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

Niechłodzone detektory podczerwieni z HgCdTemgr inż. Jarosław Pawluczyk, prof. dr hab. Józef Piotrowski, VIGO System SAdr inż. Waldemar Gawron, Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Fizyki Technicznej, WarszawaPraca bez konieczności chłodzenia kriogenicznego jest podstawowącechą detektorów” HOT” (Higher Operation Temperature)[1]. Prace nad detektorami promieniowania podczerwonego bezkonieczności chłodzenia kriogenicznego rozpoczęto w Polscejuż we wczesnych latach 70. ub. wieku [2-6]. Detektory z HgCd-Te pracyjące bez chłodzenia kriogenicznego są obecnie Polskąspecjalnością dobrze rozpoznawalną w świecie. Zainteresowanietymi detektorami jest związane z ważnymi ich zastosowaniami,w szczególności w systemach łączności optycznej drugiej generacjiw otwartej przestrzeni, analizatorach gazów, dalmierzachlaserowych działających w trudnych warunkach meteorologicznych,ostrzegaczach o namierzaniu laserowym, długofalowej metrologiilaserowej, diagnostyce plazmy w badaniach nad syntezątermonuklearną, lidarach i czujnikach pirometrycznych o subnanosekundowejrozdzielczości.W ramach grantu zamawianego PBZ- MNiSW 02/I/2007 pt.:„Zaawansowane technologie dla półprzewodnikowej optoelektronikipodczerwieni”, realizowane są dwa zadania nr 5 pt. „Niechłodzonedetektory podczerwieni z HgCdTe” w VIGO System SA i nr6 pt. „Zjawiska fotoelektryczne w złożonych heterostrukturachHgCdTe stosowanych w konstrukcjach niechłodzonych detektorówpodczerwieni” w Instytucie Fizyki Technicznej WojskowejAkademii Technicznej. Zadania te są ściśle ze sobą powiązanei wzajemnie się uzupełniają. Podstawowym celem tych zadańbyło pokonanie nierozwiązanych dotąd problemów związanychz teorią, konstrukcją i technologią detektorów promieniowaniapodczerwonego z Hg 1‐xCd xTe pracujących bez chłodzenia kriogenicznego.Wyniki badań uzyskane w ramach zadania 5 były prezentowanena wielu konferencjach naukowych i przedstawiane w wielupracach [7–15]. W niniejszej pracy przedstawiamy w skrócie najważniejszeosiągnięcia będące efektem realizacji tych badań.Koncepcja detektoraW ramach prowadzonych prac badawczych rozwijana była i udoskonalanakoncepcja detektora HOT (rys. 1) o trójwymiarowej architekturzeprzerwy zabronionej, w postaci heterostrukturalnegochipu, w którym są zintegrowane funkcje optyczne (koncentracjapromieniowania), detekcyjne (optyczna generacja par nośnikówładunku, ograniczenie szumogennej termicznej generacji i rekombinacjinośników), elektryczne (wzmocnienie i zbieranie nośników)i inne.Dzięki zastosowaniu półsferycznej soczewki immersyjnejoptyczne pole powierzchni zostaje zwiększone w stosunku dorzeczywistego pola powierzchni n 2 razy, gdzie n jest współczynnikiemzałamania materiału soczewki. Pozwala to na radykalnezmniejszenie termicznej generacji – rekombinacji nośników,tym samym ich mocy szumów, która maleje proporcjonalniewraz ze zmniejszaniem objętości absorbera. Jeszcze większy(n 4 ) zysk dostaje się dla soczewki hiperhemisferycznej.Dla soczewki wykonanej z arsenku galu (n = 3,4) optycznepole powierzchni zostaje powiększone o około 1 i 2 rzędy wielkościodpowiednio dla soczewek hemisferycznych i hiperhemisferycznych.Architektura opracowanych detektorów przedstawiona jestna rys. 2. Struktura taka jest otrzymana w jednym procesiei musi spełniać przy tym prawie idealnie wymogi sprzężeniapromieniowania podczerwonego z aktywnym obszarem detektora.Architektura ta jest rozwinięciem heterozłączowej fotodiodyP + pN + , składającej się z absorbera p, znajdującego siępomiędzy kontaktami P + dla nośników większościowych i N +dla mniejszościowych, wykonanymi z silnie domieszkowanegoszerokoprzerwowego HgCdTe. Ze stosunkowo jednorodnymiobszarami absorbera i kontaktów P + i N + sąsiadują interfejsyo dużej zmienności składu i domieszkowania. Powstają one nieuchronniew czasie wzrostu MOCVD i wykorzystuje je się dlazmniejszenia prądu ciemnego i uzyskania niskooporowego kontaktuz metalizacją kontaktową. Grubości wszystkich warstw, ichskłady i poziomy domieszkowania są dobierane dla pożądanejdługości fali promieniowania i temperatury pracy, tak, aby uzyskaćmaksymalną wykrywalność. Słabo domieszkowany absorberwarunkuje wysoką wartość ambipolarnej ruchliwości nośników,co umożliwia bardzo szybki transport dryftowy i dyfuzyjnynośników od miejsca generacji do kontaktów.Heterostruktura ta powinna zapewnić:● optymalną relację pomiędzy absorpcją promieniowania o żądanejdługości fali a szybkością termicznej generacji nośnikóww obszarze absorbera;● zminimalizowanie termicznej generacji i rekombinacji nośnikóww obszarach kontaktowych, przejściowych i na powierzchniheterostruktury;● odcięcie zakłócającego promieniowania krótkofalowego poprzezodpowiedni dobór składu warstwy N + ;● dobre i szybkie zbieranie nośników generowanych optycznie;p r o m i e n i o w a n i e p o d c z e r w o n eRys. 1. Ilustracja koncepcji detektora HOTFig. 1. A HOT detector concept illustrationkoncentratorkatodaabsorberizolatoranodaRys. 2. Schematyczny przekrój heterozłączowej fotodiody N + pP +Fig. 2. A schematic cross-section of the heterojunction HgCdTe photodiode54Elektronika 10/2011