Elektronika 2011-10 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Detektory średniej podczerwieni (MIR) na bazie supersieciII rodzaju ze związków InAs/GaInSbdr inż. Waldemar Gawron, Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Fizyki Technicznej, Warszawamgr inż. Zbigniew Orman, VIGO System SA Ożarów MazowieckiTellurek kadmowo-rtęciowy, Hg 1–xCd xTe (HgCdTe), ze względuna unikalne właściwości, nadal zajmuje wiodącą pozycję wśródmateriałów do konstrukcji detektorów promieniowania podczerwonego,szczególnie pracujących bez chłodzenia kriogenicznego[1–6]. Niestety jest on materiałem bardzo trudnym technologicznie.Jednym z największych problemów technologii HgCdTe jestniska stabilność właściwości tego materiału. Wynika ona z niskiejenergii wiązania Hg-Te, co w szczególności skutkuje łatwym odparowaniemHg i HgTe z roztworu oraz tworzeniem luk w podsiecimetalu. Wynikająca z tego niestabilność sieciowa i powierzchniowazwiązku powoduje przyśpieszoną degradację detektorówpodczerwieni konstruowanych z HgCdTe. Problem ten ujawniasię szczególnie w wąskoprzerwowym HgCdTe. Ponadto okazujesię, że małe fluktuacje składu Hg 1–xCd xTe powodują duże fluktuacjew długofalowej granicy czułości, co w konsekwencji powodujeduże trudności w uzyskiwaniu jednorodnych macierzy detektorów,szczególnie w długofalowym zakresie widma podczerwieni12…16 µm. Niejednorodności składu są natomiast przyczyną niskiejrozdzielczości temperaturowej macierzy.Najbardziej perspektywicznym nowym materiałem do konstrukcjidetektorów podczerwieni są supersieci z naprężeniamiSLSs (ang. Strained Layer Superlattices) układu InAs/Ga 1–xIn xSb(InAs/GaInSb). Już w 1987 r. wskazali na to Smith i Mailhiot [7]. Tezwiązki półprzewodnikowe, ze względu na większy udział wiązaniakowalencyjnego, charakteryzują się większą trwałością wiązańw porównaniu z HgCdTe. Poza tym supersieci II rodzaju InAs/Ga-InSb mają szereg właściwości, podobnych do tych, jakie obserwujesię w HgCdTe [8–10]. Współczynniki absorpcji w obu materiałachsą podobne, więc wydajności kwantowe detektorów z obu tychmateriałów również są podobne. Szerokość przerwy energetycznejw obu materiałach można zmieniać w szerokim zakresie. SupersieciII rodzaju InAs/GaInSb mogą być także stosowane dokonstrukcji detektorów podczerwieni, pracujących bez chłodzeniakriogenicznego. Pod pewnymi względami właściwości fizycznesupersieci są bardziej odpowiednie w konstrukcji detektorów niżwłaściwości HgCdTe. Masa efektywna elektronów w supersieci jestwiększa niż w HgCdTe, co ogranicza składową prądu tunelowegow fotodiodach. Budowa struktury pasmowej supersieci umożliwiabardziej efektywne dławienie rekombinacji Augera nośników, cow konsekwencji wpływa na zwiększenie czasu życia nośników i polepszenieosiągów fotodiod (wydajności kwantowej, iloczynu R 0A).Dodatkową korzyścią z zastosowania supersieci jest wyeliminowanieszkodliwych dla zdrowia metali ciężkich Hg i Cd.Pewnym ograniczeniem w technologii fotodiod z supersieci IIrodzaju InAs/GaInSb, a w szczególności macierzy detektorów,są podłoża. Handlowo dostępne są niedomieszkowane podłożaz GaSb typu p i domieszkowane tellurem typu n, jednak o wysokiejkoncentracji nośników. Problemem jest duża absorpcja takiegoGaSb w podczerwieni. Aby uzyskać dobrą transmisję promieniowaniawymaganą przy oświetlaniu fotodiod od tyłu, podłożeGaSb musi być ścieniane do grubości poniżej 25 µm.Przed rozpoczęciem pracy badawczej PBZ- MNiSW 02/I/2007,nikt w Polsce nie zajmował się praktycznym wykorzystaniemsupersieci II rodzaju do konstrukcji detektorów promieniowaniapodczerwonego. Znane są natomiast prace teoretyczne na tematwykorzystania supersieci II rodzaju do konstrukcji detektorów promieniowaniapodczerwonego głównie A. Rogalskiego i innych [5,9-18], w których między innymi szczegółowo porównano detektorypodczerwieni na bazie supersieci II rodzaju oraz z HgCdTe.22Struktury detekcyjne z supersieciami II rodzajuNa rysunku 1 przedstawiono schematy dwóch struktur typu PINz supersieciami II rodzaju wykonanych w ITE. W tych supersieciachgrubości warstw GaAs wynoszą około 30,5 Å, a warstw InAs30,3 Å, co odpowiada przerwie energetycznej około 0,25 eV.a)b)20 nm InAs:Te N d = 5x10 17 cm -360 x 10 ML InAs:Te / 10 ML GaSb N d = 5x10 17 cm -340 x 10 ML InAs / 10 ML GaSb90 x 10 ML InAs / 10 ML GaSb:Be N a = 1x10 17 cm -3700 nm GaSb:Be N a = 1x10 17 cm -3pod łoże GaSb20 nm InAs:Te N d = 5x10 17 cm -360 x 10 ML InAs:Te / 10 ML GaSb N d = 5x10 17 cm -340 x 10 ML InAs / 10 ML GaSb90 x 10 ML InAs / 10 ML GaSb:Be N a = 1x10 17 cm -31000 nm GaSb:Be N a = 1x10 18 cm -3pod łoże GaSbRys. 1. Schematy dwóch struktur typu PIN z supersieciami II rodzajuwykonanych w ITEFig. 1. Diagrams of two structures of type II InAs/GaSb superlatticedetectors with PIN design grown on a GaSb substrateObie badane struktury mają niemal identyczną budowę. Wykonanoje w postaci pięciu warstw, w tym trzech zbudowanychz supersieci. Podłożem jest półizolacyjny kryształ GaSb o niskiejtransmisji w podczerwieni. Na podłożu wyhodowano warstwęGaSb o wysokiej koncentracji domieszek berylu, tworząc półprzewodniktypu P + . W strukturze pierwszej (rys. 1a) warstwa ta jestdomieszkowana na poziomie N a= 1×10 17 cm -3 i jej grubość wynosiokoło 0,7 µm, natomiast w strukturze drugiej warstwa ta jestdomieszkowana na poziomie N a= 1×10 18 cm -3 i jej grubość wynosiokoło 1 µm. Jest to jedyna różnica między tymi strukturami.Modyfikacja drugiej struktury została wykonana w celu ułatwieniawykonania kontaktów elektrycznych do tej warstwy P + . Na tychwarstwach GaSb wytworzono już identyczne warstwy – najpierwwarstwę supersieci InAs/GaSb o grubości około 0,55 µm i domieszkowaniuberylem w fazie GaSb na poziomie N a= 5×10 17 cm -3 ,następnie warstwę niedomieszkowaną supersieci InAs/GaSbo grubości około 0,25 µm. Kolejno wytworzono na niej warstwęsupersieci InAs/GaSb typu n + o domieszkowaniu tellurem w fazieInAs na poziomie N d= 5×10 17 cm -3 i grubości około 0,37 µm.Powierzchniową warstwę stanowi InAs o grubości około 20 nmi domieszkowaniu tellurem na poziom N d= 5×10 17 cm -3 .Elektronika 10/2011