Введение к работе
Актуальность темы. Полупроводниковые фотоприемники (ФП) нашли широкое применение в системах автоматики и спектрофотометрии [1,2]. Усовершенствование систем, использующих дифференциальные методы обработки фотосигнала, идет по пути как дальнейшего улучшения характеристик однопереходных ФП, так и поиска новых принципов их конструирования. Наиболее перспективным из них является функциональное усложнение приемников излучения и переход к созданию многоцветных ФП [3,4]. Применение ФП подобного рода способствует улучшению тактико-технических характеристик традиционных оптико-электронных устройств и открывает возможности для решения на более высоком научно-техническом уровне целого ряда новых задач, в частности, селекция и детектирование, контроль и стабилизация дрейфующих по длине волны и мощности световых потоков [5] и т.д.
Практическая реализация многоцветных ФП, как известно, сопряжена с исследованиями по разработке технологии получения и оптимизации фотоэлектрических характеристик многопереходных структур с гомо и гетеропереходами для заданных диапазонов спектра. Для создания коротковолновых ФП, функционирующих в сине-фиолетовой и ближней УФ полосах спектра, весьма перспективны гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений AlGaP и GalnP [6,7] в силу их большой ширины запрещенной зоны, благоприятных оптических свойств, управляемости параметров зонной структуры с изменением состава твердых растворов [8]. Вместе с тем, к моменту начала наших исследований в литературе отсутствовали работы, посвященные систематическому исследованию многоцветных ФП на основе широкозонных соединений А В5, крайне ограничены сведения, позволяющие судить об их потенциальных возможностях.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется недостаточной изученностью многоцветных ФП коротковолнового диапазона спектра, перспективностью их использования в оптоэлек-тронных устройствах.
Основная цель работы состояла в исследовании особенностей получения и свойств двухцветных фотодиодов (ФД) для спектрального диапазона 0,3<Х<0,6 мкм, в изучении перспектив их использования в оптоэлек-тронных системах, основанных на дифференциальном поглощении световых потоков.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
1. Разработка структуры интегрального ФД, способного с достаточной селективностью регистрировать и детектировать световые потоки видимого и ближнего УФ диапазонов спектра.
-
Анализ фазовой диаграммы тройной системы Al-Ga-P и Ga-In-P, получение кристаллически совершенных гетероэпитаксиальных слоев AlxGa|.xP и GayIni.yP на подложках GaP.
-
Разработка способов формирования р-п переходов в многопереходных гетероструктурах.
-
Получение гетероструктуры с AlxGa,_xP и Ga5Ini.,P р-п переходами, исследование электрофизических и фотоэлектрических свойств широко- и узкозонного р-п переходов и интегральных характеристик двухпереходной структуры.
-
Изучение возможности создания интегральных ФД, чувствительных в видимой и ближней УФ полосах спектра, выявление перспективы их использования в оптоэлектронных системах с дифференциальным методом формирования аналитического сигнала.
Новые научные результаты
-
Впервые предложены структуры интегральных ФП на основе p-n AlxGa,.xP/nGaP/n-pGayIn|.yP (0<х<0,5; 0,7<у<0,73) и p-nAlo,6bio,4P/nZnSe/ /n-pGao,5|Ino,49P. основанные на усилении дифференциального поглощения света при введении между р-п переходами объемного полупроводника (ПП) с шириной запрещенной зоны E0i>Eg>Eo2, где Е0|, Е02 - пороговые энергии прямого межзонного перехода носителей в широко- и узкозонном ПП соответственно.
-
Разработана технология получения фоточувствительных p-nAlxGai.xP/nGaP/n-pGayIni.vP гетероструктур путем совмещения капиллярной жидкофазной эпитаксии и диффузии примесей из газовой фазы. Показано, что низкотемпературная (<800К) диффузия цинка из газовой фазы позволяет формировать р-п переходы с субмикронными слоями р- типа проводимости одновременно с двух сторон исходного ПП.
-
Показано, что эффективному сбору фотогенерированных носителей в р-п переходах интегральных ФД структур способствует образование в процессе диффузии примесей из газовой фазы ускоряющего и отталкивающего квазиэлектрических полей градиента концентрации примесей на лицевой и тыльной областях гетероструктуры соответственно.
-
Выявлено, что ограничение суммарной толщины узкозонного (базового) слоя в пределах длины диффузии неосновных носителей заряда ослабляет вклад рекомбинационной компоненты темнового тока и увеличивает фоточувствительность (ФЧ) р-п перехода вблизи края поглощения за счет рециклирования отраженных от тыльного омического контакта фотоактивных длинноволновых фотонов.
5. Установлено, что протяженность полосы минимума в спектре ФЧ
p-nAl4Ga,.xP/nGaP/n-pGayIn|.yP гетероструктур увеличивается с ростом
содержания АЇР в твердом растворе вследствие смещения максимума ФЧ
широкозонного р-п перехода в сторону коротких волн.
-
Установлено, что фотоэффект в двухпереходных фотопреобразовательных гетероструктурах на основе непрямозонных ПП Alo^Gao.sP и GaP обусловлен прямыми межзонными- переходами фотоносителей, приводящими к селективному преобразованию фиолетовой и ближней УФ полосы оптического спектра.
-
Показано, что селективная ФЧ AlxGai.xP и GayIri|.vP р-п переходов к видимому и ближнє УФ излучению позволяет прецизионно контролировать флуктуации длины волны световых потоков дифференциальным методом.
8. Показана применимость AlxGai.xP/GaP/GayIn,.jP ФД гетеро-
структур в качестве фотодатчиков в абсорбционных газоанализаторах для
обнаружения молекул диоксида азота в -газовых средах с пороговой
концентрацией 20 мг/м3.
Основные научные положения, выносимые к защите
-
Физическими свойствами субмикронных слоев р-типа проводимости, формируемых с двух сторон ПП кристаллов, можно управлять путем введения акцепторных примесей в процессе низкотемпературной диффузии из газовой фазы.
-
Степень дискретности спектра ФЧ интегральных фотодиодных гетероструктур с AlxGa|.xP и GayIn|.vP р-п переходами возрастает при введении между широкозонным и узкозонным р-п переходами подложечного кристалла с шириной запрещенной зоны Eoi>Eg>E02, где Е0ь Е02 - пороговые энергии прямого межзонного перехода носителей в' широко- и узкозонном ПП соответственно.
3. Смещение максимумов спектра ФЧ p-nAlxGai_xP /nGaP/n-pGavIn|.sP
гетероструктур от состава твердых растворов носит линейный характер
вследствие преобладания в фотоэффекте прямых межзонных оптических
переходов.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований представляют практический интерес в создании высокоэффективных опто-электронных систем на основе широкозонных ПП. Разработанные ФД и технология их получения имеют важное значение в улучшении характеристик дифференци&пьных фотометров и устройств абсорбционного спектрального анализа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на VII Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Ташкент, 1991 г.), Международной конференции по экологически чистым огневым технологиям (Ташкент, 1992 г.), Республиканской научно-технической конференции по проблемам развития и эксплуатации междугородной и международной телефонной связи в Республике Узбекистан (Ташкент, 1993 г.), научно-технической конференции "Цифровизация узлов и систем связи Республики" (Ташкент, 1994 г.), I Международной конференции молодых физиков по твердотельной электронике (Наманган, 1994г.)
и на семинарах лаборатории технологии компонентов волоконно-опти ческой техники и научно-производственного предприятия "ИСТАЛ".
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовані 14 печатных работ, в том числе получено 2 предварительных патент Республики Узбекистан на изобретения.
Структура, объем диссертации. Диссертационная работа состоит и введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы Общий объем работы составляет 135 страниц машинописного текста включая основной материал из 115 страниц, 30 рисунков, 9 таблиц, списої цитированной литературы из 106 наименований.
