В настоящее время невозможно представить современную полупроводниковую электронику без фоточувствительных структур. Стоит вопрос создания структур высокого качества, и при этом затратить как можно меньше финансовых затрат. В последние годы исследователи проявляют очень большой интерес к созданию различных оптоэлектронных устройств на основе материала с квантовыми точками германия в кремнии. Такими приборами могут быть фотоприемники инфракрасного диапазона и солнечные элементы. К преимуществам данной материальной системы можно отнести: продление спектрального отклика в инфракрасную область, по сравнению c чистым кремнием, относительную дешевизну, безвредность для здоровья человека, работу в широком температурном интервале и совместимость c высокоразвитой технологией кремниевых интегральных микросхем.
В настоящее время наногетероструктуры на основе кремния с квантовыми точками германия становятся новым классом материалов для фотовольтаики. Самая общая оценка показывает, что предельная эффективность преобразования излучения в электричество для фотопреобразователей на основе таких материалов может достигать 63 % за счет поглощения излучения в большем интервале длин волн. Для фотопреобразователей на основе кремния коэффициент преобразования составляет 53 %. Характеристики фоточувствительных структур на основе
наногерероструктур Si-Ge такие как обнаружительная способность, КПД напрямую зависят от параметров квантовых точек. A наиболее перспективным методом получения таких структур является метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Т.к обладает более высокой точностью и способностью задавать параметры структур.
Поэтому появляется необходимость изучения и расчета основных параметров наногетероструктур Si-Ge. Отсюда целью данной работы являлось провести расчеты темнового тока и обнаружительной способности ИК фотодетекторов на основе квантовых точек германия от условий роста.
Основные задачи:
• Обзор литературы;
• Способы получения фоточувствительных структур;
• Основные параметры фоточувствительных структур Рпор, D*, шумы;
• Изучение современное состояние фоточувствительных структур;
• Теория по расчету параметров фоточувствительных структур;
• Расчет параметров фоточувствительных структур;
• Обсуждение полученных результатов.
В ходе выполненной работы можно сделать следующие выводы:
❖ Приборы на основе соединений Si и Ge являются одними из самых интересных для развтия, это связанно с высокой интеграцией проводимых разработок с базовой кремниевой технологией;
❖ Метод молекулярно- лучевой эпитаксии является наиболее перспективным методом для создания и исследования фоточувствительных структур;
❖ Структуры с квантовыми точками на данный момент представляют повышенный интерес у исследователей, в связи с рядом преимуществ:
> Снятие запрета на оптические переходы, поляризованные в плоскости фотодетектора, что предоставляет возможность работы прибора при нормальном падении излучения;
> Большая величина коэффициента поглощения излучения для внутризонных и экситонных переходов из-за локализации волновой функции носителей заряда во всех трех измерениях пространства;
> Большое время жизни фотовозбужденных носителей заряда вследствие низкой скорости захвата носителей в квантовой точке, причиной последнего служит либо отсутствие разрешенных энергетических состояний между уровнем в квантовой точке и зоной распространенных состояний, либо подавление рассеяния на оптических фотонах в условиях, когда энергетический зазор между уровнями размерного квантования больше энергии оптического фонона;
> Малые темновые токи (а значит, и высокая рабочая температура детектора), последнее обстоятельство является следствием равенства энергии фотоионизации квантовой точки и энергии активации проводимости из-за дискретного энергетического спектра носителей в квантовой точке [6].
❖ Основные характеристики фотоприемника ИК диапозона является его обнаружительная способность, которая напрямую зависит от параметров квантовых точек, чувствительность и мощность эквивалентная шуму. Также неоспоримый вклад вносит величина темнового тока. Основными параметрами при выборе фотоприемников является возможность работы при высоких температурах без ухудшения характеристик и низкая стоимость изготовления. Эти параметры можно реализовать в наногетероструктурах SiGe с квантовыми точками Ge.
❖ При сравнении основных характеристик фоточуствительных структур на основе наногетероструктур можно сделать вывод, что при достижении высокой степени однородности массивов островков фотоприемники с наногетероструктурами SiGe могут конкурировать с фотоприемниками на основе структур HgGdTe. Как было замечено из полученных зависимостей структуры с квантовыми точками обладают рядом достоинств, по сравнению с объемными структурами HgCdTe, это малые темновые токи, которые в свою очередь обеспечивают низкий уровень шумов, более высокую обнаружительную способность при комнатных температурах.
❖ На основе проведенных расчетов темнового тока структур SiGe, можно сделать следующие выводы: темновой ток резко возрастает с ростом приложенного электрического поля (особенно в области низких напряжений); темновой ток фотодетектора очень сильно зависит от рабочей температуры.
❖ Проведено сравнение с экспериментальными данными полученными А.И. Якимовым (СО РАН РФ) и китайскими учеными во главе с Wang K. L., получено хорошее согласие результатов.
