Анализ механизмов протекания темновых токов в фотодиодах из InGaAs

Анализ механизмов протекания темновых токов в фотодиодах из InGaAs

Министерство образования и науки Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(государственный университет)

ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ И КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Курсовая работа по предмету: «Электродинамика сплошных сред»

Анализ механизмов протекания темновых токов в фотодиодах из InGaAs

г. Долгопрудный 2014

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее актуальных направлений совершенствования оптико-электронной аппаратуры является использование инфракрасных матричных фотоприемных устройств (ФПУ) на основе p-i-n фотодиодов, изготовленных в структурах InGaAs. Характерными преимуществами данных матриц являются малые темновые токи и шумы.

Целью работы является исследование механизмов токообразования в фотодиодах, изготовленных на основе слоев InGaAs.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования данной работы являются фотодиоды, изготовленные из гетероэпитаксиальных слоев InGaAs. Арсенид индия-галлия - тройное соединение мышьяка с трехвалентными индием и галлием. InGaAs представляет собой серые, почти чёрные кристаллы с металлическим блеском. Он имеет преимущества по сравнению с кремнием и арсенидом галлия, ввиду большей подвижности носителей заряда. GaInAs вытесняет германий в качестве материала для изготовления приёмников ближнего ИК, так как имеет значительно меньший темновой ток.

ФОТОДИОДЫ НА ОСНОВЕ InGaAs

Исследуемый диод был изготовлен на основе эпитаксиальных слоев InGaAs, выращенных методом мосгидридной эпитаксии. ФПУ содержит матрицу фоточувствительных элементов формата 320х256 элементов на основе InGaAs. Активная область каждого элемента матрицы имеет размеры 20х20 мкм, шаг между элементами составляет 30 мкм. ФПУ детектирует излучение в традиционным для материала In0,53Ga0,47As спектральном диапазоне 0,9-1,7 мкм.

Одной из возможных конструктивных решений построения ФПУ является планарная архитектура матрицы чувствительных элементов, состоящая из p-i-n переходов, сформированных в гетероэпитаксиальных ИК структурах тройных соединений InGaAs/InP.

Рис.1. - Планарная структура

Матрица ФЧЭ формата 320х256 из p-i-n-фотодиодов изготавливается на основе трехслойной гетероэпитаксиальной структуры, активными слоями которой являются: буферный слой n-типа проводимости, фоточувствительный слой In0,53Ga0,47As i-типа проводимости и широкозонный слой InP, в котором методом диффузии цинка Zn или кадмия Cd формируются области р-типа проводимости.

Другим из возможных конструктивных решений построения ФПУ является меза-архитектура матрицы чувствительных элементов, представленная на рис. 3.

Рис.2. - Меза-структура МФЧЭ

Фотогенерированные носители заряда, возникающие в слое In0,53Ga0,47As i-типа проводимости меза-структуры не имеют возможности диффундировать к соседним элементам, а разделяются полем перехода и вносят вклад в фотоотклик в пределах заданной области поглощения излучения.

оптический электронный фотодиод токообразование

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВАХ ФОТОДИОДА

Одной из важнейших задач при исследовании фотодиодов является задача определения доминирующего механизма токообразования. В настоящей работе проводилось разбиение тока на составляющие, что позволяет определить вклад каждой компоненты в суммарный ток.

Диффузионный ток

Диффузионный ток - фундаментальный механизм токопереноса в фотодиодах на основе  переходов. Численное выражение для этого тока определяется уравнением диффузии, физический смысл которого состоит в соблюдении взаимной компенсации процессов диффузии и рекомбинации в каждом элементарном слое при стационарном состоянии, т.е. приход в любой элементарный слой полупроводника избыточных диффундирующих носителей должен компенсироваться их убылью вследствие рекомбинации.

ID=Aqni2×,

В математической модели величина диффузионного тока определяется выражением

где  - варьируемый параметр.

Генерационно-рекомбинационный ток

Возникает в результате генерации и рекомбинации носителей в обедненном слое. Выражение для генерационно-рекомбинационного тока [1], имеет следующий вид:

Ig−r=A

где W=- ширина обедненного слоя, Vbi=-контактная разность потенциалов.

В математической модели используется следующее выражение для генерационно-рекомбинационного тока:

где ,  - варьируемые параметры.

Туннельные токи

Ток межзонного туннелирования

Ток туннелирования зона-зона (т.е. ток, вызванный электронами, непосредственно туннелирующими через переход из валентной зоны в зону проводимости) описывается формулой:

Ibreak=A

где ξ1 ξ2,- не зависящие от  постоянные, w- ширина обедненного слоя,

Ток туннелирования через уровни ловушек

Для туннелирования через уровни ловушек характерно, что примеси и дефекты в области пространственного заряда выступают как промежуточное звено.

Ток туннелирования через уровни ловушек, расположенных в запрещенной зоне, определяется выражением:

/surf=A,

Ток утечки

Представим ток утечки в виде:

= AV

где - проводимость утечки.

Конечная формула:

I=Aqni2×+A+A+A+AV

J=JD0+JGR0+++V

Где JD0 , JGR0, n, ξ1 ξ2, Vbi ,K1,K2,gs- варьируемые параметры.

Моделирование

Процедура приближения экспериментальной кривой теоретической заключается в поиске минимума функционала отклонения одной кривой от другой.

Минимизируется квадрат отклонения теоретической кривой от экспериментальной.

Для решения задачи минимизации функционала используется метод градиентного спуска в сочетании с методом возмущений.

Результаты моделирования

Меза-структура

Таблица сравнения коэффициентов теоретических и экспериментальных значений диффузионного и генерационно-рекомбинационного токов в меза-структуре

В таблице представлены значения параметров используемых в модели:

Вывод: имеет место существенный вклад диффузионной составляющей, который обусловлен рекомбинацией p-n пар (эффективное время жизни в ≈100 раз меньше чем характерное время жизни).

Планарная структура

Таблица сравнения коэффициентов теоретических и экспериментальных значений диффузионного и генерационно-рекомбинационного токов в планарной-структуре

В таблице представлены значения параметров используемых в модели:

Вывод:

)        В области V<-1,9В основной вклад вносит ток межзонного туннелирования.

)        В области V>-0,3В →генерационно-рекомбинационный ток. С фактором неидеальности n=1,88

)        Вклад диффузионного тока <5%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы были достигнуты следующие результаты:

·  построены модели ВАХ, учитывающие вклады диффузионного, генерационно-рекомбинационного, туннельного, а также тока шунтирующей утечки.

·        разработана методика обработки экспериментальных данных, основанная на численном моделировании характеристик на ПЭВМ с использованием варьируемых параметров, значения которых позволили сделать ряд важных выводов относительно свойств фотодиодов и материала InGaAs, из которого они изготовлены.

·        проведен анализ механизмов тока в фотодиодах на основе ЭС InGaAs