CC BY
20
_Доклады БГУИР_
2010 №6 (52)
УДК 681.3
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИК-ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫХ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В.А. СЫЧИК, ВС. ШУМИЛО
Белорусский национальный технический университет пр. Независимости, 65, Минск, 220010, Беларусь
Поступила в редакцию 7 июня 2010
Предложена новая конструкция преобразователя ИК-излучений на основе гетеропереход-ных функциональных элементов. Приведены механизм работы преобразователя и его электрофизические свойства. Даны рекомендации по использованию преобразователя ИК-излучений в устройствах бесконтактного контроля тепловых полей.
Ключевые слова: преобразователь, р-п-переход, электрические свойства, зонная диаграмма.
Введение
Для разработки высокочувствительных безынерционных преобразователей тепловых полей используемых в системах неразрушающего контроля дефектов в холодильных аппаратах, возникла необходимость создания специальных фоточувствительных элементов-фотоэлектрических преобразователей излучений (ФЭП). Из рассмотренных в электронных устройствах различных типов ФЭП наиболее высокими электрофизическими свойствами обладают преобразователи с р-п-гетеропереходом и варизонным базовым слоем [1].
Структура и электрофизические свойства преобразователя
Для использования в структуре преобразователей оптической информации разработан специальный первичный преобразователь ИК-излучений на основе гетеропереходных функциональных элементов с варизонной /-областью [2].
Типовая структура разработанного ФЭП изображена на рис. 1а, а раскрывающая механизм его работы зонная диаграмма — на рис. 1,6. ФЭП состоит из р-п-перехода на основе широкозонного полупроводника, включающего широкозонную обедненную п-область перехода и обедненную р-область перехода, которая контактирует с варизонным и сильнолегированным р -слоем из широкозонного полупроводника. п-Область преобразователя содержит широкозонную обедненную п-область перехода, варизонный п1-слой, узкозонную п-п -область, состоящую из п2-слоя и сильнолегированного п2-слоя. Нижний сплошной омический контакт ФЭП
сформирован на п 2-слое, а верхний решетчатый омический контакт, в проемах решетки кото-
„ +
рого размещен просветляющий слой, расположен на сильнолегированномр -слое.
Для обоснования выбора материала компонентов, структуры и нахождения размеров областей синтезируемого ФЭП с заданным уровнем основных параметров (токовая, вольтовая фоточувствительность, обнаружительная способность) рассмотрим основные зависимости, описывающие эти параметры и физические процессы в структуре преобразователя. Поскольку интегральная токовая чувствительность, с учетом Jф>>Jт, равна:
а б
Рис. 1. Структура преобразователя оптических излучений на основе двойной гетерострук-туры (а) и его зонная диаграмма (б): 1 — решетчатый омический контакт; 2 — просветляющий слой; 3 — р+-слой широкозонного полупроводника с варизонной областью; 4,5 — р-п-переход; 6 — варизонный п-слой; 7,8 — узкозонный п-слой и его п+-сильнолегированная область; 9 — нижний сплошной омический контакт
Я,=Д//ДЛ>«
а интегральная вольтовая чувствительность
Ба=Ш/Ыо* и-ит ' кТл
где ил=\
1п
.1 ф/./л +1 ; ./ф. — фототок и напряжение; Л, £/т — темновой ток и
напряжение преобразователя, / — интенсивность светового потока,
/ = /" + /" + 1Р + 1Р
° ф ^я^^рП^^Р^^ ОН-
(1)
то необходимым условием синтеза высококачественного ФЭП является достижение предельно возможной величины фототока. Выражение для полной плотности фототока п-р-гетеродиодного фотопреобразователя имеет следующий вид [1]:
Здесь
J сС.П
и 1 п
а:Ь2 -1
1 п
В +5/ос
^ ехр(-^ / /,,)- ехр(-осД)
(2)
В +££,
п 1
— плотность фототока, собираемого из необедненного р-слоя благодаря диффузии;
= е./\з ехр(-аД) - ехр(-аД)) (3)
— плотность фототока, генерируемого в обедненном р-слое; с^ — коэффициент поглощения в р-слое ФЭП; Оп, Ьп — коэффициент диффузии и диффузионная длина фотогенерируемых электронов; с!\ — толщина необедненного р-слоя; с!,, — толщина р-слоя ФЭП; ./\'| — интенсивность светового потока с длиной волны Х\>ИС1Е8\, 1''.,,\ — ширина запрещенной зоны р-области;
а2-1 !Ьр
2а2Уи2ехр(х2^2) ехр ¿/3 -ехр(-а2^/3)
ехр(^/3 //.,)- ехр(-б/, //.р)_
е
е
— плотность фототока за счет поглощения и диффузии в свободном «-слое базы; ,/4 = — ехр(-а2^/2 — плотность фототока за счет поглощения в обедненном п-
слое базы; .Л': — интенсивность светового потока с длиной волны Х2 > ИС/Е§2 < Х] .
В (3) и (4) 2 — ширина запрещенной зоны базового «-слоя; с/2 — толщина необеднен-ного слоя базы; а2, ¿А, — коэффициент и толщина базового слоя ФЭП; Ьр — диффузионная длина фотогенерируемых дырок.
Анализ выражений (1)-(3) показывает, что для достижения поставленной цели необходимо выбирать материалы компонентов ФЭП с максимально возможными значениями В, Ь, оптимизировать толщины областей геретоструктуры, а также расширить диапазон энергий активных фотонов падающего оптического излучения АЕ-к. Последняя задача разрешена путем создания в обедненной области варизонного слоя п1таг.
Созданный ФЭП является преобразователем с р-п-переходом на основе арсенида галлия, «-область ФЭП представляет слой п из ПтАэ толщиной 2,8 мкм, легированный Те с концентрацией А^йЗ-Ю19 см~3; «2-слой выполнен также из ПтАэ с концентраций примеси Те N/,-2-101'' см~3 толщиной 0,3 мкм; варизонный слой п]пг выполнен из соединения СаЛп| . Аэ. легирован Те с концентрацией ^о«1016 см3 и толщиной 0,5... 0,6 мкм. Ширина его запрещенной зоны изменяется от 1,43 эВ до 0,36 эВ. р-п-переход из GaАs включает п-область, легированную
17 3 17 3
Те с концентрацией ^«10 см- , и легированную Сd р-область с концентрацией ^«10 см- . Суммарная толщина р-п-перехода 0,65 мкм, что составляет 0,9Жо. р-Область ФЭП содержит варизонный слой Ртаг, выполненный на основе соединения GaxAl1-xAs, причем параметр X изменяется от 0 до 0,3, а ширина запрещенной зоны изменяется от 1,43 эВ до 2,15 эВ. Варизонный р-слой легирован Сd с концентрацией ^А«1016 см 3, обладает толщиной 0,6 мкм; р -сильнолегированный слой выполнен из арсенида алюминия, легированного Сс1 с концентрацией N {-5-101'' см~3, его толщина составляет 2,3 мкм. Нижний сплошной омический контакт реализован Те-А1-№ общей толщиной 2 мкм, а верхний омический контакт 1,5 мкм сформирован структурой Сd-А1-Ni.
Занимаемая верхним контактом площадь на р-слое составляет 12%, рабочая площадь /» -слоя 8=0,3-0,3 см.
При воздействии квантов света, либо фотонов от других источников излучений на рабочую поверхность ФЭП со стороны решетчатого контакта, как следует из зонной диаграммы рис. 1,6, фотоны с энергиями Е,=Ъх<Ег3 [р+], где Ея3 [р+] — ширина запрещенной зоны р+-слоя, проходят просветляющий слой, /»-широкозонный сильнолегированный слой, и достигают Рт-слой и /»-«-переход. Фотоны с И\>=Ег3>Ег>Ег\ поглощаются в /»-варизонном слое и в /»-«-обедненных областях перехода, а фотоны с /?\'=/, 2 поглощаются в слое п \ ,-;|Г и
в «2-слое узкозонного полупроводника, создавая в поглощающих фотоны областях ФЭП избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями А«=(3а1ух„; /\/;=РаЛ1т/). причем результирующий активно поглощаемый фотонный поток
V
^тт
здесь (3, а — квантовый выход носителей заряда и коэффициент поглощения света; т„, гр — время жизни фотовозбуждаемых носителей, Eg2<Eg3; vmг■n=Eg2/h; vmаx=Eg3/h; И — постоянная Планка.
При заданной плотности фотонов ./„ фототок ./ф=с (Д«ц„+Д/>(^).
В легированных примесями слоях р\тг, щтг, п2 созданы примесные уровни АЕВ, АЕа глубиной 0,12 эВ и 0,08 эВ, которые возбуждаются фотонами дальней инфракрасной области.
Поскольку структурой ФЭП активно поглощается широкий спектр фотонов с энергиями от Ея3, ЕЯ1 до Ея2, АЕв, то результирующий ток ФЭП, а следовательно Si и 8и, будут значительно выше, чем у известных аналогов. Для сформированного ФЭП указанных размеров экспериментально получены основные характеристики: вольтовая Ja=/(Ua)/J0=соnst, спектральная Jа=//(X)/Ф, Uа=соnst и энергетическая Ja=/(Ф)/Ua=соnst.
Рис. 2. Характеристики ФЭП: а — ВАХ; б — спектральная; в — энергетическая характеристика
Семейство ВАХ, как следует из графика рис. 2,а, аналогично выходной характеристике триодной структуры, однако управляющим сигналом ФЭП в режиме фотопреобразователя является /,. В режиме фотогенератора выходное напряжение при холостом ходе превышает 1 В, представленная на рис. 1.2б спектральная характеристика показывает, что созданный ФЭП обладает высокой токовой чувствительностью в широком спектральном диапазоне от 0,4 до 12 мкм. Энергетическая характеристика ФЭП (рис. 2,в) обладает достаточно высокой линейностью в широком интервале интенсивности оптических излучений, что отражает возможность использования ФЭП в структуре оптрона как преобразователя оптического сигнала в электрический. Сформированный на основе гетеродиодной многослойной структуры типовой образец ФЭП обладает следующими электрофизическими параметрами: токовая чувствительность 1,5...5,0 А/Вт; диапазон спектральной чувствительности Лл=0,5... 13 мкм: порог чувствительности Фп=5-1СГ8лм Гц12; темновое сопротивление 1 ()' -107 Ом: постоянная времени т=10-5 с; рабочее напряжение £/а=5...20 В.
Разработанный преобразователь ИК-излучений по сравнению с аналогами имеет более высокие 5/, Ал, защищен патентом [3] и используется как важнейший функциональный узел в устройстве контроля тепловых излучений.
а
б
в
Заключение
Разработанный на основе гетеродиодной многослойной структуры преобразователь ИК-излучений обладает высокими электрофизическими свойствами, в частности токовая чувствительность 5...5,0 А/Вт, диапазон спектральной чувствительности Дл=0,5... 13 мкм. темновое сопротивление -106— 107 Ом. Преобразователь ИК-излучений используется как важнейший функциональный узел в устройствах контроля тепловых излучений.
IR-RADIATIONS CONVERTER ON BASIS OF HETEROJUNCTIONAL
FUNCTIONAL ELEMENTS
V.A. SYCHIK, V.S. SHUMILO Abstract
There has been proposed a new construction of semiconductor IR-radiation converter, realized on basis of heterojunctional functional elements. Guidelines on the use of IR-radiation converter in non contact control of thermal field devices have been given.
Литература
1. Гурта Ф., Микула Д. // Каучук и резина, 2005. № 4. C. 29-33.
2. Васильев В.В., Овсюк В.Н., Шашкин В.В. Инфракрасные фотоприемные модули на варизонных слоях КРТ и на структурах с квантовыми ямами GaAs / AlGaAs/ Оптический журнал. 2005, 72. № 6. С. 63-69.
3. Патент RU 2080690, МКИ6, Н01 L 31/048. Фотовольтаический преобразователь/ Сычик В.А.
