en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-02-6-22
УДК: 539.216
Униполярные барьерные структуры на основе n-HgCdTe со сверхрешётками в качестве барьера. Обзор
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
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 [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 91. № 2. P. 6–22. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-6-22
Alexander V. Voitsekhovskii, Stanislav M. Dzyadukh, Dmitry I. Gorn, Nikolay N. Mikhailov, Sergey A. Dvoretsky, Georgy Yu. Sidorov, and Maxim V. Yakushev, "Unipolar barrier structures based on n-HgCdTe with superlattices as a barrier [Review]," Journal of Optical Technology. 91(2), 67-76 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000067
Предмет исследования. Применение сверхрешёток в качестве барьерных слоёв в униполярных барьерных nBn-структурах на основе полупроводникового твёрдого раствора n-HgCdTe, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Цель работы. Определение диапазонов оптимальных значений параметров сверхрешётки (составы и толщины барьерных слоёв и квантовых ям), используемой в качестве барьерного слоя в описанных в литературе униполярных фоточувствительных барьерных nBn-структурах на основе полупроводникового твёрдого раствора n-HgCdTe, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Метод. Для достижения поставленной в работе цели был проведён анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований применения сверхрешёток в качестве барьерных слоёв в униполярных барьерных nBn-структурах на основе теллурида ртути кадмия n-HgCdTe, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В силу того, что ab initio моделирование энергетической диаграммы сверхрешёток в целом и сверхрешёток на основе теллурида ртути кадмия HgCdTe, в частности, является крайне трудоёмкой задачей, для оценки применимости сверхрешёток в качестве барьера в nBn-структурах на HgCdTe были проанализированы результаты подобных расчётов, выполненные авторами других работ, а также результаты немногочисленных экспериментальных исследований. На основе данного анализа ставилось целью определить оптимальные значения параметров сверхрешётки. Основные результаты. На основе анализа результатов известных на текущий момент теоретических и экспериментальных работ в области применения сверхрешёток в качестве барьеров в nBn-структурах на основе n-HgCdTe определены диапазоны оптимальных значений параметров сверхрешётки (составы и толщины барьерных слоёв сверхрешётки и квантовых ям). Отдельно отмечена необходимость проведения дополнительных исследований по защите (пассивации) боковых граней при изготовлении экспериментальных образцов в конфигурации мезаструктур для минимизации вклада токов поверхностной утечки в темновой ток фоточувствительной структуры. Практическая значимость. Данная работа преследовала цель проанализировать текущее состояние исследований в рассматриваемой области и сделать вывод о том, какие конфигурации сверхрешёточных барьеров видятся наиболее оптимальными. С учётом того факта, что применение сверхрешёток в барьерных nBn-структурах на основе n-HgCdTe рассматривается как наиболее перспективный способ устранения потенциального барьера для неосновных носителей заряда, результаты данной работы могут составить основу для разработки конструкции фоточувствительных структур средней и дальней частей инфракрасного спектра диапазонов и последующего создания фотоприёмных элементов.
барьерная структура, теллурид ртути кадмия HgCdTe, nBn, сверхрешётка, молекулярно-лучевая эпитаксия, униполярная структура, фотоприёмное устройство
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. Rogalski А. Infrared and terahertz detectors. 3 Edition. Milton Park: Taylor & Francis, 2019. 1066 p. https://doi.org/10.1201/b21951
2. 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
3. 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
4. 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
5. Pedrazzani J.R., Maimon S., Wicks G.W. Use of nBn structures to suppress surface leakage currents in unpassivated InAs infrared photodetectors // Electron. Lett. 2008. V. 44. № 25. P. 1487. https://doi.org/10.1049/el:20082925
6. Reine M., Pinkie B., Schuster J., Bellotti E. Numerical simulation and analytical modeling of InAs nBn infrared detectors with n-type barrier layers // J. Electron. Mater. 2014. V. 43. № 8. P. 2915–2934. https://doi.org/10.1007/s11664-014-3148-8
7. Soibel A., Keo S.A., Fisher A., Hill C.J., Luong E., Ting D.Z., Gunapala S.D., Lubyshev D., Qiu Y., Fastenau J.M., Liu A.W.K. High operating temperature nBn detector with monolithically integrated microlens // Appl. Phys. Lett. 2018. V. 112. № 4. P. 041105. https://doi.org/10.1063/1.5011348
8. Седнев М.В., Болтарь К.О., Иродов Н.А., Демидов С.С Исследование фотоэлектрической взаимосвязи элементов матричных ФП на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs // Прикладная физика. 2015. № 3. С. 73–79.
9. Болтарь К.О., Иродов Н.А., Седнев М.В., Мармалюк А.А., Ладугин М.А., Рябоштан Ю.Л. Исследование фотодиодов с граничной длиной волны до 2,06 мкм на основе структур InGaAs // Прикладная физика. 2017. № 6. С. 49–53.
10. Martyniuk P., Kopytko M., Rogalski A. Barrier infrared detectors // Opto-Electron. Rev. 2014. V. 22. № 2. P. 127–146. https://doi.org/10.2478/s11772-014-0187-x
11. Itsuno A.M. Bandgap-engineered Mercury Cadmium Telluride infrared detector structures for reduced cooling requirements // Doctoral dissertation. Ann Arbor: University of Michigan, 2012. 197 p.
12. Филатов А.В., Сусов Е.В., Карпов В.В. Образование, природа и отжиг дефектов в гетероэпитаксиальных структурах Cd0,2Hg0,8Te и фоторезисторах, подвергнутых ионному травлению // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 4. С. 67–72.
13. 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
14. 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
15. Shi Q., Zhang S.-K., Wang J.-L., Chu J.-H. J. 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
16. Kopytko M., Wrobel J., Jozwikowska K., Rogalski A., Antoszewski J., Akhavan N.D., Umana-Membreno G.A., Faraone L., Becker C.R. Engineering the bandgap of unipolar HgCdTe-based nBn infrared photodetectors // Journal of Electronic Materials. 2015. V. 44. № 1. P. 158–166. https://doi.org/ 10.1007/s11664-014-3511-9
17. Benyaya J., Martyniuk P., Kopytko M., Antoszewski J., Gawron W., Madejczyk P. nBn HgCdTe infrared detector with HgTe/CdTe SLs barrier // IEEE Xplore. 2015 International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD). Taipei, Taiwan. September 7–11, 2015. P. 179–180. https://doi.org/10.1109/NUSOD.2015.7292881
18. 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/s1108201604398
19. Gu R., Lei W., Antoszewski J., Madni I., UmanaMenbreno G., Faraone L. Recent progress in MBE grown HgCdTe materials and devices at UWA // Proc. of SPIE. 2016. V. 9819. 98191Z. https://doi.org/10.1117/12.2222997
20. Akhavan N.D., Umana-Membreno G.A., Antoszweski J., Faraone L. Self-consistent carrier transport in band engineered HgCdTe nBn detector // IEEE Xplore. 2016 International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD). Sydney, NSW, Australia. July 11–15 2016. P. 119–120. https://doi.org/10.1109/NUSOD.2016.7547060
21. Akhavan N.D., Umana-Membreno G.A., Gu R., Asadnia M., Antoszewski J., Faraone L. Superlattice barrier HgCdTe nBn infrared photodetectors: Validation of the effective mass approximation // IEEE Transactions On Electron Devices. 2016. V. 63. № 12. P. 4811–4818. https://doi.org/ 10.1109/TED.2016.2614677
22. Akhavan N.D., Umana-Membreno G.A., Gu R. Optimization of superlattice barrier HgCdTe nBn infrared photode-tectors based on an NEGF approach // IEEE Transactions On Electron Devices. 2018. V. 65. № 2. P. 591–598. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2785827
23. 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
24. Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Sidorov G.Yu., Yaku-shev 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
25. Voitsekhovskii A.V., Nesmelov S.N., Dzyadukh S.M., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Sidorov G.Yu. Electrical properties of nBn structures based on HgCdTe grown by molecular beam epitaxy on GaAs substrates // Infrared Physics and Technology. 2019. V. 102. 103035. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2019.103035
26. 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
27. Войцеховский А.В., Дзядух С.М., Горн Д.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Сидоров Г.Ю., Якушев М.В. Компоненты темнового тока nB(SL)n-структур на основе HgCdTe для широкого диапазона напряжений смещения // Прикладная физика. 2023. № 4. С. 78–86. https://doi.org/10.51368/1996-0948-2023-4-78-86
28. 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