Исследование влияния ширины барьера на рабочее напряжение QWIP

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

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

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.

1. 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, 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)00085-8

2. Каталог Радиоэлектронного комплекса. URL: https://katalog-rek.ru/catalog/395/3823/ (дата обращения 23.11.2023).

3. 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: 10.1117/12.318094

4. Henini M., Razeghi M. Handbook of infrared detection technologies. Elsevier, 2002. 532 p.

5. 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.

6. Levine B. F. Quantum‐Well Infrared Photodetectors // J. of Applied Physics. 1993. Vol. 74, № 8. P. R1–R81. doi: 10.1063/1.354252

7. 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, № 5–6. P. 473–480. doi: 10.1016/S1350-4495(03)00169-5

8. Quantum 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.

9. 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: 10.1063/5.0056842

10. Ultimate 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.

11. 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: 10.1116/1.587020

12. Luna 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.2005.02.007

13. 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

14. Characterization 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: 10.1117/12.478844

15. Effect 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)00067-6

16. Li 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