RU2418344C1

RU2418344C1 - Method of controlling light sensitivity of laser radiation detector in infrared range

Info

Publication number: RU2418344C1
Application number: RU2009143080/28A
Authority: RU
Inventors: Елена Владимировна Грозная (RU); Елена Владимировна Грозная; Владимир Дмитриевич Кревчик (RU); Владимир Дмитриевич Кревчик; Иван Васильевич Урнев (RU); Иван Васильевич Урнев; Михаил Александрович Щербаков (RU); Михаил Александрович Щербаков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие "РОТОР" (ООО НПП "РОТОР")
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-05-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of controlling light sensitivity of a laser radiation detector in the infrared range by exposing the detector to external fields, for a detector made from quantum wire based on InSb, doped with a donor-type impurity, with quantum wire diametre approximately equal to the value of the effective Bohr radius for an electron in the material of the quantum wire. The external effect is magnetic field with induction between 2 and 5 T.

EFFECT: broader light sensitivity of the laser radiation detector in the submillimetre wavelength range.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой наноэлектроники, в частности к устройствам, преобразующим энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию, и может быть использовано в производстве детекторов лазерного излучения на основе эффекта фотонного увлечения в низкоразмерных системах.The invention relates to the field of semiconductor nanoelectronics, in particular to devices that convert the energy of electromagnetic radiation into electrical energy, and can be used in the manufacture of laser radiation detectors based on the effect of photon drag in low-dimensional systems.

Известны детекторы инфракрасного излучения, такие как Ge, легированный Zn, Cu или Hg, или детекторы на основе твердых растворов Cd_xHg_1-xTe (см., например, патент RU №2310949, МПК H01L 31/04), которые имеют высокую чувствительность, но требуют глубокого охлаждения и обладают ограниченным временным разрешением.Infrared radiation detectors are known, such as Ge doped with Zn, Cu or Hg, or detectors based on Cd _x Hg _1-x Te solid solutions (see, for example, patent RU No. 2310949, IPC H01L 31/04), which have a high sensitivity, but require deep cooling and have a limited time resolution.

Известны сверхбыстродействующие, субнаносекундные неохлаждаемые детекторы импульсного лазерного излучения в инфракрасной области спектра, на основе эффекта фотонного увлечения (ЭФУ), такие как p-Ge, где используются прямые внутризонные переходы дырок в валентной зоне, такие как n-InAs и n-CdTe, где используются непрямые переходы электронов в зоне проводимости. Они могут определять энергетические характеристики лазерных импульсов (В.Г.Агафонов, П..М.Валов, Б.С.Рыбкин, И.Д.Ярошецкий. Фотоприемники на основе эффекта увлечения светом носителей тока в полупроводниках // Физика и техника полупроводников. - 1973, т.7, №12, с.2316-2325).Ultrafast, subnanosecond, uncooled, pulsed laser radiation detectors in the infrared are known based on the photon drag effect (EPC), such as p-Ge, where direct intraband hole transitions in the valence band are used, such as n-InAs and n-CdTe, where Indirect electron transitions in the conduction band are used. They can determine the energy characteristics of laser pulses (V.G. Agafonov, P.M. Valov, B.S. Rybkin, I.D. Yaroshetsky. Photodetectors based on the effect of light entrainment of current carriers in semiconductors // Physics and Technology of Semiconductors. - 1973, v. 7, No. 12, p. 2316-2325).

К недостаткам указанных детекторов можно отнести наличие сильной зависимости фоточувствительности от концентрации свободных носителей заряда. Так, например, максимальная фоточувствительность детектора из p-Ge достигается при концентрации дырок ≈10¹⁴ см^-3, в то время как для относительно малых концентраций фоточувствительность пропорциональна длине детектора. Увеличение концентрации дырок связано с увеличением интенсивности лазерного излучения, что может привести к разрушению образца. В случае детекторов из n-InAs и n-CdTe увеличение их удельного сопротивления может быть достигнуто за счет высокого уровня легирования. Однако значительное увеличение концентрации легирующей примеси может привести к существенному увеличению концентрации свободных носителей и к соответствующему уменьшению фоточувствительности детекторов.The disadvantages of these detectors include the presence of a strong dependence of photosensitivity on the concentration of free charge carriers. For example, the maximum photosensitivity of the p-Ge detector is achieved at a hole concentration of ≈10 ¹⁴ cm ^-3 , while for relatively low concentrations the photosensitivity is proportional to the length of the detector. An increase in the hole concentration is associated with an increase in the intensity of laser radiation, which can lead to destruction of the sample. In the case of n-InAs and n-CdTe detectors, an increase in their resistivity can be achieved due to the high doping level. However, a significant increase in the concentration of the dopant can lead to a substantial increase in the concentration of free carriers and to a corresponding decrease in the photosensitivity of the detectors.

Известен способ преобразования энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию посредством фотоэлемента (патент RU №2222846, МПК H01L 31/04, 2004 г.), который содержит расположенные на металлической пластине слои полупроводника n- и p-типа с p-n-переходом между ними и прозрачный электропроводящий слой. При этом в указанный слой полупроводника n-типа дополнительно введены наночастицы металла размером много меньше длины волны излучения, при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)·10^-2 объемных долей. В результате повышается КПД устройства.A known method of converting electromagnetic radiation energy into electrical energy by means of a photocell (patent RU No. 2222846, IPC H01L 31/04, 2004), which contains n- and p-type semiconductor layers located on a metal plate with a pn junction between them and transparent conductive layer. At the same time, metal nanoparticles with a size much smaller than the radiation wavelength are additionally introduced into the indicated n-type semiconductor layer, at a concentration of these nanoparticles in the specified layer (1-5) · 10 ^-2 volume fractions. As a result, the efficiency of the device is increased.

К недостаткам указанного прибора можно отнести отсутствие возможности для управления функциональными характеристиками такого фотоэлемента, в частности фоточувствительностью.The disadvantages of this device include the lack of ability to control the functional characteristics of such a photocell, in particular photosensitivity.

Наиболее близким по своей сущности техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является способ управления фоточувствительностью фотоприемника (детектора) лазерного излучения посредством внешних полей. Фотоприемник (детектор) выполнен на основе полностью обедненной легированной сверхрешетки GaAs, перекрывающей весь диапазон от 0,8 до 1,4 мкм (Horikoshi Y., Poog K. // Appl. Phys. А. - 1985, v.37, р.47; М.Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. Изд. «Мир», 1989, с.240). Фотовозбужденные электроны и дырки сразу после рождения разделяются полем легированной сверхрешетки, что приводит к высокой квантовой эффективности прибора. Благодаря полному обеднению легированная сверхрешетка ведет себя как очень высокоомный материал, позволяющий прикладывать вдоль слоев сильные электрические поля с помощью селективных n⁺-p⁺-электронов. Чувствительность прибора на длине волны 1,3 мкм достигает 90% от исходного межзонного фотоотклика при 0,85 мкм, а внешний квантовый выход при 0,85 мкм достигает 65%. Такая высокая фоточувствительность достигается очень большой величиной электрического поля, состоящего из внутреннего поля объемного заряда и внешнего приложенного электрического поля.The closest in essence technical solution to the claimed and adopted as a prototype is a method for controlling the photosensitivity of a photodetector (detector) of laser radiation through external fields. The photodetector (detector) is based on a fully depleted doped GaAs superlattice, covering the entire range from 0.8 to 1.4 μm (Horikoshi Y., Poog K. // Appl. Phys. A. - 1985, v. 37, p. 47; M. Herman. Semiconductor superlattices. Publishing house "Mir", 1989, p. 240). Photoexcited electrons and holes are separated immediately after birth by the field of a doped superlattice, which leads to a high quantum efficiency of the device. Due to complete depletion, the doped superlattice behaves as a very high-resistance material, which makes it possible to apply strong electric fields along the layers using selective n ⁺ -p ⁺ electrons. The sensitivity of the device at a wavelength of 1.3 μm reaches 90% of the initial interband photoresponse at 0.85 μm, and the external quantum yield at 0.85 μm reaches 65%. Such a high photosensitivity is achieved by a very large value of the electric field, consisting of the internal field of the space charge and the external applied electric field.

Однако приложение высоких напряженностей электрических полей приводит к увеличению токов утечки, шумов и электрическому пробою полупроводниковых слоев сверхрешетки.However, the application of high electric field intensities leads to an increase in leakage currents, noise and electrical breakdown of the semiconductor layers of the superlattice.

Задачей настоящего изобретения является расширение фоточувствительности детектора лазерного излучения в субмиллиметровом диапазоне длин волн.An object of the present invention is to expand the photosensitivity of a laser radiation detector in the submillimeter wavelength range.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, основанном на управлении фоточувствительностью детектора лазерного излучения в ИК-диапазоне посредством воздействия на детектор внешних полей, для детектора, изготовленного из квантовой проволоки на основе InSb, легированного примесью донорного типа, с диаметром квантовой проволоки, примерно равным величине эффективного Боровского радиуса для электрона в материале квантовой проволоки, в качестве внешнего воздействия используют магнитное поле с индукцией от 2 до 5 Тл.The problem is achieved in that in the known method based on controlling the photosensitivity of the laser radiation detector in the infrared range by exposing the detector to external fields, for a detector made of an InSb-based quantum wire doped with an impurity of a donor type, with a quantum wire diameter of approximately equal to the effective Borovsky radius for the electron in the material of a quantum wire, a magnetic field with induction from 2 to 5 T is used as an external effect.

В предлагаемом способе управление фоточувствительностью достигается за счет эффекта гибритизации размерного и магнитного квантования.In the proposed method, photosensitivity control is achieved due to the effect of hybridization of dimensional and magnetic quantization.

На фиг.1 представлено схематическое изображение кривых вероятностей оптических переходов электронов с примесных центров во вторую гибридно-квантовую подзону зоны проводимости КП при учете продольной составляющей импульса фотонов ħq_z.Figure 1 shows a schematic representation of the probability curves of optical transitions of electrons from impurity centers to the second hybrid quantum subband of the KP conduction band, taking into account the longitudinal component of the photon momentum ħq _z .

На фиг.2 - блок-схема измерительной установки, где 1 - мультиметр, 2 - детектор, 3 - усилитель, 4 - персональный компьютер, 5 - осциллограф, 6 - программированный источник питания, 7 - источник питания. Установка используется для автоматизированного снятия характеристик детектора 2. С помощью цифрового мультиметра 1 снимаются значения тока, проходящего через детектор 2, и запись, для обработки, в компьютер. Программируемый источник тока 6 необходим для задания начального тока смещения детектора и снятия ВАХ детектора. Посредством усилителя 3 и цифрового осциллографа 5 снимаются динамические характеристики детектора и передача полученных данных на ПК для дальнейшей обработки. Также установка позволяет исследовать переходные процессы, проходящие в детекторе.Figure 2 - block diagram of the measuring installation, where 1 is a multimeter, 2 is a detector, 3 is an amplifier, 4 is a personal computer, 5 is an oscilloscope, 6 is a programmed power supply, 7 is a power source. The setup is used to automatically record the characteristics of detector 2. Using a digital multimeter 1, the current passing through detector 2 is recorded and a record is processed for processing to a computer. Programmable current source 6 is required to set the initial bias current of the detector and remove the I – V characteristic of the detector. Through the amplifier 3 and the digital oscilloscope 5, the dynamic characteristics of the detector and the transmission of the received data to a PC are removed for further processing. Also, the installation allows you to study transients in the detector.

На фиг.3 - конструкция одновиткового соленоида, где 2а - длина соленоида, h - толщина соленоида, D - диаметр соленоида. Изображение кривых на фиг.1 позволяет понять механизм возникновения тока увлечения при фотоионизации примесных центров в квантовой проволоке в условиях внешнего магнитного поля. Кривые E_0,+1,kz и Е_1,+1,kz изображают структуру двух первых гибридно-квантовых подзон зоны проводимости КП в плоскости, параллельной направлению распространения света. Кривые W₀ и W_q - вероятности оптических переходов с примесного уровня с энергией Е_λB<0 в гибридно-квантовую подзону зоны проводимости с осцилляторным квантовым числом n=1 и магнитным квантовым числом m=+1 при поглощении фотона с энергией hω и продольной составляющей импульса ħq_z. Кривая W₀ соответствует выражению для вероятности в нулевом по q_z приближении, а кривая W_q - вероятности в линейном по q_z приближении. Из закона сохранения энергии при оптическом переходе следует, что энергия электронов, попавших в состояния 1′ и 2′ одинаковы, однако, как видно из фиг.1, из-за учета продольной составляющей импульса фотона вероятность оптических переходов перестает быть симметричной относительно точки K_z=0, поскольку число переходов 2^→2′ больше числа переходов 1^→1′ и суммарный ток электронов будет отличен от нуля. В режиме короткого замыкания плотность тока фотонного увлечения j(ω) в КП при наличии продольного магнитного поля и в случае рассеяния одномерных электронов на примесях, можно представить в видеFigure 3 - design of a single-turn solenoid, where 2A is the length of the solenoid, h is the thickness of the solenoid, D is the diameter of the solenoid. The image of the curves in figure 1 allows us to understand the mechanism of the occurrence of the drag current during photoionization of impurity centers in a quantum wire in an external magnetic field. The curves E _{0, + 1, kz} and E _{1, + 1, kz} depict the structure of the first two hybrid-quantum subbands of the KP conduction band in a plane parallel to the direction of light propagation. The curves W ₀ and W _q are the probabilities of optical transitions from an impurity level with an energy E _λB <0 to the hybrid quantum subband of the conduction band with an oscillating quantum number n = 1 and a magnetic quantum number m = + 1 when absorbing a photon with energy hω and a longitudinal component momentum ħq _z . The curve W ₀ corresponds to the expression for probability in the _z- zero approximation, and the curve W _q corresponds to the probability in the linear approximation in q _z . From the law of conservation of energy in the optical transition, it follows that the energy of electrons in states 1 ′ and 2 ′ are the same, however, as can be seen from Fig. 1, due to the longitudinal component of the photon momentum, the probability of optical transitions ceases to be symmetric with respect to the point K _z = 0, since the number of transitions 2 ^→ 2 ′ is greater than the number of transitions 1 ^→ 1 ′ and the total electron current will be nonzero. In the short-circuit mode, the photon drag current density j (ω) in the CS in the presence of a longitudinal magnetic field and in the case of scattering of one-dimensional electrons by impurities can be represented as

где X=ħω/E_d;

; δ_T=E_d/(kT); n_i - концентрация примесных рассеивающих центров в квантовой проволоке; λ_S - длина рассеяния; n_e - концентрация электронов; N₀ - концентрация D^--центров в квантовой проволоке; n_λ - линейная концентрация D^--центров, локализованных на оси квантовой проволоки; θ(S) - единичная функция Хевисайда.where X = ħω / E _d ;

; δ _T = E _d / (kT); n _i is the concentration of impurity scattering centers in a quantum wire; λ _S is the scattering length; n _e is the electron concentration; N ₀ is the concentration of D ^- centers in a quantum wire; n _λ is the linear concentration of D ^- centers localized on the axis of the quantum wire; θ (S) is the Heaviside identity function.

При этом резонансные частоты ω_res, определяющие положение пиков в дувлете Зеемана спектральной характеристики плотности тока фотонного увлечения, определяются формулойIn this case, the resonance frequencies ω _res , which determine the position of the peaks in the Zeeman duvet of the spectral characteristic of the photon drag current density, are determined by the formula

где |Е_λВ| - энергия ионизации донорного центра, ω_В - циклотронная частота,where | E _λB | is the ionization energy of the donor center, ω _B is the cyclotron frequency,

- гибридная частота, ω₀ - характерная частота удерживающего потенциала.

- hybrid frequency, ω ₀ - characteristic frequency of the holding potential.

Из формулы (2) следует, что с ростом величины магнитного поля имеет место синий сдвиг спектральной характеристики плотности тока фотонного увлечения. Фоточувствительность детектора лазерного излучения G на основе эффекта фотонного увлечения электронов пропорциональна плотности тока увлеченияIt follows from formula (2) that with an increase in the magnetic field, a blue shift of the spectral characteristic of the photon drag current density takes place. The photosensitivity of the laser radiation detector G based on the effect of photon drag of electrons is proportional to the density of the drag current

где V - величина фотоэдс, W=I₀·hω·S₀ - мощность падающего на детектор излучения, S₀ - площадь поперечного сечения светового пучка, ρ₀ - удельное сопротивление материала КП, L_z - длина КП.where V is the magnitude of the photovoltage, W = I ₀ · ω · S ₀ is the power of the radiation incident on the detector, S ₀ is the cross-sectional area of the light beam, ρ ₀ is the specific resistance of the CP material, L _z is the length of the CP.

Как следует из формулы (3), чувствительность детектора G является функцией магнитной индукции В. В этой связи появляется возможность для управления фоточувствительностью в области примесного поглощения света (ИК-диапазон) за счет варьирования величины В. Диаметр КП должен быть примерно равен величине эффективного боровского радиуса для электрона в материале КП, т.е. 2L₀≈a_d, для того, чтобы имел место квантовый размерный эффект. Величина магнитного поля должна быть такой, чтобы магнитная длина не превышала эффективный радиус локализации примесного электрона, т.е. а_В≤λ^-1. В этом случае необходимо учитывать динамику примесного уровня. Данное условие выполняется, если В≥2|E_λB|m^*/(|e|ħ) и в случае КП на основе InSb В≥2,4 Тл.As follows from formula (3), the sensitivity of detector G is a function of magnetic induction B. In this regard, it becomes possible to control photosensitivity in the region of impurity absorption of light (IR range) by varying B. The diameter of the CS should be approximately equal to the effective Bohr radius for the electron in the material of the KP, i.e. 2L ₀ ≈a _d , in order to have a quantum size effect. The magnitude of the magnetic field should be such that the magnetic length does not exceed the effective localization radius of the impurity electron, i.e. and _B ≤λ ^-1 . In this case, it is necessary to take into account the dynamics of the impurity level. This condition is satisfied if B≥2 | E _λB | m ^* / (| e | ħ) and in the case of KP based on InSb B≥2.4 T.

Сущность способа заключается в том, что полупроводниковый детектор лазерного излучения в виде КП из InSb, выращенной методом структурной изоляции (см. С.Г.Романов, Н.М.Йатс, М.И.Пембл, Д.Р.Аггер и др. Интерфейсные эффекты и формирование оптических свойств ансамблей структурно-изолированных квантовых нитей I и Р. // Физика твердого тела. - 1997, т.39, №4, с.727-734) помещается в продольное, по отношению к оси КП, магнитное поле, величину которого можно менять в пределах от 2 до 5 Тл. (фиг.2).The essence of the method lies in the fact that a semiconductor laser detector in the form of a KP from InSb grown by the method of structural isolation (see S.G. Romanov, N.M. Yates, M.I. Pembl, D.R. Agger, etc. Interface effects and the formation of optical properties of ensembles of structurally isolated quantum fibers I and P. // Solid State Physics. - 1997, vol. 39, No. 4, p. 727-734) is placed in a longitudinal magnetic field with respect to the axis of the quantum field , the value of which can be changed in the range from 2 to 5 T. (figure 2).

В качестве матриц были использованы хризотил-асбест (СА) (диаметр d≈8 нм, А≈40 нм), канальный каркасный селикат МСМ-41. А в качестве метода синтеза InSb - двухступенчатая газофазная реакция замещения металлорганического соединения триметил-индия (TMIn). Особенностью данного метода синтеза является использование поверхностных состояний матрицы в качестве центров адсорбции, поэтому рост полупроводника начинается с поверхности каналов, приводя в итоге к нитям цилиндрического сечения. На фиг.3 показана конструкция одновиткового соленоида, который использовался для создания магнитного поля в фиксированном объеме, где была расположена структура с КП.Chrysotile asbestos (CA) (diameter d≈8 nm, A≈40 nm), channel frame selicate MCM-41 were used as matrices. And as a method of InSb synthesis, there is a two-stage gas-phase substitution reaction of the organometallic compound trimethyl-indium (TMIn). A feature of this synthesis method is the use of the surface states of the matrix as adsorption centers; therefore, the semiconductor begins to grow from the surface of the channels, leading ultimately to filaments of a cylindrical section. Figure 3 shows the design of a single-turn solenoid, which was used to create a magnetic field in a fixed volume, where the CP structure was located.

При изменении величины магнитного поля от 0 до 5 Тл максимум фоточувствительности детектора смещается в коротковолновую область спектра примерно на 1 мкм.When the magnetic field changes from 0 to 5 T, the maximum photosensitivity of the detector shifts to the short-wavelength region of the spectrum by about 1 μm.

По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет обеспечить возможность расширить фоточувствительность детектора в ближнем ИК-диапазоне за счет изменения величины внешнего магнитного поля, а использование InSb в качестве материала для КП обеспечивает высокую подвижность носителей заряда и относительно небольшие величины внешнего магнитного поля.Compared with the prototype, the present invention allows to provide the ability to expand the photosensitivity of the detector in the near infrared range by changing the magnitude of the external magnetic field, and the use of InSb as a material for the CP provides high carrier mobility and relatively small values of the external magnetic field.

Claims

A method for controlling the photosensitivity of a laser radiation detector in the infrared range by applying external fields to the detector, characterized in that for a detector made of an InSb-based quantum wire doped with an impurity of a donor type with a quantum wire diameter approximately equal to the effective Borovsky radius for an electron in the material of a quantum wire, a magnetic field with induction from 2 to 5 T is used as an external influence.