрытия спектров фоточувствительности широко- и узкозонных ГФД структур. Как показывают проведенные исследования, в полосе перекрытия спектров фоточувствительность может достигать 20% относительно своего максимального значения. Это может привести к оптическим перекрестным помехам между широко- и узкозонными р-п переходами при регистрации и детектировании медленно дрейфующих по длине волны световых потоков.
Рис. 2. Спектры фоточувствительности р-п переходов в ГФД структуре: 1 - А^лбаозР; 2 - бао.б!По.4Р Спектры фоточувствительности с достаточной селективностью могут быть получены в том случае, если все проникающие через освещенную поверхность полупроводника фотоны поглощались вблизи р-п перехода, все генерированные фотоносители участвовали в фототоке. Выявлено, что ослабление фоточувствительности А!хба1-хР р-п перехода в более длинноволновой области спектра возможно путем уменьшения суммарной толщины фотоактивного слоя до значений, меньших глубины поглощения фотонов. Тогда при поглощении длинноволновых фотонов часть фотоносителей, в основном, генерируется за областью их разделения и за счет малой длины диффузии неосновных носителей, относительно длинноволновые фотоны не могут достигать р-п перехода и не участвуют в фототоке. Действительно, с уменьшением суммарной толщины А!хба1-хР от 2 мкм до 1 мкм и менее, фоточувствительность в полосе 2.2< Ну <2.8эВ заметно уменьшается и не превышает 5% от максимального.
Длинноволновая фоточувствител ьность А!хба1-хР р-п перехода зависит от выбора соотношения уровня легирования р-и п- областей ГФД структуры. В частности, при увеличении концентрации носителей заряда в поверхностном слое до одного порядка фоточувствительность в длинноволновой полосе спектра возрастает на 15...20%.
С ростом уровня легирования GaP от 1017 до 1019см-3 фоточувствительность р-п перехода вблизи коротковолнового края спектра фотоответа снижается в 1.5 раза из-за поглощения фотонов на свободных носителях заряда.
С увеличением интенсивности падающего светового потока фототок линейно возрастает, что свидетельствует о неизменности механизма генерации носителей в исследованном диапазоне освещенности. С ростом приложенного обратного напряжения зависимость фототока от интенсивности освещения смещается в область больших токов, характерной для структур с малой длиной диффузионного смещения неосновных носителей заряда. Поэтому, увеличение сбора фотогенерированных носителей достигается за счет расширения области объемного заряда р-п перехода.
Результаты исследований показывают, что увеличение уровня освещенности от 10 до 5000 лк приводит к изменению фототока на 1.5 порядка при постоянном значении обратного напряжения иобр или на 2 порядка при росте иобр до значений, близких половине пробивного напряжения р-п перехода.
Как известно, основной путь получения малого порога чувствительности - это снижение темнового тока р-п перехода. Ограничение толщины фотоактивного слоя в широко-и узкозонном р-п структурах способствует снижению темнового тока за счет ослабления вклада ее рекомбинацион-ной компоненты, так как его величина обратно пропорциональна толщине базового слоя.
Для реализации собственного порога чувствительности ГФД необходимо выбрать, большое сопротивление нагруз-
п п 1/2
ки Кн, так как тепловые шумы нагрузки растут как Rн , а напряжение сигнала и собственные шумы ГФД на нагрузке растут сильнее, пропорционально Rн. Для реализации собственного порога чувствительности нагрузки выбирали из следующего условия[4]
_ = 0.052Рм Н (1т + 1фУ
где 1т и 1ф - темновой ток и фототок в р-п переходах, Fм -коэффициент шума при нагрузке Кн. Основные параметры исследованных ГФД структур приведены в таблице.
Основные параметры гетерофотодиодных структур с AlxGa1-xP и GayIn1-yP переходами
Параметр AlxGai-xP GayIn1-yP
p-n переход p-n переход
Концентрация носителей в базовом
слое, см-3 5-1016...3-1017 5-1016.3-1017
Толщина базового слоя, мкм 0.2...0.6 0.4.0.9
Удельная емкость р-п перехода, 103
пФ/см 1.3 2.4
Обратный ток р-п перехода, А/см2 (1.5...3)-10-10 (0.7.1.5)-10-9
Напряжение пробоя, В 20.25 15.20
Рабочая температура, К 200.600 200.550
Фоточувствительность, А/Вт 0.20.0.22 0.24.0.26
Длина волны максимума фоточув-
ствительности, мкм 0.40.0.42 0.55.0.57
Пороговая чувствительность,
Вт/Гц1/2 (0.5.1Н014 (0.7.1.1)-1013
Таким образом, проведенные исследования показали возможность получения достаточно эффективных двухпе-реходных гетерофотодиодов, перспективных для контроля коротковолновых световых потоков дифференциальным методом.
Список литературы:
1. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетеро-структур. ФТП. 1988. Т.32. №1.С. 3-18.
2. Хвостиков В.П., Власов А.С., Сорокина С.В., Потапович Н.С.. Тимошина Н.Х., Щварц М.З., Андреев В.М. Высокоэффективный каскад фотопреобразователей в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения. ФТП. 2011. Т.45. Вып.6. С.810-815
3. Немец В.М., Петров А.А., Соловьев А.А. Спектральный анализ неорганических веществ. М.Химия.1988. 240c.
4. Техника оптической связи. Фотоприемники. Пер.с англ. под.ред. У. Тсанга. М.Мир.1988. 526c.
