Матричные фотоприемники 320×256 со встроенным коротковолновым отрезающим фильтром
УДК 621.315.592:621.383.4/5.029.71/73
МАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ 320×256 СО ВСТРОЕННЫМ КОРОТКОВОЛНОВЫМ ОТРЕЗАЮЩИМ ФИЛЬТРОМ
© 2009 г.
В. В. Васильев, канд. физ.-мат. наук; В. С. Варавин, канд. физ.-мат. наук; С. А. Дворецкий, канд. физ.-мат. наук; И. В. Марчишин; Н. Н. Михайлов, канд. физ.-мат. наук; А. В. Предеин; В. Г. Ремесник, канд. физ.-мат. наук; И. В. Сабинина, канд. физ.-мат. наук; Ю. Г. Сидоров, докт. физ.-мат. наук; А. О. Сусляков
Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск
E-mail: vas@thermo.isp.nsc.ru
Предложена конструкция фотоприемника на основе варизонной гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe с высокопроводящим слоем (ВС), который обеспечивает низкое последовательное сопротивление фотодиодов и одновременно выполняет функцию коротковолнового отрезающего фильтра. На основе анализа влияния параметров ВС на квантовую эффективность и разность температур, эквивалентную шуму матричных фотоприемников (МФ), определены его оптимальные параметры. Изготовлены образцы МФ форматом 320×256 элементов для спектрального диапазона 8–12 мкм на основе гибридной сборки фоточувствительных элементов из гетероэпитаксиальных структур р-типа (013) HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs с ВС и кремниевого мультиплексора. Вольтовая чувствительность, пороговая облученность и разность температур, эквивалентная шуму, в максимуме чувствительности составили 4,1×108 В/Вт, 1,02×10–7 Вт/см2 и 27 мК, соответственно.
Ключевые слова: варизонные слои, гетероэпитаксиальные структуры CdHgTe, высокопроводящий слой, коротковолновый отрезающий фильтр, матричные фотоприемники, разность температур, эквивалентная шуму.
Коды OCIS: 160.1898, 040.3060, 230.5160, 230.4170, 310.6860.
Поступила в редакцию 18.03.2009.
Введение
Предельная чувствительность фотоприемного устройства (ФПУ) для регистрации инфракрасного (ИК) излучения на основе односпектрального фотоприемника (ФП) диодного типа определяется фотоэлектрическими параметрами последнего и спектральным диапазоном поглощаемого излучения.
Для охлаждаемых матричных фотодиодных фотоприемников форматами более 128×128 элементов на основе твердого раствора p-типа Hg1–xCdxTe с чувствительностью в длинноволновом ИК диапазоне (8–12 мкм) значительную роль играет суммарный ток через фотодиод, включающий темновой ток и ток от фонового излучения, и последовательное сопротивление Rs. Большие суммарные токи фотодиодов, протекающие через большое последовательное сопротивление Rs, с базовым контактом в виде рамки, обрамляющей матрицу, приводят к значительному различию в падении напряжения, и, соответственно, усло-
вий работы для центральных и периферийных фотодиодов. Такие условия работы приводят к появлению области нечувствительности в центре матрицы – создают эффект “бублика”, который эквивалентен увеличению фотоэлектрической связи между элементами и приводит к дополнительному вкладу в шумы [1]. Для устранения эффекта “бублика” необходимо уменьшать суммарный ток матрицы фотодиодов, создавая низкое последовательное сопротивление каждого фотодиода матрицы к базовому контакту.
Ток, вызванный фоновым излучением, можно уменьшить с помощью применения в ФПУ охлаждаемой диафрагмы и фильтра, отрезающего коротковолновое паразитное излучение. Однако использование диафрагмы с фильтром повышает охлаждаемую массу в ФПУ, что может потребовать применения более производительного микрокриогенного устройства. Коротковолновое паразитное излучение можно устранить и путем создания отрезающего фильтра в составе многослойной гетероструктуры
36 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
CdHgTe (КРТ). Так, в двухспектральном ИК ФП используют гетероструктуру с широкозонным и узкозонным слоями. При регистрации излучения широкозонный слой поглощает коротковолновое и пропускает длинноволновое излучение, выполняя функции коротковолнового отрезающего фильтра.
Темновой ток фотодиода лимитируется фундаментальными механизмами токопереноса и поверхностными токами утечки. Снизить темновой ток можно путем уменьшения или полного подавления поверхностных токов утечек, что позволяют широкозонные варизонные слои у поверхности [2].
Снижение последовательного сопротивления Rs можно обеспечить созданием условий протекания тока от фотодиода к базовому контакту с высокой проводимостью. Такой слой может быть выполнен из тонкого узкозонного материала [3]. Однако в этом случае часть излучения, которое необходимо зарегистрировать, будет поглощаться в узкозонном слое. Следовательно, узкозонный слой должен быть тонким, а получение его оптимальных характеристик в настоящее время имеет определенные технологические проблемы. Можно создать слой с высокой проводимостью за счет легирования до высоких концентраций. В этом случае высоколегированный слой может быть широкозонным и одновременно будет выполнять функцию коротковолнового отрезающего фильтра.
Ниже приводятся результаты разработки конструкции ИК ФП со встроенным коротковолновым отрезающим фильтром на основе гетероэпитаксиальной структуры (ГЭС) p-типа КРТ c широкозонным высоколегированным слоем, определения его оптимальных параметров и изготовления матричных фотоприемников форматом 320×256 элементов.
Конструкция гетероэпитаксиальной структуры для ИК фотоприемника
Зонная диаграмма и распределение состава конструкции ГЭС КРТ с высоколегированным слоем (ВС) для ИК ФП представлены на рис. 1 [4]. На подложке из (013) CdTe/ZnTe/GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) выращивается варизонная структура КРТ, которая включает следующие слои:
1 – широкозонный ВС n-типа проводимости, 2 – слой типа “горбик”, 3 – фоточувствительный слой, в котором формируется n-p-переход;
E
h EC EV
1
n-тип
(а) 23
4
p-тип
n-тип
EF
xCdTe 0,36
1
0,28 xCdTe = 0,24
0,20 0
4
(б) 23
xCdTe = 0,28 xCdTe = 0,225
8
12
0,4
4 h, мкм
Рис. 1. Схема зонной диаграммы (а) и распределения состава по глубине (б) новой конструкции ГЭС КРТ с высоколегированным слоем.
4 – широкозонный варизонный слой. Слой 1 должен обеспечить низкое последовательное сопротивление фотодиодов и выполнить функцию отрезающего коротковолнового фильтра. Слои 2 и 4 предотвращают рекомбинацию генерированных излучением носителей заряда в ВС и на поверхности, что увеличивает квантовый выход и повышает ампер-ваттную чувствительность фотодиода [5].
Оптимизация состава и толщины встроенного коротковолнового фильтра
Для количественной оценки эффективности работы ВС в качестве коротковолнового фильтра были проведены численные расчеты разности температур, эквивалентной шуму (NETD – noise equivalent temperature difference) ИК ФП с размером пиксела 30×30 мкм, для объекта на расстоянии 1800 м. Для численных расчетов использовано уравнение
NETD = 2
2F
⎜⎛⎜⎝⎜
hcΔf Ad
⎟⎟⎟⎟⎞⎠1/2×
∫ ∫×
⎢⎡⎢⎢⎢⎣
λb
λb λa
ηλMdλ⎥⎥⎤⎥⎥⎦1/2
ηλtatop
dM dT
dλ
⎛⎜⎝⎜⎜⎜1
+
2Is I ph
⎞⎟⎠⎟⎟⎟⎟1/2,
λa
(1)
где ta(λ), top(λ) – спектральные коэффициенты пропускания атмосферы и линзы, M(λ, T) –
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
37
cпектральная излучательная способность абсо-
лютно черного тела, η(λ) – спектральная
квантовая эффективность фотодиода, Iph =
∫= qSpΩ hcπ
λb
η(λ)λM(λ,T)dλ
–
фототок,
Ad
–
пло-
λa
щадь поверхности детектора, F = f1/D – пара-
метр оптической системы (f1 – фокусное расстоя-
ние, D – диаметр линзы ), Δf – полоса частот, Is – ток насыщения идеального диода, h – постоян-
ная Планка, с – скорость света, q – заряд электро-
на, Sp – площадь поверхности линзы, Ω – телесный угол поля зрения элемента системы, λа и λb – пределы интегрирования по длинам волн. При выводе уравнения (1) были использованы
результаты, приведенные в [6]. Вместо обнаружительной способности D* нами были использованы величины квантовой эффективности η(λ), темнового тока Is и фототока Iph, значения которых для фотодиода определялись численным решением уравнения непрерывности.
Полоса частот Δf выбирается минимально возможной для достижения максимального
времени накопления фототока конденсатором единичной ячейки считывания мультиплексора.
Предполагая, что зарядовая емкость в каждой
ячейке матричного фотоприемника заполняется
на 50%, получаем время интегрирования
τint
=
qNint 2(Iph + Is
)
è
Δf
=
1 2τint
,
где Nint – количество электронов в зарядовой емкости. Для расчетов были приняты следующие значения параметров: λa = 0, λb = 18 мкм, F = 2, top = 1 и пропускание атмосферы ta для расстояния 1800 м из [6].
Результаты расчетов при температуре фона Т = 300 К и емкости конденсатора 5×107 электронов [7] для различной толщины и состава xf ВС приведены на рис. 2.
Из рис. 2а видно, что NETD уменьшается с
увеличением толщины широкозонного ВС, до-
стигая значения 0,018–0,019 К при толщине
более 6 мкм. На рис. 2б приведены зависимо-
сти NETD от состава для разной толщины ВС. Наблюдается минимум при хf = 0,24. Таким образом, с учетом возможностей технологии МЛЭ,
толщина ВС должна быть порядка 5 мкм.
При увеличении концентрации доноров в ВС свыше 4×1015 см–3 уровень Ферми располагается в зоне проводимости. Изменение коэффициента
поглощения света, вычисленное с учетом сдвига
Мосса–Бурстейна по формулам Андерсона [8],
NETD, К
0,026 0,024
(а)
0,022 0,020 0,018
0
0,026
xf = 0,25
xf = 0,23
xf = 0,24
2 4 6 8 10
hf, мкм
(б)
0,022
3 мкм 6 мкм
0,018
10 мкм
0,22
0,26
0,30
0,34
Состав фильтр-слоя xf
Рис. 2. Зависимости NETD от толщины ВС (hf) с составом xf = 0,24 ± 0,01 (а), от состава ВС толщиной 3–10 мкм (б) .
NETD, К
таково, что сдвиг Δλ по уровню α = 2000 см–1 составляет 0,4–1 мкм для концентраций (1–4)× ×1016 см–3. С учетом этого сдвига оптимальный состав ВС толщиной около 5 мкм, соответствую-
щий минимальному значению NETD, будет xf = 0,23 для n = 4×1016 см–3 и xf = 0,235 для n = 1×1016 см–3 (n – концентрация электронов).
Также проводилась оптимизация толщины
ВС как эффективного отрезающего фильтра
для состава х = 0,24 расчетом квантовой эффек-
тивности в одномерной геометрии фотодиода.
В расчетах использовались типичные параметры
фоточувствительного слоя: толщина 7,5 мкм, состав хCdTe = 0,22 (λ0,5 = 10,76 мкм), концентрация акцепторов Na = 8×1015 см–3, время жизни неосновных носителей заряда τе = 12 нс. Расчет проводился без учета сдвига Мосса–Бурстейна
спектральной чувствительности при полной ре-
комбинации носителей в ВС.
На рис. 3 приведены результаты численного
расчета ампер-ваттной чувствительности в зави-
38 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Ампер-ваттная чувствительность, А/Вт
6
h f = 0 мкм
4
5,5 3,52,5 1,5 7
2
0 0
4 8 12
Длина волны, мкм
Рис. 3. Зависимости ампер-ваттной чувствительности одномерного фотодиода от длины
волны падающего излучения при разных
толщинах фильтр-слоя с составом хCdTe = 0,24 (λc = 8,45 мкм).
симости от длины волны падающего излучения при разной толщине ВС с составом хCdTe = 0,24. Из расчета следует, что с увеличением толщины эффективность ВС как коротковолнового отрезающего фильтра растет, достигая при толщине 7 мкм практически 100% аналога внешнего интерференционного фильтра, используемого для длинноволновых (8–12 мкм) ИК ФП.
Экспериментальные результаты
Гетероэпитаксиальные структуры на основе КРТ были выращены методом МЛЭ на подложках диаметром 51 мм из GaAs c ориентацией (013) с буферными слоями ZnTe и CdTe. Распределение состава по толщине приведено на рис. 4. На поверхности буферного слоя CdTe последовательно выращивались
1 – широкозонный ВС с составом xf = 0,26 и толщиной 4,55 мкм, который в процессе роста легировался индием до концентрации порядка 5×1015 см–3;
2 – слой типа “горбик” с увеличением до xf = 0,275 и затем с уменьшением состава xf на толщине около 1 мкм;
3 – фоточувствительный однородный слой состава xf = 0,22 толщиной 6–8 мкм;
4 – широкозонный варизонный слой толщиной 0,4 мкм и конечным составом xf = 0,41 для пассивации фоточувствительного слоя [2].
Состав, xCdTe
Методом низкотемпературной планарной технологии [9] на выращенных варизонных слоях КРТ p-типа были изготовлены матричные фотоприемники форматом 320×256 элементов с шагом фоточувствительных элементов 30 мкм. Фотодиоды n+–p сформированы имплантацией B+ и расположены в слое 3. Площадь n–pпереходов составляла 14×14 мкм2.
Типичные вольт-амперные характеристики (ВАХ) и дифференциальное сопротивление диодов матричных фотоприемников формата 320×256 элементов с шагом фоточувствительных элементов 30 мкм представлены на рис. 5.
ВАХ диода имеет идеальную “полочку” при обратных смещениях до –200 мВ. Исходя из величины дифференциального сопротивления при нулевом смещении Rd(0) = 5 Мом и площади фоточувствительного элемента А = 8×10–6 см2, определяемой диффузионной длиной Ln ≈ 7 мкм и размерами области n-типа 14×14 мкм, получаем оценку параметра R0A = 40 Ом см2. Такое значение R0A совпадает с предельными расчетными и экспериментальными данными для n+–p-фотодиодов [6].
Холловские измерения показывают электронный тип проводимости структуры с сопротивлением 10 Ом, определяемый проводимостью высокопроводящего слоя, который, в свою очередь, при формировании изображения с помощью ИК ФП форматом 320×256 элементов устраняет эффект “бублика”.
На рис. 6 приведены зависимости спектрального фотоотклика фотодиодов, полученные при прямом падении излучения непосредственно на фотодиод и через подложку из GaAs и ВС. Из приведенных данных следует, что фотоотклик фотодиода начинается с 5,7 мкм и составляет 0,1 от максимального значения при падении излучения на фотодиод через ВС. При прямом падении
0,4
0,3
0,2 0 2 4 6 8 10 12 14
Толщина слоя, мкм
Рис. 4. Распределение состава КРТ по толщине ГЭС КРТ МЛЭ (АГ) (шифр КРТ070313). Пояснения в тексте.
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
39
Ток, А 10–9
6 4 2 0 –2 –4
– 0,6
(а)
– 0,4
(б)
108
– 0,2
0
Смещение, В
106
104
102 – 0,6
– 0,4
– 0,2 0 0,2
Смещение, В
Рис. 5. Типичные ВАХ (а) и дифференциальное сопротивление (б) фотодиода ИК ФП формата 320×256.
на этой длине волны фотоотклик составляет 0,9 от максимального значения и чувствительность фотодиода начинается с коротких длин волн (λ < 1 мкм). Это свидетельствует о высокой эффективности ВС как отрезающего коротковолнового фильтра.
Гибридная сборка матричных ИК ФП осуществлялась методом холодной сварки индиевых микростолбов под давлением [9, 10]. ФЧЭ и мультиплекосор ориентировали относительно друг друга по осям соединяемых матриц так, чтобы отклонение от идеального совпадения краевых индиевых микростолбов было не более 2 мкм в плоскости сварки (XY) и перекос по оси Z не превосходил ± 1 мкм. В процессе сжатия предусмотрена процедура автопланаризации их поверхностей. К моменту завершения процесса холодной сварки планарные поверхности останавливаются на заданном расстоянии друг от друга.
Количество элементов
4 104 3 104 2 104 1 104
(а)
0 200 400 600 800
Вольтовая чувствительность, В/Вт 106
Rd, Ом
Фотоотклик, отн. ед.
1
1
0,8
0,6
0,4 2
0,2
0 4
6 8 10
Длина волны, мкм
Рис. 6. Относительная спектральная чувствительность фотодиодов ИК ФП формата 320×256 при прямом падении излучения на фотодиод (1) и через подложку из GaAs и ВС (2).
40
Количество элементов
1 104 8 103 5 103 4 103 2 103
(б)
0 50 100 150
NETD, мК
Рис 7. Гистограммы вольтовой чувствительности (а) и NETD (б) диодов матричного ИК ФП форматом 320×256 элементов. Среднее значение вольтовой чувствительности 4,14×108В/Вт, СКО – 7,6%; среднее значение NETD – 27мК, СКО – 59%.
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
На рис. 7 приведены гистограммы вольтовой чувствительности и NETD матричного ИК ФП форматом 320×256 элементов.
Расчетное значение NETD для ИК ФП на основе ГЭС КРТ МЛЭ с широкозонным ВС (при условиях, соответствующих экперименту: F = = 1,75, top = 0,95 и ta = 1) лежит в интервале 16–19,5 мК, при этом накопительная емкость мультиплексора (Cq = 2–3 пКл) заполняется на 70%. Из гистограммы (рис. 7б) видно, что примерно 40% общего количества фотодиодов ИК ФП форматом 320×256 имеют NETD < 19 мК. Остальные фотодиоды имеют бо′льшие значения NETD вплоть до 100 мК для отдельных фотодиодов. Такие значения NETD, возможно, связаны с шумами, обусловленными повышенным темновым током, шумом 1/f, шумами мультиплексора, контактов и др.
Таким образом, широкозонный высокопроводящий слой обеспечивает низкое последовательное сопротивление и эффективно выполняет функцию отрезающего коротковолнового фильтра, что позволяет уменьшить влияние фонового излучения и улучшить параметры матричных ИК ФП форматом 320×256 элементов.
Заключение
1. Разработана новая конструкция фоточувствительных элементов на основе варизонных гетероэпитаксиальных структур теллурида кадмия и ртути, полученных методом МЛЭ, с широкозонным высокопроводящим слоем n-типа проводимости, легированного индием, одновременно выполняющим функцию высокопроводящего слоя и коротковолнового отрезающего фильтра.
2. На основе анализа NEDT и ампер-ваттной чувствительности определены оптимальные толщина и состав широкозонного высокопроводящего слоя как коротковолнового отрезающего фильтра, составляющие соответственно менее 5 мкм и 0,24 молярных долей CdTe.
3. Изготовлены фотодиодные матрицы 320×256 элементов с помощью ионного легирования бором ГЭС КРТ МЛЭ p-типа с широкозонным высокопроводящим слоем. Темновые токи высококачественных фотодиодов составляют 1,5–2 нА и лимитированы диффузионым компонентом; при этом параметр R0A = 40 Ом см2 .
4. Методом гибридной сборки на индиевых столбах фоточувствительного фотодиодного элемента и мультиплексора изготовлены образцы матричных ИК ФП форматом 320×256 элемен-
тов. Спектральная чувствительность по уровню 0,5 от максимального значения лежит в диапазоне 8–10 мкм. Вольтовая чувствительность, пороговая облученность и среднее значение NETD в максимуме чувствительности составляют соответственно 4,1×108 В/Вт, 1,02×10–7 Вт/см2 и 27 мК. Более 40% фотодиодов имеют NETD менее 19 мК.
ЛИТЕРАТУРА
1. Vasiliev V.V., Predein A.V. Influence of graded p–P heterojunction’s potential barrier on characteristics of three-dimensional HgCdTe photodiode // Proc. SPIE. 2005. V. 5834. P. 83–91.
2. Dvoretsky S.A., Varavin V.S., Mikhailov N.N., Sidorov Yu.G. , Vasiliev V.V., Ovsyuk V.N., Nikitin M.S., Lartsev I.Yu., Aseev A.L. MWIR and LWIR detectors based on HgCdTe/CdZnTe/GaAs heterostructures // Proc. SPIE. 2005. V. 5964. P. 75–87.
3. ВасильевВ.В., Варавин В.С., Захарьяш Т.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Овсюк В.Н., Осадчий В.М., Сидоров Ю.Г., Сусляков А.О. Фотодиоды с низким последовательным сопротивлением на основе варизонных эпитаксиальных слоев CdxHg1–xTe // Оптический журнал. 1999. Т. 66. № 12. С. 69–72.
4. Васильев В.В., Варавин В.С., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Сусляков, А.О., Сидоров Ю.Г., Асеев А.Л. Фотодиодный приемник инфракрасного излучения // Патент РФ. № 2310949. 2007.
5. Васильев В.В., Осадчий В.М., Сусляков А.О., Дворецкий С.А. Влияние варизонных слоев на эффективное время жизни носителей заряда в фоторезисторах на основе CdHgTe // ФТП. 1999. Т. 33. B. 3. С. 293–296.
6. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. / Под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск: Наука, 2003. C. 636.
7. Рогальский А. Третье поколение ИК-приемников на базе HgCdTe // Прикладная Физика. 2003. № 4. С. 54
8. Anderson W.W. Absorbtion constant of Pb1–xSnxTe and Hg1–xCdxTe alloys // Infrared Physics. 1980. V. 20. Р. 363–372.
9. Васильев В.В., Дворецкий С.А., Есаев Д.Г., Захарьяш Т.И., Клименко А.Г., Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Талипов Н.Х., Сидоров Ю.Г., Сусляков А.О. Фотоприемники на основе слоев CdHgTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Автометрия. 2001. № 3. C. 4–8.
10. Vasilyev V.V., Esaev D.G., Klimenko A.G., Kozlov A.I., Krymsky A.I., Marchishin I.V., Ovsyuk V.N., Romashko Z.N., Suslyakov A.O., Talipov N.Kh., Voinov V.G., Zakharyash T.I., Siclorov Yu.G., Varavin V.S., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N. Focal plane arrays based on HgCdTe epitaxial layers MBE-grown on GaAs substrates // Proc. SPIE. 1997. V. 3061. Р. 956–961.
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
41
МАТРИЧНЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ 320×256 СО ВСТРОЕННЫМ КОРОТКОВОЛНОВЫМ ОТРЕЗАЮЩИМ ФИЛЬТРОМ
© 2009 г.
В. В. Васильев, канд. физ.-мат. наук; В. С. Варавин, канд. физ.-мат. наук; С. А. Дворецкий, канд. физ.-мат. наук; И. В. Марчишин; Н. Н. Михайлов, канд. физ.-мат. наук; А. В. Предеин; В. Г. Ремесник, канд. физ.-мат. наук; И. В. Сабинина, канд. физ.-мат. наук; Ю. Г. Сидоров, докт. физ.-мат. наук; А. О. Сусляков
Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск
E-mail: vas@thermo.isp.nsc.ru
Предложена конструкция фотоприемника на основе варизонной гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe с высокопроводящим слоем (ВС), который обеспечивает низкое последовательное сопротивление фотодиодов и одновременно выполняет функцию коротковолнового отрезающего фильтра. На основе анализа влияния параметров ВС на квантовую эффективность и разность температур, эквивалентную шуму матричных фотоприемников (МФ), определены его оптимальные параметры. Изготовлены образцы МФ форматом 320×256 элементов для спектрального диапазона 8–12 мкм на основе гибридной сборки фоточувствительных элементов из гетероэпитаксиальных структур р-типа (013) HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs с ВС и кремниевого мультиплексора. Вольтовая чувствительность, пороговая облученность и разность температур, эквивалентная шуму, в максимуме чувствительности составили 4,1×108 В/Вт, 1,02×10–7 Вт/см2 и 27 мК, соответственно.
Ключевые слова: варизонные слои, гетероэпитаксиальные структуры CdHgTe, высокопроводящий слой, коротковолновый отрезающий фильтр, матричные фотоприемники, разность температур, эквивалентная шуму.
Коды OCIS: 160.1898, 040.3060, 230.5160, 230.4170, 310.6860.
Поступила в редакцию 18.03.2009.
Введение
Предельная чувствительность фотоприемного устройства (ФПУ) для регистрации инфракрасного (ИК) излучения на основе односпектрального фотоприемника (ФП) диодного типа определяется фотоэлектрическими параметрами последнего и спектральным диапазоном поглощаемого излучения.
Для охлаждаемых матричных фотодиодных фотоприемников форматами более 128×128 элементов на основе твердого раствора p-типа Hg1–xCdxTe с чувствительностью в длинноволновом ИК диапазоне (8–12 мкм) значительную роль играет суммарный ток через фотодиод, включающий темновой ток и ток от фонового излучения, и последовательное сопротивление Rs. Большие суммарные токи фотодиодов, протекающие через большое последовательное сопротивление Rs, с базовым контактом в виде рамки, обрамляющей матрицу, приводят к значительному различию в падении напряжения, и, соответственно, усло-
вий работы для центральных и периферийных фотодиодов. Такие условия работы приводят к появлению области нечувствительности в центре матрицы – создают эффект “бублика”, который эквивалентен увеличению фотоэлектрической связи между элементами и приводит к дополнительному вкладу в шумы [1]. Для устранения эффекта “бублика” необходимо уменьшать суммарный ток матрицы фотодиодов, создавая низкое последовательное сопротивление каждого фотодиода матрицы к базовому контакту.
Ток, вызванный фоновым излучением, можно уменьшить с помощью применения в ФПУ охлаждаемой диафрагмы и фильтра, отрезающего коротковолновое паразитное излучение. Однако использование диафрагмы с фильтром повышает охлаждаемую массу в ФПУ, что может потребовать применения более производительного микрокриогенного устройства. Коротковолновое паразитное излучение можно устранить и путем создания отрезающего фильтра в составе многослойной гетероструктуры
36 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
CdHgTe (КРТ). Так, в двухспектральном ИК ФП используют гетероструктуру с широкозонным и узкозонным слоями. При регистрации излучения широкозонный слой поглощает коротковолновое и пропускает длинноволновое излучение, выполняя функции коротковолнового отрезающего фильтра.
Темновой ток фотодиода лимитируется фундаментальными механизмами токопереноса и поверхностными токами утечки. Снизить темновой ток можно путем уменьшения или полного подавления поверхностных токов утечек, что позволяют широкозонные варизонные слои у поверхности [2].
Снижение последовательного сопротивления Rs можно обеспечить созданием условий протекания тока от фотодиода к базовому контакту с высокой проводимостью. Такой слой может быть выполнен из тонкого узкозонного материала [3]. Однако в этом случае часть излучения, которое необходимо зарегистрировать, будет поглощаться в узкозонном слое. Следовательно, узкозонный слой должен быть тонким, а получение его оптимальных характеристик в настоящее время имеет определенные технологические проблемы. Можно создать слой с высокой проводимостью за счет легирования до высоких концентраций. В этом случае высоколегированный слой может быть широкозонным и одновременно будет выполнять функцию коротковолнового отрезающего фильтра.
Ниже приводятся результаты разработки конструкции ИК ФП со встроенным коротковолновым отрезающим фильтром на основе гетероэпитаксиальной структуры (ГЭС) p-типа КРТ c широкозонным высоколегированным слоем, определения его оптимальных параметров и изготовления матричных фотоприемников форматом 320×256 элементов.
Конструкция гетероэпитаксиальной структуры для ИК фотоприемника
Зонная диаграмма и распределение состава конструкции ГЭС КРТ с высоколегированным слоем (ВС) для ИК ФП представлены на рис. 1 [4]. На подложке из (013) CdTe/ZnTe/GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) выращивается варизонная структура КРТ, которая включает следующие слои:
1 – широкозонный ВС n-типа проводимости, 2 – слой типа “горбик”, 3 – фоточувствительный слой, в котором формируется n-p-переход;
E
h EC EV
1
n-тип
(а) 23
4
p-тип
n-тип
EF
xCdTe 0,36
1
0,28 xCdTe = 0,24
0,20 0
4
(б) 23
xCdTe = 0,28 xCdTe = 0,225
8
12
0,4
4 h, мкм
Рис. 1. Схема зонной диаграммы (а) и распределения состава по глубине (б) новой конструкции ГЭС КРТ с высоколегированным слоем.
4 – широкозонный варизонный слой. Слой 1 должен обеспечить низкое последовательное сопротивление фотодиодов и выполнить функцию отрезающего коротковолнового фильтра. Слои 2 и 4 предотвращают рекомбинацию генерированных излучением носителей заряда в ВС и на поверхности, что увеличивает квантовый выход и повышает ампер-ваттную чувствительность фотодиода [5].
Оптимизация состава и толщины встроенного коротковолнового фильтра
Для количественной оценки эффективности работы ВС в качестве коротковолнового фильтра были проведены численные расчеты разности температур, эквивалентной шуму (NETD – noise equivalent temperature difference) ИК ФП с размером пиксела 30×30 мкм, для объекта на расстоянии 1800 м. Для численных расчетов использовано уравнение
NETD = 2
2F
⎜⎛⎜⎝⎜
hcΔf Ad
⎟⎟⎟⎟⎞⎠1/2×
∫ ∫×
⎢⎡⎢⎢⎢⎣
λb
λb λa
ηλMdλ⎥⎥⎤⎥⎥⎦1/2
ηλtatop
dM dT
dλ
⎛⎜⎝⎜⎜⎜1
+
2Is I ph
⎞⎟⎠⎟⎟⎟⎟1/2,
λa
(1)
где ta(λ), top(λ) – спектральные коэффициенты пропускания атмосферы и линзы, M(λ, T) –
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
37
cпектральная излучательная способность абсо-
лютно черного тела, η(λ) – спектральная
квантовая эффективность фотодиода, Iph =
∫= qSpΩ hcπ
λb
η(λ)λM(λ,T)dλ
–
фототок,
Ad
–
пло-
λa
щадь поверхности детектора, F = f1/D – пара-
метр оптической системы (f1 – фокусное расстоя-
ние, D – диаметр линзы ), Δf – полоса частот, Is – ток насыщения идеального диода, h – постоян-
ная Планка, с – скорость света, q – заряд электро-
на, Sp – площадь поверхности линзы, Ω – телесный угол поля зрения элемента системы, λа и λb – пределы интегрирования по длинам волн. При выводе уравнения (1) были использованы
результаты, приведенные в [6]. Вместо обнаружительной способности D* нами были использованы величины квантовой эффективности η(λ), темнового тока Is и фототока Iph, значения которых для фотодиода определялись численным решением уравнения непрерывности.
Полоса частот Δf выбирается минимально возможной для достижения максимального
времени накопления фототока конденсатором единичной ячейки считывания мультиплексора.
Предполагая, что зарядовая емкость в каждой
ячейке матричного фотоприемника заполняется
на 50%, получаем время интегрирования
τint
=
qNint 2(Iph + Is
)
è
Δf
=
1 2τint
,
где Nint – количество электронов в зарядовой емкости. Для расчетов были приняты следующие значения параметров: λa = 0, λb = 18 мкм, F = 2, top = 1 и пропускание атмосферы ta для расстояния 1800 м из [6].
Результаты расчетов при температуре фона Т = 300 К и емкости конденсатора 5×107 электронов [7] для различной толщины и состава xf ВС приведены на рис. 2.
Из рис. 2а видно, что NETD уменьшается с
увеличением толщины широкозонного ВС, до-
стигая значения 0,018–0,019 К при толщине
более 6 мкм. На рис. 2б приведены зависимо-
сти NETD от состава для разной толщины ВС. Наблюдается минимум при хf = 0,24. Таким образом, с учетом возможностей технологии МЛЭ,
толщина ВС должна быть порядка 5 мкм.
При увеличении концентрации доноров в ВС свыше 4×1015 см–3 уровень Ферми располагается в зоне проводимости. Изменение коэффициента
поглощения света, вычисленное с учетом сдвига
Мосса–Бурстейна по формулам Андерсона [8],
NETD, К
0,026 0,024
(а)
0,022 0,020 0,018
0
0,026
xf = 0,25
xf = 0,23
xf = 0,24
2 4 6 8 10
hf, мкм
(б)
0,022
3 мкм 6 мкм
0,018
10 мкм
0,22
0,26
0,30
0,34
Состав фильтр-слоя xf
Рис. 2. Зависимости NETD от толщины ВС (hf) с составом xf = 0,24 ± 0,01 (а), от состава ВС толщиной 3–10 мкм (б) .
NETD, К
таково, что сдвиг Δλ по уровню α = 2000 см–1 составляет 0,4–1 мкм для концентраций (1–4)× ×1016 см–3. С учетом этого сдвига оптимальный состав ВС толщиной около 5 мкм, соответствую-
щий минимальному значению NETD, будет xf = 0,23 для n = 4×1016 см–3 и xf = 0,235 для n = 1×1016 см–3 (n – концентрация электронов).
Также проводилась оптимизация толщины
ВС как эффективного отрезающего фильтра
для состава х = 0,24 расчетом квантовой эффек-
тивности в одномерной геометрии фотодиода.
В расчетах использовались типичные параметры
фоточувствительного слоя: толщина 7,5 мкм, состав хCdTe = 0,22 (λ0,5 = 10,76 мкм), концентрация акцепторов Na = 8×1015 см–3, время жизни неосновных носителей заряда τе = 12 нс. Расчет проводился без учета сдвига Мосса–Бурстейна
спектральной чувствительности при полной ре-
комбинации носителей в ВС.
На рис. 3 приведены результаты численного
расчета ампер-ваттной чувствительности в зави-
38 “Оптический журнал”, 76, 12, 2009
Ампер-ваттная чувствительность, А/Вт
6
h f = 0 мкм
4
5,5 3,52,5 1,5 7
2
0 0
4 8 12
Длина волны, мкм
Рис. 3. Зависимости ампер-ваттной чувствительности одномерного фотодиода от длины
волны падающего излучения при разных
толщинах фильтр-слоя с составом хCdTe = 0,24 (λc = 8,45 мкм).
симости от длины волны падающего излучения при разной толщине ВС с составом хCdTe = 0,24. Из расчета следует, что с увеличением толщины эффективность ВС как коротковолнового отрезающего фильтра растет, достигая при толщине 7 мкм практически 100% аналога внешнего интерференционного фильтра, используемого для длинноволновых (8–12 мкм) ИК ФП.
Экспериментальные результаты
Гетероэпитаксиальные структуры на основе КРТ были выращены методом МЛЭ на подложках диаметром 51 мм из GaAs c ориентацией (013) с буферными слоями ZnTe и CdTe. Распределение состава по толщине приведено на рис. 4. На поверхности буферного слоя CdTe последовательно выращивались
1 – широкозонный ВС с составом xf = 0,26 и толщиной 4,55 мкм, который в процессе роста легировался индием до концентрации порядка 5×1015 см–3;
2 – слой типа “горбик” с увеличением до xf = 0,275 и затем с уменьшением состава xf на толщине около 1 мкм;
3 – фоточувствительный однородный слой состава xf = 0,22 толщиной 6–8 мкм;
4 – широкозонный варизонный слой толщиной 0,4 мкм и конечным составом xf = 0,41 для пассивации фоточувствительного слоя [2].
Состав, xCdTe
Методом низкотемпературной планарной технологии [9] на выращенных варизонных слоях КРТ p-типа были изготовлены матричные фотоприемники форматом 320×256 элементов с шагом фоточувствительных элементов 30 мкм. Фотодиоды n+–p сформированы имплантацией B+ и расположены в слое 3. Площадь n–pпереходов составляла 14×14 мкм2.
Типичные вольт-амперные характеристики (ВАХ) и дифференциальное сопротивление диодов матричных фотоприемников формата 320×256 элементов с шагом фоточувствительных элементов 30 мкм представлены на рис. 5.
ВАХ диода имеет идеальную “полочку” при обратных смещениях до –200 мВ. Исходя из величины дифференциального сопротивления при нулевом смещении Rd(0) = 5 Мом и площади фоточувствительного элемента А = 8×10–6 см2, определяемой диффузионной длиной Ln ≈ 7 мкм и размерами области n-типа 14×14 мкм, получаем оценку параметра R0A = 40 Ом см2. Такое значение R0A совпадает с предельными расчетными и экспериментальными данными для n+–p-фотодиодов [6].
Холловские измерения показывают электронный тип проводимости структуры с сопротивлением 10 Ом, определяемый проводимостью высокопроводящего слоя, который, в свою очередь, при формировании изображения с помощью ИК ФП форматом 320×256 элементов устраняет эффект “бублика”.
На рис. 6 приведены зависимости спектрального фотоотклика фотодиодов, полученные при прямом падении излучения непосредственно на фотодиод и через подложку из GaAs и ВС. Из приведенных данных следует, что фотоотклик фотодиода начинается с 5,7 мкм и составляет 0,1 от максимального значения при падении излучения на фотодиод через ВС. При прямом падении
0,4
0,3
0,2 0 2 4 6 8 10 12 14
Толщина слоя, мкм
Рис. 4. Распределение состава КРТ по толщине ГЭС КРТ МЛЭ (АГ) (шифр КРТ070313). Пояснения в тексте.
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
39
Ток, А 10–9
6 4 2 0 –2 –4
– 0,6
(а)
– 0,4
(б)
108
– 0,2
0
Смещение, В
106
104
102 – 0,6
– 0,4
– 0,2 0 0,2
Смещение, В
Рис. 5. Типичные ВАХ (а) и дифференциальное сопротивление (б) фотодиода ИК ФП формата 320×256.
на этой длине волны фотоотклик составляет 0,9 от максимального значения и чувствительность фотодиода начинается с коротких длин волн (λ < 1 мкм). Это свидетельствует о высокой эффективности ВС как отрезающего коротковолнового фильтра.
Гибридная сборка матричных ИК ФП осуществлялась методом холодной сварки индиевых микростолбов под давлением [9, 10]. ФЧЭ и мультиплекосор ориентировали относительно друг друга по осям соединяемых матриц так, чтобы отклонение от идеального совпадения краевых индиевых микростолбов было не более 2 мкм в плоскости сварки (XY) и перекос по оси Z не превосходил ± 1 мкм. В процессе сжатия предусмотрена процедура автопланаризации их поверхностей. К моменту завершения процесса холодной сварки планарные поверхности останавливаются на заданном расстоянии друг от друга.
Количество элементов
4 104 3 104 2 104 1 104
(а)
0 200 400 600 800
Вольтовая чувствительность, В/Вт 106
Rd, Ом
Фотоотклик, отн. ед.
1
1
0,8
0,6
0,4 2
0,2
0 4
6 8 10
Длина волны, мкм
Рис. 6. Относительная спектральная чувствительность фотодиодов ИК ФП формата 320×256 при прямом падении излучения на фотодиод (1) и через подложку из GaAs и ВС (2).
40
Количество элементов
1 104 8 103 5 103 4 103 2 103
(б)
0 50 100 150
NETD, мК
Рис 7. Гистограммы вольтовой чувствительности (а) и NETD (б) диодов матричного ИК ФП форматом 320×256 элементов. Среднее значение вольтовой чувствительности 4,14×108В/Вт, СКО – 7,6%; среднее значение NETD – 27мК, СКО – 59%.
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
На рис. 7 приведены гистограммы вольтовой чувствительности и NETD матричного ИК ФП форматом 320×256 элементов.
Расчетное значение NETD для ИК ФП на основе ГЭС КРТ МЛЭ с широкозонным ВС (при условиях, соответствующих экперименту: F = = 1,75, top = 0,95 и ta = 1) лежит в интервале 16–19,5 мК, при этом накопительная емкость мультиплексора (Cq = 2–3 пКл) заполняется на 70%. Из гистограммы (рис. 7б) видно, что примерно 40% общего количества фотодиодов ИК ФП форматом 320×256 имеют NETD < 19 мК. Остальные фотодиоды имеют бо′льшие значения NETD вплоть до 100 мК для отдельных фотодиодов. Такие значения NETD, возможно, связаны с шумами, обусловленными повышенным темновым током, шумом 1/f, шумами мультиплексора, контактов и др.
Таким образом, широкозонный высокопроводящий слой обеспечивает низкое последовательное сопротивление и эффективно выполняет функцию отрезающего коротковолнового фильтра, что позволяет уменьшить влияние фонового излучения и улучшить параметры матричных ИК ФП форматом 320×256 элементов.
Заключение
1. Разработана новая конструкция фоточувствительных элементов на основе варизонных гетероэпитаксиальных структур теллурида кадмия и ртути, полученных методом МЛЭ, с широкозонным высокопроводящим слоем n-типа проводимости, легированного индием, одновременно выполняющим функцию высокопроводящего слоя и коротковолнового отрезающего фильтра.
2. На основе анализа NEDT и ампер-ваттной чувствительности определены оптимальные толщина и состав широкозонного высокопроводящего слоя как коротковолнового отрезающего фильтра, составляющие соответственно менее 5 мкм и 0,24 молярных долей CdTe.
3. Изготовлены фотодиодные матрицы 320×256 элементов с помощью ионного легирования бором ГЭС КРТ МЛЭ p-типа с широкозонным высокопроводящим слоем. Темновые токи высококачественных фотодиодов составляют 1,5–2 нА и лимитированы диффузионым компонентом; при этом параметр R0A = 40 Ом см2 .
4. Методом гибридной сборки на индиевых столбах фоточувствительного фотодиодного элемента и мультиплексора изготовлены образцы матричных ИК ФП форматом 320×256 элемен-
тов. Спектральная чувствительность по уровню 0,5 от максимального значения лежит в диапазоне 8–10 мкм. Вольтовая чувствительность, пороговая облученность и среднее значение NETD в максимуме чувствительности составляют соответственно 4,1×108 В/Вт, 1,02×10–7 Вт/см2 и 27 мК. Более 40% фотодиодов имеют NETD менее 19 мК.
ЛИТЕРАТУРА
1. Vasiliev V.V., Predein A.V. Influence of graded p–P heterojunction’s potential barrier on characteristics of three-dimensional HgCdTe photodiode // Proc. SPIE. 2005. V. 5834. P. 83–91.
2. Dvoretsky S.A., Varavin V.S., Mikhailov N.N., Sidorov Yu.G. , Vasiliev V.V., Ovsyuk V.N., Nikitin M.S., Lartsev I.Yu., Aseev A.L. MWIR and LWIR detectors based on HgCdTe/CdZnTe/GaAs heterostructures // Proc. SPIE. 2005. V. 5964. P. 75–87.
3. ВасильевВ.В., Варавин В.С., Захарьяш Т.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Овсюк В.Н., Осадчий В.М., Сидоров Ю.Г., Сусляков А.О. Фотодиоды с низким последовательным сопротивлением на основе варизонных эпитаксиальных слоев CdxHg1–xTe // Оптический журнал. 1999. Т. 66. № 12. С. 69–72.
4. Васильев В.В., Варавин В.С., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Сусляков, А.О., Сидоров Ю.Г., Асеев А.Л. Фотодиодный приемник инфракрасного излучения // Патент РФ. № 2310949. 2007.
5. Васильев В.В., Осадчий В.М., Сусляков А.О., Дворецкий С.А. Влияние варизонных слоев на эффективное время жизни носителей заряда в фоторезисторах на основе CdHgTe // ФТП. 1999. Т. 33. B. 3. С. 293–296.
6. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. / Под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск: Наука, 2003. C. 636.
7. Рогальский А. Третье поколение ИК-приемников на базе HgCdTe // Прикладная Физика. 2003. № 4. С. 54
8. Anderson W.W. Absorbtion constant of Pb1–xSnxTe and Hg1–xCdxTe alloys // Infrared Physics. 1980. V. 20. Р. 363–372.
9. Васильев В.В., Дворецкий С.А., Есаев Д.Г., Захарьяш Т.И., Клименко А.Г., Козлов А.И., Марчишин И.В., Овсюк В.Н., Талипов Н.Х., Сидоров Ю.Г., Сусляков А.О. Фотоприемники на основе слоев CdHgTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Автометрия. 2001. № 3. C. 4–8.
10. Vasilyev V.V., Esaev D.G., Klimenko A.G., Kozlov A.I., Krymsky A.I., Marchishin I.V., Ovsyuk V.N., Romashko Z.N., Suslyakov A.O., Talipov N.Kh., Voinov V.G., Zakharyash T.I., Siclorov Yu.G., Varavin V.S., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N. Focal plane arrays based on HgCdTe epitaxial layers MBE-grown on GaAs substrates // Proc. SPIE. 1997. V. 3061. Р. 956–961.
“Оптический журнал”, 76, 12, 2009
41