Исследование влияния степени легирования квантовых ям на рабочую температуру QWIP

Введение. Инфракрасные фотодетекторы на основе квантовых ям (QWIP) являются одними из ключевых компонентов современных систем инфракрасного видения. QWIP широко применяются в различных областях, включая космические исследования, медицину и др. Одна из ключевых характеристик QWIP – температура BLIP (background limited performance). Эта температура определяется из условия равенства фонового и темнового токов, протекающих через фотодетектор, и является рабочей температурой фотодетектора. Увеличение рабочей температуры позволяет значительно снизить требования к системе охлаждения. Поскольку фоновый ток зависит от условий окружающей среды и апертуры криостата, целесообразно снижать значения темнового тока, которые напрямую зависят от степени легирования квантовых ям. Однако легирование влияет на чувствительность фотодетектора, поэтому необходимо подобрать оптимальный уровень легирования, позволяющий найти компромисс между снижением чувствительности и уровня темнового тока.
Цель работы. Исследование влияния степени легирования квантовых ям на основе системы материалов GaAs/AlGaAs на температуру BLIP.
Материалы и методы. Для проведения эксперимента методом молекулярно-пучковой эпитаксии были изготовлены тестовые фотоприемники. Параметры образцов подбирались таким образом, чтобы длина волны максимума спектральной чувствительности находилась в диапазоне 8…9 мкм. Варьируемым параметром являлась степень легирования квантовых ям кремнием. После прохождения технологического маршрута планарной модификации на всех тестовых фотоприемниках были сняты вольт-амперные характеристики в диапазоне температур 65…77 К и построены графики статической токовой чувствительности.
Результаты. Показано, что снижение уровня легирования с 9.0·1017 до 4.5·1017 см–3 приводит к значительному уменьшению темнового тока в рабочем интервале напряжений. Это позволило повысить температуру BLIP с 69 до 71 К. При этом наблюдалось ожидаемое снижение фоточувствительности, однако ее значение оставалось выше порогового уровня 0.15 А/Вт.
Заключение. Полученные данные демонстрируют, что оптимизация уровня легирования квантовых ям в QWIP позволяет уменьшить уровень темнового тока фотодетектора. Такой фотодетектор можно использовать при более высоких температурах.

1. Mid-infrared semiconductor optoelectronics / ed. by A. Krier. London: Springer, 2007. 752 p. doi: 10.1007/1-84628-209-8

2. QWIP: still the best solution for high-end applications in LWIR / R. Ivanov, S. Högnadóttir, D. Ramos, D. Evans, D. Visser, D. Rihtnesberg, A. Smuk, S. Becanovic, S. Sehlin, S. Almqvist, S. Smuk, L. Höglund, E. Costard // Infrared Technology and Applications XLIX. Proc. of SPIE. 2023. Vol. 12534. P. 356–364.

3. Quantum 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, A. Kukkonen, M. Levy, P. LeVan, M. A. Fauci // Infrared Physics & Technology. 2001. Vol. 42, iss. 3–5. P. 267–282. doi: 10.1016/S1350-4495(01)00085-8

4. QWIP structural optimization / K.-K. Choi, C.-H. Lin, K.-M. Leung, T. Tamir // Materials for Infrared Detectors II. Proc. of SPIE. 2002. Vol. 4795. P. 27–38. doi: 10.1117/12.453827

5. Berurier A., Nedelcu A. Optimization of light polarization sensitivity in QWIP detectors // Infrared Physics & Technology. 2013. Vol. 59. P. 118–124. doi: 10.1016/j.infrared.2012.12.025

6. An LWIR QWIP FPA with sub-5mK NETD and large dynamic range / H. Lu, N. Li, X. Zhou, Zh. Li, P. Chen, J. Xu, X. Li, W. Lu // Infrared Physics & Technology. 2025. Vol. 144. Art. № 105629. doi: 10.1016/j.infrared.2024.105629

7. Das M. K., Lal R. K. Modeling of Quantum Well Infrared Photo Detector for Long Wavelength Infrared Detection // IETE J. of Research. 2017. Vol. 63, iss. 5. P. 719–727. doi: 10.1080/03772063.2017.1313138

8. Optimisation of QWIP detectors for space applications / S. Smuk, A. Gromov, J. Alverbro, P. Merken, T. Souverijns, D. Haga, H. Malm, C. Asplund, J. Borglind, S. Becanovic, P. Tinghag, H. Martijn, B. Hirschauer // Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites IX. Proc. of SPIE. 2005. Vol. 5978. P. 397–406. doi: 10.1117/12.632799

9. Etteh 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, iss. 5–6. P. 473–480. doi: 10.1016/S1350-4495(03)00169-5

10. Downs C., Vandervelde T. E. Progress in infrared photodetectors since 2000 // Sensors. 2013. Vol. 13, iss. 4. P. 5054–5098. doi: 10.3390/s130405054

11. Bhan R. K., Dhar V. Recent infrared detector technologies, applications, trends and development of HgCdTe based cooled infrared focal plane arrays and their characterization // Opto-Electronics Review. 2019. Vol. 27, № 2. P. 174–193. doi: 10.1016/j.opelre.2019.04.004

12. Schneider H., Liu H. C. Quantum well infrared photodetectors: physics and applications. Berlin, Heidelberg : Springer, 2007. 248 p. doi: 10.1007/978-3-540-36324-8

13. Богословская Л. С., Дудин А. Л., Зубков В. И. Исследование влияния ширины барьера на рабочее напряжение QWIP // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2024. Т. 27, № 4. С. 72–80. doi: 10.32603/1993-8985-2024-27-4-72-80

14. GaAs/AIGaAs Quantenfilm Photodetektoren für Kameras im 8...12µm-Bereich / H. Schneider, P. Koidl, M. Walther, J. Fleißner, J. Ziegler // tm-Technisches Messen. 1999. Vol. 66, № 9. P. 344–349.

15. Billaha A., Das M. K. Influence of doping on the performance of GaAs/AlGaAs QWIP for long wavelength applications // Opto-Electronics Review. 2016. Vol. 24, № 1. P. 25–33. doi: 10.1515/oere-2016-0006

16. I–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.2012.06.010

17. Optimal doping density for quantum-well infrared photodetector performance / Y. Yang, H. C. Liu, W. Z. Shen, N. Li, W. Lu, Z. R. Wasilewski // IEEE J. of Quantum Electronics. 2009. Vol. 45, № 6. P. 623–628. doi: 10.1109/JQE.2009.2013119

18. Стандартизация технологий изготовления матриц для охлаждаемых тепловизоров – "тепло" или "холодно"? / А. Л. Дудин, Н. И. Кацавец, Д. М. Красовицкий, А. Г. Филаретов, В. П. Чалый // Электроника: наука, технология, бизнес. 2022. № 2. С. 114–119. doi: 10.22184/1992-4178.2022.213.2.114.119