Фотовольтаический приемник ик излучения на квантовых точках

Заявляемая полезная модель относится к области фотоэлектрических приборов и предназначена для работы в качестве приемника оптического излучения в широком диапазоне длин волн в устройствах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, теплопеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля. Целью заявляемой полезной модели является улучшение характеристик и их воспроизводимости в технологическом цикле изготовления приемника ИК излучения на основе кремниевых p-i-n структур, в i-области которых создан массив (в.ч. многослойный) Ge квантовых точек. Формирование i-области с толщиной такой, чтобы уровень Ферми в области массива слоев квантовых точек был расположен ниже основного состояния для всех слоев квантовых точек и количеством массивов квантовых точек ~5 позволяет достичь наибольшей чувствительности устройства в спектральном диапазоне 2-5 мкм, который определяется энергетической структурой совокупности массивов Ge квантовых точек. Реализация заявленной модели фотоприемника ИК излучения позволяет повысить его чувствительность, снизить уровень шума, уменьшить тепловыделение на чувствительном элементе, повысить воспроизводимость параметров фотоприемника в стандартном технологическом цикле его изготовления, что подтверждают проведенные испытания экспериментальных образцов.

Предлагаемая полезная модель устройства относится к микроэлектронике, в частности к фотоэлектрическим приборам, предназначенным для работы в качестве приемника оптического излучения в широком диапазоне длин волн в системах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, оптической пеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля.

Известен способ создания фотоприемника (детектора) лазерного излучения с управлением фоточувствительностью посредством внешних полей. Фотоприемник (детектор) выполнен на основе полностью обедненной легированной сверхрешетки GaAs, перекрывающей диапазон от 0,8 до 1,4 мкм (Horikoshi Y., Poog К. // Appl. Phys. A. - 1985, v.37, p.47; Херман М. «Полупроводниковые сверхрешетки». Изд. «Мир», 1989, с.240 [2]). Фотовозбужденные электроны и дырки сразу после рождения разделяются полем легированной сверхрешетки, что приводит к высокой квантовой эффективности прибора. Благодаря полному обеднению легированная сверхрешетка ведет себя как очень высокоомный материал, что позволяет прикладывать вдоль слоев сильные электрические поля с помощью селективных n⁺ -р⁺-переходов. Чувствительность прибора на длине волны 1,3 мкм достигает 90% от исходного межзонного фотоотклика при 0,85 мкм, а внешний квантовый выход при 0,85 мкм достигает 65%. Такая высокая фоточувствительность достигается приложением достаточно большого электрического поля, включающего внутреннее поле объемного заряда и внешнее приложенное электрическое поле. 1

Однако приложение высоких напряженностей электрических полей приводит к увеличению токов утечки, шумов и электрическому пробою полупроводниковых слоев сверхрешетки.

Ближайшим техническим решением к заявленному является фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с квантовыми ямами, включающий подложку из полуизолирующего GaAs с буферным i-слоем, первый контактный слой n-GaAs, систему чередующихся слоев Al_xGa _1-xAs и GaAs, причем в один из материалов системы чередующихся слоев введена примесь кремния до уровня легирования 2·10 ¹⁸ см^-3, и второй контактный слой n-GaAs. При этом примесь кремния введена в слой Al_xGa_1-x As в виде тонкого слоя, расположенного на расстоянии не больше Дебаевской длины экранирования от одной из границ раздела чередующихся слоев (RU2022411 [7]).

Недостатком известного детектора является сложность интеграции процесса его изготовления в стандартную монолитную кремниевую технологию. Кроме того, детекторы данного типа предназначены для работы исключительно в режиме фотосопротивления и не предназначены для детектирования излучения в фотовольтаическом режиме.

Заявляемое устройство детектирования ИК излучения направлено на создание нового поколения детекторов, допускающих как самостоятельное использование в виде дискретных детекторов оптического излучения, так и использование в виде элементов интегральных схем, таких как многоэлементные и матричные фотодетекторы, включая перспективные устройства плазмоники (электронно-фотонные микросхемы) (Ozbay Е. "Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimentions." // Science - 2006, v.311, p.189; Zia R., Schuller J.A., Chardan A., Brongersma M.L. "Plasmonics: the next chip-scale technology." // Mater. Today. - 2006, v.9, p.20; Ebbesen T.W., Genet C, Bozhevolnyi S.I. "Surface-plasmon circuitry." // Phys. Today - 2008, v.61, p.44 [8]).

Заявляемая полезная модель фотоприемника позволяет повысить его чувствительность, снизить уровень шумов приемника, уменьшить энергопотребление, уменьшить тепловыделение на чувствительном элементе фотоприемника, повысить воспроизводимость его параметров в рамках стандартного цикла изготовления фотоприемника.

Указанный результат достигается тем, что заявленная полезная модель фотоприемника, содержащего сформированную на основе кремния p-i-n структуру, в i-области которой создан массив (массивы) германиевых квантовых точек, источник опорного излучения, представляющий собой светодиод, энергия излучения которого соответствует диапазону фундаментального поглощения кремния, для создания опорной (наведенной) эдс, и блок регистрации, измеряющий величину изменения опорной эдс при облучении области структуры с германиеевыыми квантовыми точками детектируемым ЯК излучением для достижения максимальной чувствительности детектора, толщина i-области структуры подбирается такой, чтобы уровень Ферми в области массива квантовых точек был расположен ниже основного состояния для всех слоев квантовых точек. Создание опорной эдс за счет пространственного разделения зарядов, возникающих при облучении p-i-n структур, формируемых на основе кремния и включающих в себя массив квантовых точек в i-области структуры, оптическим излучением в области фундаментального поглощения, облучение области структуры с массивом квантовых точек детектируемым (регистрируемым) оптическим излучением, измерение величины изменения эдс при облучении структуры детектируемым ИК излучением и определение параметров детектируемого излучения по величине изменения эдс.

Сущность заявляемого устройства детектирования ПК излучения поясняется примером реализации и графическими материалами. На фиг.1 представлена структурная схема устройства детектирования ИК излучения. На фиг.2 схематически представлено изображение структуры детектора, входящего в состав устройства регистрации и измерения ИК излучения. На фиг.3 приведена зонная диаграмма детектора. Приемник содержит: 1 - чувствительную структуру с квантовыми точками, 2 - криостат, 3 - источник опорного излучения, 4 - собирающую линзу, 5 - нагретое тело, 6 - регистрируемое ИК излучение, 7 - устройство для детектирования изменения фото-ЭДС (вольтметр).

Детектор (формируемая на основе кремния структура) изготавливался следующим образом: методом сверхвысоковакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии на основе кремния формировалась p-i-n структура со встроенным в i-область многослойным массивом германиевых квантовых точек. Фотоприемные площадки детектора формировались методом фотолитографии и химического травления. Омические контакты к полупроводниковой структуре формировались термическим или плазменным напылением металлов.

Устройство для детектирования ИК излучения функционирует следующим образом.

Рассмотрим инфракрасный детектор, созданный на основе кремниевого p-i-n перехода, сформированного на подложке Si(100), в i-области пространственного заряда которого на плоскости (001) выращено 5 слоев (плотных двумерных массивов со слоевой концентрацией ~2·10¹¹ см^-2) квантовых точек Ge с эффективной толщиной каждого слоя осажденного германия ~10Å, разделенных слоями кремния с толщиной ~30Å. Опорная эдс в такой структуре создавалась светодиодом АЛ145А с энергией квантов в области фундаментального поглощения Si. Управление опорной эдс осуществляется посредством изменения зарядового состояния массива германиевых точек вследствие воздействия инфракрасного излучения от глобара с длинной волны в интервале 2-5 мкм, соответствующей энергетической структуре сформированных квантовых точек Ge в кремнии. Спектральный диапазон такого детектора в определенной степени зависит от типа и геометрических параметров германиевых квантовых точек, их слоевой плотности (что определяется условиями роста и контролируется методом сканирующей туннельной микроскопии), количества слоев и рабочей температуры детектора.

Фотовольтаический приемник ИК излучения, содержащий сформированную на основе кремния p-i-n структуру, в i-области которой создан массив (в.ч. многослойный) германиевых квантовых точек, источник опорного излучения, представляющий собой светодиод, энергия излучения которого соответствует диапазону фундаментального поглощения кремния, для создания опорной (наведенной) эдс, и блок регистрации, измеряющий величину изменения опорной эдс при облучении области структуры с Ge квантовыми точками детектируемым ИК излучением в диапазоне длин волн 2-5 мкм, соответствующем энергетической структуре Ge квантовых точек, отличающийся тем, что толщина i-области структуры сформирована так, чтобы уровень Ферми в области массива слоев квантовых точек был расположен ниже основного состояния для всех слоев квантовых точек, при этом количество слоев Ge квантовых точек должно быть ~5, слоевая концентрация Ge квантовых точек должна составлять ~2·10¹¹ см^-2 , при эффективной толщине слоя осажденного германия ~10 Å и толщине разделяющих слоев кремния ~30 Å.