Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 10, стр. 1038-1042

ВВЕДЕНИЕ

Актуальной задачей современной оптоэлектроники является разработка полосовых детекторов отдельных участков видимой и ближней инфракрасной части спектра [1]. Такие детекторы позволяют уже на входе информационной системы отфильтровать принимаемый оптический сигнал. Это существенно упрощает информационную систему, повышает ее потенциал. Режим селективного детектирования двух и более отдельно стоящих участков спектра излучения позволяет существенно облегчить анализ наблюдаемого объекта, поскольку в этом случае можно определить его излучательную способность в зависимости от длины волны и реализовать возможность избирательного выделения и опознавания объекта [2]. При этом важной задачей является разработка многоцветных фотодетекторов, чувствительность которых может быть подстроена к определенному участку спектра излучения. Многоцветные фотоприемники необходимы для ряда практических применений в военном деле, спектроскопии, для визуализации изображения, мониторинга окружающей среды, для систем связи и т.д. [3–6].

В спектральной области 0.3…0.9 мкм обычно используются кремниевые и арсенид-галлиевые детекторы. Область их фоточувствительности занимает довольно широкий участок спектра и для обеспечения селективного отклика на определенных длинах волн необходимы внешние фильтры [7–9]. Это приводит к усложнению приемной системы и заметно снижает ее чувствительность.

Ключевым моментом при создании эффективных селективно-чувствительных детекторов в данной области спектра является получение наногетероструктур широкозонных полупроводниковых соединений. Недавно нами были исследованы детектирующие свойства низкоразмерных гетероструктур с квантовыми ямами ZnCdS, разделенными барьерными слоями ZnMgS, которые обеспечивали двухцветное детектирование УФ-излучения на длинах волн 350 и 450 нм [10]. В данной работе исследован новый тип фотодиодных структур – металл–полупроводник–металл (МПМ)-диодов на основе периодических низкоразмерных гетероструктур ZnSe/ZnS, формирующих распределенный брэгговский рефлектор (РБР).

Брэгговский рефлектор уже был использован в качестве зеркала для отражения светового излучения из низлежащих областей планарных фотодиодов в приповерхностную область сильного поля диода, т.е. для увеличения квантовой эффективности фотодетектора [11, 12]. Ранее нами была исследована возможность увеличения коэффициента отражения брэгговского рефлектора на периодической гетероструктуре ZnS/ZnSe, выращенной на GaAs подложке, за счет оптимизации процесса роста [13]. В данной работе РБР впервые используется для формирования узкополосного двухцветного отклика МПМ-диода. Спектральная характеристика МПМ-диода обеспечивает детектирование двух отдельно стоящих длин волн видимого излучения одним фотодиодом. В работе показано, что, изменяя параметры гетероэпитаксиальных слоев ZnSe/ZnS, можно менять положение максимума сигнала отражения брэгговского рефлектора и тем самым спектральный отклик МПМ-гетерофотодиода в достаточно широком диапазоне длин волн видимой части спектра. В отличие от детекторов на Si и GaAs разрабатываемые детекторы на основе гетероэпитаксиальных слоев широкозонных полупроводниковых соединений ZnSe/ZnS потенциально устойчивы к воздействию излучений высоких энергий и напряжений смещения [8].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве базовой структуры для исследований были выбраны поверхностно-барьерные планарные диоды на основе выпрямляющего контакта в системе металл–полупроводник–металл (МПМ-диод) [13]. Важной особенностью этого детектора является структурная и технологическая простота – в нем используется полупроводник только одного типа проводимости. Нашей целью было изучить влияние Брэгговского рефлектора на характеристики спектральной чувствительности МПМ-детектора на его основе.

Распределенный брэгговский рефлектор был выращен методом MOVPE путем последовательного осаждения двадцати пяти пар четвертьволновых слоев ZnSe и ZnS на полуизолирующей подложке (100) GaAs (рис. 1). Осаждение проводили в горизонтальном кварцевом реакторе при давлении водорода близком к атмосферному при температуре 450°С и использовании диэтилцинка, диметилселенида и диэтилсульфида в качестве исходных реагентов. (Подробнее см. в работе [14].) Качество ростовой поверхности оценено с помощью атомно-силовой микроскопии на приборе SmartSPM (AIST-NT). Поверхность гетероструктуры достаточно ровная и состоит из равномерно распределенных зерен (рис. 2). Согласно измерениям среднеквадратичная шероховатость поверхности на площади 20 × 20 мкм составляет 20.2 нм. На выращенных структурах методами контактной фотолитографии были сформированы встречно-штыревые контакты МПМ-детектора. Ширина и расстояние между контактами были одинаковыми и равными 2.8 мкм, площадь активной области детектора 100 × 100 мкм².

Рис. 1.

Последовательность слоев гетероэпитаксиальной структуры, формирующей брэгговский рефлектор МПМ-фотодиода.

Рис. 2.

Микрофотография поверхности структуры ZnSe/ZnS, полученная на атомно-силовом микроскопе SmartSPM (AIST-NT).

Для расчета спектра отражения многослойной гетероэпитаксиальной структуры ZnSe/ZnS)₂₅ZnSe/GaAs использовали метод 2 × 2 матриц [15]. Метод основан на том, что уравнения Максвелла, описывающие распространение света, линейны и что непрерывность тангенциальных компонент электрического и магнитного полей световой волны на границе между двумя изотропными средами можно описать с помощью линейного 2 × 2 матричного преобразования. Предполагается, что каждый слой структуры (рис. 3) представляет собой линейную однородную и изотропную среду, описываемую комплексным показателем преломления N(λ). Оптические свойства постоянны внутри каждого слоя, и они скачком изменяются на резких границах между слоями.

Рис. 3.

Отражение и пропускание многослойной структуры.

Матрица рассеяния S связывает комплексные амплитуды электрического поля E во внешней среде и подложке в плоскостях, непосредственно примыкающих к границам раздела со слоями структуры, E(z_1 – 0) = SE(z_{(m + 1) + 0}). Она может быть представлена как произведение матриц границ раздела I и слоев L:

Матрица границы раздела I выражается через френелевские коэффициенты отражения и пропускания для границы раздела, которые, в свою очередь, определяются из комплексных показателей преломления граничащих сред (N_(j – 1) и N_j), угла падения в данной точке и поляризации света, параллельной (p) или перпендикулярной (s) плоскости падения. Матрица слоя L выражается через фазовый сдвиг β плоской волны λ при прохождении через слой толщиной d в направлении под углом φ к перпендикуляру к границам раздела (оси z):

Коэффициенты отражения R и пропускания T слоистой структуры выражаются через элементы матрицы рассеяния S:

В соответствии с экспериментальными условиями измерения отражения (геометрия хода лучей, используемый источник света) при расчете спектров отражения был использован угол падения, равный нулю, а вклад p- и s- поляризаций в отражение принимался одинаковым.

Для проверки соответствия расчетных и экспериментальных данных были выращены несколько РБР с максимумом отражения (полоса непрозрачности РБР) на различных длинах волн и измерены их спектры отражения. На рис. 4 для одной из выращенных гетероструктур приводятся расчетные и экспериментальные спектры отражения для системы слоев воздух > (ZnSe/ZnS)₂₅ → → ZnSe → GaAs. В расчетах толщины каждого единичного слоя ZnS и ZnSe гетероструктуры были заданы равными соответственно 57 и 51.5 нм, толщина нижнего буферного слоя ZnSe составляла 567 нм. Для такой системы слоев из рис. 4 видно достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных кривых фотоотражения.

Рис. 4.

Расчетные (штриховая кривая) и экспериментальные (сплошная) спектры отражения для гетероэпитаксиальной структуры (ZnSe/ZnS)₂₅ZnSe/GaAs.

На рис. 5а представлен экспериментальный спектр отражения гетероструктуры c приведенными выше параметрами и спектральный отклик МПМ-диода на ее основе. Положение основного пика отражения РБР находится на длине волны 545 нм и не оказывает заметного влияния на характеристику спектрального отклика МПМ-диода, которая в этом случае почти не отличается от спектрального отклика МПМ-диода, изготовленного на относительном “толстом” (200 нм) эпитаксиальном слое ZnSe, выращенном на полуизолирующем GaAs [9]. По этой причине мы изменили параметры эпитаксиальных слоев гетероструктуры (ZnSe/ZnS)₂₅ZnSe/GaAs, формирующих брэгговский рефлектор, и для смещения максимума отражения РБР в синюю область спектра в соответствии с расчетом вырастили 25 пар слоев ZnSe и ZnS толщиной 46.7 и 39 нм соответственно при толщине буферного слоя ZnSe 430 нм. Как показано на рис. 5б, это позволило не только сместить основной пик сигнала фотоотражения в сторону более коротких длин волн, но и существенно изменить спектральный отклик МПМ-фотодиода. Максимум отражения РБР на длине волны 458 нм теперь находится почти на середине спектра фоточувствительности МПМ-диода без эффективного влияния брэгговского рефлектора (см. рис. 5а и 5б). Как результат в сигнале отклика МПМ-диода с таким РБР образуется два пика фоточувствительности на длинах волн 420 и 472 нм. В то же время пик сигнала отражения брэгговского рефлектора на длине волны 480 нм (первый побочный пик) приводит к увеличению крутизны спада фоточувствительности исследуемого МПМ-диода в длинноволновой части сигнала отклика детектора. Распределенный брэгговский рефлектор действует как встроенный режекторный фильтр (notch-фильтр) входного излучения, падающего на фотодетектор. Он эффективно отражает излучение на выбранной длине волны (458 нм) и обеспечивает спектральную селекцию принимаемого оптического сигнала. В результате формируется узкополосный двухцветный отклик МПМ-детектора на основе периодической гетероструктуры (ZnSe/ZnS)₂₅/GaAs (см. рис. 5б). Длинноволновый отклик исследуемого МПМ-диода хорошо согласуется с пороговой энергией прямых оптических переходов в ZnSe, а подбором параметров гетероструктуры узкополосный двухцветный отклик фотодетектора может быть подстроен к желаемой длине волны излучения в диапазоне 350…480 нм.

Рис. 5.

Спектр сигнала фотоотражения периодической гетероструктуры (ZnSe/ZnS)₂₅/GaAs и спектральный отклик МПМ-фотодода на ее основе. (а) Напряжение смещения: 20 (1), 40 (2), 60 (3), 80 (4), 90 В (5), пик отражения брэгговского рефлектора соответствует длине волны 545 нм и не оказывает заметного влияния на характеристику спектрального отклика МПМ-диода; (б) напряжение смещения: 30 (1), 50 (2), 70 (3), 80 (4), 90 В (5), брэгговский рефлектор обеспечивает двухцветное узкополосное фотодетектирование МПМ-фотодиода.

При напряжении смещения 90 В максимальный сигнал фотоотклика МПМ-диода на длине волны 420 нм соответствует амперваттной чувствительности 0.18 А/Вт и внешней квантовой эффективности EQE = 53%. Темновой ток детектора равен 5 × 10^–10 A при напряжении смещения 40 В, что сравнимо с темновыми токами МПМ-диодов на основе низкоразмерной гетероструктуры ZnCdS/ZnMgS/GaP с такой же геометрией контактов [10] и существенно меньше темнового тока МПМ-диода на ZnSe 5 × 10^–9 А при смещении 4 В [16]. Можем сравнить чувствительность детектора, полученную в данной работе, с результатами других исследовательских групп. В диодах на ZnSe с полупрозрачными Ni/Au-контактами с барьером Шоттки реализована амперваттная чувствительность 0.1 A/Вт на длине волны 460 нм [8, 9]. Максимальная чувствительность ZnSe МПМ-диода составила 0.128 А/Вт на длине волны 448 нм, квантовая эффективность 38% [16]. Наконец, токовая чувствительность гетеробарьерного МПМ-диода на ZnSTeSe в диапазоне длин волн 350…450 нм равна 0.4 А/Вт, а темновой ток ~4 × 10^–10 А при смещении 40 В [17], что находится в хорошем соответствии с нашими результатами. Детектор достаточно узкополосен. Он обеспечивает ширину полосы пропускания 15 и 50 нм (по уровню 50% от максимума) соответственно на центральных длинах волн 472 и 420 нм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследован новый тип фотодиодных структур – МПМ-фотодиодов с распределенным брэгговским рефлектором на основе периодической гетероструктуры ZnSe/ZnS. Распределенный брэгговский рефлектор образует встроенный режекторный фильтр входного излучения, падающего на фотодетектор. Он эффективно отражает световое излучение на выбранной длине волны (458 нм) и обеспечивает спектральную селекцию принимаемого излучения. В результате формируется узкополосный двухцветный отклик МПМ-детектора с пиками фоточувствительности на длинах волн 420 и 472 нм. МПМ-детектор демонстрирует резкий спад фоточувствительности в длинноволновой части сигнала отклика детектора, высокую квантовую эффективность (53%) и низкий темновой ток (5 × 10^–10 А). Узкополосный двухцветный отклик детектора может быть подстроен к желаемой длине волны путем соответствующего выбора параметров слоев гетероструктуры, формирующей Брэгговский рефлектор.