ИК фотоприемники на основе гетероструктур КРТ-кремний, работающие при повышенных температурах.
, , ,
Одной из важных задач современной микрофотоэлектроники является повышение рабочей температуры охлаждаемых фотовольтаических ИК-детекторов относительно температуры жидкого азота. Более высокая рабочая температура позволяет снижать размер, вес, энергопотребление фотоприемников (ФП) и расширить диапазон их применения.
Лидирующее место при производстве фотоприемников ближнего, среднего и дальнего ИК - диапазона занимают узкозонные полупроводниковые твердые растворы теллурида кадмия и ртути (КРТ). Особый интерес представляют гетероструктуры КРТ выращенные на подложках из кремния позволяющие снизить стоимость фоточувствительного материала и ФПУ на его основе. Такие гетероструктуры кардинально решают проблему согласования коэффициентов термического расширения фоточувствительного элемента и кремниевой интегральной схемы считывания и предварительной обработки сигнала (мультиплексора), что, в свою очередь, упрощает производство тепловизионных систем и существенным образом увеличивает их ресурс.
Нами проведено исследование свойств многослойных гетероструктур CdHgTe (КРТ) выращенных на подложках Si(013) методом молекулярно-лучевой эпитаксии для ИК фотоприемников работающих при повышенных температурах.
Методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках Si(310) выращены гетероэпитаксиальные структуры CdxHg1-xTe с варизонными слоями. Толщина фоточувствительного слоя CdxHg1-xTe составляет 4 - 6 мкм, величина x - 0,3 - 0,4. В процессе роста слои КРТ легировались In с концентрацией до 5×1015см-3. Получены слои с плотностью морфологических V-дефектов ~ 500 см-2.
Выращенные структуры пассивировались в едином процессе при 100 оС поликристаллическим слоем CdTe. Измерения вольт-фарадных характеристик МДП структур КРТ/теллурид кадмия показали, что в пассивирующем слое встроенный заряд отсутствует и на границе раздела CdxHg1-xTe/CdTe нет заметной плотности поверхностных состояний.
Для выявления механизмов рекомбинации носителей в пленках КРТ МЛЭ с х≈0.3 были исследованы температурные зависимости времени жизни после роста и после дополнительных термообработок. В образцах после роста при низких температурах преобладает вклад рекомбинации Шокли-Рида с концентрацией глубоких уровней Nr ≈ 1∙1014 см-3. После отжига для получения р-типа проводимости (за счет образования вакансий ртути) время жизни уменьшается по сравнению с образцом после роста и при температуре жидкого азота составляет несколько десятков наносекунд. Температурная зависимость для этого случая описывается моделью с привлечением большой (Nr ≈ 1∙1015 см-3) концентрации глубоких уровней, связанных с вакансиями ртути. После активационного отжига, наоборот, время жизни при азотной температуре заметно возрастает. Теоретически эта зависимость и зависимость после роста хорошо описываются моделью с привлечением глубоких уровней с одинаковой энергией, но с существенно меньшей (на порядок) концентрацией.
На основе легированных In гетероэпитаксиальных варизонных структур CdxHg1-xTe (х= 0,4) со слоем CdTe толщиной 0,25 мкм на поверхности ионной имплантацией мышьяка с последующим активационным отжигом изготовлены матрицы «p-на-n» фотодиодов с красной границей фоточувствительности 3 и 5 мкм. Для сравнения ионной имплантацией бора в слои p-типа проводимости аналогичного состава были изготовлены матрицы «n-на-p» фотодиодов. Слои p-типа проводимости формировали введением в подрешетку металла необходимого числа вакансий с помощью температурного отжига в инертной атмосфере. Площадь диодов в обоих случаях составляла 10Ч10 мкм2, шаг диодов в матрице ~ 30 мкм.
Были измерены температурные зависимости токов, обратно смещенных диодов. Величины токов «p-на-n» фотодиодов были почти на 2 порядка меньше чем у диодов на основе вакансионного КРТ, что связано с низкой подвижностью дырок в фоточувствительном n – слое и низкой концентрацией глубоких уровней в гетроструктурах КРТ легированных индием, которые в «p-на-n» и «n-на-p» переходах составляли ~ 1∙1013 см-3 и 1∙1015 см-3соответственно. Концентрации глубоких уровней были определена из сравнения экспериментальных и теоретических зависимостей токов.
Изготовлены гибридные матричные ИКФП формата 320Ч256 с λ1/2 (170К) = 3.0 мкм. Значения NETD и D* при 170 К составили менее 40 мК и более 2∙1012 cм·Гц1/2·Вт-1 (комнатный фон с и/2 =32, полоса 40 Гц).
Впервые в России изготовлены гибридные матричные ИКФП формата 1024Ч1024 с λ1/2 (170К) = 3.0 мкм. Фотоэлектрические параметры элементов матрицы измерялись с помощью ИК пятна диаметром 30 мкм с концентрацией энергии в пятне 40% (диапроектор ИКД-2). При вольтовой чувствительности ~ 1,3∙1011 В/Вт величина D* при 170 К в максимуме гистограммы составляла ~ 8∙1011 cм·Гц1/2·Вт-1.
