en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-02-76-87
УДК: 538.911: 535.33:535.345.61:538.935
Рост и характеризация nBn-структур на основе СdхHg1–хTe для фотоприёмников спектрального диапазона 3–5 мкм
Михайлов Н.Н., Варавин В.С., Дворецкий С.А., Менщиков Р.В., Ремесник В.Г., Ужаков И.Н. Рост и характеризация nBn-структур на основе СdхHg1–хTe для фотоприёмников спектрального диапазона 3–5 мкм // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 2. С. 76–87. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-76-87
Mikhailov N.N., Varavin V.S., Dvoretsky S.A., Menshchikov R.V., Remesnik Vl.G., Uzhakov I.N. Growth and characterization of nBn structures based on CdxHg1–xTe for photodetectors in the 3–5 µm spectral range [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 2. P. 76–87. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-76-87
Предмет исследования. Барьерные nBn-структуры на основе твёрдых растворов (013)СdхHg1–хTe/CdTe/ZnTe/GaAs. Цель работы. Создание барьерных nBn-структур на основе твёрдых растворов СdхHg1–хTe с заданным профилем распределения состава и уровнем легирования, предназначенных для изготовления высокочувствительных инфракрасных фотоприёмников спектрального диапазона 3–5 мкм, работающих при повышенных температурах. Метод. Выращивание барьерных nBn-структур на основе HgCdTe проводилось методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках из (013)GaAs с буферными слоями ZnTe и CdTe и контролем толщины и состава слоёв в реальном масштабе времени высокоскоростным эллипсометрическим методом. Легирование слоёв в процессе роста до необходимого уровня осуществлялось индием из эффузионного источника типа Кнудсена с прецизионным контролем (управлением) его температуры (потока). Состав и толщина слоёв определялись в процессе роста из измерений эллипсометрических параметров in-situ, по спектрам пропускания и отражения с последовательным травлением слоёв ex-situ. Концентрация основных носителей заряда в выращенных структурах определялась из Холловских измерений методом Ван-Дер-Пау с использованием послойного травления. Основные результаты. Получены барьерные nBn-структуры на основе HgCdTe. Параметры состава и толщины слоёв составили 0,3–0,35; 0,6–0,8; 0,31–0,36 молярных долей и 3–4 мкм, 0,2–0,35 мкм, 1–1,3 мкм для поглощающего, барьерного и контактного слоёв, соответственно. Концентрация основных носителей составила (0,6–3)х1016 см–3, (0,6–3)х1016 см–3 и (0,9–5)х1017 см–3 для поглощающего, барьерного и контактного слоёв, соответственно. Показана хорошая корреляция профиля распределения состава и уровня легирования по толщине выращиваемой структуры, задаваемая в процессе роста с результатами последующих послеростовых измерений. Практическая значимость. Полученные в работе результаты выращивания и характеризации nBn-структуры предназначены для разработки инфракрасных фотоприёмников для SWaP- (Size, Weight and Power) технологии с высокой чувствительностью в спектральном диапазоне 3–5 мкм различного формата, работающих при повышенных температурах, для инфракрасных оптико-электронных и тепловизионных устройств.
nBn-структуры, состав, толщина, эллипсометрические параметры, концентрация электронов, легирование
Благодарность:Коды OCIS: 160.6000, 190.2620, 190.4350
Список источников:1. Klipstein P.C. Depletion-less photodiode with suppressed dark current and method for producing the same // US Patent 7 928 473 B2. 2011. Publ. Apr. 19, 2011.
2. Maimon S., Wicks G.W. nBn detector, an infrared detector with reduced dark current and higher operating temperature // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. P. 151109. https://doi.org/10.1063/1.2360235
3. Klipstein P., Klin O., Grossman S., Snapi N., Lukomsky I., Aronov D., Yassen M., Glozman A., Fishman T., Berkowicz E., Magen O., Shtrichman I., Weiss E. XBn barrier photodetectors based on InAsSb with high operating temperatures // Opt. Eng. 2011. V. 50. № 6. P. 061002. https://doi.org/10.1117/1.3572149
4. Klipstein P., Klin O., Grossman S., Snapi N., Yaakobovitz B., Brumer M., Lukomsky I., Aronov D., Yassen M., Yofis B., Glozman A., Fishman T., Berkowicz E., Magen O., Shtrichman I., Weiss E. MWIR InAsSb XBn detectors for high operating temperatures // Proc. SPIE. 2010. V. 7660. P. 76602Y. https://doi.org/10.1117/12.849503
5. Weiss E., Klin O., Grossmann S., Snapi N., Lukomsky I., Aronov D., Yassen M., Berkowicz E., Glozman A., Klipstein P., Fraenkel A., Shtrichman I. InAsSb based XBnn bariodes grown by molecular beam epitaxy on GaAs // J. Crystal Growth. 2012. V. 339. P. 31–35. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2011.11.076
6. Savich G.R., Sidor D.E., Du X., Wicks G., Debnath M.C., Mishima T.D., Santos M.B., Golding T.D., Jain M., Craig A.P. et al. III-V semiconductor extended short-wave infrared detectors // J. Vac. Sci. Technol. B. 2017. V. 35. P. 02B105. https://doi.org/10.1116/1.4975340
7. Ting D.Z., Soibel A., Khoshakhlagh A., Keo S.A., Rafol S.B., Fisher A.M., Pepper B.J., Luong E.M., Hill C.J., Gunapala S.D. Advances in III-V semiconductor infrared absorbers and detectors // Infrared Phys. Technol. 2019. V. 97. P. 210–216. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2018.12.034
8. Ting D.Z., Soibel A., Khoshakhlagh A., Rafol S.B., Keo S., Höglund L., Fisher A.M., Luong E.M., Gunapala S.D. Mid-wavelength high operating temperature barrier infrared detector and focal plane array // Appl. Phys. Lett. 2018. V. 113. № 2. P. 021101. https://doi.org/10.1063/1.5033338
9. Wu D., Li J., Dehzangi A., Razeghi M. Mid-wavelength infrared high operating temperature pBn photodetectors based on type-II InAs/InAsSb superlattice // AIP Adv. 2020. V. 10. № 2. P. 025018. https://doi.org/10.1063/1.5136501
10. Klipstein P.C., Avnon E., Benny Y., Fraenkel R., Glozman A., Grossman S., Klin O., Langoff L., Livneh Y., Lukomsky M., Nitzani P., Shkedy L., Shtrichman I., Snapi N., Tuito A., Weiss E. InAs/GaSb Type II superlattice barrier devices with a low dark current and a high-quantum efficiency // Proc. SPIE. 2014. V. 9070. P. 90700U. https://doi.org/10.1117/12.2049825
11. Ting D.Z., Hill C.J., Soibel A., Keo S., Mumolo J., Nguyen J., Gunapala S.D. A high-performance long wavelength superlattice complementary barrier infrared detector // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. P. 023508. https://doi.org/10.1063/1.3177333
12. Ting D.Z., Soibel A., Khoshakhlagh A., Keo S., Rafol S.B., Fisher A.M., Pepper B.J., Luong E.M., Hill C.J., Gunapala S.D. Antimonide e-SWIR, MWIR, and LWIR barrier infrared detector and focal plane array development // Proc. SPIE. 2018. V. 1062410. https://doi.org/10.1117/12.2305248
13. Tennant W.E. "Rule 07" revisited: still a good heuristic predictor for p/n HgCdTe photodiode performance? // J. Electron. Mater. 2010. V. 39. № 7. P. 1030–1035. https://doi.org/10.1007/s11664-010-1084-9
14. Rogalski A., Martyniuk P., Kopytko M., Madejczyk P., Krishna S. InAsSb-based infrared photodetectors: Thirty years later on // Sensors. 2020. V. 20. № 24. P. 7047. https://doi.org/10.3390/s20247047
15. Lei W., Antoszewski J., Faraone L. Progress, challenges, and opportunities for HgCdTe infrared materials and detectors // Appl. Phys. Rev. 2015. V. 2. P. 041303. https://doi.org/10.1063/1.4936577
16. Hanna S., Eich D., Mahlein M., Fick W., Schirmacher W., Thöt R., Wendler J., Figgemeier H. MCT-based LWIR and VLWIR 2D focal plane arrays for low dark currents application at AIM // J. Electron. Mater. 2016. V. 45. № 9. P. 4542–4551. http://doi.org/10.1007/s11664-016-4523-4
17. Itsuno A.M., Phillips J.D., Velicu S. Mid-wave infrared HgCdTe nBn photodetector // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. P. 161102. https://doi.org/10.1063/1.4704359
18. Itsuno A.M., Phillips J.D., Velicu S. Design of an Auger-suppressed unipolar HgCdTe NBnN photodetector // J. Electron. Mater. 2012. V. 41. № 10. P. 2886–2892. https://doi.org/10.1007/s11664-012-1992-y
19. Kopytko M., Keblowski A., Gawron W., Madejczyk P., Kowalewski A., Jozwikowski K. High-operating temperature MWIR nBn HgCdTe detector grown by MOCVD // Opto-Electron. Rev. 2013. V. 21. № 4. P. 402–405. https://doi.org/10.2478/s11772–013–0101–y
20. Kopytko M., Kebłowski A., Gawron W., Martyniuk P., Madejczyk P., Józwikowski K., Kowalewski A., Markowska O., Rogalski A. MOCVD grown HgCdTe barrier detectors for MWIR high-operating temperature operation // Optical Engineering. 2015. V. 54. № 10. P. 105105. https://doi.org/10.1117/1.OE.54.10.105105
21. Gravrand O., Boulard F., Ferron A., Ballet P., Hassis W. A new nBn IR detection concept using HgCdTe material // J. Electron. Mater. 2015. V. 44. № 9. P. 3069–3075. https://doi.org/10.1007/s11664-015-3821-6
22. He Li., Wu Y., Chen L., Wang S.L., Yu M.F., Qiao Y.M., Yang J.R., Li Y.J., Ding R.J., Zhang Q.Y. Composition control and surface defects of MBE-grown HgCdTe // Journal of Crystal Growth. 2001. V. 227–228. P. 677–682. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)00801-6
23. Jówikowski K., Rogalski A. Effect of dislocations on performance of LWIR HgCdTe photodiodes // J. Electron. Mater. 2000. V. 29. № 6. P. 736–741. https://doi.org/10.1007/s11664-000-0217-y
24. Сидоров Ю.Г., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Якушев М.В., Варавин В.С., Анциферов А.П. Молекулярно-лучевая эпитаксия узкозонных соединений CdxHg1–xTe. Оборудование и технология // Оптический журнал. 2000. Т. 67. № 1. С. 39–44.
25. Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Швец В.А. Развитие методов и средств оптической эллипсометрии в Институте физики полупроводников СО РАН // Автометрия. 2011. Т. 47. № 5. С. 5–7.
26. Dvoretsky S., Mikhailov N., Sidorov Yu., Shvets V., Danilov S., Wittman B., Ganichev S. Growth of HgTe quantum wells for IR to THz detectors // J. Electron. Mater. 2010. V. 39. № 7. P. 918. https://doi.org/10.1007/s11664-010-1191-7
27. Hansen G.L., Schmit J.L., Casselman T.N. Energy gap versus alloy composition and temperature in Hg1–xCdxTe // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. P. 7099–7101. https://doi.org/10.1063/1.330018
28. Petritz R.L. Theory of an experiment for measuring the mobility and density of carriers in the space-charge region of a semiconductor surface // Phys. Rev. 1958. V. 110. P. 1254–1262. https://doi.org/10.1103/PhysRev.110.1254
29. Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Sidorov G.Y., Yakushev M.V. Diffusion-limited dark currents in mid-wave infrared HgCdTe-based nBn structures with Al2O3 passivation // Journal of Physics D: Applied Physics. 2020. V. 53. P. 055107. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab5487