Фотоприемное устройство

Полезная модель относится к нанооптоэлектронике, в частности к фотоприемникам на квантовых ямах в терагерцовом диапазоне, имеющим фотоприемный элемент, сформированный в виде многослойной гетерострутуры с рабочим детекторным слоем со свойствами квантовой ямы, выполненным из трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe.

Технический результат предлагаемой полезной модели - актуальное для сферы использования в нанооптоэлектронике обеспечение расширенного спектра чувствительности в терагерцовом диапазоне фотоприемного устройства с фотоприемным элементом на квантовой яме на основе трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe за счет выполнения фотоприемного элемента на квантовой яме в виде предлагаемой многослойной гетероструктуры с рабочим детекторным слоем - Hg_0.814Cd_0.186Te в сочетании с конструктивным осуществлением фотоприемного устройства с дополнительным средством обеспечения его функционирования в условиях оптического возбуждения фотоприемного элемента излучением видимого диапазона.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом фотоприемном устройстве, содержащем чувствительный к терагерцовому излучению фотоприемный элемент, представляющий собой многослойную полупроводниковую гетероструктуру с рабочим детекторным слоем - квантовой ямой, и средство поддержания температуры этой гетероструктуры, обеспечивающей эффективный фототек в фотоприемном элементе, фотоприемный элемент выполнен в виде эпитаксиально последовательно сформированных на подложке GaAs (013) слоев: буферного слоя - ZnTe, буферного слоя - CdTe, двух барьерных квантоворазмерных слоев - Cd_0.702Hg_0.298 Te толщиной 100 нм с расположенным между ними рабочим детекторным слоем - Hg_0.814Cd_0.186Te толщиной 30 нм и покровного слоя - CdTe толщиной 40 нм, размещен при температуре 4.2 K в криостате и снабжен дополнительным средством оптического возбуждения указанной гетероструктуры в виде источника излучения видимого диапазона.

В частном случае исполнения предлагаемого фотоприемного устройства в качестве дополнительного средства оптического возбуждения гетеростуктуры фотоприемного элемента может быть использован синий светодиод с длиной волны излучения 420-490 нм.

Полезная модель относится к нанооптоэлектронике, в частности к фотоприемникам на квантовых ямах в терагерцовом диапазоне, имеющим фотоприемный элемент, сформированный в виде многослойной гетерострутуры с рабочим детекторным слоем со свойствами квантовой ямы, выполненным из трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe.

В известных в уровне техники зарубежных и отечественных фотоприемниках с рабочим детекторным слоем, выполненным из трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe (см. например патент US 5602414, H01L 27/146, H01L 031/00, 1997 или патент РФ 2244365, H01L 31/09, 2005) использован эффект фотопроводимости детекторного слоя, имеющего структуру объемного полупроводника, конструктивно задаваемый толщиной такого детекторного слоя, измеряемой в микронах, в сочетании с подбираемым составом твердого раствора Cd_xHg_1-xTe, определяющими в итоге функционирование указанных фотоприемников в инфракрасном спектральном диапазоне.

Основными недостатками этих фотоприемников являются недостаточно широкий частотный диапазон фоточувствительности (1-14 мкм) и разброс параметров, связанный с флуктуациями состава твердого раствора.

Известные фотоприемники на квантовых ямах в инфракрасном диапазоне, имеющие фотоприемный элемент, сформированный в виде многослойной гетерострутуры с рабочим детекторным слоем со свойствами квантовой ямы, выполненным из трехкомпонентного твердого раствора Al_xGa_1-xAs (см., например патент РФ 2022411, H01L 31/101, 1994), обладая меньшим разбросом параметров структур на квантовых ямах конкурируют с приведенными фотоприемниками с рабочим детекторным слоем, выполненным из трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe.

Являясь наиболее освоенным технологическое направление в области фотоприемников на квантовых ямах Al_xGa_1-xAs, представленное за рубежом многочисленными патентами (см., например патенты US 5914497, 5965899, 6580089, 6967345 и другие), тем не менее не снижает актуальности развития возможностей обеспечения фоточувствительности структур на квантовых ямах за счет расширенного подбора полупроводникового состава таких структур.

Значительное различие между заявляемым фотоприемным устройством и вышеуказанными фотоприемниками с рабочим детекторным слоем, выполненным из трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe и имеющим структуру объемного полупроводника, заключающееся в использовании в заявляемом фотоприемном устройстве на квантовой яме эффекта фотопроводимости чувствительного к терагерцовому излучению фотоприемного элемента с рабочим детекторным слоем, имеющим структуру квантовой ямы, а также между заявляемым фотоприемным устройством и вышеуказанными фотоприемниками на квантовых ямах с рабочим детекторным слоем, выполненным из трехкомпонентного твердого раствора Al_xGa_1-xAs, заключающееся в выполнении рабочего детекторного слоя со свойствами квантовой ямы из иного по составу (исходно влияющему на экспериментально выявляемое проявление фотопроводимости) трехкомпонентного твердого раствора Cd_xHg_1-xTe, послужили основанием для вывода о некорректности сравнения характеристик заявляемого фотоприемного устройства и обнаруженных аналогов.

В связи с отсутствием в уровне техники доступных источников информации со сведениями об аналогах с раскрытой технической сущностью фотоприемника на квантовой яме с рабочим детекторным слоем, выполненным из трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe, заявитель выбрал форму составления формулы и описания полезной модели без прототипа.

Технический результат предлагаемой полезной модели - актуальное для сферы использования в нанооптоэлектронике обеспечение расширенного спектра чувствительности в терагерцовом диапазоне фотоприемного устройства с фотоприемным элементом на квантовой яме на основе трехкомпонентного твердого раствора CdHgTe за счет выполнения фотоприемного элемента на квантовой яме в виде предлагаемой многослойной гетероструктуры с рабочим детекторным слоем - Hg _0.814Cd_0.186Te в сочетании с конструктивным осуществлением фотоприемного устройства с дополнительным средством обеспечения его функционирования в условиях оптического возбуждения фотоприемного элемента излучением видимого диапазона.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом фотоприемном устройстве, содержащем чувствительный к терагерцовому излучению фотоприемный элемент, представляющий собой многослойную полупроводниковую гетероструктуру с рабочим детекторным слоем - квантовой ямой, и средство поддержания температуры этой гетероструктуры, обеспечивающей эффективный фототек в фотоприемном элементе, фотоприемный элемент выполнен в виде эпитаксиально последовательно сформированных на подложке GaAs (013) слоев: буферного слоя - ZnTe, буферного слоя - CdTe, двух барьерных квантоворазмерных слоев - Cd _0.702Hg_0.298Te толщиной 100 нм с расположенным между ними рабочим детекторным слоем - Hg_0.814Cd _0.186Te толщиной 30 нм и покровного слоя - CdTe толщиной 40 нм, размещен при температуре 4.2 K в криостате и снабжен дополнительным средством оптического возбуждения указанной гетероструктуры в виде источника излучения видимого диапазона.

В частном случае исполнения предлагаемого фотоприемного устройства в качестве дополнительного средства оптического возбуждения гетеростуктуры фотоприемного элемента может быть использован синий светодиод с длиной волны излучения 420-490 нм.

На фиг.1 изображена схема заявляемого фотоприемного устройства; на фиг.2 - схема многослойной гетероструктуры фотоприемного элемента на фиг.1; на фиг.3 - экспериментальные кривые терагерцового спектра фотоотклика фотоприемного элемента на фиг.1 в условиях оптического возбуждения в видимом спектре облучения покровного слоя его фоточувствительной многослойной гетероструктуры с рабочим детекторным слоем - Hg _0.814Cd_0.186Te и без указанного возбуждения, подтверждающие расширение спектра чувствительности в терагерцовом диапазоне предлагаемого фотоприемного устройства.

Предлагаемое фотоприемное устройство (см. фиг.1) содержит фотоприемный элемент 1, выполненный в виде многослойной полупроводниковой гетероструктуры с рабочим детекторным слоем - квантовой ямой, и криостат 2 для поддержания температуры этой гетероструктуры, обеспечивающей эффективный фототек в фотоприемном элементе 1.

Фотоприемный элемент 1 размещен в криостате 2 с окном для прохождения принимаемого излучения при температуре 4.2 K и снабжен установленным в криостате 2 дополнительным средством оптического возбуждения гетероструктуры фотоприемного элемента 1 в виде источника излучения видимого диапазона 3, в качестве которого в настоящем примере выполнения заявляемого фотоприемного устройства использован для облучения покровного слоя указанной гетероструктуры синий светодиод с длиной волны излучения 470 нм (светодиод - КИПД66Л-Г с силой света 150 мкд).

К фотоприемному элементу 1 для регистрации приемного излучения присоединен измерительный высокочувствительный омметр 4 с подключенной к нему для записи ЭВМ 5.

Многослойная полупроводниковая гетероструктура фотоприемного элемента 1 (см. фиг.2) содержит эпитаксиально последовательно сформированные на подложке 6 GaAs (013) толщиной 300 мкм слои: буферный слой 7 - ZnTe толщиной 300 нм, буферный слой 8 - CdTe толщиной 5 мкм, нижний барьерный квантоворазмерный слой 9 - Cd_0.702Hg_0.298 Te толщиной 100 нм, рабочий детекторный слой 10 - Hg_0.814 Cd_0.186Te толщиной 30 нм, верхний барьерный квантоворазмерный слой 11 - Cd_0.702Hg_0.298Te толщиной 100 нм и покровный слой 12 - CdTe толщиной 40 нм (гетероструктура была выращена в Институте физики полупроводников им. А.В.Ржанова Сибирского отделения РАН, г.Новосибирск).

Предлагаемое фотоприемное устройство функционирует в результате возникновения под воздействием детектируемого терагерцового излучения фототока в фотоприемном элементе 1. При этом физический механизм проявления фоточувствительности рабочего детекторного слоя 9 - квантовой ямы аналогичен процессу возбуждения межзонных переходов в известных фотоприемниках (см., например книгу С.3и. Физические основы наноэлектроники. - Москва, «Мир», 1984, том.2, с.339-340) в условиях экспериментально обнаруженного заявителем протекания фототока в фотоприемном элементе 1 в расширенном терагерцовом диапазоне принимаемого излучения (см. фиг.3) при оптическом возбуждении фотоприемного элемента 1 дополнительным средством в виде источника излучения видимого диапазона 3 в результате облучения покровного слоя 12.

Исследования спектра фотоотклика фотоприемного элемента 1 проводились при температуре 4.2 K на образцах вышеизложенной многослойной гетероструктуры размером 5×5 мм² с двумя полосковыми омическими контактами по краям. Измерения спектров проводились с помощью фурье-спектрометра Bruker Vertex 80v, в качестве источника приемного излучения использовался глобар. Излучение подводилось к образцу по полированному металлическому световоду. Использовался майларовый светоделитель толщиной 3 мкм, что обеспечивало чувствительность установки в диапазоне 50-700 см^-1. В качестве источника смещения и предварительного усилителя использовался малошумящий токовый предусилитель SR570 фирмы «Stanford Research Systems», с выхода которого сигнал поступал на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) спектрометра. Имелась возможность проводить подсветку исследуемой многослойной гетероструктуры облучением ее покровного слоя 12 излучением синего светодиода, расположенного в жидком гелии вблизи образца. В качестве источника тока и цифрового вольтметра использовался прибор Keithley 2400, показания которого записывались в ЭВМ 5.

Сравнение кривых «а» - спектра фотоотклика с оптическим возбуждением видимым светом и «б» - спектра фотоотклика без оптического возбуждения (см. фиг.3) подтверждает расширение на 7 ТГц на участке с 1,5 по 8,5 ТГц спектра фотоотклика в терагерцовом диапазоне фотоприемного элемента 1 заявляемого фотоприемного устройства.

1. Фотоприемное устройство, содержащее чувствительный к терагерцовому излучению фотоприемный элемент, представляющий собой многослойную полупроводниковую гетероструктуру с рабочим детекторным слоем - квантовой ямой, и средство поддержания температуры этой гетероструктуры, обеспечивающей эффективный фототек в фотоприемном элементе, характеризующееся тем, что фотоприемный элемент выполнен в виде эпитаксиально последовательно сформированных на подложке GaAs (013) слоев: буферного слоя ZnTe, буферного слоя CdTe, двух барьерных слоев Cd_0.702Hg _0.298Te толщиной 100 нм с расположенным между ними рабочим детекторным слоем Hg_0.814Cd_0.186Te толщиной 30 нм и покровного слоя CdTe толщиной 40 нм, размещен при температуре 4,2 K в криостате и снабжен дополнительным средством оптического возбуждения указанной гетероструктуры в виде источника излучения видимого диапазона.

2. Фотоприемное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве дополнительного средства оптического возбуждения гетероструктуры фотоприемного элемента использован синий светодиод с длиной волны излучения 420-490 нм.