СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ДЕТЕКТОРА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИК-ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2011 года по МПК H01L31/00 B82B1/00 

Изобретение относится к области полупроводниковой наноэлектроники, в частности к устройствам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию, и может быть использовано в производстве детекторов лазерного излучения на основе эффекта фотонного увлечения в низкоразмерных системах.

Известны детекторы инфракрасного излучения, такие как Ge, легированный Zn, Cu или Hg, или детекторы на основе твердых растворов Cd_xHg_1-xTe (см., например, патент RU №2310949, МПК H01L 31/04), которые имеют высокую чувствительность, но требуют глубокого охлаждения и обладают ограниченным временным разрешением.

Известны сверхбыстродействующие, субнаносекундные неохлаждаемые детекторы импульсного лазерного излучения в инфракрасной области спектра, на основе эффекта фотонного увлечения (ЭФУ), такие как p-Ge, где используются прямые внутризонные переходы дырок в валентной зоне, такие как n-InAs и n-CdTe, где используются непрямые переходы электронов в зоне проводимости. Они могут определять энергетические характеристики лазерных импульсов (В.Г.Агафонов, П..М.Валов, Б.С.Рыбкин, И.Д.Ярошецкий. Фотоприемники на основе эффекта увлечения светом носителей тока в полупроводниках // Физика и техника полупроводников. - 1973, т.7, №12, с.2316-2325).

К недостаткам указанных детекторов можно отнести наличие сильной зависимости фоточувствительности от концентрации свободных носителей заряда. Так, например, максимальная фоточувствительность детектора из p-Ge достигается при концентрации дырок ≈10¹⁴ см^-3, в то время как для относительно малых концентраций фоточувствительность пропорциональна длине детектора. Увеличение концентрации дырок связано с увеличением интенсивности лазерного излучения, что может привести к разрушению образца. В случае детекторов из n-InAs и n-CdTe увеличение их удельного сопротивления может быть достигнуто за счет высокого уровня легирования. Однако значительное увеличение концентрации легирующей примеси может привести к существенному увеличению концентрации свободных носителей и к соответствующему уменьшению фоточувствительности детекторов.

Известен способ преобразования энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию посредством фотоэлемента (патент RU №2222846, МПК H01L 31/04, 2004 г.), который содержит расположенные на металлической пластине слои полупроводника n- и p-типа с p-n-переходом между ними и прозрачный электропроводящий слой. При этом в указанный слой полупроводника n-типа дополнительно введены наночастицы металла размером много меньше длины волны излучения, при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)·10^-2 объемных долей. В результате повышается КПД устройства.

К недостаткам указанного прибора можно отнести отсутствие возможности для управления функциональными характеристиками такого фотоэлемента, в частности фоточувствительностью.

Наиболее близким по своей сущности техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является способ управления фоточувствительностью фотоприемника (детектора) лазерного излучения посредством внешних полей. Фотоприемник (детектор) выполнен на основе полностью обедненной легированной сверхрешетки GaAs, перекрывающей весь диапазон от 0,8 до 1,4 мкм (Horikoshi Y., Poog K. // Appl. Phys. А. - 1985, v.37, р.47; М.Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. Изд. «Мир», 1989, с.240). 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, позволяющий прикладывать вдоль слоев сильные электрические поля с помощью селективных n⁺-p⁺-электронов. 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 очень большой величиной электрического поля, состоящего из внутреннего поля объемного заряда и внешнего приложенного электрического поля.

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

Задачей настоящего изобретения является расширение фоточувствительности детектора лазерного излучения в субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, основанном на управлении фоточувствительностью детектора лазерного излучения в ИК-диапазоне посредством воздействия на детектор внешних полей, для детектора, изготовленного из квантовой проволоки на основе InSb, легированного примесью донорного типа, с диаметром квантовой проволоки, примерно равным величине эффективного Боровского радиуса для электрона в материале квантовой проволоки, в качестве внешнего воздействия используют магнитное поле с индукцией от 2 до 5 Тл.

В предлагаемом способе управление фоточувствительностью достигается за счет эффекта гибритизации размерного и магнитного квантования.

На фиг.1 представлено схематическое изображение кривых вероятностей оптических переходов электронов с примесных центров во вторую гибридно-квантовую подзону зоны проводимости КП при учете продольной составляющей импульса фотонов ħq_z.

На фиг.2 - блок-схема измерительной установки, где 1 - мультиметр, 2 - детектор, 3 - усилитель, 4 - персональный компьютер, 5 - осциллограф, 6 - программированный источник питания, 7 - источник питания. Установка используется для автоматизированного снятия характеристик детектора 2. С помощью цифрового мультиметра 1 снимаются значения тока, проходящего через детектор 2, и запись, для обработки, в компьютер. Программируемый источник тока 6 необходим для задания начального тока смещения детектора и снятия ВАХ детектора. Посредством усилителя 3 и цифрового осциллографа 5 снимаются динамические характеристики детектора и передача полученных данных на ПК для дальнейшей обработки. Также установка позволяет исследовать переходные процессы, проходящие в детекторе.

На фиг.3 - конструкция одновиткового соленоида, где 2а - длина соленоида, h - толщина соленоида, D - диаметр соленоида. Изображение кривых на фиг.1 позволяет понять механизм возникновения тока увлечения при фотоионизации примесных центров в квантовой проволоке в условиях внешнего магнитного поля. Кривые E_0,+1,kz и Е_1,+1,kz изображают структуру двух первых гибридно-квантовых подзон зоны проводимости КП в плоскости, параллельной направлению распространения света. Кривые W₀ и W_q - вероятности оптических переходов с примесного уровня с энергией Е_λB<0 в гибридно-квантовую подзону зоны проводимости с осцилляторным квантовым числом n=1 и магнитным квантовым числом m=+1 при поглощении фотона с энергией hω и продольной составляющей импульса ħq_z. Кривая W₀ соответствует выражению для вероятности в нулевом по q_z приближении, а кривая W_q - вероятности в линейном по q_z приближении. Из закона сохранения энергии при оптическом переходе следует, что энергия электронов, попавших в состояния 1′ и 2′ одинаковы, однако, как видно из фиг.1, из-за учета продольной составляющей импульса фотона вероятность оптических переходов перестает быть симметричной относительно точки K_z=0, поскольку число переходов 2^→2′ больше числа переходов 1^→1′ и суммарный ток электронов будет отличен от нуля. В режиме короткого замыкания плотность тока фотонного увлечения j(ω) в КП при наличии продольного магнитного поля и в случае рассеяния одномерных электронов на примесях, можно представить в виде

где X=ħω/E_d; ; δ_T=E_d/(kT); n_i - концентрация примесных рассеивающих центров в квантовой проволоке; λ_S - длина рассеяния; n_e - концентрация электронов; N₀ - концентрация D^--центров в квантовой проволоке; n_λ - линейная концентрация D^--центров, локализованных на оси квантовой проволоки; θ(S) - единичная функция Хевисайда.

При этом резонансные частоты ω_res, определяющие положение пиков в дувлете Зеемана спектральной характеристики плотности тока фотонного увлечения, определяются формулой

где |Е_λВ| - энергия ионизации донорного центра, ω_В - циклотронная частота,

- гибридная частота, ω₀ - характерная частота удерживающего потенциала.

Из формулы (2) следует, что с ростом величины магнитного поля имеет место синий сдвиг спектральной характеристики плотности тока фотонного увлечения. Фоточувствительность детектора лазерного излучения G на основе эффекта фотонного увлечения электронов пропорциональна плотности тока увлечения

где V - величина фотоэдс, W=I₀·hω·S₀ - мощность падающего на детектор излучения, S₀ - площадь поперечного сечения светового пучка, ρ₀ - удельное сопротивление материала КП, L_z - длина КП.

Как следует из формулы (3), чувствительность детектора G является функцией магнитной индукции В. В этой связи появляется возможность для управления фоточувствительностью в области примесного поглощения света (ИК-диапазон) за счет варьирования величины В. Диаметр КП должен быть примерно равен величине эффективного боровского радиуса для электрона в материале КП, т.е. 2L₀≈a_d, для того, чтобы имел место квантовый размерный эффект. Величина магнитного поля должна быть такой, чтобы магнитная длина не превышала эффективный радиус локализации примесного электрона, т.е. а_В≤λ^-1. В этом случае необходимо учитывать динамику примесного уровня. Данное условие выполняется, если В≥2|E_λB|m^*/(|e|ħ) и в случае КП на основе InSb В≥2,4 Тл.

Сущность способа заключается в том, что полупроводниковый детектор лазерного излучения в виде КП из InSb, выращенной методом структурной изоляции (см. С.Г.Романов, Н.М.Йатс, М.И.Пембл, Д.Р.Аггер и др. Интерфейсные эффекты и формирование оптических свойств ансамблей структурно-изолированных квантовых нитей I и Р. // Физика твердого тела. - 1997, т.39, №4, с.727-734) помещается в продольное, по отношению к оси КП, магнитное поле, величину которого можно менять в пределах от 2 до 5 Тл. (фиг.2).

В качестве матриц были использованы хризотил-асбест (СА) (диаметр d≈8 нм, А≈40 нм), канальный каркасный селикат МСМ-41. А в качестве метода синтеза InSb - двухступенчатая газофазная реакция замещения металлорганического соединения триметил-индия (TMIn). Особенностью данного метода синтеза является использование поверхностных состояний матрицы в качестве центров адсорбции, поэтому рост полупроводника начинается с поверхности каналов, приводя в итоге к нитям цилиндрического сечения. На фиг.3 показана конструкция одновиткового соленоида, который использовался для создания магнитного поля в фиксированном объеме, где была расположена структура с КП.

При изменении величины магнитного поля от 0 до 5 Тл максимум фоточувствительности детектора смещается в коротковолновую область спектра примерно на 1 мкм.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет обеспечить возможность расширить фоточувствительность детектора в ближнем ИК-диапазоне за счет изменения величины внешнего магнитного поля, а использование InSb в качестве материала для КП обеспечивает высокую подвижность носителей заряда и относительно небольшие величины внешнего магнитного поля.

Изобретение относится к области полупроводниковой наноэлектроники, в частности к устройствам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию, и может быть использован в производстве детекторов лазерного излучения на основе эффекта фотонного увлечения в низкоразмерных системах. Способ управления фоточувствительностью детектора лазерного излучения в ИК-диапазоне посредством воздействия на детектор внешних полей, для детектора, изготовленного из квантовой проволоки на основе InSb, легированного примесью донорного типа, с диаметром квантовой проволоки, примерно равным величине эффективного Боровского радиуса для электрона в материале квантовой проволоки, в качестве внешнего воздействия используют магнитное поле с индукцией от 2 до 5 Тл. Изобретение обеспечивает расширение фоточувствительности детектора лазерного излучения в субмиллиметровом диапазоне длин волн. 3 ил.

Способ управления фоточувствительностью детектора лазерного излучения в ИК-диапазоне посредством воздействия на детектор внешних полей, отличающийся тем, что для детектора, изготовленного из квантовой проволоки на основе InSb, легированного примесью донорного типа, с диаметром квантовой проволоки, примерно равным величине эффективного Боровского радиуса для электрона в материале квантовой проволоки, в качестве внешнего воздействия используют магнитное поле с индукцией от 2 до 5 Тл.