Введение к работе
Актуальность. Новые возможности передачи больших объемов информации и когерентной обработки оптических сигналов, возникшие с открытием лазеров, выдвинули повышенные требования к фотодетекторам и стимулировали развитие исследований в этой области.
Появление мощного источника излучения, слабо поглощаемого атмосферой, - лазера на углекислом газе - вызвало к жизни многочисленные исследования, направленные на создание новых типов быстродействующих фотодетекторов для средней Ж области спектра. Были достигнуты значительные успехи: при азотных и даже при несколько более высоких температурах фотодиоды на основе тройных соединений достигают пороговых чувствительнос-тей, близких к идеальным, при работе как в прямом, так и в гетеродинном режимах работы и обладают высоким, до Ю-10 с, быстродействием /1 -г 4/.
Значительно меньше внимания уделялось исследованиям и разработкам быстродействующих фотодетекторов лазерного излучения на основе таких традиционных материалов для средней ИК области, как примесные германий и кремний /5 * 7/. В то же время примесные фоторезисторы обладают рядом достоинств, отсутствующих у фотодиодов. У них значительно меньшая, чем у фотодиодов, собственная емкость, которая, к тому же, не зависит от размеров приемной площадки. Примесные фоторезисторы из германия и кремния значительно более устойчивы к оптическим перегрузкам, чем фотодиоды из тройных соединений, и в отличие от последних обладают стабильными характеристиками. Примесные фоторезисторы имеют существенно больший,
чем фотодиоды, динамический диапазон и обеспечивают лучшую помехоустойчивость фотоприемного устройства, что весьма важно для ряда применений. В то же время, основные недостатки примесных фоторезисторов по сравнению с фотодиодами - требование более глубокого охлаждения и меньшая величина токовой фоточувствительности - при работе в режиме оптического гетероди-нирования могут быть в значительной мере ослаблены.
Физические процессы в примесных фотопроводниках обычно рассматриваются на основе представлений об изолированных друг от друга примесных центрах, находящихся в идеальной кристаллической решетке полупроводника. Для германия и кремния, по крайней мере при невысоких концентрациях примесей и не очень низких температурах, такие представления в основном применимы. Практически полная характеристика примесного центра, достаточная для описания примесной фотопроводимости, в этом случае содержит небольшое число параметров: анергию ионизации центра, сечение поглощения излучения /зависящее от длины волны/ и сечение захвата носителей заряда /зависящее от температуры/. Существует большое количество экспериментальных работ, посвященных исследованию этих характеристик, но несмотря на это имеющиеся данные существенно неполны, а иногда и противоречивы.
Для анализа наблвдаедах явлений как правило привлекаются результаты теоретического анализа, основанного на тех же представлениях, т.е. не учитывающего взаимодействия примесных центров. Такой подход вполне пригоден для приближенных оценок характеристик фотопроводников при относительно невысоких концентрациях примеси, достаточных однако для реализации
фотодетекторов с практически оптимальными значениями пороговой мощности в условиях 300-градусного фона, но с невысоким быстродействием /8/.
Учет межпримесного взаимодействия или, в более общем виде, использование теории неупорядоченных систем, становится необходимым в первую очередь при низких температурах, когда тепловая энергия много меньше флуктуации энергии, вызванных неу-порядоченностями /9/. Представленные в диссертации результаты исследований быстродействующих фотопроводников, содержащих значительное количество заряженных примесных центров, показывают, однако, что кулоновское поле ионов примесей может оказывать заметное влияние на физические процессы, определяющие фоточувствительность практических устройств, и при относительно высоких температурах, когда тепловая энергия превышает флуктуации энергии электронных состояний.
Таким образом, актуальность исследования роли случайного потенциала в быстродействующих фотопроводниках определяется как необходимостью развития научных представлений о (физических прцессах в таких материалах, так и практическими потребностями в создании быстродействующих фотодетекторов.
Предмет и цель исследований. Исследования, результаты которых представлены в диссертации, были предприняты для выяснения возможностей использования примесных фоторезисторов в качестве быстродействующих и эффективных детекторов лазерного излучения. Они включали в себя как исследования физических явлений в полупроводниках с относительно высокими концентрациями легирующих примесей, необходимыми для обеспечения коротких времен релаксации фотопроводимости, так и анализ и экспе-
-о-
риментальные исследования собственно фотоприемных характерно тик быстродеЁствуювдх примесных фоторезисторов в режимах прямого и гетеродинного детектирования излучения. Значительное внимание было уделено также практическим разработкам быстродействующих многоэлементных фотодетекторов для ряда практических применений.
Исходя из практических задач, особое внимание при рассмотрении фотоприемных характеристик примесных -фоторезисторов было уделено вопросам достижения предельно возможных для такого типа фотодетекторов значений пороговой мощности и быстродействия в режиме оптического гетеродинирования, а также анализу работы фотопроводников при относительно высоких температурах. Вместе с заданной спектральной областью /10 мкм/ это определило выбор материала для исследований, которым ста) главным образом, германий, легированный цинком или ртутью, обладающими хорошей растворимостью ж энергиями ионизации, наиболее близкими к энергии кванта 10-микронного излучения.
В связи с вышесказанным, целью работы явилось исследоваш роли случайного поля в физических процессах, определяющих фотоэлектрические свойства примесного полупроводника, и создание быстродействующих фотодетекторов лазерного излучения с пороговой мощностью, близкой к квантовому пределу.
Научная новизна.
1. Экспериментально и теоретически показано, что в фотопроводниках, практически используемых для создания быстродействующих фотодетекторов, случайное поле заряженных примесей существенно влияет на процессы термического и оптического
возбуждения носителей заряда, а также на процесс захвата неравновесных носителей, при этом роль случайного поля в рабочем диапазоне температур фотопроводников может быть описана в приближении малой величины энергии случайного поля по сравнению с тепловой энергией. Показано, что изменение характеристик тепловой генерации, проявляющееся как уменьшение энергии тепловой ионизации примеси, в предельных случаях сильной и слабой компенсации можно описать аналитическими выражениями, при этом для случая малой степени компенсации энергия тепловой активации примесной проводимости оказывается зависящей от температуры.
-
Обнаружено и исследовано вызванное наличием случайного поля уменьшение сечения фотоионизации примесных центров, которое проявляется при повышении концентрации примесей я повышений интенсивности оптического возбуждения.
-
Проведен качественный анализ поведения случайного поля в примесном полупроводнике в условиях оптического возбуждения примесей, который выявил взаимосвязь между величиной интенсивности оптического возбуждения и величиной случайного потенциала. Это позволило объяснить найденную экспериментальную зависимость величины оптического поглощения от интенсивности излучения.
-
Экспериментально установлено, что случайное поле не оказывает непосредственного влияния на процесс захвата неравновесных носителей, если энергия электрона в случайном поле меньше его тепловой энергии. В противном случае пространственное разделение центров захвата и свободных носителей случайным полем приводит к резкому росту времени релаксации
фотопроводимости с понижением температуры и для.
при азотных температурах ограничивает его минимальное значение
на уровне -лКГ1-1- с.
5- Проведен анализ влияния тепловой генерации на величину пороговой чувствительности гетеродинного фотодотектора на основе примесного фоторезистора. Получены физически ясные и удобные практически выражения, определяющие величину пороговой чувствительности с учетом тепловой генерации. Теоретически и экспериментально показано, что в режиме гетеродинного приема 10-микронного излучения примесные фотопроводники на основе германия при азотных температурах обеспечивают сочетание пороговой мощности, близкой к величине квантового предела, определяемого величиной оптического поглощения, и высокого,
1 п -/ 10 хи с, быстродействия фотодетектора.
6. Выяснена роль случайного поля примесных центров в ограничении предельной величины усиления лавинных фотодиодов. Экспериментально показано, что влияние случайного поля ослаблено в лавинных МДП-структурах и гетеропереходах кремний-широкозонный полупроводник, что позволяет сочетать невысокие значения коэффициента шума и предельно высокие, ">10 , значения коэффициента умножения в. этих приборах.
* Практическая ценность полученных в работе результатов состоит в развитии представлений о физических процессах в фотопроводниках, используемых для построения быстродействующих фотодетекторов, а также в практических разработках быстродействующих фотодетекторов.
В диссертационной работе автор защищает следующие научные положения:
-
Флуктуационный потенциал оказывает существенное влияние на процессы оптической и термической генерации носителей в примесном полупроводнике при относительно высоких температурах, когда тепловая энергия порядка или больше потенциальной энергии электрона в случайном, поле.
-
Влияние случайного поля на процесс термической генерации носителей заряда может быть описан в приближении WT»\efj, при этом для случаев слабой или сильной компенсации зависимость концентрации свободных носителей от температуры описывается аналитически.
-
Случайное поле ионов примесей влияет на процесс оптической генерации и приводит к уменьшению сечения фотоионизации примесных центров.
-
Величина случайного поля возрастает при оптическом возбуждении примесных центров, что приводит к снижению квантовой эффективности примесных фоторезясторов при повышении интенсивности излучения.
-
Пороговая мощность фоторезистора в режиме оптического гетеродинирования описывается с помощью двух сомножителей к величине пороговой мощности идеального квантового приемника, которые имеют структуру коэффициентов шума - "оптического", представляющего собой отношение суммарного темпа генерации к темпу генерации гетеродинным излучением, и "электрического" -отношения полной мощности шума к мощности г-р шума фоторезистора.
6. В режиме гетеродинного приема 10-микронного излучения
примесные фотопроводники на основе германия с примесью цинка
при азотных температурах обеспечивают сочетание пороговой
мощности, близкой к величине квантового предела, определяе
мого величиной оптического поглощения, и субнаносекундного
быстродействия фотодетектора.
Ограничение быстродействия случайным полем примесей при азотных температурах происходит на уровне времени фотоответа --1СГ11 с.
-
Случайное поле примесей ограничивает предельные возможности традиционных кремниевых лавинных фотодиодов на уровн коэффициента умножения 5==-101 .
-
В лавинных МДП-структурах и гетеропереходах кремний-шрокозонный полупроводник реализуется режим локальных микропробоев с самогашением, осуществляемым на уровне одноэлек-тронных процессов, что позволяет сочетать малые величины коэффициента шума /^ «; 2 для ЭДДП-структур/ и высокие значения коэффициента умножения М 10 .
Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, докладывались на международном симпозиуме "Детекторы фотонов" /Прага 1978/, на Республиканских конференциях по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках / Ужгород 1979, Одесса 1982/, на Научной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках /Ашхабад 1991/, на Всесоюзном совещании по глубоким уровням в полупроводника) /Ташкент 1980/, на Всесоюзных конференциях по физике полупроводников / Баку 1982, Минск 1985, Кишинев 1988/, а также
на Международных конференциях по физике полупроводников /Варшава 1988, Салоники 1990/.
Основные результаты опубликованы в 52-х печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации 105 странзщ, включая 34 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 105 наименований.
