radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-4-72-80radioelectronics-915Research ArticleРАДИОФОТОНИКАMICROWAVE PHOTONICSИсследование влияния ширины барьера на рабочее напряжение QWIPInfluence of Barrier Width on QWIP Operating Voltagehttps://orcid.org/0009-0002-9538-1055БогословскаяЛ. С.BogoslovskayaL. S.

Богословская Лана Сергеевна – аспирантка; инженер, сквозной технолог по направлению QWIP,

пр. Энгельса, д. 27, Санкт-Петербург, 194156.

Lana S. Bogoslovskaya – Postgraduate Student; Engineer, End-to-end technologist in the QWIP direction,

27, Engelsa Ave., St Petersburg 194156.

lana.stoliarowa@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0007-2005-4304ДудинА. Л.DudinA. L.

Дудин Анатолий Леонидович – главный технолог,

пр. Энгельса, д. 27, Санкт-Петербург, 194156.

Anatoliy L. Dudin – Chief Technologist,

27, Engelsa Ave., St Petersburg 194156.

a.dudin@svrost.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6830-6899ЗубковВ. И.ZybkovV. I.

Зубков Василий Иванович – доктор физико-математических наук (2008), профессор (2018), профессор кафедры микро- и наноэлектроники,

ул. Проф. Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Vasily I. Zybkov – Dr Sci. (Phys. and Math.) (2008), Professor (2018) of the Department of Micro- and Nanoelectronics,

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

vzubkovspb@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина); АО "Светлана-Рост"РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University; JSC "Svetlana-Rost"Russian FederationАО "Светлана-Рост"РоссияJSC "Svetlana-Rost"Russian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2024280920242747280Copyright © Богословская Л.С., Дудин А.Л., Зубков В.И., 20242024Богословская Л.С., Дудин А.Л., Зубков В.И.Bogoslovskaya L.S., Dudin A.L., Zybkov V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/915Введение

Введение. Спектр применения инфракрасных фотодетекторов с квантовыми ямами (QWIP) очень широк. Такие фотодетекторы являются достаточно востребованными на рынке, поэтому очень важно глубокое понимание принципа их работы.

Цель работы

Цель работы. Исследование влияния потенциального барьера AlGaAs, окружающего квантовые ямы GaAs, на значение рабочего напряжения смещения QWIP длинноволновой области спектра (8…10 мкм).

Материалы и методы

Материалы и методы. Для проведения эксперимента были изготовлены образцы QWIP на основе системы полупроводниковых материалов GaAs/AlGaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Фоточувствительная (активная) область структур содержала 50 квантовых ям GaAs толщиной 50 Å, разделенных барьерами AlGaAs. Квантовые ямы легировались in situ донорной примесью – кремнием. Длина волны максимума спектральной чувствительности всех образцов находилась в диапазоне 8…9 мкм. Варьируемым параметром являлась ширина барьера. После прохождения технологического маршрута планарной модификации на всех структурах были сняты вольт-амперные характеристики.

Результаты

Результаты. Выявлено, что уменьшение толщины барьера способно сместить пик фоточувствительности в область меньших напряжений смещения при незначительном увеличении силы темнового тока.

Заключение

Заключение. Исследование влияния значения приложенного напряжения смещения представляет интерес не только с научной точки зрения – результаты помогут лучше понять поведение темнового тока в QWIP, а также позволят управлять максимумом токовой чувствительности, смещая ее в область требуемых рабочих напряжений мультиплексоров.

Introduction

Introduction. Quantum well infrared photodetectors (QWIP) are characterized by a wide application range. A large market demand for such photodetectors determines the importance of elucidating the principle of their operation.

Aim

Aim. To carry out a research study into the influence of the AlGaAs potential barrier surrounding GaAs quantum wells on the QWIP operating bias voltage in the long-wavelength region of the spectrum (8…10 μm).

Materials and methods

Materials and methods. QWIP experimental samples were manufactured based on the GaAs/AlGaAs semiconductor material system using molecular beam epitaxy. The photosensitive (active) region of the structures contained 50 GaAs quantum wells with a thickness of 50 Å thick separated by AlGaAs barriers. Quantum wells were doped in situ with silicon as a donor impurity. The wavelength of the maximum spectral sensitivity of all samples ranged within 8…9 μm. The barrier width was the variable parameter. After passing the planar modification process route, the current–voltage characteristics were measured in all structures.

Results

Results. Reduction in the barrier thickness is capable of shifting the peak of photosensitivity towards the region of lower bias voltages with a slight increase in the dark current values.

Conclusion

Conclusion. The study of the influence of the applied bias voltage presents both scientific and practical interest. On the one hand, the results improve the current understanding of the behavior of the dark current in QWIP. On the other, they provide the possibility of managing the maximum current sensitivity, shifting it towards the region of the required operating voltages of the multiplexers.

инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямамитемновой токфоточувствительностьвольт-амперные характеристикиquantum well infrared photodetectorsdark currentspectral photosensitivitycurrent–voltage characteristicsReferencesQuantum well infrared photodetector research and development at Jet Propulsion Laboratory / S. D. Gunapala, S. V. Bandara, J. K. Liu, E. M. Luong, S. B. Rafol, J. M. Mumolo, D. Z. Ting, J. J. Bock, M. E. Ressler, M. W. Werner, P. D. LeVan, R. Chehayeb, C. A. Kukkonen, M. Levy, P. LeVan, M. A. Fauci // Infrared Physics & Technology. 2001. Vol. 42, № 3–5. P. 267–282. doi: 10.1016/S1350-4495(01)00085-8Gunapala S. D., Bandara S. V., Liu J. K., Luong E. M., Rafol S. B., Mumolo J. M., Ting D. Z., Bock J. J., Ressler M. E., Werner M. W., LeVan P. D., Chehayeb R., Kukkonen C. A., Levy M., LeVan P., Fauci M. A. Quantum Well Infrared Photodetector Research and Development at Jet Propulsion Laboratory. Infrared Physics & Technology. 2001, vol. 42, no. 3–5, pp. 267–282. doi: 10.1016/S1350-4495(01)00085-8Каталог Радиоэлектронного комплекса. URL: https://katalog-rek.ru/catalog/395/3823/ (дата обращения 23.11.2023).Radioelectronic Complex Catalog. Available at: https://katalog-rek.ru/catalog/395/3823/ (accessed 23.11.2023).Li S. S., Tidrow M. Z. Comparison of n- and ptype quantum well infrared photodetectors // Detectors, Focal Plane Arrays, and Imaging Devices II. 1998. Vol. 3553. P. 97–111. doi: 10.1117/12.318094Li S. S., Tidrow M. Z. Comparison of n- and pType Quantum Well Infrared Photodetectors. Detectors, Focal Plane Arrays, and Imaging Devices II. 1998, vol. 3553, pp. 97–111. doi: 10.1117/12.318094Henini M., Razeghi M. Handbook of infrared detection technologies. Elsevier, 2002. 532 p.Henini M., Razeghi M. Handbook of Infrared Detection Technologies. Elsevier, 2002, 532 p.Intersubband transitions in quantum wells: physics and device applications / E. R. Weber, H. C. Liu, F. Capasso, R. K. Willardson. Academic press, 1999. 309 p.Weber E. R., Liu H. C., Capasso F., Willardson R. K. Intersubband Transitions in Quantum Wells: Physics and Device Applications. Academic Press, 1999, 309 p.Levine B. F. Quantum‐Well Infrared Photodetectors // J. of Applied Physics. 1993. Vol. 74, № 8. P. R1–R81. doi: 10.1063/1.354252Levine B. F. Quantum‐Well Infrared Photodetectors. J. of Applied Physics. 1993, vol. 74, no. 8, pp. R1–R81. doi: 10.1063/1.354252Etteh N. E. I., Harrison P. Quantum mechanical scattering investigation of the dark current in quantum well infrared photodetectors (QWIPs) // Infrared physics & technology. 2003. Vol. 44, № 5–6. P. 473–480. doi: 10.1016/S1350-4495(03)00169-5Etteh N. E. I., Harrison P. Quantum Mechanical Scattering Investigation of the Dark Current in Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIPs). Infrared Physics & Technology. 2003, vol. 44, no. 5–6, pp. 473– 480. doi: 10.1016/S1350-4495(03)00169-5Quantum Well infrared photodetectors: device physics and light coupling / S. Bandara, S. Gunapala, J. Liu, J. Mumolo, E. Luong, W. Hong, D. Sengupta. Springer, 1998. P. 43–49.Bandara S., Gunapala S., Liu J., Mumolo J., Luong E., Hong W., Sengupta D. Quantum Well Infrared Photodetectors: Device Physics and Light Coupling. Springer, 1998, pp. 43–49.Zubkov V. I., Ivanova Ia. V., Weyers M. Direct observation of resonant tunneling in heterostructure with a single quantum well // Appl. Phys. Let. 2021. Vol. 119. P. 043503. doi: 10.1063/5.0056842Zubkov V. I., Ivanova Ia. V., Weyers M. Direct Observation of Resonant Tunneling in Heterostructure with a Single Quantum Well. Appl. Phys. Let. 2021, vol. 119, p. 043503. doi: 10.1063/5.0056842Ultimate performance of quantum well infrared photodetectors in the tunneling regime / E. Lhuillier, I. Ribet-Mohamed, M. Tauvy, A. Nedelcu, V. Berger, E. Rosencher // Infrared physics & technology. 2009. Vol. 52, № 4. P. 132–137.Lhuillier E., Ribet-Mohamed I., Tauvy M., Nedelcu A., Berger V., Rosencher E. Ultimate Performance of Quantum Well Infrared Photodetectors in the Tunneling Regime. Infrared Physics & Technology. 2009, vol. 52, no. 4, pp. 132–137.Wasilewski Z. R., Liu H. C., Buchanan M. Studies of Si segregation in GaAs using current–voltage characteristics of quantum well infrared photodetectors // J. of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 1994. Vol. 12, № 2. P. 1273–1276. doi: 10.1116/1.587020Wasilewski Z. R., Liu H. C., Buchanan M. Studies of Si Segregation in GaAs Using Current– Voltage Charac-Teristics Of Quantum Well Infrared Photodetectors. J. of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 1994, vol. 12, no. 2, pp. 1273–1276. doi: 10.1116/1.587020Luna E., Guzman A., Munoz E. Offset in the dark current characteristics of photovoltaic double barrier quantum well infrared photodetectors // Infrared physics & technology. 2005. Vol. 47, № 1–2. P. 22–28. doi: 10.1016/j.infrared.2005.02.007Luna E., Guzman A., Munoz E. Offset in the Dark Current Characteristics of Photovoltaic Double Barrier Quantum Well Infrared Photodetectors. Infrared Physics & Technology. 2005, vol. 47, no. 1–2, pp. 22–28. doi: 10.1016/j.infrared.2005.02.007I–V characterization of a quantum well infrared photodetector with stepped and graded barriers / F. Nutku, A. Erol, M. Gunes, L. B. Buklu, Y. Ergun, M. C. Arikan // Superlattices and Microstructures. 2012. Vol. 52, № 3. P. 585–593. doi: 10.1016/j.spmi.2012.06.010Nutku F., Erol A., Gunes M., Buklu L. B., Ergun Y., Arikan M. C. I–V Characterization of a Quantum Well Infrared Photodetector with Stepped and Graded Barriers. Superlattices and Microstructures. 2012, vol. 52, no. 3, pp. 585–593. doi: 10.1016/j.spmi.2012.06.010Characterization of the dark current of a quantum well infrared photodetector (QWIP) with selectively doped barrier layers/ Y. Uchiyama, H. Nishino, Y. Matsukura, T. Miyatake, K. Yamamoto, T. Fujii // Infrared Detectors and Focal Plane Arrays VII. 2002. Vol. 4721. P. 151–158. doi: 10.1117/12.478844Uchiyama Y., Nishino H., Matsukura Y., Miyatake T., Yamamoto K., Fujii T. Characterization of the Dark Current of a Quantum Well Infrared Photodetector (QWIP) with Selectively Doped Barrier Layers. Infrared Detectors and Focal Plane Arrays VII. 2002, vol. 4721, pp. 151–158. doi: 10.1117/12.478844Effect of barrier width on the performance of quantum well infrared photodetector / S. K. H. Sim, H. C. Liu, A. Shen, M. Gao, K. F. Lee, M. Buchanan, Y. Ohno, H. Ohno, E. H. Li // Infrared Physics & Technology. 2001. Vol. 42, № 3–5. P. 115–121. doi: 10.1016/S1350-4495(01)00067-6Sim S. K. H., Liu H. C., Shen A., Gao M., Lee K. F., Buchanan M., Ohno Y., Ohno H., Li E. H. Effect of Barrier Width on the Performance of Quantum Well Infrared Photodetector. Infrared Physics & Technology. 2001, vol. 42, no. 3–5, pp. 115–121. doi: 10.1016/S1350-4495(01)00067-6Li N., Xiong D.-Y., Yang X.-F., Lu W., Xu W.-L., Yang C.-L., Hou Y., Fu Y. Dark Currents of GaAs/AlGaAs Quantum-Well Infrared Photodetectors. Applied Physics A. 2007, vol. 89, pp. 701–705. doi: 10.1007/s00339-007-4142-2Li N., Xiong D.-Y., Yang X.-F., Lu W., Xu W.-L., Yang C.-L., Hou Y., Fu Y. Dark Currents of GaAs/AlGaAs Quantum-Well Infrared Photodetectors. Applied Physics A. 2007, vol. 89, pp. 701–705. doi: 10.1007/s00339-007-4142-2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.