Фотоприемники на квантовых ямах

В квантово-размерных гетероструктурах (структурах с квантовыми ямами) энергетический спектр носителей заряда существенно отличается от спектра для объемного полупроводника, поэтому отличны и механизмы оптического поглощения. Возможные оптические переходы в квантовой яме показаны на рис. 3.80. В квантовых ямах возможны междуподзонные (1) и внутриподзонные (2) оптические переходы, а также процессы «фотоионизации» квантовых ям (3), которые сопровождаются переходами из квантово-размерных дискретных состояний в надбарьерные состояния непрерывного спектра. Переходы между разными подзонами размерного квантования из валентной зоны в зону проводимости (4, 5), обусловленные поглощением фотонов с энергией hν > E_g, могут порождать весь набор полос межзонного поглощения.

Рис. 3.80. Зонная диаграмма и дисперсионные зависимости для квантовых ям в гетероструктурах (цифрами указаны различные типы оптических переходов)

Поскольку оптическую ионизацию квантовых ям может вызывать лишь свет, поляризованный по нормали к квантовым слоям, фотоприемники должны содержать специальные приспособления, поляризующие падающий свет таким образом. В простейшем варианте свет направляется в фоточувствительную структуру под углом через скошенный торец подложки, как показано на рис. 3.81а. Такой вариант ограничивает возможность широкого применения детекторов и делает проблематичным создание многоэлементных фотоприемников. Эффективным решением является формирование на поверхности дифракционных решеток, которые изменяют направление детектируемого излучения. Дифракционную решетку или другую подобную структуру создают с одной стороны детектора для отклонения излучения от нормального падения на разные углы, приемлемые для поглощения квантовыми ямами (рис. 3.81б и 3.81в).

а) б) в)

Рис. 3.81. Способы ввода излучения в фотодетектор на квантовых ямах (ФДКЯ): а) через скошенную грань подложки; б) через дифракционную решетку из металлических полосок;

в) через пилообразную решетку, сформированную травлением

Возможно альтернативное решение проблемы поляризации, позволяющее избежать описанных выше конструкционных усложнений. Речь идет о выращивании квантовых структур из полупроводников с анизотропным энергетическим спектром. При наличии анизотропии электрическое поле нормально падающей световой волны, лежащее в плоскости слоев, придает электронам импульс, направленный под некоторым углом к этой плоскости. Это создает условия для переходов между различными квантово-размерными уровнями или между уровнем и континуумом состояний над квантовой ямой, что и требуется для работы приемника. На практике для реализации этой идеи чаще всего используют гетероструктуры на основе той же, наиболее освоенной технологически системы GaAs/Al_xGa_1–xAs, но с р-типом проводимости вместо n-типа.

В основе работы приемников ИК-излучения на структурах с множественными квантовыми ямами лежит фотовозбуждение внутризонных переходов между связанными состояниями – основным и возбужденными состояниями в квантовой яме. В частности, переходы между основным и первым возбужденным состояниями характеризуются относительно большими значениями сил осциллятора (сила осциллятора – безразмерная величина, определяющая вероятность переходов между энергетическими уровнями в квантовых системах) и коэффициента поглощения. Для того чтобы дать вклад в фототок, электрон должен выйти из ямы, что возможно осуществить несколькими путями и должно быть учтено при конструировании детектора. Из связанного возбужденного состояния электрон может покинуть яму в результате туннелирования в состояния надбарьерного континуума в электрическом поле приложенного смещения. Однако вероятность такого процесса мала, т. к. зависит от глубины залегания возбужденного состояния в яме и от величины электрического поля, определяющего эффективную толщину барьера, через который туннелирует электрон (рис. 3.82а). Спектр фотоответа в этом случае является достаточно узким.

При уменьшении толщины квантовой ямы энергия возбужденного состояния возрастает и может достичь (при определенной толщине) классического порога – состояние становится квазиограниченным (см. рис. 3.82б). При дальнейшем уменьшении толщины ямы большая сила осциллятора возбужденного состояния может оказывать содействие его переходу в континуум – возбужденное состояние становится виртуальным (рис. 3.82в). Спектр поглощения для таких переходов имеет вид гауссовой кривой, а ширина спектральной линии становится в три-четыре раза большей, чем для переходов в связанное возбужденное состояние.

а) б) в)

Рис. 3.82. Переходы электрона из основного состояния квантовой ямы: а) на связанное возбужденное состояние с последующим туннелированием в состояние континуума при наличии электрического поля; б) на состояние квазиконтинуума; в) виртуальное состояние надбарьерного континуума

Структура фотоприемника на квантовых ямах, в котором реализованы переходы из связанных состояний в состояния континуума, показана на рис. 3.83. Главным преимуществом такого фотоприемника является то, что электрон из квантовой ямы попадает в состояния континуума без туннелирования через барьер. Поэтому смещение, необходимое для эффективного сбора электронов, может быть небольшим, вследствие чего уменьшается и темновой ток.

Рис. 3.83. Переходы электронов из основного состояния в континуум при поглощении фотонов ИК-диапазона: 1 – туннелирование из основного состояния; 2 – туннелирование из промежуточного состояния с помощью теплового заброса; 3 – термоэлектронная эмиссия

Высокой фоточувствительностью и низким уровнем шума обладают фотовольтаический детектор ИК-излучения на квантовых ямах, энергетическая структура которого представлена на рис. 3.84. Основу его составляет периодическая структура, в которой повторяются четыре гетероперехода (зоны) с ямами и барьерами с разными функциями. В зоне возбуждения носители заряда оптически возбуждаются из основного состояния ямы в квазиконтинуум зоны дрейфа, аналогично, как и в фотодетекторе, показанном на рис. 3.83. Кроме того, две дополнительные зоны – захвата и туннелирования – предназначены для обеспечения релаксации фотовозбужденных носителей заряда. Зона туннелирования выполняет две функции. Она, во-первых, блокирует переход носителей заряда в квазиконтинуум, где они могут быть захвачены узкой ямой – зоной захвата. Во-вторых, она обеспечивает туннелирование носителей заряда из зоны захвата в следующую зону возбуждения.

Рис. 3.84. Структура зоны проводимости четырехзонного инфракрасного фотодетектора

(стрелками обозначены процессы переноса носителей заряда)

Благодаря асимметрии структуры эффективная фотопроводимость возможна даже без приложенного напряжения. Подбирая соответствующие толщины слоев, можно добиться достаточно быстрого процесса туннелирования, что предотвращает обратную термическую эмиссию носителей заряда из зоны захвата назад, в предыдущую яму. Поскольку зона туннелирования имеет высокий барьер, фотовозбужденные носители заряда из зоны возбуждения не могут проникать через него, поэтому они двигаются лишь в одном направлении. Это дает возможность использовать детектор в фотовольтаическом режиме.

Квантовая яма зоны возбуждения должна иметь высокий коэффициент оптического поглощения и возможность выхода из нее фотовозбужденных носителей заряда. Зона дрейфа действует как термоэлектронный барьер. Для эффективного захвата носителей заряда в зоне захвата необходима малая вероятность туннелирования через зону туннелирования перед захватом, т. е. время туннельного перехода через потенциальный барьер должно существенно превышать время захвата (несколько пикосекунд). Наконец, время туннельного перехода из основного состояния зоны захвата через зону туннелирования должно быть малым по сравнению с постоянной времени обратной термоэлектронной эмиссии (от пикосекунд до миллисекунд в зависимости от температуры и параметров структуры). Таким образом, в фотовольтаическом четырехзонном детекторе фототок контролируется зоной захвата с последующим туннелированием через барьер, вследствие чего средняя длина свободного пробега фотовозбужденных носителей заряда становится равной одному периоду структуры. Именно поэтому гасится шум, связанный с захватом носителей заряда.