Фотоприемники на квантовых ямах

Эффекты размерного квантования в квантовых ямах, могут использоваться для создания новых типов приемников инфракрасного излучения. Принцип приемника весьма прост: выброс носителей в зону проводимости широкозонного полупроводника (потенциального барьера) увеличивает проводимость в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры.

По своему действию такой приемник напоминает примесный фоторезистор, где в роли центров выступают квантовые ямы в соответствии с рис. 5.17.

Поэтому в качестве времени жизни неравновесных носителей – важнейшего параметра фоточувствительного материала – выступает характерное время захвата в квантовую яму t_Р. По сравнению с обычным временем жизни, связанным с захватом рекомбинационными центрами, t_Р обладает двумя важными отличиями.

Во-первых, t_Р значительно (на несколько порядков) меньше времени захвата центрами. Причина в том, что акт захвата связан с необходимостью передачи решетке от носителя достаточно большой энергии, равной энергии связи центра или же величине DЕ при захвате в квантовую яму.

Рис. 5.28. Процесс захвата неравновесного электрона в квантовую яму

с испусканием оптического фонона

Наиболее эффективный механизм передачи энергии – это испускание оптических фононов с энергией hv₀. Фонон – это один квант колебаний кристаллической решетки. Однако энергия связи центров отнюдь не совпадает с hv₀, и потому такой процесс невозможен. Электрон должен отдавать энергию в ходе значительно более медленного каскадного процесса испускания многих акустических фононов. В случае квантовой ямы наличие непрерывного спектра движения в плоскости ямы существенно меняет ситуацию. Становится возможным переход на связанное состояние в яме при испускании оптического фонона с одновременной передачей оставшейся избыточной энергии в движение в плоскости. Если исходный электрон имел энергию, близкую к краю зоны в широкозонном материале, то испускаемый фонон имеет достаточно большой импульс в плоскости квантовой ямы:

. (5.55)

Значительно большая величина взаимодействия электронов с оптическими фононами, нежели с акустическими, определяет малость t_Р по сравнению с временем захвата из центра.

Во-вторых, t_Р немонотонным, осциллирующим образом зависит от параметров ямы. Это связано со свойствами волновой функции электронов в делокализованных состояниях над квантовой ямой Y_Е. Если яма не является резонансной, то амплитуда этой волновой функции в непосредственной окрестности ямы при малой энергии электрона весьма мала. Собственно t_Р будет относительно велико. Для резонансных квантовых ям вероятность захвата возрастает, т.е. t_Р падает.

Фотопроводимость рассматриваемой структуры, так же как и обычного фоторезистора, определяется произведением трех факторов: скорости оптической генерации, которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту поглощения a, времени жизни в делокализованном состоянии t_Р и эффективной подвижности в нем m_эфф, которая, очевидно, должна быть пропорциональна квантово-механическому коэффициенту прохождения электрона над квантовой ямой. Однако анализ показывает, что совокупное действие всех факторов оказывается таковым, что фотоприемники на квантовых ямах будут иметь лучшие параметры в случае резонансных ям.

Для самой распространенной гетеросистемы GaAs/Al_XGa_1-XAs, c Х от 0,2 до 0,25 условие резонанса выполняется для ям с толщиной, кратной 40 Ǻ. Если толщина составляет от 40 до 45 Ǻ, то диапазон фоточувствительности структуры лежит в области длин волн порядка 8 мкм, соответствующей одному из окон атмосферной прозрачности и потому очень важной для практических применений. Приемники на основе квантовых ям могут составить конкуренцию фоточувствительным структурам на основе твердых растворов CdHgTe – важнейшему типу приемников для данного спектрального диапазона.

Основным достоинством структур на квантовых ямах является большая стабильность и меньший разброс параметров, что особенно важно для матричных фоточувствительных структур.

Путем сравнительно небольших изменений состава широкозонных слоев и толщины ямы можно менять положение максимума и ширину полосы фоточувствительности. Последнее обстоятельство связано с тем, что по мере нарушения точного условия резонанса спектр фотоионизации квантовой ямы становится более плавным и имеет менее резкий максимум.

В связи с тем что оптическая ионизация квантовых ям может вызываться лишь светом, поляризованным по нормали к квантовым слоям, описанные фотоприемники должны содержать специальные приспособления, поляризующие падающий свет требуемым образом. Есть два основных способа сделать это. Свет может на­правляться в фоточувствительную структуру под углом через скошенный торец подложки в соответствии с рис. 5.29, а. В другом варианте свет проходит через подложку по нормали, а должную поляризацию приобретает после дифракции на решетке, специально нанесенной на верхнюю поверхность структуры в соответствии с рис. 5.29, б.

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 под некоторым углом к этой плоскости. С позиций квантовой механики это означает возможность 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 имеющие не n-, а р-тип легирования. При этом сложный характер энергетического спектра валентной зоны обеспечивает фоточувствительность при нормальном падении света.

Рис. 5.29. Различные способы ввода излучения

в фотоприемник с квантовыми ямами:

а) ввод через скошенный торец; б) ввод с помощью дифракционной решетки