Физико-технологические основы создания светоизлучающих и фотоприемных твердотельных приборов с заданными спектрально-энергетическими характеристиками Тарасов Сергей Анатольевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор информационных источников 21

1.1. Фотоприемные твердотельные приборы 21

1.1.1. Характеристики и параметры фотоприемных приборов 22

1.1.2. Фотоприемники для коротковолновой области спектрального диапазона 26

1.1.3. Омические и выпрямляющие контакты в структурах металл-полупроводник 29

1.1.4. Омические контакты в структурах на основе широкозонных полупроводников 29

1.1.5. Выпрямляющие контакты металл – полупроводник и их основные свойства 35

1.1.6. Фотоприемники на основе структур металл – полупроводник 1.1.6.1. Фотоприемники на основе структур металл – арсениды-фосфиды галлия 42

1.1.6.2 . Фотоприемники на основе структур металл – полупроводниковые нитриды третьей группы 43

1.2. Светоизлучающие твердотельные приборы 46

1.2.1. Характеристики и параметры светоизлучающих приборов 47

1.2.2. Стандартизированные методики исследования спектральных и фотометрических характеристик светодиодов и изделий на их основе 56

1.2.3. Методы определения температуры активной области полупроводниковых наногетероструктур 58

1.2.4. Светоизлучающие приборы на основе полупроводниковых нитридов третьей группы 63

1.2.5. Особенности светодиодов, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне 70

1.3. Коллоидные квантовые точки и структуры на их основе 74

1.3.1. Основные свойства коллоидных квантовых точек 75

1.3.2. Технология синтеза коллоидных квантовых точек 81

1.3.3. Применение коллоидных квантовых точек 83

1.3.1. Органические светоизлучающие диоды (OLED), содержащие коллоидные квантовые точки 86

2. Фотоприемные твердотельные приборы с заданными спектрально-энергетическими характеристиками на основе контакта металл – арсениды-фосфиды галлия 92

2.1. Моделирование спектрально-энергетических характеристик фотоприемных приборов на основе барьеров Шоттки с учетом влияния поверхностной рекомбинации 93

2.1.1. Моделирование коэффициентов поглощения для трехкомпонентных и четырехкомпонентных твердых растворов AIIIBV 94

2.1.2. Моделирование спектральных характеристик фотоприемных приборов на основе p-n-переходов 99

2.1.3. Моделирование спектральных характеристик фотоприемных приборов на основе барьеров Шоттки

2.2. Технология создания фотоприемных приборов на основе контакта серебро – арсениды-фосфиды галлия 109

2.3. Зависимость высоты потенциального барьера контакта Ag-n-GaAs1-xPx от состава твердого раствора 113

2.4. Фотоприемные приборы на основе контакта металл – арсениды-фосфиды галлия

2.4.1. Фотоприемные приборы на основе контакта серебро – фосфид галлия 121

2.4.2. Фотоприемники с заданными спектрально-энергетическими характеристиками, использующие эффект поверхностной рекомбинации 130

2.4.3. Фотоприемные приборы на основе контакта серебро – арсениды-фосфиды галлия 132

2.4.4. Фотоприемники, использующие эффект широкозонного окна 136

3. Фотоприемные твердотельные приборы с заданными спектрально-энергетическими характеристиками на основе контакта металл – нитриды галлия-алюминия 146

3.1. Технология создания омических и выпрямляющих контактов к слоям нитридов галлия-алюминия 147

3.2. Солнечнослепые и видимослепые фотоприемники на основе твердых растворов нитридов галлия-алюминия

3.2.1. Фотоприемные приборы на основе контакта серебро – нитриды галлия-алюминия 158

3.2.2. Солнечнослепые и видимослепые фотоприемники на основе контакта металл – нитриды галлия-алюминия 163

3.3. Фотоприемники с повышенной селективностью чувствительности для диапазона 350-370 нм, созданные на основе контакта золото – нитрид галлия алюминия 169

4. Светоизлучающие твердотельные приборы на основе полупроводников aiiibv и методики определения их качества 176

4.1. Методики определение тепловых характеристик светоизлучающих диодов и их качества 176

4.1.1. Быстрая бесконтактная методика определения температуры активной области светоизлучающих диодов 178

4.1.2. Быстрая бесконтактная методика определения наличия тепловых неоднородностей в светоизлучающих диодах и экспресс-диагностики их качества 186

4.1.3. Тест-система определения параметров и характеристик светоизлучающих диодов и диагностики их качества 192

4.2. Светодиоды на основе наноструктур, содержащих множественные квантовые ямы и сверхрешетки 199

4.2.1. Светодиоды на основе сверхрешеточных структур со стабилизированной длиной волны люминесценции 199

4.2.2. Эффекты в светодиодных структурах, возникающие при криогенных температурах 205

4.2.3. Светоизлучающие структуры с улучшенным блокирующим слоем 209

4.3. Светодиоды ультрафиолетового диапазона на основе твердых растворов нитридов галлия-алюминия 215

5. Светоизлучающие приборы на основе коллоидных квантовых точек 231

5.1. Люминесцентные свойства коллоидных квантовых точек халькогенидов металлов 232

5.2. Технология создания твердотельных светоизлучающих структур, содержащих массивы коллоидных квантовых точек 238

5.3. Взаимодействие коллоидных квантовых точек с гладкими и наноструктурированными подложками

5.3.1. Самоорганизация коллоидных квантовых точек на поверхности неструктурированных подложек 241

5.3.2. Структуры на основе пористых металлоксидных нанокомпозитов 244

5.3.3. Структуры на основе наноструктурированных полупроводников 248

5.3.4. Взаимодействие коллоидных квантовых точек, находящихся в составе многокомпонентного массива 255

5.4. Моделирование характеристик ККТ и светоизлучающих структур на их основе 258

5.4.1. Расчёт размеров ККТ 258

5.4.2. Моделирование спектральных характеристик светоизлучающих структур на основе массивов коллоидных квантовых точек 262

5.5. Люминесцентные излучающие приборы на основе массивов коллоидных квантовых точек халькогенидов металлов 268

5.5.1. Люминесцентные структуры с цветовой температурой 6504 К 269

5.5.2. Люминесцентные структуры с цветовой температурой 5500 К 272

5.5.3. Люминесцентные структуры, имитирующие спектр Солнца с учетом поглощения в атмосфере 273

5.5.4. Люминесцентные излучающие приборы с высоким индексом цветопередачи 274

5.6. Излучатели на основе органических структур, содержащих массивы

коллоидных квантовых точек 277

5.6.1. Выбор органических структур как основы для создания излучателей с ККТ 277

5.6.2. Фрактальные микроструктуры на основе слоев оксидов индия-олова 280

5.6.3. Излучатели на основе органических структур, содержащие массивы ККТ 290

Заключение 297

Список информационных источников

• . Фотоприемники на основе структур металл – полупроводниковые нитриды третьей группы
• Моделирование спектральных характеристик фотоприемных приборов на основе барьеров Шоттки
• Солнечнослепые и видимослепые фотоприемники на основе контакта металл – нитриды галлия-алюминия
• Светодиоды на основе наноструктур, содержащих множественные квантовые ямы и сверхрешетки

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Одной из важнейших задач современной науки и техники является разработка твердотельных светоизлучающих приборов и фотоприемников, а также улучшение их характеристик. Среди светоизлучающих приборов следует особо выделить светодиоды видимого диапазона, повсеместно используемые в качестве индикаторов в системах различного назначения. «Белые» светодиоды являются основой высокоэффективных светильников, которые приходят на смену низкоэффективным лампам накаливания и экологически опасным ртутным люминесцентным лампам. Твердотельные фотоприемники различных типов широко применяются для регистрации оптических сигналов в устройствах военного и гражданского назначения. Преобразование солнечного излучения в электрическую энергию в солнечных элементах является одной из самых перспективных альтернатив использованию невозобновляемых источников электроэнергии.

В настоящее время все более востребованы устройства, содержащие в своем составе светоизлучающие приборы и фотоприемники, работающие совместно. Понятно, что их рабочие характеристики должны быть согласованы. Особые требования предъявляются к совмещению спектров излучения и чувствительности (для обеспечения наилучших коэффициентов корреляции и передачи). В этом случае должны быть выполнены дополнительные требования к элементам, входящим в состав устройства. Кроме согласованности спектров люминесценции и чувствительности весьма желательно совпадение положений максимумов спектральных характеристик (для обеспечения наилучшей квантовой эффективности на рабочей длине волны).

В ряде применений очень важно обеспечить эффективную регистрацию слабых оптических сигналов. Это требование выходит на первый план, в частности, при работе системы датчиков на значительных расстояниях между светоизлучающим и фотоприемным компонентами. Этот фактор также определяет максимальное расстояние, на котором способно работать устройство, минимальную концентрацию вещества, которую можно обнаружить, или возможность регистрации наличия и движения слабоотража-щих объектов. Другой важной задачей является обеспечение возможности стабильной работы устройства в присутствии сильных оптических помех (например, при регистрации светового сигнала на фоне засветки).

В связи с этим становится очень важной разработка физико-технологических основ управления^* спектрально-энергетическими характеристиками с целью достижения наилучших по эффективности и соотношению «сигнал/шум» параметров светоизлуча-ющих приборов и фотоприемников.

Целью исследования являлась разработка физико-технологические основ создания твердотельных светоизлучающих приборов и фотоприемников с заданными спектрально-энергетическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработать методики создания фоточувствительных приборов с заданными спектрально-энергетическими характеристиками, а также создать фотоприемники на основе твердых растворов GaAs_1–xP_x.

^* Под управлением в данной работе понимается выработка таких физических подходов и технологических решений к созданию элементов оптоэлектроники, которые обеспечили бы реализацию прибора с аданными положением и формой спектральных характеристик (спектров чувствительности или люминесценции), диапазоном и полушириной спектра.

1. Разработать методики создания фотоприемников с заданными спектрально-энергетическими характеристиками, а также создать видимослепые и солнечнослепые фотоприемники на основе твердых растворов Al_xGa_1–xN.

2. Разработать быстрые бесконтактные методики диагностики светоизлучающих структур и создать на их основе тест-систему контроля качества излучателей. С использованием созданных методик исследовать характеристики светоизлучающих структур на основе твердых растворов системы (Al, Ga, In)N и создать светодиоды с улучшенными параметрами.

3. Исследовать свойства коллоидных квантовых точек (КТ) халькогенидов металлов и разработать методики, позволяющие формировать твердотельные структуры, содержащие массивы КТ с высокими люминесцентными параметрами. Создать твердотельные светоизлучающие приборы на основе массивов коллоидных КТ разного размера и состава с заданными спектрами люминесценции.

Объектом исследования являлись твердотельные светоизлучающие приборы и

фотоприемники на основе полупроводников A^IIIB^V и A^IIB^VI, а также их твердых растворов (Al_xGa_1–xN, GaAs_1–xP_x и др.).

Предметом исследования являлись параметры и характеристики твердотельных светоизлучающих приборов и фотоприемников.

Методы исследования. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследований, в том числе моделирование, измерение и анализ спектрально-энергетических характеристик твердотельных светоизлучающих приборов и фотоприемников, исследование и оптимизация технологических методик их формирования, а также сопоставление полученных результатов с литературными и расчетными данными.

Основные положения, выносимые на защиту можно сформулировать следующим образом:

1. Использование нанослоев серебра в качестве материала контакта в барьере Шот-тки в фотоприемниках на основе структуры «Ag– Al_xGa_1–xN» обеспечивает локализацию максимума спектральной чувствительности на длине волны 322 нм, при этом полуширина спектральных характеристик созданных фотодиодов может варьироваться в пределах 15…100 нм за счет изменения толщины слоя металла.

2. Повышение селективности фотоприемников с барьером Шоттки на основе твердых растворов GaAs_1–xP_x без снижения их чувствительности в максимуме спектральной характеристики обеспечивается выбором режимов обработки поверхности полупроводника перед нанесением металла, что определяет изменение скорости поверхностной рекомбинации.

3. Управление селективностью спектральной чувствительности при создании ви-димослепых и солнечнослепых фотодиодов на основе контактов «металл–полупроводник» можно реализовать без применения оптических фильтров за счет использования эффектов надбарьерного переноса и широкозонного окна, имеющих место в структурах с барьером Шотки.

4. Анализ спектральных характеристик элекролюминесценции светодиодных структур выявляет в них области с повышенным тепловыделением при наличии дефектов в активном слое, что может быть использовано при создании эффективной экспресс-методики предварительной тест-отбраковки как светодиодных чипов на пластине, так и корпусированных устройств.

5. Эффективным методом управления спектрально-энергетическими характеристиками фотолюминесцентных излучателей при создании высокоселективных оптопар является использование гибридных структур, интегрирующих электролюминесцентный светодиод и переизлучающую органо-неорганическую композицию, содержащую коллоидные КТ, и обеспечивающую заданный спектральный диапазон.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

5. Проведен комплексный анализ факторов, влияющих на спектральную чувствительность (параметры, определяющие вид и положение спектральных характеристик фотоприемников для диапазона 200 – 700 нм), что позволило выработать технические решения создания фотоприемников с заданными спектрально-энергетическими характеристиками.

6. Разработаны методики изменения скорости поверхностной рекомбинации в барьерах Шоттки на основе фосфидов-арсенидов галлия, позволяющие существенно уменьшить полуширину спектральных характеристик фотоприемников при сохранении высокой чувствительности в максимуме спектра.

7. Реализована избирательность фотоответа на длине волны 322 нм при повышении чувствительности структур на основе использования эффекта плазменного резонанса в пленках серебра в сочетании с оптимизацией спектра поглощения структур «Ag–Al_xGa_1–xN».

8. Повышена степень селективности (полуширина спектра ~5 нм) при сохранении высокой чувствительности устройств на основе сочетания эффекта надбарьерного переноса и эффекта широкозонного окна.

9. Разработаны спектральные методики быстрого бесконтактного определения температуры активной области светодиодных структур и методики контроля их качества на основе анализа существующих в них тепловых неоднородностей.

10. Разработана методика осаждения массивов коллоидных КТ на подложки различного типа, позволяющая сохранить высокую эффективность и учитывающая влияние подложки, взаимодействие между коллоидными КТ, эффекты переизлучения, а также влияние полимерных и иных матриц на свойства коллоидных КТ и структур, создаваемых на их основе.

11. Разработана методика управления спектральными характеристиками люминесцентных структур на основе коллоидных КТ, созданы структуры с заданной формой спектральных характеристик.

Обоснованность и достоверность полученных научных результатов подтверждается сопоставлением экспериментальных данных с результатами измерений независимыми методами и современными литературными данными.

Научная и практическая значимость работы определяется следующими результатами:

12. Созданы узкополосные фотодетекторы (полуширина спектральной характеристики чувствительности не более 40 нм), охватывающие диапазон 0,4…1,3 мкм.

13. Созданы фотоприемники с заданной степенью селективности чувствительности на основе структур «Ag–GaAs_1–xP_x» и «Ag–Al_xGa_1–xN» (в частности, – видимослепые фотодиоды) без применения оптических фильтров.

14. Созданы фотоприемники на основе твердых растворов GaAs_1–xP_x для коротковолновой части видимого диапазона спектра с заданной спектральной характеристикой для диапазона 300…500 нм.

15. Созданы видимослепые и солнечнослепые фотоприемники на основе твердых растворов полупроводниковых нитридов.

5. Созданы УФ-фотоприемники с повышенной степенью селективности (полуширина спектра 5…6 нм) для диапазона длин волн 350…370 нм.

6. Разработаны методики быстрого дистанционного определения температуры активной области светодиодов и диагностики их качества на основе анализа спектров люминесценции.

7. Создана тест-система для измерения основных характеристик и параметров светоизлучающих приборов и диагностики их качества.

8. Созданы светодиоды с фиксированным положением максимума спектральной характеристики на длинах волн 410…490 нм.

9. Созданы УФ-светодиоды с улучшенными характеристиками для диапазона длин волн 350…370 нм.

10. Созданы излучатели, спектры которых соответствуют спектрам стандартизированных источников излучения с цветовой температурой 6504 и 5500 К, а также спектру солнечного излучения на поверхности Земли (коэффициент цветопередачи CRI > 97).

11. Созданы люминесцентные органические структуры, содержащие массивы коллоидных КТ халькогенидов металлов с заданными спектрами излучения для диапазона 400…650 нм.

Внедрение результатов. Результаты диссертационных исследований были использованы в хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работах, выполненных в 1998–2016 гг., и отражены в соответствующих отчетах:

– НИР по хоздоговорам № 795/13-69/РУФТТ-3, № МК ОМК-12/01, № 8153 (ГР/МЭ-48) и др.);

– НИР в рамках НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (госконтракты № 208.01.01.031, № Т02-05.4-1500 и др.);

– НИР в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006–2011 годы)» (проекты 2.1.2.1716 (ГБ/МЭ-91), 2.1.2/652 (ГБ/МЭ-104), ГБ/МЭ-105);

– НИР в рамках грантов по программе «Развитие внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в НОЦ» (ММУ/МЭ-130 и др.);

– НИР, выполнявшиеся СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по заданию Минобрнауки РФ в рамках тематических планов и ведомственных программ (госконтракты № 33/011 (ГБ/МЭ-54), ГБ/МЭ-55, ГБ/МЭ-56, ГБ/МЭ-60, ГБ/МЭ-69, № 1.3.04 (ГБ/МЭ-80), № 75439 (ГБ/МЭ-84), № 1.8.06 (ГБ/МЭ-91), № 1.3.07 (ГБ/МЭ-95), № 1.10.09 (ГБ/МЭ-104), № 7.970.2011 (ГБ/МЭ-116), № 7.895.2011 (ГБ/МЭ-127), № 16.1307.2014К (ГЗП/РЦФТТ-1));

– НИР в рамках гранта Президента РФ для господдержки молодых кандидатов наук и их научных руководителей (МК-5255.2007.8);

– НИР в рамках гранта Правительства Санкт-Петербурга;

– НИР в рамках гранта для поддержки студентов, аспирантов и молодых ученых СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 1998–2010 гг.

Основные результаты исследований и разработок использованы и внедрены на следующих предприятиях: ООО «Нитридные кристаллы»; АО ЦНИИ «Электрон»; ЗАО «Светлана-РОСТ»; ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН; ООО «LED-энергосервис»; СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и др.

Результаты диссертационной работы используются в лекциях, практических занятиях и лабораторных работах по дисциплинам «Микроэлектоника», «Микро- и нано-электроника», «Элементная база микроэлектроники», «Квантовая и оптическая электроника», «Полупроводниковые оптоэлектронные приборы», «Прикладная оптика» и «Фотоника» при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Электроника и наноэлектроника» и «Нанотехнологии и микросистемная техника» на кафедре микро-и наноэлектроники СПбГЭТУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

– 10th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-10) (Washington, 2013 г.);

– 4th and 5th International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-4, ISGN-5) (Atlanta, USA, 2014 г., Saint-Petersburg, 2012 г.);

– 21st International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» (Saint-Petersburg, 2013 г.);

– International Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostruc-tures «Saint-Petersburg OPEN 2014–2016» (Saint-Petersburg, 2014–2016 гг.);

– IEEE NW Russia Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW) (Saint-Petersburg, 2015–2016 гг.);

– Международные научно-технические конференции «Технологии микро- и нано-электроники в микро- и наносистемной технике (Зеленоград, 2011–2016 гг.);

– Международная конференция «Физические, химические и биологические сенсоры» (IWRFRI-2000) (Санкт-Петербург, 2000 г.);

– XXIV Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, НПО «Орион», 2016 г.);

– Всероссийские конференциих «Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы» (Санкт-Петербург, Москва, 2008–2013 гг.);

– 11-я Российская конференция по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2013 г.);

– Международный семинар-симпозиум «Нанофизика и наноматериалы» (Санкт-Петербург, 2016);

– Политехнический симпозиум «Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2006 г.);

– Всероссийские межвузовские научно-технические конференции «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 1998–2013 гг.);

– Всероссийские молодежные научные конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1999–2016 гг.);

– Научные молодежные школы «Физика и технология микро- и наносистем» (Санкт-Петербург, 1998–2016 гг.);

– Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 1997–2016 гг.);

– Международные конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА 2011–2015» (Санкт-Петербург, 2011–2015 гг.);

– Научно-технические конференции Санкт-Петербургского отделения Общероссийской общественной организации «Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова» (СПбНТОРЭС), посвященные Дню радио (Санкт-Петербург, 2001–2016 гг.);

– Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «Физика.СПб» (Санкт-Петербург, 2011–2016 гг.);

– 5-я Всероссийская конференция молодых ученых «Микро-, нанотехнологии и их применение» им. Ю. В. Дубровского. (Черноголовка, 2012 г.)

– Всероссийский фестиваль науки (Томск, 2011 г.);

– IV Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2011 г.);

– Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Диагностика наноматериалов и наноструктур»: (Рязань, 2011 г.);

– Международная научно-практическая конференция «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (Брянск, 2011 г.);

– Международные научно-технические конференции молодых ученых «Люминесцентные процессы в конденсированных средах» (Харьков, 2011–2013 гг.);

– Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (14–20 ноября 2011 г., Екатеринбург);

– Конференции молодых специалистов «Техника и технология современной фотоэлектроники» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электрон» 2012–2015 гг.);

– IV Научно-техническая конференция с международным участием «Наука настоящего и будущего» (Санкт-Петербург, 2016 г.).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в монографии и 59 статьях, из которых 34 – в зарубежных журналах, индексируемых в базах данных «Web of Science» и «Scopus», 19 – в ведущих отечественных рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК, и 5 – в прочих журналах. В общий список работ по теме диссертации также входят описания 4 объектов интеллектуальной собственности.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы (275 позиций). Общий объем работы составляет 326 страниц машинописного текста, содержащих 165 рисунков и 8 таблиц.

. Фотоприемники на основе структур металл – полупроводниковые нитриды третьей группы

Основные термины, описывающие характеристики и параметры твердотельных приемников излучения, а также фотоприемных приборов и устройств на их основе, представлены в ГОСТ [3-4] и подробно рассмотрены в ряде литературных источников [5-9].

Основными терминами, обозначающими полупроводниковый прибор, способный регистрировать внешние электромагнитное излучение, являются «фоточувствительный полупроводниковый прибор» (ФПП), а также «фотоэлектрический полупроводниковый приемник излучения» (ФЭПП), как «прибор, принцип действия которого основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводнике» [3]. В дальнейшем для упрощения написания и сохранения общности со светоизлучающими приборами, рассматриваемыми в п. 4 и 5, в работе будут также использоваться термины «фотоприемный прибор» или «фотоприемник» (ФП). Большинство ФП, разработанных в работе, представляют собой фотодиоды на основе полупроводников АIIIBV, поэтому далее основное внимание уделим параметрам и характеристикам именно таких приборов. К основным характеристикам фотоприемников относятся спектральные, энергетические, вольт-амперные, температурные, фоновые (шумовые и пороговые), временные и пространственные характеристики. Среди параметров выделяются электрические, спектральные, геометрические и шумовые, а также параметры чувствительности и инерционности [3-4]. Рассмотрим важнейшие из них.

Среди параметров токов, напряжений и сопротивлений ФП можно выделить рабочие и пробивные напряжения, темновое и световые сопротивления, напряжение фотосигнала и др. В фотодиодах основным определяемым выходным параметром можно считать фототок IФ, как величину, определяющую реакцию (фотоответ) ФП на электромагнитное излучение в заданном диапазоне длин волн. С ним связан другой важнейший параметр – чувствительность (фоточувствительность) прибора. Для фотодиода наибольшее значение имеет токовая монохроматическая (спектральная) чувствительность Si, которая показывает фотоответ, возникающий при воздействии оптического излучения с мощностью Popt. на длине волны

При определении фототока, протекающего через фотодиод, следует учитывать, что измеряемое значение тока включает в себя кроме тока, связанного с фотоответом, еще и шумовую составляющую, соответствующую току через ФП в отсутствии засветки. Эта величина, называемая темновым током IТ, во многом задает значения пороговых параметров ФП: обнаружительной способности, NEP и др. С измеряемым током I фотодиода фототок связан как

Таким образом, не каждый носитель заряда, попадающий на контакты ФП, связан с процессами взаимодействия полупроводникового материала с излучением, что учитывается при рассмотрении пороговых характеристик фотоприемника. С другой стороны, не каждый фотон, падающий на чувствительную площадку, приводит к появлению электрического сигнала во внешней цепи. Это факт наилучшим образом может быть описан с помощью введения параметра квантовой эффективности ц= ф , (1.3) Poptlh& показывающего, сколько электронно-дырочных пар будет сгенерировано и разделено в ФП при его освещении излучением с Popt и энергией фотонов . Тогда с учетом (1.1) и (1.2)

Выражение (1.4) показывает взаимосвязь между чувствительностью Si, фототоком I Ф и квантовой эффективностью . Зависимость этих величин от длины волны , частоты или энергии / падающих фотонов задает спектральные характеристики ФП, определяющие распределение фотоответа в заданном спектральном диапазоне. Наиболее часто встречающимся в технической документации на фоточувствительные приборы вариантом спектральных характеристик является зависимость Si{). Можно выделить следующие важные с практической точки зрения спектральные параметры: диапазон чувствительности фотоприемника ; длинноволновая с и коротковолновая в границы этого диапазона; ширина спектральной характеристики на полувысоте от максимума (полуширина) o.s; длина волны max, соответствующая максимуму спектральной характеристики; чувствительность в максимуме спектральной характеристики Smax. Энергетическая (световая) характеристика показывает зависимость фотоответа от интенсивности возбуждающего потока излучения (ампер-ваттная, люкс-амперная характеристики). Энергетической характеристикой называют также зависимость чувствительности приемника от мощности засветки. Видно, что большинство из параметров, определяющих спектральные и энергетические характеристики, входят в выражение (1.4). Это позволяет объединить их в одну группу спектрально-энергетических характеристик фотоприемника (СЭХ).

Вольт-амперная характеристика отражает зависимость тока, протекающего через фотоприемник, от величины падающего на ФП напряжения.

Пороговые характеристики описывают способность фотоприемника реагировать на оптические сигналы слабой интенсивности. В значительной степени эти характеристики определяются собственными шумами прибора. К параметрам пороговых характеристик относятся шумовое напряжение Uш и ток шума Iш, минимально различимый сигнал (порог чувствительности) Фmin. Особенно важны величины обнаружительной D и детектирующей D способностей, а также порога чувствительности NEP.

Моделирование спектральных характеристик фотоприемных приборов на основе барьеров Шоттки

Отличие конструкции, спектрального состава излучения, условий питания и температурного управления светодиодов от других излучателей определяет необходимость выработки особых требований к методике измерения их фотометрических характеристик, конструкции измерительных приборов и их калибровке. Для определения фотометрических и радиометрических характеристик СД используется международный стандарт CIE 127:2007.

Световой поток является самой важной фотометрической величиной каждого источника света, так как остальные вычисляются из него с учетом лишь геометрических факторов. Эта величина представляет совокупный поток излучения в телесном угле 4 стерадиан, и равен интегральному значению сил света в полном телесном угле или интегралу по всей освещенной поверхности представляемой сферы, замкнутой вокруг источника света.

Для любого источника света световой поток может быть определен двумя различными способами: гониометрическим методом или методом интегрирующей сферы. Гониометрический метод базируется на пошаговом измерении величин силы света СД при повороте его корпуса на заданный угол. Для реализации данного метода необходим гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования. Диапазон углового сканирования должен охватывать весь телесный угол, в котором испытуемый светодиод испускает свет. Гониофотометр необходимо защищать (экранировать) от окружающего света и от отраженного света в пределах прибора. Расстояние между фотометром и калибруемым светодиодом должно быть не менее 300 мм. Уменьшение шага углов поворота (полярного и азимутального) СД относительно фотометрической головки (или наоборот) повышает точность измерений светового потока. Такой шаг у производимых сегодня гониофотометрических установок составляет несколько угловых минут. Из полученного распределения силы света в пространстве рассчитывается световой поток СД. Этот метод более точен и информативен в сравнении с методом «интегрирующей сферы», но требует серьезных затрат времени.

Метод «интегрирующей сферы» обладает существенными преимуществами, такими как мгновенное измерение величины светового потока и спектральных характеристик (при использовании спектрофотометра на базе ПЗС матрицы). Кроме того, в сравнении с часто используемыми типами гониофотометров интегральные сферы занимает меньшую площадь.

Метод основан на сопоставлении неизвестного (измеренного) светового потока с заведомо известным световым потоком эталонного источника света. Оно осуществляется с использованием интегрирующей сферы (иначе фотометрического шара или шар Ульбрихта) достаточно большого диаметра (более 200 мм), окрашенной изнутри матовой белой краской, обладающей высоким коэффициентом отражения и минимальными потерями на отражение и рассеивающей свет в соответствии с законом Ламберта.

Для реализации рассматриваемого метода необходимо наличие эталонного источника света. При этом нужно учитывать: поправки на разность спектрального состава излучения эталонного и тестируемого источника; поправки на разность пространственного распределения интенсивности излучения эталонного и тестируемого источника; разность размеров и коэффициентов поглощения эталонного и тестируемого источников; влияние неравномерности покрытия поверхности интегрирующей сферы; изменение отражающей способности покрытия со временем; изменение отражения с учетом влияния температуры. Оптические схемы интегральных сфер для измерения полного светового потока светодиодов зависят от направления распространения их излучения (рисунок 1.11). Выбор способа установки СД в сферу зависит от его распределения в пространстве его излучения. Для светодиодов, у которых присутствует обратное излучение, применяется схема установки 4 (рисунок 1.11, а), для тех приборов, у которых нет обратного излучения - 2 (рисунок 1.11, б). Также в стандарте рассмотрен способ измерения частичного светового потока. При этом сфера имеет отверстие, к которому прикреплена прецизионная диафрагма (диаметром 50 мм). Диафрагму располагают на одном уровне с внутренней поверхностью сферы. Измерительная установка должна обязательно экранироваться от окружающего света

Солнечнослепые и видимослепые фотоприемники на основе контакта металл – нитриды галлия-алюминия

Важнейшими характеристиками фотоприемников является их квантовая эффективность и спектральная характеристика чувствительности. Для создания фотоэлектронных приборов с высокими рабочими параметрами необходимо определение и анализ факторов, влияющих на их характеристики, а также проведение моделирования, учитывающего воздействие таких факторов на свойства фотодетекторов. Во многих случаях при расчете СЭХ ограничиваются рассмотрением зависимости коэффициента поглощения полупроводника от энергии падающих фотонов. В то же время для структур на базе контакта металл-полупроводник необходимо учитывать ряд дополнительных факторов, в частности, состояние поверхности, процессы надбарьерного переноса и некоторые другие.

В работе проведено моделирование спектральных характеристик и квантовой эффективности фотоприемных структур металл полупроводниковые твердые растворы различного состава. Расчет проводился на основе решения уравнения непрерывности с учетом влияния поверхностной рекомбинации на границе раздела металл-полупроводник. В большинстве случаев этот процесс оказывает отрицательное воздействие на параметры приборов, в частности, в фотоприемниках этот эффект должен понижать чувствительность. Тем не менее, в работе показано, что эффект поверхностной рекомбинации может быть использован как полезный фактор для создания селективных фотоприемников. В работе проведено моделирование процессов поглощения и токопереноса в структурах на основе барьеров Шоттки и выведены уравнения, описывающие связь квантовой эффективности с коэффициентом поглощения и скоростью поверхностной рекомбинации s. Это позволило создать фотодетекторы с селективными спектральными характеристиками без использования внешних оптических фильтров.

Для корректного расчета спектрально-энергетических характеристик фотоприемных приборов необходимо знание истинных зависимостей коэффициента поглощения от энергии и длины волны для полупроводниковых материалов, используемых в структуре ФП. И если информация для бинарных полупроводниковых соединений АIIIВV представлена в источниках достаточно широко [145]–[152], то для твердых растворов данные довольно скудны и разрознены [153]–[163]. Получить информацию о зависимости () для заданного состава твердого раствора, особенно многокомпонентного, оказывается весьма затруднительным. Поэтому вначале в работе была решена задача расчета спектральных зависимостей натурального показателя поглощения для трехкомпонентных и четырехкомпонентных твердых растворов соединений АIIIВV для любых заданных составов [164-165].

Используемые в настоящее время методики расчета оптических параметров полупроводников [166-170] имеют ряд ограничений, требуют большого количества подгоночных параметров (в некоторых случаях более 30 [167]) и в ряде случаев не могут быть использованы для точного расчета характеристик многокомпонентных твердых растворов.

Разработанный метод расчета спектров поглощения базируется на приближении виртуального кристалла [1], хорошо подходящее для описания процессов, связанных с оптическими переходами в твердых растворах [171-172]. Сходство зонных структур большинства полупроводников АIIIВV позволяет использовать закон Вегарда для описания энергетических характеристик их растворов с учетом коэффициентов неидеальности. К сожалению, сложный состав зонных диаграмм и влияние экситонных эффектов на поглощение в полупроводниках делает невозможным описание зависимости () на основании корневой функции от энергии. Поэтому в работе применен полуэмпирический подход, использующий интерполяцию экспериментальных значений коэффициента поглощения для бинарных полупроводников с учетом изменения их энергетических параметров при образовании твердых растворов заданного состава.

Светодиоды на основе наноструктур, содержащих множественные квантовые ямы и сверхрешетки

Одной из основных проблем, возникающих при создании фотоприемных и светоизлучающих приборов на основе полупроводниковых нитридов, является формирование низкоомного омического контакта. В диссертации представлена разработанная технология создания омических контактов к слоям нитрида галлия и твердых растворов нитридов галлия-алюминия с большой долей нитрида алюминия. Были определены технологические параметры, позволяющие достичь низких контактных сопротивлений структур на основе эпитаксиальных слоев полупроводников p-и n-типа электропроводности.

Для исследования параметров омических контактов выращивались структуры на основе твердых растворов AlxGa1-xN, содержащие на поверхности матрицу контактных площадок с переменным расстоянием между ними (рисунок 3.1). Рассмотрим состав структуры подробнее. В качестве подложки использовался Al2O3 (0001). Толщина подложки составляла 430 мкм. Слои полупроводниковых нитридов III-группы выращивались с использованием методов молекулярно-пучковой или хлор-гидридной газовой эпитаксии. С целью снижения концентрации прорастающих дислокаций и иных дефектов вначале на поверхности подложки создавался буфер сложного состава, содержащий градиентные слои на основе твердых растворов AlxGa1-xN и сверхрешетки. Далее наносился основной «рабочий» слой AlxGa1-xN. В структурах, используемых для отработки методики создания омических контактов, в основном использовались сравнительно толстые рабочие слои (до 900 нм) с целью минимизации влияния границ раздела и дефектов в нижележащих слоях на измеряемые параметры омических контактов. Металлические слои создавались с использованием методики вакуумного термического осаждения. Давление остаточных газов в вакуумной камере не превышало 10-5 торр.

Были исследованы омические контакты, созданные на основе большого числа однослойных и многослойных металлических композиций. Основными использованными металлами были алюминий, золото, никель, титан и другие. Толщины металлических слоев находились в пределах 5 – 100 нм. Было изучено влияние технологических параметров роста металлических пленок на характеристики получаемых структур. Также существенное внимание было уделено оптимизации предварительной обработки поверхности подложки, включающей в себя травление, очистку и промывку, а также процедуре высокотемпературного отжига сформированных структур. Это позволило создать контакты с низкими значениями контактных сопротивлений как для слоев p-типа электропроводности, так и для пленок n-AlxGa1-xN с большой долей нитрида алюминия. Одной из важных задач, решаемых в этой части работы, была разработка такой технологии создания омических контактов, которая обладала бы наименьшей стоимостью при ее использовании на промышленном предприятии заказчика

Омические контакты к слоям p-GaN [200] создавались нанесением металлических слоев золота, никеля, алюминия, серебра и ряда других металлов с последующим отжигом в окислительной среде. К сожалению, для однослойных металлических пленок были получены только выпрямляющие вольт-амперные характеристики (рисунок 3.2). Были исследованы структуры, созданные при использовании различных технологических методик обработки поверхности полупроводника. Также варьировались параметры высокотемпературного отжига. Показано, что даже продолжительный отжиг (более 30 мин), не позволяет реализовать омические контакты на основе упрощенной, однослойной, металлической композиции (рисунок 3.3).