Фотоприемники дальней ИК и субмиллиметрового диапазонов излучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

Е.И. Воеводин

ФОТОПРИЕМНИКИ ДАЛЬНЕЙ ИК И СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Для создания фотоприемников дальней ИК и субмиллиметрового диапазонов излучения широко используется чистый германий, легированный определенными примесями. Теория расчета основных характеристик таких фотоприемников хорошо изучена (напр., I) и получила достаточно широкое практическое применение при расчете примесных фотоприемников для астрономических измерений, лазерной спектроскопии и - исследования плазмы.

Перспективным материалом для создания перестраиваемых фотоприемников дальней ИК и субмиллиметровой области спектра является р-Ge, легированный мелкими примесями и подверженный одноосным деформациям. Одноосные деформации вдоль кристаллографических направлений [100] и [111] слабо изменяют энергетическую структуру зоны проводимости, но очень сильно перестраивают энергетическую структуру валентной зоны [2]. В связи с этим Ge, легированный акцепторами, резко изменяет физические свойства при одноосных деформациях. Снимается вырождение в вершине валентной зоны и при сильных сжатиях энергетические поверхности становятся эллипсоидальными [2], уменьшается энергия ионизации мелкой примеси [3] и изменяется кинетика свободных носителей [4].

Зависимости энергии ионизации мелких примесей В и А1 от величины приложенного давления вдоль кристаллографических направлений [100] и [111] показаны на рис. 1 [3], где е = s12 • F , F -безразмерная величина кристаллографического направления [100], е= , + 2s12 + .vl4 j /■' - [111];

=979 *10 Па = -2,66*ш 11а = 14,3*ш 1Ш -кубические

постоянные, Б-давление. Эти зависимости позволяют определить частотную перестройку таких фотоприемников. Предельное давление для Ge, предназначенного для многократного использования не должно превышать 650-700 МПа.

10"12 Па

10"12 Па

Рис.1

Изучение изменения кинетики свободных носителей при одноосных деформациях проводились в работах [4,5].По данным работы [5], на рис.2 приведены зависимости времени жизни свободных носите" Тс

леи с от их концентрации р при Т=4,2 К для чистых образцов р^е с различной концентрацией компенсирующей примеси ^ (табл.1). Изменение концентрации осуществлялось изменением интенсивности фона J.

При концентрации свободных 1П8 г

носителей р < 5* 1 и СЛ1 время

жизни перестает зависеть от концентрации, а следовательно, и от фона J, порождающего эти носители. В этих условиях свободные носители при рекомбинации теряют свою энергию при взаимодействии с акустическими фононами, и процесс рекомбинации носителей на примесных центры описывается теорией каскадного захвата [6].

1

1

Расчет основных характеристик фотоприемников, работающих в условиях малого фона J, подробно описан в [7], где показано, что предельно обнаружительная мощность такого фотопри-

емника может достигать значения №Р

10"

Вт / Гц

1/2

при интенсивности фона J=

3,5*10 с 1иТ=2,5К.

С увеличением интенсивности фона I концентрация свободных носителей в образце воз-

растает и при р > 10 см Т, ~ р -./ 2 (рис.2).

Объяснение такой зависимости ф ^ дано в работе [4], где показано, что при таких концентрациях в условиях сильной деформации р-Ge вдоль кристаллографических направлений [100] и [111] рекомбинация свободных носителей на примесных центрах характеризуется Оже-захватом. Это уникальное свойство в деформированных образцах проявляется в связи с тем, что очень сильФ 60 раз , но уменьшается г -сечение захвата на примесные центры с участием акустических фоно-

нов [6].

Таблица 1

№ образца Основная примесь {л/ 3 Ыа. {л/ 3 Степень компенсации, %

1 В 2,5*10" 2,8* 1012 8,6

2 В, А1 7,2*1012 1,1*1013 65

3 В 9,2*10" 1,1*1013 18,4

4 - 2,25*1013 5,9* 1014 3,4

5 В, А1 4,5*1013 5,5*1014 80

6 - 7,0*10" 8,8* 1011 55

7 - 1,8*1014 2*1013 11,1

17

Рис. 2

Из данных рис.2 и таблицы 1 построим зависимость времени жизни свободных носителей

с от концентрации компенсирующей примеси ^ при одинаковой концентрации свободных но-

/1^1 п^ —3

сителей во всех образцах р = СЛ1 (рис. 3). Анализ этой зависимости показывает, что при

доминирующей роли в захвате электронных столкновений, когда

Щ< 2*1012 см'3

а когда ^^ > ^ ' ® см характер зависимости изменяется и практически очень слабо за-

Щ

Тс

висит от ° . Ослабление зависимости 6 ^ - обусловлено влиянием крупномасштабных флюктуаций потенциала мелкой примеси как при захвате свободных носителей с участием акустических фононов [10]. Другими словами, при ^^ ~ 1*10 см захват свободных носителей происходит на изолированные примесные центры и при одной и той же концентрации р,

1. При

А'ХГ > 1012 см

захват свободных носителей происходит во флюктационные

ямы. Теоретического расчета с (Ng) при Оже-захвате в этих условиях не было, но можно воспользоваться экспериментальными данными.

При расчете основных характеристик фотопримников необходимо иметь данные о времени релаксации свободных носителей т . При низких температурах в условиях примесной рекомби-

нации время жизни т и время релаксации т свободных носителей связаны соотношением [8].

г =

= т.

1 +

М

N.

(1)

см /

М 5 лг 6

1/2

Г 2 \3/2

ш

АсркТ

(2)

Где М - полное число свободных состояний, N - эффективная плотность свободных состояний, приведенная к уровню центров ос -прилипания, А ~ 0.25 - подгоночный параметр, определенный из эксперимента [8]. В [4,5] было показано, что соотношения (1), (2) справедливы и при одноосных деформациях.

Наиболее удобные размеры образца для многократного использования его в камере высокого давления при низких температурах, как показали исследования в работах [4,5], составляют 8^-10

х 2,5-КЗ х 2,5-КЗ ММ ^ .

Тс,с

10

10

10

ю Ч—-'—^

,» 2 4 6 8 ю"

10"

Яд, см

Рис. 3

Оптимальная концентрация основной и компенсирующей примесей определяется из условия сильного поглощения при реализации максимальной обнаружительной способности [1]

з

с

(3)

Где а - коэффициент поглощения, с1 - размер образца по ходу распространения излучения, 8 - сечение фото ионизации. Для случая во доро до подобной примеси оно приблизительно равно [1]

8„

8 28-10"17 тп ' -

'0

дв; т

й V

%(0

(4)

* ~ I *

Где - энергия ионизации мелкой примеси, = Цпчи т - эффективная масса плотности состояний. Для Г» бООМПа, приложенного вдоль кристаллографическокго направления [100]

* *

дап = 0,045 т0 и т =0,1 т0. Так как фото приемник работает в диапазоне длин волн таком, что

— ЛСО, то согласно (4) 8и « 2,8 • 1014 см~3 . Для образца размерами 0,8 х 0,25х 0,25 {'.г/1 из (3) имеем

= « 1014 см~3 (5)

Концентрация компенсирующей примеси, которая надежно получается для Ge, составляет

д^ ___ 2 012

1,0%. Следовательно ° ~

Из данных Г6. __ и Г6 ф (рис.3.2) и (1), (2) можно рассчитать основные характеристики

фотоприемника из одноосно деформированного р-ве.

Вольт-ваттная чувствительность определяется по формуле [1]

0. (Ш йи <Ж Щт

£ =-=---=--'— (6)

йР (Ш йР рУПсо

Предельно обнаружительная мощность в единичной полосе частот

шр = (?)

£

Удельно обнаружительная способность

о1/2

* О

£> =- (8)

ЫЕР

В формулах (6), (7), (8): Т] - поглощательная способность фото приемника, /I - постоянное

смещение на фотоприемнике, р - концентрация свободных носителей, V - объем кристалла, т

- время релаксации свободных носителей, ^ - площадь приемной площадки, А17ш - шумовое

напряжение, %С0 - энергия кванта излучения.

Оптимальная температура работы фотоприемника в условиях большого фона I составляет 4,2 К. Понижение температуры не улучшает характеристик фотоприемника, работающего в данных условиях, так как время релаксации практически остается постоянным при ее понижении [4].

Шумы в этих условиях будут обусловлены генерационно-рекомбинационными шумами, которые можно рассчитать точно [1]

AU,„ = 2 U

i

гДгЛг

PV

(9)

И шумами предварительного усилителя Д Uш у ~ 10 9 В ■ Гц 2.

В заключении сравним предложенную методику расчета с характеристиками разработанных фотоприемников из деформированного р-Ge, работающих в условиях большого фона J. В работе [9] измерены зависимости вольт-ваттной чувствительности S и сопротивление Ro6 от напряженности электрического поля E на образце. Результаты этих измерений показаны на рис.4,

при этом NEP» Ю-11 ВтГц 2. Деформации образца Ge:Ga размерами 1x1x6 ^/л/1 составляли 600 МПа вдоль кристаллографического направления [100], при этом энергия ионизации Ga Si « бмэВ . Концентрация основной примеси [9] Na ~ 2 ■ 1014 см 3 и компенсация 10 %. Входное сопротивление усилителя

Rex « 1 ОкОм. Т=2К. В слабых электрических полях Ro6 ~ 2 • 104 Ом . Тогда

/

При низких температурах Т < 4,2К подвижность свободных носителей определяется рассеянием на нейтральных примесях по формуле Эргенсоя

е

Ц =--1---(11)

20alh^la-Ng^

тн ¿

где aj = —~ радиус первой боровской орбиты щО — 0,53 -10 М

md

Согласно (11) и (10) при Ro6 — 2 • 104 Ом р ~ Ю10 см~3. При таких концентрациях свободных носителей в одноосно деформированном р=Ge доминирующим механизмом рекомбинации является Оже-захват.

Запишем (6) в более удобном виде

0* EeruRo6

S =-(12)

ti col

В условиях эксперимента [9] в формуле (12) вместо Ro6 необходимо вставить

R • R

R = ——-— . По данным Е и Ro6 (рис.4) и г из рис.3 с учетом (10), (1) и (2) построим зави-

Ro6 + Rex

симость S С- • Для оценки этой зависимости приведем данные работы [4] по исследованию Оже-рекомбинации в пробойных электрических полях в n-Ge (рис.5). На рисунке приведены зависимости Т 4) — *. Стрелкой отмечено значение п , соответствующей началу вертикального участка вольт-амперной характеристики образца при пробое. Из рисунка видно, что

г ~ц-, и после максимального значения г--Оже-рекомбинация проявляет себя при

п

п. > 1010 см 3.

Рис. 4

Рис. 5

Подобная ситуация реализуется и в нашем случае при сильных одноосных деформациях. Кривая S ^ с учетом г С- представлена на рис.4 пунктирной линией. Для оценочных расчетов можно положить г - постоянной величиной в этом диапазоне изменения Е и равным т в слабом электрическом поле.

Оценим NEP (7) в условиях максимальной вольт-ваттной чувствительности

С = 0,2 В/слГ. Согласно (9), А(1ш я 10 "В и NEP « 10 ]1 Вт I'll 2 . Видно хорошее согласие предлагаемого расчета с экспериментом.

Итак, одноосное сжатие р-Ge расширяет возможности использования такого рода фотоприемников. Перестраивается красная граница и при малой интенсивности фона J обнаружительная

мощность достигает

NEP-10 BmFif 2

[7]. При увеличении интенсивности фона J, когда доминирующим механизмом рекомбинации становится Оже-захват, то сильная зависимость

Р 1 — ./ 2 позволяет получить фото приемник, чувствительность и инерционность которого

можно менять в достаточно широких пределах. Инерционность приемника определяется временем релаксации свободных носителей т .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Длинноволновая инфракрасная спектроскопия, исследования в области физики твердого тела. М.: Мир, 1956.

2. Salar N. Properties of Silicon and Germanium infrared detectors. Prog. Quant. Electr. 1984. Р. 149-257.

3. Бир Г.П., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках. М.: Наука, 1972.

4. Kazanskii H.G., Richards R.L., Haller E.E. Photoionization of Acceptors in Uniaxially Stressed Germanium. Sol.St.Comm. 1977. Р. 603-606.

5. Гершензон Ё.М., Гольцман Г.Н., Птицина Н.Г., Ригер Е.Р. Влияние межэлектронных столкновений на захват свободных носителей мелкими примесными центрами в Ge. ЖЭТФ. 1986. С. 1509-1523.

6. Воеводин Е.И., Гершензон Е.М., Гольцман Г.Н., Птицина Н.Г., Чулкова Г.М. Захват свободных дырок заряженными акцепторами в одноосно деформированном Ge. ФТП. 1988. № 3. С. 540-543.

7. Акуличев В.А. Захват дырок на заряженные акцепторы в Ge и Si.ФТП. 1982. С. 254-258.

8. Воеводин Е.И. Методика расчета высокочувствительных фотоприемников из одноосно деформированного p-Ge. Рукопись деп. в ВИНИТИ. 02.12.92 г., № 3463-В 92.

9. Гершензон Е.М., Гольцман Г.Н., Мултановский В.В., Птицина Н.Г. Захват фотовозбужденных носителей заряда на мелкие притягивающие центры в Ge. ЖЭТФ. 1979. С. 1450-1462.

10. Kazanskii H.G., Richards R.L., Haller E.E. Far-infrared photoconductivity of uniaxially stressed germanium. Applied Phys. Lett., 1977. Р. 496-497.

11. Абакумов В.Н., Перель В.Н., Яссиевич И.Н. Захват носителей заряда на примесные центры в полупроводниках. ФТП. 1978. С. 3-31.

Н.Н. Дорожкин, М.А. Кардаполова, О.В. Дьяченко, Т.М. Абрамович, С.А. Донских, Ю.А. Симонов

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК В ПОКРЫТИИ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ НА АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Fe-Cr-B-Si

Исследовано влияние параметров лазерной обработки на адгезионную прочность покрытия системы Бе - Сг - В - 81. Изучены характеристики изменения адгезионной прочности покрытий, а также количества боридов железа в зависимости от скорости движения, диаметра лазерного луча и коэффициента перекрытия. Проведены теоретические расчеты влияния бора на адгезионную прочность.

Сплавы системы Бе - Сг - В - 81 обладают высокой структурной чувствительностью к энергетическому воздействию и легирующим добавкам [1, 2]. Лазерное модифицирование позволяет точно дозировать подвод энергии и легирующих веществ, а характер получаемой структуры определяет качество упрочненного слоя. Кроме того, сплавы обладают высокой износостойкостью вследствие композиционной структуры.

Широко известен способ получения износостойких покрытий сочетанием плазменного напыления с последующим лазерным оплавлением [1-4]. Этот метод весьма успешно зарекомендовал себя при изготовлении и восстановлении длинномерных, крупногабаритных деталей и деталей сложной конфигурации. Однако данная технология достаточно затратная.

Покрытия после лазерного оплавления обладают высоким комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств. Для сравнения часть образцов подвергали лазерному оплавлению после клеевого метода нанесения покрытий.

Покрытия, нанесенные на деталь, в процессе эксплуатации подвергаются воздействию механических нагрузок, а адгезионная прочность лимитирует их применение. Лазерная обработка клеевых покрытий позволяет повысить прочность сцепления покрытия с основой при максимальном сохранении исходной структуры и свойств порошка. Для оценки работоспособности изделия подвергаются испытаниям на отрыв по ГОСТ 14760-69 «Метод определения прочности при отрыве».