Измерение спектральных характеристик фотоприемников на

Исследование спектральных характеристик
фотоприемников на основе GaAs:Cr с
встречно-штыревой системой контактов.
А.Д.Лозинская, Д.Ю. Мокеев, А.В Тяжев
Аннотация—Представлены
результаты
исследований
спектральной зависимости абсолютной
токовой чувствительности фотоприемников на основе
GaAs, компенсированного Cr, с встречно-штырьевой
системой (ВШС) контактов. Измерения проводились при
непрерывной засветке в диапазоне длин волн 350 - 1100 нм
при
различных
напряжениях
смещения
на
фотоприемнике. Установлено, что фотоприемники
обладают высокой чувствительностью как в области
собственного, так и в области примесного поглощения.
Показано, что при энергии квантов большей 2.1эв и
напряжении выше 3В наблюдается эффект внутреннего
усиления сигнала.
Ключевые слова—ВШС, фотоприемник, GaAs:Cr.
I. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что при одинаковых апертурах
структуры металл – полупроводник - металл (МПМ) с
встречно-штырьевой системой контактов обладают
более чем в 4 раза меньшей емкостью по сравнению с
аналогичным параметром pin-диода [1]. Это приводит к
пропорциональному уменьшению постоянной времени
фотоприемника и, как следствие, к повышению
быстродействия при большой площади активной
области. Именно поэтому МПМ ВШС фотоприемники
имеют преимущество по сравнению с классическими
фотодетекторами
при
использовании
в
быстродействующих оптических системах - лазерных
дальномерах, оптических линиях связи, а также в
сверхбыстродействующих
оптоэлектронных
устройствах.
1
II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА
Апертура исследуемых образцов МПМ ВШС
фотоприемников на основе GaAs:Cr составляла 1000
кв.мкм, ширина контактных выводов 200 мкм, ширина
Работа получена 6 мая, 2011. Исследования выполнялись в рамках
проектов: РФФИ 09-02-99028-р_офи, ФЦП НК -593П ГК П866,
АВЦП 2.1.2/12752.
А. Д. Лозинская, Д. Ю. Мокеев, А. В. Тяжев (: tyazhev@rid.tom.ru)
Томский государственный университет.
контакта и межконтактного расстояния 20 мкм каждый.
Габариты кристалла: 1.8кв.мм. Изготовление контактов
проводилось в два этапа. Первый этап – электроннолучевое напыление на поверхность GaAs слоев V и Ni
по 50 и 30 нм, соответственно. Второй этап –
химическое осаждение Ni толщиной 0,8-0,9 мкм.
Топология МПМ ВШС фотоприемника представлена на
рисунке 1.
В
качестве
источника
излучения
с
перестраиваемой
длиной
волны
использовался
монохроматор
МДР-3.
Измерения
зависимости
выходной мощности оптического излучения от длины
волны МДР-3 проводились калиброванным Si
фотоприемником. Результаты измерений представлены
на рисунке 2. Экспериментальные МПМ ВШС GaAs
фотодетекторы
включались
последовательно
с
источником питания и сопротивлением номиналом
1кОм. Фототок определялся в соответствие с
выражением (1):
I ph  I  I d ,
(1)
где I, Iph,Id – общий, фото - и темновой ток,
соответственно.
Абсолютная
токовая
чувствительность
фотоприемника
находилась в соответствие с
выражением:
I ph
,
(2)
Sl 
Popt
где Popt - оптическая мощность падающего
излучения находилась при калибровке фотоприемника
на основе кремния.
III. РЕЗУЛЬТАТЫ
Измерение
спектральной
характеристики
проводилось при непрерывной засветке в диапазоне
длин волн от 350 до 1100 нм, как в режиме короткого
замыкания (к.з.), так и при напряжениях смещения 1В,
2В, 3В и 5В. Результаты измерений представлены на
рисунке 2 (2а – токовая чувствительность в режиме к.з.,
2б – при различных внешних смещениях).
Анализ результатов (рис.2) позволяет сказать, что
величина токовой чувствительности зависит как от
напряжения смещения, так и от энергии квантов света.
В режиме короткого замыкания (рис.2а) зависимость
чувствительности от энергии квантов характеризуется
узким диапазоном с максимумом в области
собственного поглощения при энергии квантов 1.9эв.
При приложении внешнего напряжения (рис.2б)
абсолютные значения чувствительности возрастают во
всем исследуемом диапазоне энергий. В целом
зависимость (рис.2б) характеризуется немонотонным
поведением: резкое увеличение чувствительности при
энергиях больших 1.4эв, что соответствует началу
собственного поглощения и двумя максимумами.
Первый максимум (1.5эв) соответствует началу области
собственного поглощения. Второй максимум (2.2-3.0эв)
также находится в области собственного поглощения,
но его положение зависит от напряжения смещения на
фотоприемнике. Высокие значения (1.8А/Вт) токовой
чувствительности совместно с зависимостью от
напряжения смещения в области второго максимума
позволяют предполагать наличие эффекта внутреннего
усиления сигнала. Для проверки этого предположения
был проведен расчет спектральной зависимости
токовой чувствительности. Расчет проводился на
основе следующих выражений:
hc
1, 24
  Sl
 Sl
(3)
e

где  - квантовая эффективность, h – постоянная
Планка, c – скорость света, e – элементарный
электрический заряд, λ – длина волны.

  (1  R)  1 
выше 2.1 эВ наблюдается значительное расхождение
данных – экспериментальные значения значительно
превышают
расчетные,
что
подтверждает
предположение о наличии эффекта внутреннего
усиления сигнала. Существуют различные модели,
объясняющие подобные зависимости [2, 3]. Подробное
исследование физических механизмов, ответственных
за эффект внутреннего усиления в МПМ ВШС
фотоприемниках на основе GaAs:Cr структур, является
целью наших дальнейших исследований.
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведены исследования фоточувствительности
МПМ ВШС фотоприемников на основе GaAs:Cr.
Установлено, что фотоприемники обладают высокой
чувствительностью
в
области
примесного
и
собственного поглощения. Экспериментально показано
наличие эффекта внутреннего усиления сигнала при
напряжении на фотодетекторе выше 3В.
ССЫЛКИ
[1] С.В.Аверин, Ю.В.Гуляев, М.Д.Дмитриев, В.Т.Потапов, Р.Сашо
«Быстродействующие фотодетекторы с большой площадью активной
области на основе полупроводниковых структур с барьером Шоттки»,
Квант.электроника, Т.22, №3, с. 284-286.
[2] Зи С. «Физика полупроводниковых приборов», т 2: Пер. с англ. –
М.: Мир, 1984 - 455с.
[3] O. Katz, V. Garber, B. Meyler, G.Bahir, J. Salzman «Gain mechanism
in GaN Schottky ultraviolet detectors», Appl. Phys. Lett., vol.79, no. 10,
pp. 1417-1419, Sep 2001
e  d 

1  L 
(4)

где R – коэффициент отражения, L=Lp+Ln дрейфовая длина носителей заряда, Lp=μpEτр дрейфовая длина дырок, Ln =μnEτn - дрейфовая длина
электронов, τр τn– время жизни дырок и электронов, E –
напряженность
электрического
поля,
μp,μn
–
подвижности дырок и электронов, d – толщина
приповерхностной области в которой напряженность
поля превышает 1кВ/см, α – коэффициент поглощения
[2]. Толщина d была рассчитана в зависимости от
напряжения смещения, подаваемого на фотоприемник.
Результаты расчета представлены на рисунке 3.
При
энергиях
излучения,
соответствующих
областям примесного и собственного поглощений в
диапазоне 1.0-2.0эв расчетные данные близки к
экспериментальными. Однако, при энергии квантов
Рис. 1 Топология контактов L – апертура
фотоприемника, f – ширина контактного вывода, D –
межконтактный зазор, w – ширина контакта
Рис. 2 Чувствительность фотоприемников (а) – режим кз;
(б) при напряжении смещения: 1 – 1В, 2 – 2В, 3- 3В, 4 –
5В, соответственно.
Рис.3. Теоретические и экспериментальные зависимости
токовой чувствительности: 1 – расчетная зависимость; 2 ,3
- экспериментальные зависимости.