Из решения уравнения непрерывности для одномерной модели р–n-перехода с граничными условиями, определяющими поведение концентрации неосновных носителей заряда и тока на границах раздела областей р- и n-типа проводимости, получена зависимость произведения R0A от длины волны и температуры. Проведено сравнение влияния характерных для материала HgCdTe механизмов рекомбинации (излучательной, поверхностной, Оже, Шокли-Рида-Холла), на параметры фотодиодов. Показано, что параметры фотодиодов в большей степени зависят от механизмов рекомбинации Оже и ШРХ, при этом рекомбинация ШРХ в области объемного заряда дополнительно уменьшает произведение R0A более чем в 3 раза по сравнению с рекомбинацией Оже, а поверхностная рекомбинация на границе раздела области поглощения уменьшает произведение R0A на 1,5 порядка. Предложены рекомендации по улучшению технологии изготовления фотодиодов на основе HgCdTe, которые заключаются в усложнении архитектуры фоточувствительного элемента (ФЧЭ) и улучшение качества границ раздела между слоями.
This paper presents the physical models of dark current and R0A product implemented for HgCdTe infrared photodiodes. The dependences of the R0A product on the wavelength and temperature were obtained from the solution of the continuity equation for the p-n junction with boundary conditions determining the behavior of the minority carrier concentration and current at the interfaces of the pand n-type regions. The effect of recombination mechanisms (radiative, surface, Auger, ShockleyRead-Hall) on the HgCdTe photodiode performance have been compared. It is shown that the HgCdTe photodiode performance is basically determined on the Auger and SRH recombination mechanisms SRH recombination in the space-charge region additionally decreases the R0A product of by more than 3 times compared with Auger recombination, and surface recombination at the interface of the absorption region decreases the R0A product by 1.5 orders of magnitude. Recommendations for improving of the HgCdTe photodiodes technology have been proposed, which include the photosensitive element architecture and the quality of interfaces between working layers.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- УДК
- 621.383.4. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. Фоторезисторы
621.383.5. Фотоприемники с запирающим слоем - eLIBRARY ID
- 35212733
Оценка влияния параметров структуры фотодиода из HgCdTe на темновой ток и произведение R0A, проведена на основе простой одномерной модели р–n-перехода. Выходные параметры фотодиодов на основе HgCdTe определяются свойствами исходного материала и архитектурой ФЧЭ. Если материал высокого структурного совершенства, т. е. отсутствуют центры генерации-рекомбинации ШРХ, темновой ток зависит от процессов Ожерекомбинации. В случае подавления процессов Оже-рекомбинации, параметры прибора будут определяться рекомбинацией ШРХ в области ОПЗ.
Существуют следующие пути уменьшения темнового тока фотодиодов на основе HgCdTe.
-
Уменьшение темнового диффузионного тока на границе раздела поглощающего слоя и подложки z = d до нулевого значения Je(z = d) = 0. Для технической реализации данного условия формируется область высокой концентрации р+-типа на границе раздела р-области, например, методом МЛЭ. Переход p+–p-типа будет блокировать неосновные носители заряда, дополнительно за счет высокого легирования p+-слоя формируется омический контакт для основных носителей заряда при подаче обратного смещения к р-области, основы функционирования структур n+–p–p+-типа представлены в работах (Ashley and Elliott 1985, [22, 23]).
-
Уменьшение темнового тока генерациирекомбинации ШРХ в области ОПЗ. Для технической реализации данного условия в ОПЗ формируется барьерный слой, подавляющий тепловые процессы генерации-рекомбинации ШРХ, дополнительно рабочие слои р- и n-типа в структуре ФЧЭ должны быть высокого структурного совершенства.
-
Получение границы раздела с минимальным поверхностным потенциалом и, следовательно, с малой скоростью поверхностной рекомбинации Sp. Данный путь реализуется правильным выбором буферных разделительных слоев в процессе выращивания структур ФЧЭ.
-
Уменьшение Оже-рекомбинации в области поглощения. Реализуется с помощью принудительного обеднения области поглощения как основными, так и неосновными носителями заряда при формировании архитектур n+––p+- или n+– –p+-типа, основы создания таких структур приведены в работах (Emelie P. Y. 2009, [24], Itsuno A. 2012, [25]).
Таким образом, совместное применение указанных технологических решений позволяет улучшить параметры фотодиодов на основе HgCdTe или повысить рабочую температуру.
Список литературы
1. Boltar К. О., Burlakov I. D., Filachev A. M., Klimanov E. A., Ponomarenko V. P., Solyakov V. N., Stafeev V. I. // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2007. Vol. 16. No. 4. P. 234.
2. Boltar K. O., Burlakov I. D., Ponomarenko V. P., Yakovleva N. I., Klimanov E. A., Akimov V. M. // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2008. Vol. 17. No. 1. P. 9.
3. Hansen G. L., Schmidt J. L., Casselman T. N. // J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53. No. 10. P. 7099.
4. Hansen G. L., Schmidt J. L. // J. Appl. Phys. 1983. Vol. 54. P. 1639–40.
5. Chu Junhao, Sher Arden. Device Physics of Narrow Gap Semiconductors – Springer Science+Business Media, LLC, 2010.
6. Shockley W. The theory of p-n junctions in semiconductors and p-n junction transistors – Bell Syst. Tech. J 28:435–489, (1949).
7. Blakemore J. S. Semiconductor statistics – Pergamon, Oxford (1962).
8. Schacham S. E., Finkman E. // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 57. P. 2001.
9. Long D. Optical and Infrared detectors. In Book: Keyes R.J. (ed) Topics in Applied Physics, vol. 19. – Springer, New York, (1977).
10. Baars J., Sorger F. // Solid State Commun. 1972, Vol. 10. P. 875.
11. Weiler M. H. // Solid State Commun. 1981. Vol. 39. P. 937.
12. Casselman T. N., Petersen P. E. // Solid State Communications 1980. Vol. 33. P. 615.
13. Casselman T. N. // J. Appl. Phys. 1981. Vol. 52. P. 848.
14. Rogalski A. Infrared detectors –Taylor and Francis Group, LLC, 2011.
15. Lopes V. C., Syllaios A. J., Chen M. C. // Semiconductor Science and Technology. 1993. Vol. 8. P. 824−41.
16. Beattie R., White A. M. // Semiconductor Science and Technology. 1997. Vol. 12. P. 359–68.
17. Shockley W., Read W. T. // Phys. Rev. 1952 (Sept.). Vol. 87. P. 835.
18. Hall R. N. // Phys. Rev. 1952 (July). Vol. 87. P. 387.
19. Milnes A. G. Deep Impurities in Semiconductors – John Wiley, New York, 1973.
20. Sah C. T. // Phys. Rev. 1961. Vol. 123. P. 1594.
21. Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices – A John Wiley & Sons, Jnc., Publication, 2007
22. Ashley T., Elliott C. T. // Electron. Lett. 1985. Vol. 21. P. 451.
23. Ashley T., Elliott C. T., White A. M. // Proc. SPIE. 1985. Vol. 572. P. 123.
24. Emelie P. Y., Phillips J. D., Velicu S., Wijewarnasuriya P. S. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. Vol. 42 2009. P. 234003.
25. Itsuno A. M., Phillips J. D., Velicu S. // J. Electronic Materials. 2012. Vol. 41. No. 10. P. 2886.
1. К. О. Boltar, I. D. Burlakov, A. M. Filachev, E. A. Klimanov, V. P. Ponomarenko, V. N. Solyakov, and V. I. Stafeev, Optical Memory and Neural Networks (Information Optics) 16 (4), 234 (2007).
2. K. O. Boltar, I. D. Burlakov, V. P. Ponomarenko, N. I. Yakovleva, E. A. Klimanov, and V. M. Akimov, Optical Memory and Neural Networks (Information Optics) 17 (1), 9 (2008).
3. G. L. Hansen, J. L. Schmidt, and T. N. Casselman, J. Appl. Phys. 53 (10), 7099 (1982).
4. G. L. Hansen and J. L. Schmidt, J. Appl. Phys. 54, 1639 (1983).
5. Junhao Chu and Arden Sher, Device Physics of Narrow Gap Semiconductors, (Springer Science+Business Media, LLC, 2010).
6. W. Shockley, The theory of p-n junctions in semiconductors and p-n junction transistors. (Bell Syst. Tech. 1949).
7. J. S. Blakemore, Semiconductor statistics. (Pergamon, Oxford, 1962).
8. S. E. Schacham and E. Finkman, J. Appl. Phys. 57, 2001 (1985).
9. D. Long, Optical and Infrared detectors. In Book: Keyes R.J. (ed), Topics in Applied Physics, vol 19. (Springer, New York, 1977).
10. J. Baars and F. Sorger, Solid State Commun. 10, 875 (1972).
11. M. H. Weiler, Solid State Commun. 39, 937 (1981).
12. T. N. Casselman and P. E. Petersen, Solid State Communications 33, 615 (1980).
13. T. N. Casselman, J. Appl. Phys. 52, 848 (1981).
14. A. Rogalski, Infrared detectors, (Taylor and Francis Group, LLC, 2011).
15. V. C. Lopes, A. J., Syllaios, and M. C. Chen, Semiconductor Science and Technology 8, 824 (1993).
16. R. Beattie and A. M. White, Semiconductor Science and Technology 12, 359 (1997).
17. W. Shockley and W. T. Read, Phys. Rev. 87, 835 (1952, Sept.).
18. R. N. Hall, Phys. Rev. 87, 387 (1952, July).
19. A. G. Milnes, Deep Impurities in Semiconductors (John Wiley, New York, 1973).
20. C. T. Sah, Phys. Rev. 123, 1594 (1961).
21. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices (A John Wiley & Sons, Jnc., Publication, 2007).
22. T. Ashley and C. T. Elliott, Electron. Lett. 21, 451 (1985).
23. T. Ashley, C. T. Elliott, and A. M. White, Proc. SPIE 572, 123 (1985).
24. P. Y. Emelie, J. D. Phillips, S. Velicu, and P. S. Wijewarnasuriya, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 234003 (2009).
25. A. M. Itsuno, J. D. Phillips, and S. Velicu, J. Electronic Materials 41 (10), 2886 (2012).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Возбуждение кольцевых диэлектрических магнитных диполей плоской электромагнитной волной Печеркин В. Я., Шварцбург А. Б., Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Костюченко Т. С., Панов В. А. 191
Влияние электрического тока на акустический отклик механически нагруженных образцов искус-ственного песчаника Зейгарник В. А., Ключкин В. Н., Окунев В. И. 199
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Основные итоги исследований в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза в России в 2017 году (Обзор материалов XLV Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2–6 апреля 2018 г.) Гришина И. А., Иванов В. А., Коврижных Л. М. 209
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Матричные фотоприемные устройства формата 384288 элементов для ИК-диапазона 8–10 мкм Зверев А. В., Сусляков А. О., Сабинина И. В., Сидоров Г. Ю., Якушев М. В., Кузьмин В. Д., Варавин В. С., Ремесник В. Г., Макаров Ю. С., Предеин А. В., Горшков Д. В., Дворецкий С. А., Васильев В. В., Си-доров Ю. Г., Латышев А. В., Кремис И. И. 224
Влияние механизмов генерации-рекомбинации неосновных носителей заряда на темновой ток фотодиодов на основе HgCdTe Яковлева Н. И. 231
Оптоэлектронные свойства тонких пленок а-Si1-xGex: H (x = 0÷1) для солнечных элементов Наджафов Б. А., Абдуллаев Х. Ш. 242
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Исследование метода коррекции остаточной неоднородности тепловизионного канала с микроска-нированием Кремис И. И. 252 Автоматизированная система синтеза ИК-изображений для тестирования характеристик матричных фотоприемных устройств Верхогляд А. Г., Гибин И. С., Елесин А. Г., Касторский Л. Б., Кокарев С. А., Солдатенко А. В., Ступак М. Ф. 260
ИНФОРМАЦИЯ
Правила для авторов 269
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
Excitation of ring dielectric magnetic dipoles by a plane electromagnetic wave V. Ya. Pecherkin, A. B. Shvartsburg, L. M. Vasilyak, S. P. Vetchinin, T. S. Kostyuchenko, and V. A. Panov 191
Influence of an electrical current on the acoustic response of stressed artificial sandstone samples V. A. Zeigarnik, V. N. Kliuchkin, and V. I. Okunev 199
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
Main research results in the field of plasma physics and controlled fusion in Russia in 2017 (Review of the reports of the XLV International Zvenigorod Conference, 2018) I. A. Grishina, V. A. Ivanov, and L. M. Kovrizhnych 209
PHOTOELECTRONICS
LWIR 384288 FPA for the infrared range of 8–10 μm А. V. Zverev, А. О. Suslyakov, I. V. Sabinina, G. Yu. Sidorov, М. V. Yakushev, V. D. Kuzmin, V. S. Varavin, V. G. Remesnik, Yu. S. Makarov, А. V. Predein, D. V. Gorshkov, S. А. Dvoretsky, V. V. Vasil’ev, Yu. G. Sidorov, А. V. Latyshev, and I. I. Kremis 224
Effect of recombination mechanisms on a dark current in the HgCdTe photodiodes N. I. Iakovleva 231
Optoelectronic properties of thin films a-Si1-xGex: H (x = 01) for solar cells B. A. Najafov and X. S. Abdullayev 242
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
Study of the method of correction of residual heterogeneity of thermal imaging channel with micro-scanning I. I. Kremis 252
Automated system for synthesizing infrared images for testing the characteristics of matrix photodetector devices A. G. Verhoglyad, I. S. Gibin, A. G. Elesin, L. B. Kastorsky, S. A. Kokarev, A. V. Soldatenko, and M. F. Stu-pak 260
INFORMATION
Rules for authors 269
Другие статьи выпуска
Изложены результаты разработки и апробирования отечественной автоматизированной системы синтеза динамических и статических ИК-изображений в составе испытательного стенда контроля характеристик МФПУ. Реализованы наличие двух независимых каналов засветки поверхности тестируемого изделия – канал объекта и канал фона, возможность независимого изменения уровней облученности в обоих каналах в широком диапазоне – в канале фона облученность не менее 10-7 Вт/см2, в канале объекта в диапазоне 10-9–10-6 Вт/см2. Размер точечного объекта, формируемого в плоскости изображения тестируемого МФПУ, не превышает 30 мкм, скорость его перемещения до 250 мкм/с.
В работе обоснована необходимость учета качества коррекции неоднородности чувствительности фотоприемника при проектировании тепловизионных приборов. Изложены результаты исследования эффективности метода фильтрации остаточной неоднородности с использованием микросканирования. Показано, что использование метода фильтрации снижает уровень шумов: временного – в 1,57 раза, пространственного – в 5,2 раз. Это улучшает показатель РТЭШ тепловизионного канала в 3,24 раза.
В работе проанализированы возможности применения технологии плазмохимического осаждения пленок а-Si1-xGex: H (x = 0÷1), нелегированных и легированных PH3 и B2H6, для использования их в p–i–n-структурах солнечных элементов. Рассмотрены оптические, электрические, фотоэлектрические свойства, а также определено количество водорода в данной пленке. Найдено, что свойства пленки сильно зависит от состава и уровня гидрогенизации. Количество атомов водорода в пленках варьировали путем изменения составов газовой смеси, и измеряли ИК-поглощение для пленок а-Si: H и а-Ge: H. На основе пленок а-Si: H и а-Si0,88Ge0,12: H изготовлены солнечные элементы и созданы однослойные, двухслойные и трехслойные структуры, при этом измерены их оптоэлектронные характеристики. Найдено, что при площади элемента 1,3 см2 коэффициент полезного действия солнечного элемента (КПД СЭ) составляет соответственно 7; 8,9; 9,5 %.
В статье представлены результаты исследования поведения образцов и динамики трещинообразования в образцах искусственного песчаника при воздействии на них импульсов электрического тока в условиях одноосного сжатия. Постановка таких экспериментов попрежнему актуальна в плане решения вопроса о возможности активного воздействия на сейсмический режим или даже разрядки тектонических напряжений. Эксперименты проводились на рычажном прессе, позволяющем реализовать режим квазистатического состояния. В большинстве случаев было отмечено влияние электрического воздействия на поток и интенсивность акустической эмиссии как собственно на этапе электровоздействия, так и непосредственно за ним (эффект последействия). На этапе электровоздействия заметно меняется ход кривых таких измеряемых параметров, как усилие нагрузки, поперечный и продольный размеры, температура поверхности образца. Поскольку результаты получены при электровоздействии постоянным током, встает вопрос о правомочности ряда гипотез о механизме такого триггерного эффекта, акцентирующих внимание на важном значении повторяющейся последовательности электрических импульсов с крутыми фронтами.
Разработана конструкция и изготовлены матричные ФЧЭ форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм с длинноволновой границей чувствительности по уровню 0,5 около 9,5 мкм. Средняя величина R0А фотодиодов по всему массиву матрицы равна 100 Ом см2. Разработаны схема и топология, по которым изготовлены матричные высокоскоростные мультиплексоры форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм, обеспечивающие рабочие режимы на тактовой частоте до 20 МГц. Методом гибридной сборки на индиевых столбах изготовлено матричное ФПУ форматом 384288 элементов с шагом 25 мкм с параметрами: средняя величина NETD < 30 мК, количество работоспособных элементов > 97 %. Использование мезатравления для разделения отдельных фотодиодов снижает фотоэлектрическую связь и обеспечивает высокое пространственное разрешение матричного ФПУ, равное 11,25 штр/мм. Представлены примеры использования системы микросканирования для снижения дефектных пикселов в кадре изображения и/или увеличения формата кадров до 768576. Показано, что в результате использования микросканирования в тепловизионном канале на основе разработанного ФПУ при переходе к формату 768576 получено улучшение пространственного разрешения в 1,4 раза при одинаковой величине минимально разрешаемой разности температур (МРРТ), а МРРТ на частоте 0,44 мрад-1 уменьшается с 1,6 К до 0,9 К по сравнению с исходным форматом 384×288.
Дан обзор новых наиболее интересных результатов, представленных на ежегодной XLV Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, состоявшейся со 2 по 6 апреля 2018 года в городе Звенигороде Московской области. Проведен анализ развития и достижений основных направлений исследований в области физики плазмы в России и их сравнение с работами за рубежом.
Исследованы резонансные свойства тонких диэлектрических колец, возбуждаемые токами смещения при скользящем падении на плоскость кольца плоской электромагнитной волны СВЧ-диапазона частот. Такой контур c азимутальным током смещения образует резонансный диэлектрический магнитный диполь. Рассчитан и измерен основной резонанс, возбуждаемый магнитным полем в ближней зоне указанного диполя. Показаны инверсия потока магнитной индукции и возникновение отрицательной магнитной восприимчивости в области резонанса диэлектрического магнитного диполя. Экспериментально измерено распределение магнитного поля около диэлектрического кольца вблизи резонансной частоты.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400