Фотодиоды средневолнового ИК диапазона на основе узкозонных полупроводников InAs(Sb), облучаемые со стороны слоя р-типа проводимости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Рыбальченко, Андрей Юрьевич

• Рыбальченко, Андрей Юрьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Рыбальченко, Андрей Юрьевич

Содержание

Введение

1. Обзор литературы и постановка задачи

1.1 Основные параметры и характеристики ФД

1.1.1 Вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики

1.1.2 Чувствительность и спектр фотоответа

1.1.3 Обнаружительная способность

1.2 Материалы и структуры для средневолновых ИК ФД

1.3 Конструкции ИК ФД

1.3.1 Флип-чип ФД

1.3.2 ФД, облучаемые со стороны слоя р-типа проводимости

1.4 Сгущение линий тока в диодных структурах

1.5 Отрицательная люминесценция в ИК диодах

1.6 Постановка задачи

1.7 Выводы

2. Исследование ФД на основе структур ШАзЛпАэЗЬР (Яшах= 3-3.4 мкм)

2.1 Предварительные замечания

2.2 Образцы и методика измерений

2.3 Особенности растекания тока в диодах; описание модели

2.4 Анализ ватт-амперных и вольт-амперных характеристик диодов

2.5 Исследование барьеров в структурах методом СКЗМ

2.6 Вольт-фарадные характеристики диодов

2.7 Выводы

3. Фотодиоды для спектрального диапазона Я > 4 мкм

3.1 Предварительные замечания

3.2 ФД на основе градиентных структур 1пАз8Ь(Р)/1пА8

3.3 ФД на основе ОГС Ь^вЗЬРДпАвЗЪЛпАв

3.4 Аналитическое исследование характеристик ФД

3.4.1 Описание модели

3.4.2 Результаты расчетов

3.5 Выводы

4. Моделирование характеристик газового сенсора

4.1 Предварительные замечания

4.1 Устройство и принцип работы оптических газовых сенсоров

4.2 Моделирование характеристик сенсора углекислого газа

4.3 Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Фотодиоды средневолнового ИК диапазона на основе узкозонных полупроводников InAs(Sb), облучаемые со стороны слоя р-типа проводимости»

Введение

Актуальность темы. В средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (Я = 3-5 мкм) содержатся фундаментальные полосы поглощения многих промышленных и природных газов, таких, как, например, СпНт, СО, СО2, ЫхОу и др. Этим обусловлен повышенный интерес к разработке оптических газовых сенсоров, измеряющих пропускание среды на выделенных длинах волн в данном диапазоне, с целью определения концентрации газов. В настоящее время такие сенсоры находят применение в трассовых системах безопасности на нефтеперегонных заводах [1], для измерения вредных газов в выхлопе автотранспорта [2], для контроля качества воздуха в помещениях [3], в медицинской диагностике [4] и других областях человеческой деятельности [5].

В качестве источников и приемников излучения для оптических газовых сенсоров начинают активно использоваться свето- и фотодиоды (СД и ФД соответственно), достоинствами которых являются компактные размеры, малое энергопотребление, высокое быстродействие, длительное время наработки на отказ. Важным преимуществом ФД перед другим распространенным типом фотонных приемников — фоторезисторами — является возможность работы при нулевом напряжении смещения, при котором уровень шума минимален. Среди материалов для изготовления средневолновых ИК ФД все более широкое распространение получают гетероструктуры 1пАз(8Ь)/1пАз8ЬР, выращиваемые на подложках ¡пАб, характеризующиеся низкой плотностью дефектов в эпитаксиальной части и перекрывающие своими рабочими спектрами весь диапазон длин волн 3-5 мкм.

Конструкция ФД с контактом ограниченной площади к эпитаксиальному слою р-типа проводимости и сплошным контактом к подложке остается наиболее распространенной из-за простоты фотолитографических процессов, применяемых при изготовлении диодов. Особенности технологии формирования омических контактов путем осаждения металла и последующего вжигания с проникновением металла в приповерхностную область полупроводника обусловливают типичную

толщину облучаемого (контактного) слоя порядка нескольких мкм. Поскольку такая толщина несколько превышает эффективную длину поглощения излучения в узкозонных полупроводниках АШВУ, фотогенерация электронно-дырочных пар происходит на значительном удалении от р-п-перехода, а фототок формируется за счет диффузии носителей к р-п-переходу. Поэтому для контактных слоев используют материалы с большой диффузионной длиной неосновных носителей, имеющие, как правило, р-тип проводимости. Спектры фотоответа ФД с контактом ограниченной площади к слою р-типа обычно расширены в область коротких волн за счет диффузии к р-п переходу носителей, фотогенерированных вблизи облучаемой поверхности, или прохождения части фотонов сквозь контактный слой. При разработке данных ФД основное внимание уделялось изучению механизмов протекания через р-п переход темнового тока, а также его снижению, главным образом, за счет применения гетеро структур с высокими потенциальными барьерами на границах узкозонной активной области. При этом исследования ФД проводились только при Т < 300 К, а особенностям пространственного распределения токопрохождения при прямом и обратном смещении и его влиянию на основные характеристики ФД, включая параметры р-п перехода, определяемые в эксперименте, уделялось недостаточно внимания. Вместе с тем, область повышенных по сравнению с комнатной температур (Г> 300 К) является типичной для работы газовых сенсоров в большинстве систем контроля технологических процессов.

Целью диссертационной работы является исследование токопрохождения при прямом и обратном смещении в ФД на основе полупроводниковых гетеро структур ГпАзБЬРЯпАз^Ь) с металлическим контактом ограниченной площади к слою р-типа проводимости, а также изучение влияния особенностей токопрохождения на основные параметры и характеристики широкополосных ФД, работающих в диапазоне длин волн X = 2.2-4.5 мкм, при Т> 300 К.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: 1. Разработка методов анализа характеристик диодов с учетом пространственной неравномерности протекания тока и неравномерности

распределения электролюминесценции в ближнем поле.

2. Исследование пространственного распределения- интенсивности положительной и отрицательной люминесценции (ПЛ и ОЛ соответственно) в ближнем поле в ФД на основе двойных (p-InAsSbP/n-InAs/n-InAsSbP/n+-InAs) и одиночных (p-InAsSbP/n-InAs/n+-InAs) гетероструктур (ДГС и ОГС соответственно), а также структур с гомо-p-n переходом в твердом растворе InAsSbP; исследование их электрических свойств и анализ токопрохождения.

3. Исследование свойств потенциальных барьеров на изотипных интерфейсах П-типа n-InAs/n-InAsSbP и их влияния на токопрохождение в ДГС.

4. Исследование ВАХ и эффективности сбора фотогенерированных носителей в ФД с длинноволновой границей фоточувствительности X > 4 мкм и ограниченными размерами омического контакта в диапазоне температур 20-80 °С.

5. Выработка рекомендаций для создания эффективных ФД с длинноволновой границей фоточувствительности л > 4 мкм, работающих при Т > 300 К. Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем:

1. Экспериментально изучено влияние пространственной неравномерности токопрохождения на параметры ВАХ ФД на основе структур InAsSbP/InAs(Sb). Учёт пространственной неравномерности протекания тока позволил с высокой точностью определить истинные (неискаженные) параметры диода (например, ток насыщения /sat и фактор идеальности Р прямой ветви ВАХ), даже при отсутствии ярко выраженного насыщения в обратной ветви ВАХ.

2. Экспериментально исследованы свойства потенциальных барьеров на изотипных интерфейсах П-типа n-InAs/n-InAsSbP при Т = 300 К, показано влияние данных барьеров на токопрохождение при прямом смещении и на вольт-фарадные характеристики ДГС.

3. Экспериментально и аналитически установлена неравномерность пространственного распределения отрицательной люминесценции в

ближнем поле и снижение эффективности сбора фототока в удаленных от контакта областях для ФД на основе узкозонных градиентных структур р(п)-1пАз8Ь(Р)/п-1пА8 и ОГС р-1пА88ЬР/п-1пАз5Ь/п-1пАз с длинноволновой границей чувствительности л > 4 мкм. Проанализированы и реализованы способы повышения эффективности сбора фотогенерированных носителей вФД.

4. Экспериментально исследована зависимость токопрохождения при прямом и обратном смещении от температуры (20-80 °С) в ФД на основе ОГС р-1пА85ЬР/п-1пАз8Ь/п-1пА8. Проанализированы и реализованы способы повышения эффективности указанных ФД при повышенных температурах (20-80 °С).

5. Предложена простая аналитическая модель, позволяющая прогнозировать основные характеристики ФД на основе узкозонных полупроводников с точечным контактом.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Локальная плотность фототока в фотодиодах с активным слоем из п-1пА8(8Ь) и анодом на облучаемой поверхности слоя р-1пАз8Ь(Р) при комнатной и повышенных температурах убывает при удалении от анода, что приводит к уменьшению обнаружительной способности.

2. В фотодиодах с активным слоем из п-1пА8(8Ь) и анодом на облучаемой поверхности слоя р-1пАз8Ь(Р) при комнатной и повышенных температурах фототок возрастает при увеличении модуля обратного напряжения и/или при увеличении периметра анода.

3. Скачок потенциала в зоне проводимости на изотипной гетерогранице п-1пА8/п-1пА88ЬР увеличивает динамическое сопротивление и уменьшает ёмкость фотодиодов на основе двойных гетероструктур р-1пА88ЬР/п-1пАз/п-1пАз8ЬР.

Практическая ценность результатов работы. Результаты работы внедрены в ООО «ИоффеЛЕД», СПб.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и

обсуждались на Молодежной конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «ФизикА.СПб» - (2009, 2010), национальной конференции по росту кристаллов НКРК-2011 (г. Москва, 2011 г.), XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2010), SPIE Photonics West Conference (San-Francisco, USA, 2010), Российской конференции и школе по актуальным проблемам полупроводниковой нанофотоэлектроники «Фотоника 2011» (Новосибирск, 2011).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных трудов. Основные результаты получены автором совместно с исследовательской группой диодных оптопар под руководством Б.А. Матвеева, входящей в состав лаборатории инфракрасной оптоэлектроники ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, при поддержке со стороны научной школы «Технология и физические свойства полупроводниковых наногетероструктур».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 79 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 38 иллюстраций и 6 таблиц.

В первой главе рассмотрены возможности получения изопериодных эпитаксиальных структур с четырехкомпонентными твердыми растворами на бинарных подложках AniBv для оптоэлектронных приборов средневолнового ИК диапазона. Отмечены возможности выращивания из жидкой фазы на пластичных подложках n-InAs низкодефектных эпитаксиальных структур с градиентными (InAsSb(P)) и неизопериодными узкозонными слоями (InAsSb), работающих в области длин волн до 5.8 мкм. Проведен обзор работ по ФД для диапазона длин волн 3-5 мкм, выполненных в конструкции как флип-чип, так и с контактом ограниченной площади на эпитаксиальной стороне. Рассмотрены работы по изучению влияния пространственной неравномерности распределения интенсивности электролюминесценции, плотности тока и фотоответа в диодных структурах на основные характеристики оптоэлектронных приборов. На

основании проведенного обзора литературы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлено описание методов получения образцов и приведены результаты экспериментального исследования пространственного распределения интенсивности ПЛ и ОЛ в ближнем поле и плотности тока при прямом и обратном смещении в ФД на основе структур ХпАбЛпАзБЬР разных типов (ДГС, ОГС, структуры с гомо-р-п-переходом в ГпАзБЬР) при комнатной температуре, изучено влияние особенностей растекания тока на параметры ВАХ ФД. Экспериментально исследованы свойства потенциальных барьеров на интерфейсах пЛпАз/п-ГпАэЗЬР в ДГС. Установлено, что ДГС и ОГС с узкозонной активной областью из 1пАз характеризуются более равномерным пространственным распределением интенсивности ПЛ и плотности прямого тока, чем структуры с гомо-р-п переходом в широкозонном ¡пАвББР. Различие в особенностях растекания тока в структурах разных типов объяснено влиянием потенциальных барьеров на изотипных гетерограницах, повышающих динамическое сопротивление ФД и способствующих равномерному растеканию тока.

В третьей главе представлены данные о неравномерности пространственного распределения ОЛ и плотности обратного тока в ФД на основе градиентных структур р-1пА88Ь(Р)/п-1пА88Ь(Р)/п-1пА8 и ОГС рЛпАзБЬР/п-1пА88Ь/п-1пА8 с длинноволновой границей чувствительности л > 4 мкм. Для последних впервые проведено исследование пространственного распределения ПЛ и ОЛ и токопрохождения в широком диапазоне температур (20-80 °С). Установлено, что неравномерность протекания обратного тока, а именно, его сгущение в области контакта, приводит к неполному сбору фототока в ФД. Экспериментальные исследования зависимости основных параметров ФД от характеристик контакта на облучаемой поверхности показали, что формирование контактов с большим периметром и малой площадью является эффективным способом повышения обнаружительной способности широкополосных поверхностно облучаемых ФД, работающих в спектральной области X > 4 мкм в

режиме измерения фототока при температурах выше 20 °С.

В четвертой главе описаны устройство, принцип работы и основные характеристики оптического газового сенсора, полученные моделированием сенсора углекислого газа на основе флип-чип СД, излучающих на длине волны 4.2 мкм, и высокочувствительных ФД на основе ОГС р-1пА58ЬР/п-1пАз8Ь/п-1пА8 с развитым контактом к слою р-типа, предложенных в главе 3.

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования

1.1 Основные параметры и характеристики ИК ФД

Для количественного описания характеристик ИК фотоприемников всех типов используют определенные критерии качества, формирование которых происходило в 1950-1960 годах и к настоящему времени в основном закончено [6]. Наиболее употребительным из них считается обнаружительная способность, т. е. отношение сигнал-шум при единичной мощности излучения, падающего на единицу площади фотоприемной поверхности и модулированного в единичной полосе частот [7]. Общим источником шумов для всех типов фотоприемников является фоновое тепловое излучение среды, в которой работает прибор. Интенсивность и спектр фонового излучения зависят только от температуры среды, поэтому ограничение обнаружительной способности, обусловленное фоновым излучением, является фундаментальным. Наряду с этим, каждый конкретный тип фотоприемников характеризуется специфичными особенностями формирования выходного сигнала и шума, налагающими дополнительные ограничения на минимальную регистрируемую интенсивность входного оптического сигнала. Для ФД выходным сигналом является фототок во внешней цепи либо напряжение на выводах диода, а основным источником шума, помимо фонового излучения, является тепловая генерация носителей. Величины сигнала и шума ФД определяются основными параметрами и характеристиками, зависящими, в свою очередь, от свойств материалов и особенностей структур, из которых изготовлены приборы, от конструктивного исполнения приборов, а также от температуры их эксплуатации. К наиболее важным параметрам и характеристикам ФД относятся чувствительность и спектр фотоответа, вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики, а также динамическое сопротивление.

1.1.1 Вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики

Основу ФД, как и других видов диодов, составляет монокристаллический полупроводник, содержащий две области с разными типами проводимости. Области р- и п- типа характеризуются разным положением уровня Ферми относительно уровня вакуума (работой выхода электронов), поэтому на границе раздела — р-п переходе — возникает потенциальный барьер, высота которого (Гы) равна разности работ выхода для материалов р- и п-типа. При образовании р-п перехода происходит перетекание электронов в р-область и дырок в п-область до тех пор, пока энергия уровня Ферми не станет одинаковой во всем объеме полупроводника, при этом по обе стороны от р-п перехода возникает обедненная область, ширина которой определяется по формуле:

где с — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, с0 — электрическая постоянная, пир — концентрации основных носителей, поправка 2кТ учитывает особенности распределения концентрации основных носителей вблизи р-п-перехода. Для несимметричного перехода, например, образованного сильнолегированным акцепторным и слаболегированным донорным полупроводниками (р+-п переход), обедненная область почти полностью лежит в материале п-типа и величиной \/р в формуле (1.1) можно пренебречь [8].

При приложении к диоду напряжения V высота потенциального барьера при обратном смещении р-п-перехода (положительный полюс на п-стороне) увеличивается, а при прямом уменьшается на величину \У\, при этом через р-п-переход протекает темно вой ток, формируемый движущимися носителями заряда. Ширина обедненной области изменяется в соответствии с соотношением

Жос(К6,±И-2АТ)1/2 для резкого р-п перехода и IVы±\У\—2кТ)ХП для плавного (знак плюс соответствует обратному, а минус — прямому смещению). Изменение V во времени приводит к возникновению наряду с темновым током так называемого «тока смещения», связанного с изменением напряженности

электрического поля в р-п-переходе. Наличие «тока смещения» обусловлено барьерной емкостью р-п-перехода, формируемой объемными зарядами в обедненной области [9]. Барьерная емкость определяется по формуле:

с=ееоА Ж '

С учетом выражения (1.1) и зависимости ширины обедненной области от напряжения смещения зависимость барьерной емкости на единицу площади от напряжения (вольт-фарадную характеристику — ВФХ) несимметричного резкого р+-п-перехода можно представить в виде:

или

Й 2=—^--(К&1±|к|-2кТ) .(1.2)

А ее0е>?

Для резких р-п+- и симметричных р-п-переходов ВФХ имеют аналогичный вид [8].

Из формулы (1.2) видно, что ВФХ для несимметричного резкого р-п-перехода представляет собой прямую в координатах С2-К, наклон которой определяется концентрацией носителей в слабо легированной области, а точка пересечения с осью абсцисс дает величину Уы - 2кТ. Для плавного р-п перехода с линейным распределением концентрации примеси по толщине полупроводника ВФХ имеет линейный вид в координатах С"3-К, при этом отсечка на оси абсцисс определяется величиной Кь„ а наклон — градиентом концентрации примеси [8]. Из анализа ВФХ можно определить тип перехода (резкий или плавный), величину Уь, и концентрацию примеси, поэтому данный метод широко применятеся при исследовании диодов.

Другой важной характеристикой ФД является вольт-амперная (ВАХ), т. е. зависимость тока от постоянного напряжения смещения р-п-перехода. Анализ темновых ВАХ также является распространенным методом изучения ФД и применяется для определения механизмов протекания тока через р-п-переход, с

которыми, в свою очередь, тесно связаны такие важные характеристики ФД, как чувствительность и динамическое сопротивление. Подробная модель ВАХ_ и связанных с ними характеристик ФД описана, например, в [10] и в других работах тех же авторов применительно к средневолновым ИК ФД. В данной модели рассматриваются три механизма протекания тока через р-п-переход:

1) диффузионный механизм Шокли;

2) генерационно-рекомбинационный механизм Шокли-Нойса-Саа;

3) туннельный механизм, включающий в себя две составляющие: прямое межзонное туннелирование и туннельно-рекомбинационный механизм.

Диффузионный ток формируется неосновными носителями, инжектируемыми в квазинейтральные области диода при прямом и экстрагируемыми из квазинейтральных областей при обратном смещении р-п-перехода. Инжектируемые носители, преодолев обедненную область, диффундируют в глубь полупроводника как нейтральные частицы, поскольку их заряд компенсируется поступлением основных носителей с омического контакта. Концентрации неосновных носителей по мере удаления от р-п-перехода снижаются вследствие их рекомбинации с основными носителями, при этом инжектированные носители до рекомбинации преодолевают расстояние, называемое диффузионной длиной, за время, называемое временем жизни [9]. При обратном смещении р-п-перехода происходит экстракция неосновных носителей из областей диода в пределах диффузионных длин от границ обедненной области, при этом восполнение концентраций носителей происходит за счет тепловой генерации. Зависимость плотности диффузионного тока от напряжения выражается формулой Шокли:

где /Sat — плотность тока насыщения. Величина Jsat складывается из электронной и дырочной компонент, определяемых по формулам:

Jdlf=Jsa![zMeVlkT)-1] ,(1.3)

Р

)+C0Sh(V^

'п

J*=eT ¥-ft—т^г-—ikr ' <Mb> '

" LP M£sinh(!£^l) + cosh(^) kT

dp lp lp

где П{ — собственная концентрация носителей, Д> и Dp — коэффициенты диффузии, a Ln и Lp — диффузионные длины для электронов и дырок, /п и /р — толщины слоев полупроводника п- и р- типа, хи и хр — толщины обедненной области р-n перехода в соответствующих слоях, Sn и Sp — темпы поверхностной рекомбинации на омических контактах [10]. Связь между параметрами, описывающими диффузию носителей, выражается соотношениями:

где гп и тр — времена жизни. Значения D„ и Dp определяются рассеянием носителей на тепловых колебаниях решетки и ионах примесей, а значения тп и тр — темпами рекомбинации в объеме полупроводника [8]. Выделяют три основных механизма рекомбинации:

1) рекомбинация Шокли-Рида-Холла, связанная с захватом электрона из зоны проводимости ловушкой на локальном уровне в запрещенной зоне и последующим захватом этой же ловушкой дырки из валентной зоны;

2) прямая межзонная излучательная рекомбинация, т. е. переход электрона из зоны проводимости непосредственно в валентную зону, сопровождающийся испусканием фотона с энергией hc/X = Eg\

3) межзонная безизлучательная Оже-рекомбинация, при которой рекомбинирующая пара электрон-дырка передает избыток энергии третьему носителю.

Время жизни для рекомбинации Шокли-Рида-Холла (tsrh) не зависит от концентрации носителей, а определяется влиянием ловушек, связанных с дефектами кристаллической решетки полупроводника и примесями. Времена жизни, соответствующие процессам излучательной (rraJ) и Оже-рекомбинации (rAugei), снижаются при увеличении концентрации носителей [10]. Результирующее время жизни носителей в квазинейтральных областях диода определяется по формуле:

1 - 111

Т Х ЗИН Хгас/ ХЛп8ег

Произведение динамического сопротивления диода при нулевом смещении (Ло) на площадь р-п-перехода (А) при доминировании диффузионного тока определяется как производная <Ш(1/ из формулы (1.3) при V = 0: К,А = кТ\еЗш .

Концентрации и параметры диффузии носителей зависят от температуры, при этом для /,„(Р), £>П(р) температурная зависимость имеет степенной, а для пх — экспоненциальный вид (л,осехр(—£5/2кТ)) [8], поэтому экспериментальные зависимости ЯоА(Т) при доминировании диффузионного тока хорошо аппроксимируются функциями вида

Генерационно-рекомбинационный механизм токопрохождения связан с процессами генерации носителей заряда при обратном и их рекомбинации при прямом смещении в обедненной области р-п-перехода. Плотность рекомбинационного тока (.Лес) при прямом и генерационного (./„,■„) при обратном смещении приближенно выражается формулами:

щкТШ , . _en.1V

где те — эффективное время жизни носителей в обедненной области, основной вклад в которое, согласно общепринятым представлениям, вносит рекомбинация Шокли-Рида-Холла (см., например, [10]). Приложение прямого смещения приводит к уменьшению ширины обедненной области, поэтому доминирование рекомбинационного тока имеет место, как правило, при малых значениях V и сменяется преобладанием диффузионного тока при увеличении смещения.

При увеличении модуля обратного смещения ширина обедненной области возрастает, вызывая возрастание генерационного тока, при этом для резкого р-п-перехода |/?га|сс|К|1/2, а для плавного [8]. Температурная зависимость

ЯоА при доминировании генерационно-рекомбинационного тока определяется температурной зависимостью п\ и выражается соотношением Л0Лсхехр(£'?/2кТ).

Повышение уровней легирования приводит к увеличению разности уровней Ферми в материалах р- и п- типа и повышению барьера на р-п-переходе, а также к усилению межзонной рекомбинации и уменьшению времен жизни и диффузионных длин носителей; наряду с этим происходит уменьшение ширины обедненной области. При этом величины ,1м и ./ёеп снижаются (см. формулы (1.4 а, Ь) и (1.5)). Однако, толщина потенциального барьера р-п-перехода (ширина обедненной области) становится достаточно малой для обеспечения высокой вероятности прямого межзонного туннелирования носителей уже при нулевом и небольшом обратном смещении, когда дно зоны проводимости п-области оказывается ниже потолка валентной зоны р-области. При этом |./| при обратном смещении сверхлинейно возрастает при увеличении \У\, т. е. возникает «мягкий» пробой р-п-перехода. Туннелирование носителей может происходить также с участием локальных уровней в запрещенной зоне, при этом |,/| сверхлинейно возрастает при увеличении | У] в обоих направлениях. Плотность туннельного тока (и соответствующее значение ЯоА) зависит от конфигурации энергетических зон полупроводника, ширины обедненной области и напряженности электрического поля в ней, концентрации и уровня энергии ловушек и характеризуется слабой зависимостью от температуры [8].

Экспериментальные ВАХ диодов при прямом смещении обычно аппроксимируются функциями вида: Jocexp[(eV/pkГ)-l] ,(1.6) где Р — фактор идеальности, принимающий значения /? ~ 1, /? ~ 2 или /? > 2 при доминировании диффузионного, генерационно-рекомбинационного или туннельного тока соответственно. Последний доминирует, как правило, при малом смещении; при увеличении V начинает преобладать генерационно-рекомбинационный ток, а затем диффузионный.

Существенное влияние на ВАХ, помимо свойств р-п-перехода, оказывают последовательное сопротивление и поверхность диода. Последовательное сопротивление представляет собой сумму объемного сопротивления

полупроводника и переходных сопротивлений омических контактов, влияние на

ВАХ становится определяющим при больших прямых смещениях, когда р-п-переход полностью открывается. При этом ВАХ имеет вид прямой со сдвигом по оси абсцисс, равным Уь„ и наклоном, определяемым величиной

Поверхность оказывает влияние на р-п-переход в основном за счет ионных зарядов на ней или вблизи нее, которые индуцируют заряды в полупроводнике; это приводит к образованию поверхностных каналов утечки тока. С данными утечками обычно связывается линейное возрастание тока при обратном смещении (см., например, [8]).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рыбальченко, Андрей Юрьевич, 2013 год

Список литературы

1. А.И. Луговской, С.А. Логинов, О.Б. Балашов, A.A. Кузнецов, Е.В. Васильев, Е.Я. Черняк. Дистанционный инфракрасный детектор углеводородных газов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 6, 55 (2003)

2. Газоанализатор кислорода, окиси углерода и двуокиси углерода ИГМ-1200. Руководство по эксплуатации.

3. Каталог фирмы FuehlerSysteme eNET International GmbH. http : //www, fuehl ersvsteme. de

4. Каталог фирмы TreyMed. http ://trevmed.com

5. Каталог фирмы SenseAir. http://www.senseair.se

6. Р.Дж. Киес, П.В. Крузе, Э.Г. Патли и др. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов. Под ред. Р.Дж. Киеса: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1985. — 328с., ил.

7. A. Rogalski, M.Razeghi. Narrow gap semiconductor photodiodes. SPIE Vol. 3287. 0277-786X

8. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: в 2 книгах. Пер. с англ. — 2-е перераб.и доп.изд. — М.: Мир, 1984.

9. Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов: Учебное пособие. — Томск: Изд-во НТЛ, 2000. — 426 е.: ил.

10. R.K. Lai and P. Chakrabarti. An analytical model of P+ InAsSbP/nO-InAs/n+-InAs single heterojunction photodetector for 2.4-3.5 mkm region // Optical and Quantum Electronics 36: 935-947, 2004

11. Корольков В.И., Рахимов H. Диоды, транзисторы и тиристоры на основе гетероструктур. Ташкент: Фан, 1986, 152 с.

12. Tetyorkin V.V., Sukach A.V., Staiy S.V., Zotova N.V., Karandashev S.A., Matveev B.A., Remennyi M.A., Stus' N.M. Performance of InAs-based infrared photodiodes // Proc. SPIE Vol. 6585, 658520 (2007)

13. NSM Archive - Physical Properties of Semiconductors, http.//matprop.ru/

14. Каталог фирмы Иоффе ЛЕД. http://www.ioffeled.com

15. Каталог фирмы Hamamatsu. http://www.hamamatsu.com/

16. Каталог фирмы ООО «АИБИ» (IBSG Co., Ltd), http://www.ibsg.ru

17. A. Rogalski. Heterostructure infrared photodiodes // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 3 (2), 111 (2000)

18. M. Айдаралиев, H.B. Зотова, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, M.A. Ременный, Н.М. Стусь, Г.Н. Талалакин. Электролюминесценция светодиодов X = 3.3-4.3 мкм на основе твердых растворов InGaAs и InAsSbP в интервале температур 20-180 °С // ФТП, 34 (1), 102 (2000)

19. М.А. Remennyy, В.А. Matveev, N.V. Zotova, S.A. Karandashev, N.M. Stus, N.D. Ilinskaya. InAs and InAs(Sb)(P) immersion lens photodiodes for portable optic sensors // Proc. SPIE, 6585, 658504 (2007). doi: 10.1117/12.722847.

20. Кузнецов В.В., Лунин Л.С., Ратушный В.И. Гетероструктуры на основе четверных и пятерных твердых растворов соединений AmBv. — Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. - 376с., ил.

21.1. Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan. Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // J. Appl. Phys., 89 (11), 5815 (2001)

22. Y. Sharabani, Y. Paltiel, A. Sher, A. Raizman, A. Zussman. GaSb/InAsSb heterostructure MWIR detector for high temperature operation // Proc. Of SPIE, 6940, 69400D-1, doi: 10.1117/12.777339

23. Т.Н. Glisson, J.R. Hauser, M.A. Littlejohn, C.K. Williams. Energy bandgap and lattice constant contours of III-V quaternary alloys // Journal of electronic materials, 7 (1), 1 (1978)

24. Т.Н. Glisson, J.R. Hauser, M.A. Littlejohn, C.K. Williams. Energy bandgap and lattice constant contours of III-V quaternary alloys of the form AxByCzD or ABxCyDz // Journal of electronic materials, 7 (5), 639 (1978)

25. Б.Е. Журтанов, НД. Ильинская, A.H. Именков, М.П. Михайлова, К.В. Калинина, М.А. Сиповская, НД. Стоянов, Ю.П. Яковлев. Малошумящие фотодиоды на основе двойной гетеро структуры GaSb/GalnAsSb/AlGaAsSb для спектрального диапазона 1-4.8 мкм // ФТП, 42 (4), 468 (2008)

26. M. Carras, G. Marre, В. Vinter, J.L. Reverchon and V. Berger. Design and

fabrication of InAsSb detector // Proc. SPIE Vol. 5251, doi: 10.1117/12.514204 (2004)

27. M. Carras, J.L. Reverchon, G. Marre, C. Renard, B. Vinter, X. Marcadet, V. Berger. Interface band gap engineering in InAsSb photodiodes // Appl. Phys. Lett., 87, 102103 (2005)

28. M. Carras, C. Renard, X. Marcadet, J. L. Reverchon2, B. Vinter, V. Berger. Generation-recombination reduction in InAsSb photodiodes // Semicond. Sci. Technol., 21, 1720 (2006)

29. H. Ai't-Kaci, J. Nieto, J. B. Rodriguez, P. Grech, F. Chevrier, A. Salesse, A. Joullie, and P. Christol. Optimization of InAsSb photodetector for non-cryogenic operation in the mid-infrared range // Phys. Stat. Sol. (a) 202 (4), 647-651 (2005)

30. Philip Klipstein. «ХВп» Barrier Photodetectors for High Sensitivity and High Operating Temperature Infrared Sensors. SPIE, 2008

31. M. Razeghi. Overview of antimonide based III-V semiconductor epitaxial layers and their applications at the center for quantum devices // Eur. Phys. J. AP 23, 149-205 (2003)

32. A. Khoshakhlagh, S. Myers, H.S. Kim, E. Plis, N. Gautam, S.J. Lee, S.K. Noh, L.R. Dawson, S. Krishna. Long-Wave InAs/GaSb Superlattice Detectors Based on nBn and Pin Designs // IEEE Journal of Quantum Electronics, 46 (6), 959 (2010)

33. M. Айдаралиев, H.B. Зотова, C.A. Карандашев, Б.А. Матвеев, M.A. Ременный, H.M. Стусь, Г.Н. Талалакин, В.В. Шустов, В.В. Кузнецов, Е.А. Когновицкая. Изопериодные структуры GalnPAsSb/InAs для приборов инфракрасной оптоэлектроники // ФТП, 36 (8), 1010 (2002)

34. В.В. Шерстнев, Д. Старостенко, И.А. Андреев, Г.Г. Коновалов, Н.Д. Ильинская, О.Ю. Серебренникова, Ю.П. Яковлев. Фотодиоды на основе гетероструктур InAs/InAs0.88Sb0.12/InAsSbP для спектрального диапазона 2.5-4.9 |Ш1 // ПЖТФ, 37(1) 11 (2011)

35. Б.А. Матвеев. Инфракрасная полупроводниковая опто электроника с использованием гетеро структур из арсенида индия и твердых растворов на

его основе: Автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук. СПб, 2010.

36. Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь. Неохлаждаемые фотодиоды на основе InAsSb(P) с длинноволновой границей чувствительности 5.8 (im // Письма ЖТФ, 38 (5), 85 (2012).

37. A.A. Усикова. Формирование и оптические свойства наноструктур на основе In-содержащих полупроводниковых соединений АЗ-В5 с выводящими излучение брэгговскими элементами: Автореф. дис. ... кандидата физ.-мат. наук. СПб, 2011.

38. Т.Н. Данилова, Б.Е. Журтанов, A.J1. Закгейм, Н.Д. Ильинская, А.Н. Именков, О.Н. Сараев, М.А. Сиповская, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. Мощные светодиоды, излучающие в области длин волн 1.9-2.1 мкм // ФТП, 33 (2), 239 (1999)

39. A.JI. Закгейм, Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь, А.Е. Черняков. Неохлаждаемые широкополосные флип-чип фотодиоды на основе InAsSb (ACut-0ff = 4.5 мкм) // ФТП, 43 (3), 412 (2009)

40. Volodymyr Tetyorkin, Andriy Sukach and Andriy Tkachuk (2011). InAs Infrared Photodiodes, Advances in Photodiodes, Prof. Gian Franco Dalla Betta (Ed.), ISBN: 978-953-307-163-3, InTech, DOI: 10.5772/14084

41. A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. - М.: Физматкнига, 2011

42. H.H. Gao, A. Krier, V.V. Sherstnev. Room-temperature InAso.89Sbo.11 photodetectors for CO detection at 4.6 jim //Appl. Phys. Lett., 77 (6), 872 (2000)

43. A. Krier and W. Suleiman . Uncooled photodetectors for the 3-5 pm spectral range based on III-V heterojunctions //Appl. Phys. Lett., 89, 083512 (2006)

44. Ф. Шуберт. Светодиоды. Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича, 2-е изд. - М.: Физматлит, 2008

45. Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь. Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия. Обзор // ФТП, 42 (6), 641 (2008)

46. A.Jl. Закгейм, Г.Л. Курышев, М.Н. Мизеров, В.Г. Половинкин, И.В. Рожанский, А.Е. Черняков . Исследование тепловых процессов в мощных InGaN/GaN флип-чип свето диодах с использованием инфракрасной тепловизионной микроскопии // ФТП, 44 (3), 390 (2010)

47. V.K. Malyutenko, S.S. Bolgov. Effect of current crowding on the ideality factor in MQW InGaN/GaN LEDs on sapphire substrates // Proc. SPIE, 7617, 7617IK-1 (2010)

48. Андреев B.M., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектричкское преобразование концентрированного солнечного излучения. — Л.: Наука, 1989. —310с.

49. A. Krier, X.L. Huang. Design considerations for uncooled InAs mid- infrared light emitting diodes grown by liquid phase epitaxy // J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 255-261

50. V.K. Malyutenko, A.V. Zinovchuk and O.Yu. Malyutenko . Bandgap dependence of current crowding effect in 3-5 p.m InAsSb/InAs planar light emitting devices // Semicond. Sci. Technol., 23, 085004 (2008)

51. Пасынков B.B., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 5-е изд., исправленное. — СПб.: Издательство «Лань», 2001. — 480с., ил.

52. A.M. Прохоров. Физическая энциклопедия. — М., «Советская энциклопедия», 1990

53. В.И. Иванов-Омский, Б.А. Матвеев. Отрицательная люминесценция и приборы на ее основе. Обзор // ФТП, 41 (3), 257 (2007)

54. V.K. Malyutenko, O.Yu. Malyutenko, A.D. Podoltsev, I.N. Kucheryavaya, B.A. Matveev, M.A. Remennyi, N.M. Stus'. Current crowding in InAsSb light emitting diodes //Appl. Phys. Lett. 79 (25), 4228 (2001)

55. J12 Series InAs detectors operating instructions. Teledyne Judson Technologies. Oct. 2000. Каталог фирмы Teledyne Judson Technologies. http://www.judsontechnologies.com/

56. V.K. Malyutenko, O.Yu. Malyutenko, A.V. Zinovchuk. Room-temperature

InAsSbP/InAs light emitting diodes by liquid phase epitaxy for midinfrared (3-5 pm) dynamic scene projection //Appl.Phys.Lett., 89, 201114 (2006)

57. A. Krier, V.V. Sherstnev, Z. Labadi, S.E. Krier, H.H. Gao. Interface electroluminescence from InAs quantum well LEDs grown by rapid slider liquid phase epitaxy J. Phys. D: Appl. Phys., 33, 3156-3160 (2000)

58. A. Krier, V.V. Sherstnev. Powerful interface light emitting diodes for methane gas detection J. Phys. D: Appl. Phys., 33, 101-106 (2000)

59. M. Айдаралиев, H.B. Зотова, C.A. Карандашев, Б.А. Матвеев, M.A. Ременный, H.M. Стусь, Г.Н. Талалакин . Механизмы излучательной рекомбинации в лазерах на основе двойных гетероструктур InGaAsSb/ InAsSbP, работающих в диапазоне 3.0-3.6 мкм . ФТП, 33 (2), 233-238 (1999)

60. А.А. Попов, М.В. Степанов, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. 3.3 мкм светодиоды для измерения метана. Письма ЖТФ, 23 (21), 24-31 (1997)

61. В.A. Matveev, М. Aydaraliev, N.V. Zotova, S.A. Karandashov, N.D. Il'inskaya, M.A. Remennyi, N.M. Stus', G.N. Talalakin. Flip-chip bonded InAsSbP and InGaAs LEDs and detectors for the 3-(j.m spectral region. IEE Proc. Optoelectron., 150 (4), 314 (2003)

62. B.M. Базовкин, А.А. Гузев, А.П. Ковчавцев, Г.Л. Курышев, А.С. Ларшин, В.Г. Половинкин. Прикл.физика, № 2, 97 (2005)

63. Кельвин-зондовая силовая микроскопия // http://www.ntmdt.ru/spm-principles/view/kelvin-probe-microscopy

64. H.H. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб.пособие для вузов. Под общ. ред. Н.Н. Евтихиева. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 352с.:ил.

65. Konstantinov O.V., L'vova T.V., Pachanov М.М., "Plateau of Mott type in C-V characteristics of Shottky diodes with heterojunction", Semiconductors, 23, 1283 (1989).

66. B.M. Базовкин, Г.Л. Курышев, И.В. Мжельский, В.Г. Половинкин. Автометрия, 47 (5), 98 (2011)

68. B.B. Пасынков, Л.К. Чиркин. Полупроводниковые приборы, 5-е изд. (СПб., Лань", 2001).

69. А.Л. Закгейм, Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь, А.Е. Черняков. Прикл. Физика, № 6, 143 (2008).

70. Г.А. Гаврилов, Б.А. Матвеев, Г.Ю. Сотникова. Письма ЖТФ, 37 (18), 50 (2011).

71. Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, К.Д. Моисеев, А.Е. Розов, М.А. Сиповская, М.В. Степанов, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. // ФТП. 1999. Т. 33. Вып. 7. С. 781-788.

72. Н.В. Зотова, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь. // ФТП. 2006. Т. 40. Вып. 6. С. 717-723.

73. Геворкян РГ. Курс физики: Учеб. пособие. — М.: Высш. школа, 1979. — 656 е., ил.

74. Левин В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. Учебник для техникумов. Изд. 4-е, перераб. и доп. (М., Атомиздат, 1979), с. 200

75. База данных PRIS, http://pris.iaea.org/public/

76. С.Е. Александров, Г.А. Гаврилов, A.A. Капралов, Б.А. Матвеев, Г.Ю. Сотникова, М.А. Ременный. Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра // ЖТФ, 79 (6), 112 (2009)

77. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов.радио, 1978. - 400 е., ил.

78. Датчик диоксида углерода оптический ИГМ-0171. Руководство по эксплуатации.

79. Каталог фирмы Analog Devices, www.analog.com