Фотоэлектрические свойства МДП-структур на основе HgCdTe nBn со сверхрешёткой в барьерной области

Войцеховский А.В., Дзядух С.М., Горн Д.И., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Сидоров Г.Ю., Якушев М.В.

Ссылка для цитирования:

Войцеховский А.В., Дзядух С.М., Горн Д.И., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Сидоров Г.Ю., Якушев М.В. Фотоэлектрические свойства МДП-структур на основе HgCdTe nBn со сверхрешёткой в барьерной области // Оптический журнал. 2024. Т. 91 № 10. С. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-10-3-14

Voitsekhovskii1 A.V., Dzyadukh S.M., Gorn D.I., Mikhailov N.N., Dvoretsky S.A., Sidorov G.Yu., Yakushev M.V. Photoelectric properties of MIS structures based on HgCdTe nBn with a superlattice in the barrier region [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 10. P. 3–14. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-10-3-14

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Применение сверхрешёток в качестве барьерных слоёв в униполярных барьерных nBn-структурах на основе n-HgCdTe, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии, для целей фотоприёма. Цель работы. Целью работы было определение степени влияния оптического воздействия в инфракрасном диапазоне на электрофизические характеристики nBn-структур на основе HgCdTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, со сверхрешёткой в барьерной области. Метод. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивались плёнки Hg1–xCdxTe, представляющие собой nBn-структуры со сверхрешёткой из 18 периодов Hg0,2Cd0,8Te (9 нм)/HgTe (2 нм). Из данных плёнок были изготовлены структуры металл — диэлектрик — полупроводник. Исследования фотоэлектрических свойств проводились методом спектроскопии адмиттанса при отсутствии и наличии подсветки инфракркасным светодиодом с длиной волны 940 нм. Основные результаты. Показано, что оптическое воздействие в инфракрасном диапазоне оказывает заметное влияние на электрофизические характеристики nBnструктур на основе HgCdTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, со сверхрешёткой в барьерной области. При этом данное влияние не является аналогичным поведению классических структур металл — диэлектрик — полупроводник в условиях оптического воздействия, что указывает на вклад сверхрешётки в формирование фотоэлектрических характеристик исследованных структур. Описанные выше эффекты, по-видимому, связаны с влиянием перезарядки энергетических уровней (минизон) в сверхрешётке в барьерной области nBn-структуры. Практическая значимость. С учётом того факта, что применение сверхрешёток в барьерных nBnструктурах на основе n-HgCdTe рассматривается как наиболее перспективный способ устранения потенциального барьера для неосновных носителей заряда, результаты данной работы могут составить основу для разработки конструкций фоточувствительных структур для среднего (midwave infrared, MWIR) и дальнего (long-wave infrared, LWIR) диапазонов и последующего создания фотоприёмных элементов.

Ключевые слова:

барьерная структура, HgCdTe, nBn, сверхрешётка, молекулярно-лучевая эпитаксия, униполярная структура, фотоприёмное устройство, фотоэлектрические свойства, аддмиттанс

Благодарность:

исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 23-62-10021, https://rscf.ru/project/23-62-10021/.

Коды OCIS: 250.5590, 040.4200, 040.3060

Список источников:

1. Chu J., Sher A. Device physics of narrow gap semiconductors. New York: Springer, 2010. 506 p.
2. Rogalski А. Infrared and terahertz detectors. 3 ed.Milton Park: Taylor & Francis, 2019. 1066 p. https://doi.org/10.1201/b21951
3. Kinch M.A. The future of infrared; III–Vs or HgCdTe? // J. Electron. Mater. 2015. V. 44. № 9. P. 2969–2976. https://doi.org/10.1007/s11664-015-3717-5
4. Gu R., Antoszewski J., Lei W., Madni I., Umana-Membrenao G., Faraone L. MBE growth of HgCdTe on GaSb substrates for application in next generation infrared detectors // J. Cryst. Growth. 2017. V. 468. P. 216. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.12.034
5. 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

6. Shi Q., Zhang S.-K., Wang J.-L., Chu J.-H. Progress on nBn infrared detectors // Infrared Millim. Waves. 2022. V. 41. № 1. P. 139–150. https://doi.org/10.11972/j.issn.1001-9014.2022.01.010
7. 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. https:// doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-76-87

Mikhailov N.N., Varavin V.S., Dvoretsky S.A., Menshchikov R.V., Vladimir G. Remesnik V.G., Uzhakov I.N. Growth and characterization of nBn structures based on CdxHg1–хTe for photodetectors in the 3–5 μm spectral range // Journal of Optical Technology. 2024. V. 91. № 2. P. 105–111. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000105
8. Itsuno A. M. Bandgap-engineered mercury cadmium telluride infrared detector structures for reduced cooling requirements // Doctoral dissertation. University of Michigan, 2012. 197 p.
9. Burlakov I.D., Kulchitsky N.A., Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Gorn D.I. Unipolar semiconductor barrier structures for infrared photodetector arrays. Review // Journal of Communications Technology and Electronics. 2021. V. 66. № 9. P. 1084–1091. https://doi.org/10.1134/S1064226921090035
10. Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Gorn D.I., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Sidorov G.Y. Ch. 6. II-VI Semiconductor-based unipolar barrier structures for infrared photodetector arrays in handbook of II-VI semiconductor-based sensors and radiation detectors. Cham: Springer, 2023. P. 135–154. https://doi.org/10.1134/S1064226921090035
11. Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Sidorov G.Yu., Yakushev M.V. Diffusion-limited dark currents in mid-wave infrared HgCdTd-based nBn structures with Al2O3 passivation // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. V. 53. 055107 (6pp). https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab5487
12. Войцеховский А.В., Дзядух С.М., Горн Д.И., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Сидоров Г.Ю., Якушев М.В. Униполярные барьерные структуры на основе n-HgCdTe со сверхрешётками в качестве барьера. Обзор // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 2. С. 6–22. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-6-22

Voitsekhovskii A.V., Dzyadukh S.M., Gorn D.I., Mikhailov N.N., Dvoretsky S.A., Sidorov G.Yu., Yakushev M.V. Unipolar barrier structures based on n-HgCdTe with superlattices as a barrier. Review // Journal of Optical Technology. 2024. V. 91. № 2. P. 67–76. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000067
13. Benyahia D., Martyniuk P., Kopytko M., Antoszewski J., Gawron W., Madejczyk P., Rutkowski J., Gu R., Faraone L. nBn HgCdTe infrared detector with HgTe(HgCdTe)/CdTe SLs barrier // Opt. Quant. Electron. 2016. V. 48. P. 215. https://doi.org/10.1007/ s11082-016-0439-8
14. Izhnin I.I., Kurbanov K.R., Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Sidorov G.Y., Yakushev M.V. Unipolar superlattice structures based on MBE HgCdTe for infrared detection // Applied Nanoscience. 2020. № 10. P. 4571–4576. https://doi.org/10.1007/s13204-020-01297-y
15. Zubkov V.I., Yakovlev I.N., Litvinov V.G., Ermachihin A.V., Kucherova O.V., Cherkasova V.N. Analysis of the electrostatic interaction of charges in multiple InGaAs/GaAs quantum wells by admittance-spectroscopy methods // Semiconductors. 2014. V. 48. P. 917–923. https://doi.org/10.1134/S1063782614070227
16. Izhnin I.I., Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Sidorov G.Y., Yakushev M.V. Admittance of barrier nanostructures based on MBE HgCdTe // Applied Nanoscience. 2020. № 12. P. 403–409. https://doi.org/10.1007/s13204-020-01636-z
17. Войцеховский А.В., Дзядух С.М., Горн Д.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Сидоров Г.Ю., Якушев М.В. Определение электрофизических свойств МДП на основе nB(SL)n-структуры из HgCdTe в широком температурном диапазоне // Прикладная физика. 2023. № 5. С. 75–83. https://doi.org/10.51368/ 1996-0948-2023-5-75-83
Voitsekhovskii A.V., Dzyadukh S.M., Gorn D.I., Dvoretskii S.A., Mikhailov N.N., Sidorov G.Yu., Yakushev M.V. Determination of the electrical properties of MIS based on the nB(SL)n-structure of HgCdTe in a wide temperature range [in Russian] // Applied Physics. 2023. № 5. P. 75–83.
18. Дзядух С.М., Войцеховский А.В., Несмелов С.Н. Особенности поведения дифференциальной емкости МДП-структуры при наличии слоев CdTe в варизонном слое полупроводниковой пленки HgCdTe // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. Т. 56. № 9/2. C. 95–97.
Dzyadukh S.M., Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N. Features of the behavior of the differential capacitance MIS structure In the presence of layers of CdTe in variband semiconductor film of HgCdTe // Russian Physics Journal. 2013. V. 56. № 9/2. C. 95–97.
19. Sze S.M. Physics of semiconductor devices: 2nd ed. New York: John Wiley and Sons Ltd., 1981. 868 p.
20. Зубков В.И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. Санкт-Петербург: Элмор, 2007. 220 с.
Zubkov V.I. Diagnostics of semiconductor nanoheterostructures using admittance spectroscopy methods. Saint Petersburg: Elmor, 2007. 220 p.
21. Izhnin I.I., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Voitsekhovskii A.V., Gorn D.I., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N. Admittance investigation of MIS structures with HgTe-based single quantum wells // Nanoscale Research Letters. 2016. V. 11:53. https://doi.org/10.1186/ s11671-016-1276-1