Основным достоинством твердого полупроводникового раствора
InxGa1-xAsySb1-y/ GaSb при значениях х=0,18 и у=0,17 является возможность реализации на его основе неохлаждаемых фотодиодов с красной границей фоточувствительности 2,3 мкм, что позволяет использовать их в различных областях техники: системах пожарной сигнализации, медицинских и научных приборах. [4,5,6]. При изготовлении эпитаксиальных структур обычно их качество оценивается по электрическим характеристикам тестовых структур [1]. Однако обнаружилось, что при использовании эпитаксиальных структур с малыми обратными токами некоторые их них имели низкий процент выхода годных изделий из-за брака по фотоэлектрическим параметрам. В связи с этим нами была разработана методика и проведено исследование распределения токовой чувствительности по площади пластины с выращенной фотодиодной эпитаксиальной структурой.
Измерение интегральной токовой чувствительности проводилось методом сравнения с эталоном в соответствии с рекомендациями [2]. Схема используемой установки приведена на рисунке 1. В качестве источника излучения использована лампа накаливания 3, в которой поддерживался стабильный ток накала. Исследуемые образцы 1 изолировались от внешнего освещения светонепроницаемым экраном 6, имеющим окно 5 с германиевым светофильтром 4. Использование светофильтра устраняло коротковолновую радиацию вплоть до значения λʹ =1,8 мкм. Это позволяло исключить появление паразитных фото ЭДС, возникновение которых возможно на контактах с широкозонной подложкой. В качестве эталона сравнения были использованы смонтированные в корпуса фотодиоды на основе аналогичного материала с известной чувствительностью и площадью кристалла. Эталонный фотодиод помещался на таком же расстоянии от источника света, как и образец. В непосредственной близости от образца на основании 2 смонтирован усилитель 8 с источником питания 9, а также упругий контактный зонд 7. Электрическая схема измерительной установки приведена на рисунке 2. Использование трансимпедансного преобразователя на основе операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, позволяло измерять ток фотодиода в режиме короткого замыкания, при напряжении близком к нулю. Последнее обстоятельство исключало влияние на результаты измерения токов проводимости р-п перехода. Таким образом, измеряемое вольтметром напряжение было пропорциональным фототоку.
В работе было исследовано распределение токовой чувствительности по площади для 19 пластин. Пластины имели размеры примерно 10х25 мм2, на каждой из которых методом химического травления формировалось от 12 до 24 фотодиодных мезаструктур.
Рисунок 1. Установка для исследования фоточувствительности
Рисунок 2. Измерительная схема
Чувствительность исследуемого образца определялась в соответствии с выражением:
Где: А – площадь исследуемой структуры;
Аэ – площадь эталонного фотоприемника;
ΔU – изменение напряжения на структуре при освещении;
ΔUэ – изменение напряжения на эталонном фотоприемнике при освещении;
Si э – чувствительность контрольного образца.
Для сравнения пластин между собой можно использовать средние значения чувствительности по каждой из пластин.
(3)
Средние значения чувствительности для различных пластин могли отличаться почти в 2 раза и лежали в диапазоне от 18 до 34 мА/Вт для АЧТ 800 К. Соответствующие данные приведены в виде диаграммы на рисунке 3.
На рисунках 4, 5 представлены типичные результаты распределения фоточувствительности по площади для пластин с высокой и низкой усредненной чувствительностью.
Как видно из рисунка 4, для пластин с высокой чувствительностью (SI=34 мА/Вт) наблюдалось достаточно равномерное распределение SI по площади со значением относительного среднеквадратичного отклонения (ОСКО) 12 %. Для пластин с низкой чувствительностью (рис. 5) характерна явно выраженная неоднородность в распределении чувствительности по площади. Так при среднем значении SI=20 мА/Вт разброс значений чувствительности в разных частях пластины достигал 3 крат, а величина ОСКО составила 22 %.
Рисунок 3. Значения средней токовой чувствительности для исследованных пластин
Рисунок 4. Распределение фоточувствительности по площади для пластин с высокой токовой чувствительностью
Рисунок 5. Распределение фоточувствительности по площади для пластин с низкой токовой чувствительностью
Обнаружение на пластинах явно выраженных областей с высокой и низкой фоточувствительностью, подтвержденных серией монотонно изменяющихся значений, может свидетельствовать о надежности полученных результатов.
Представляет интерес сравнение наблюдаемой чувствительности с максимально возможной [3].
Для монохроматического излучения
Тогда при λ=2,1 мкм расчёт даёт
А/Вт.
Если учесть коэффициент использования излучения от АЧТ 800 К, составляющий 2,4 %, то интегральная чувствительность составит SI= 40 мА/Вт. Принимая во внимание отражение части светового потока от поверхности фотоприёмника, можно считать, что полученные значения SI =34 мА/Вт для лучших образцов близки к предельно возможным.
Таким образом, предлагаемая установка и методика исследований распределения токовой чувствительности по площади пластины может быть успешно использована как для отработки технологии жидкофазной эпитаксии фоточувствительных эпитаксиальных слоёв InGaAsSb/GaSb, так и для оценки качества пластин при их поставке потребителю.
Рецензенты:
Астахов Владимир Петрович, д.т.н., зам. нач. Центрального КБ, ОАО Московский завод «Сапфир», г. Москва.
Бичурин Мирза Имамович, профессор, д.ф-м.н., заведующий кафедрой «Проектирования и технологии радиоаппаратуры», Новгородский государственный университет, г. Великий Новгород.