Ультрафиолетовый приемник: от контакта Шоттки до передачи импульсов

Томский государственный университет создал ультрафиолетовый фотодетектор, который быстрее всего работает без приложенного напряжения. Сотрудники Центра «Перспективные технологии в микроэлектронике» исследовали вертикальный диод Шоттки: платина образует контакт с оксидом галлия. При нулевом смещении время отклика составило 4,4 микросекунды, релаксации — 1,4 микросекунды. Заведующий кафедрой полупроводниковой электроники Виктор Копьев связывает результат со встроенным электрическим полем на границе материалов. Университет оценил ускорение при выбранном режиме более чем в тысячу раз. Результаты опубликованы в журнале «Физика и техника полупроводников».

Внешнее напряжение действует также в объеме подложки, добавляя медленный фоторезистивный ток к фотодиодному механизму. Исследователи ТГУ предлагают использовать приемник для импульсной связи между беспилотниками, роботами и автомобилями при радиопомехах, обнаружения пробоев высоковольтных линий и возгораний на нефтегазовых объектах. Это направления применения разработки. Солнечно-слепой диапазон 200–280 нанометров имеет слабый естественный фон у поверхности Земли благодаря поглощению солнечного ультрафиолета озоном. Опубликованные микросекундные времена характеризуют приемник; дальность и скорость готового канала связи ими не задаются.

Рост и электрические контакты

Оксид галлия для приемников получают также в виде нанопроволок. Бадрия Альхалайли (Badriyah Alhalaili) и коллеги из Кувейтского института научных исследований и Калифорнийского университета в Дейвисе сравнили рост на кварце с серебряным покрытием и без него. Исходная серебряная пленка имела толщину пять нанометров. При термическом окислении галлия при 1000 градусах Цельсия серебро способствовало формированию более густых, длинных и тонких проволок. Электронная микроскопия и элементный анализ дополняли друг друга: частицы серебра, неразличимые при одном способе наблюдения, обнаруживались другими методами. Масс-спектрометрия усредняла сигнал множества проволок, а не отдельного кристалла. Оба варианта сохраняли одинаковое кристаллографическое направление роста нанопроволок.

Способ изготовления контактов менял электрический результат. Напыленные золотые электроды и механически приложенная золотая сетка давали различное поведение темнового тока. Авторы связывали это с состоянием границы контакта. При десяти вольтах отношение фототока к темновому току составляло 4,55 без серебра и 38,3 с серебром. В отдельном опыте с широкополосным ультрафиолетом и затвором, при пяти вольтах, включение занимало соответственно 1,12 и 0,33 секунды, выключение — 2,0 и 2,2 секунды. Времена определяли между десятью и девяноста процентами сигнала. Серебро ускоряло нарастание, но восстановление оставалось секундным. Спектральная характеристика сохраняла отклик выше 300 нанометров.

Свет от дефектов пленки

Фотолюминесценция позволяет исследовать процессы рекомбинации в материале: после оптического возбуждения образец сам испускает свет. Жаклин Кук (Jacqueline Cooke) и коллеги сопоставили объемные кристаллы, эпитаксиальные пленки оксида галлия и его сплавов с оксидом алюминия. Пленки выращивали методом металлоорганической газофазной эпитаксии. В сравнении менялись кремниевое легирование, ориентация подложки и содержание алюминия. Измерения проходили при комнатной температуре, с изменением поляризации возбуждающего света. Интегрирующая сфера и спектрометр регистрировали излучение, а поправка на спектральную чувствительность измерительного тракта отделяла свойства образца от отклика аппаратуры. Интенсивности нормировали по мощности возбуждения и времени накопления сигнала.

Объемные кристаллы и кремнийсодержащие пленки на поверхности с ориентацией (010) преимущественно испускали ближний ультрафиолет. Для ряда пленок на сапфире и алюминийсодержащих образцов преобладала широкая сине-зеленая полоса. Авторы связали это различие с протяженными структурными дефектами; просвечивающая микроскопия одного из сплавных образцов обнаружила такие нарушения. На сапфире возникали повернутые относительно друг друга кристаллические области, менявшие поляризационную зависимость. Связь спектра с качеством пленки остается исследовательской интерпретацией. Сильное взаимодействие электронов с колебаниями решетки расширяет полосы, затрудняя однозначное определение отдельных дефектов по свечению. Эти измерения описывают излучение материала, а не время электрического переключения фотоприемника под импульсным освещением.

Локальное состояние заряда

Электрические контакты нужны для измерения тока прибора, но локальные свойства полупроводника можно исследовать без них. Марселу Барбоза (Marcelo Barbosa) и коллеги применили метод возмущенных угловых корреляций и расчеты электронной структуры к оксиду галлия с кадмиевыми зондами. Метод чувствителен к электрическому окружению атомного ядра. Сопоставление измерений с расчетами показало, что кадмий замещает галлий в октаэдрической позиции решетки и приобретает отрицательно заряженное акцепторное состояние. Порошковые образцы и монокристаллы имели разные дефектные окружения. Концентрация зондов оставалась очень низкой, поэтому результат относился к локальному состоянию примеси в исследованном материале. Кадмиевые зонды получали имплантацией либо распадом введенного индия.

Акцепторный характер кадмия сам по себе не означал получения пригодной для устройства проводимости дырочного типа. После релаксации образцы сохраняли собственную электронную проводимость. При температурах выше 648 кельвинов скорость перехода между наблюдаемыми состояниями описывалась активационной зависимостью с энергией около 0,54 электронвольта. Авторы предпочли объяснение через переход электронов с дефектов в зону проводимости; эту величину нельзя автоматически считать энергией ионизации кадмиевого акцептора. Для более низких температур они рассматривали туннелирование. Отсутствие обнаруженной локальной поляронной деформации возле зонда также не исключало других механизмов локализации дырок. Такой эксперимент характеризует зарядовые состояния и их динамику без изготовления омических контактов, но не измеряет быстродействие готового диода.

Усиление с медленным спадом

Температура выращивания пленки влияет на структуру и электрические характеристики приемника. Шици Янь (Shiqi Yan) и коллеги исследовали оксид галлия на сапфире, полученный при 700, 800 и 900 градусах Цельсия. Для измерений использовали встречно-штыревые титановые и золотые электроды, образующие структуру металл — полупроводник — металл. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия показывала изменение кислородных компонент сигнала. Доля одной из компонент составляла от 10,7 до 15,6 процента. Она служила косвенной характеристикой кислородного окружения, а не прямым подсчетом вакансий. При изменении условий роста одновременно менялись темновой ток, чувствительность и последующее восстановление сигнала после прекращения освещения. Пленки выращивали газофазным металлоорганическим методом.

Образец, выращенный при 900 градусах, дал чувствительность 4,2 × 10⁴ ампера на ватт при длине волны 254 нанометра, плотности мощности 64 микроватта на квадратный сантиметр и напряжении 100 вольт. Большой ток сопровождался медленным спадом. Захват носителей и длительное удержание заряда участвовали в усилении фотопроводимости. Расчет обнаружительной способности 1,2 × 10¹³ в единицах Джонс использовал приближение дробового шума. Оно отличается от регистрации полного шумового спектра. Опыт характеризовал усилительный режим при внешнем питании, с определенной мощностью падающего света. Его высокая токовая чувствительность относится к этим условиям и не задает микросекундные времена восстановления при нулевом напряжении в другой конструкции приемника.

Короткий путь через пленку

Геометрия прибора определяет расположение активного слоя и электродов. Цянь Ли (Qian Li) и коллеги использовали поверхностный оксид жидкого сплава галлия, индия и олова для переноса тонких пленок. Естественное ограничение толщины оксидного слоя позволяло повторять печатный перенос. Отдельный слой имел толщину около четырех нанометров; пять проходов давали выбранную для устройства пленку примерно двадцатинанометровой толщины. Подложкой служило стекло с проводящим покрытием из оксида индия и олова. В вертикальной структуре электроды располагались по разные стороны тонкого активного слоя. Поэтому расстояние между ними задавалось толщиной пленки, а не промежутком между соседними пальцами планарных электродов.

Перенос оксида и последующая обработка устройства являлись разными стадиями: методика включала нагрев до 400 градусов Цельсия. Полный процесс изготовления поэтому нельзя считать проведенным исключительно при комнатной температуре. Во временных измерениях использовали излучение 265 нанометров, напряжение десять вольт и частоту модуляции десять герц. Нарастание составляло 1,18 микросекунды, спад — 3,09 микросекунды между десятью и девяноста процентами фотосигнала. Спектральные и стационарные измерения при 254 нанометрах выполнялись отдельно. Расчетная обнаружительная способность опиралась на предположение о дробовом шуме. Печатный способ формировал тонкий полупроводниковый слой, тогда как время отклика измерялось уже у законченного прибора с электродами при заданном внешнем смещении.

Площадь, перенос и поляризация

Вэйхэн Чжун (Weiheng Zhong) и коллеги разработали другой способ получения тонкого оксида галлия: ультрафиолетовое окисление жидкого металла сочеталось с переносом пленки при вращении. Они получили слой толщиной 7,5 нанометра на четырехдюймовой площади. Кристаллическую бета-фазу формировали последующим отжигом при 800 градусах Цельсия. Планарный приемник с металлическими контактами испытывали при 265 нанометрах и двух вольтах. Его чувствительность составляла 16,3 ампера на ватт, времена нарастания и спада — 136,1 и 88,4 микросекунды. Формирование большой пленки, ее кристаллизация и измерение отдельного устройства относились к последовательным, но различным стадиям изготовления и проверки.

Моноклинная структура оксида галлия обладает направленно зависимыми оптическими свойствами. Золотая решетка на поверхности усиливала различие отклика при разных поляризациях. Исследователи также собрали лабораторную систему, напоминающую солнечные часы: вертикальный цилиндр сочетался с горизонтальными секторами приемников. Тень цилиндра и распределение токов помогали определять направление падающего излучения, а чувствительные элементы — его интенсивность и поляризацию. В этой системе использовали разные формы материала: аморфный слой на цилиндре и кристаллический на горизонтальной части. Такая сборка расширяла набор регистрируемых характеристик света за пределы единственного значения фототока. Ее применение для связи оставалось предложенным направлением; испытание не являлось демонстрацией готового защищенного канала между удаленными пользователями.

Приемник при растяжении

Механическая форма подложки задает дополнительные условия для фотодетектора. Усюй Чжан (Wuxu Zhang) и коллеги изготовили растяжимую структуру из нанопроволок оксида галлия, серебряных проводящих контактов и эластичного полидиметилсилоксана. Электроформование волокон и прокаливание при 900 градусах Цельсия предшествовали заключению материала в полимер. Поэтому эластичная готовая подложка не проходила весь высокотемпературный процесс вместе с оксидом. Приемник исследовали под ультрафиолетом 254 нанометра с внешним напряжением двадцать вольт. При плотности мощности сто микроватт на квадратный сантиметр токовая чувствительность достигала 22,5 миллиампера на ватт. При большей мощности значение чувствительности отличалось, поскольку фототок не сохранял простую пропорциональность освещению.

При плотности мощности 1600 микроватт на квадратный сантиметр чувствительность составляла 11,8 миллиампера на ватт, а времена включения и восстановления — 0,8 и 0,36 секунды. Растяжение на пятьдесят процентов меняло фототок только на 3,4 процента, но чувствительность уменьшалась на 21,1 процента: при деформации менялась освещаемая площадь. Поэтому сохранение тока и сохранение чувствительности выражали разные характеристики образца. Исследователи выполнили пятьсот циклов растяжения и возврата, а также проверили матрицу четыре на четыре элемента с освещенной маской в форме буквы. Применение подобных приемников в робототехнике рассматривалось как перспектива; опыты проводились на лабораторных образцах при заданном питании и освещении.

Лавинное умножение заряда

Лавинная конструкция использует внешнее поле для умножения носителей. Цинъи Чжан (Qingyi Zhang) и коллеги изготовили структуру из оксида галлия, барьерного слоя оксида магния и легированного ниобием титаната стронция. Толщины первых двух слоев составляли двести и двадцать пять нанометров. Барьер ограничивал темновой перенос электронов, сохраняя возможность движения дырок. При обратном напряжении ударная ионизация давала усиление. Коэффициент 5,9 × 10⁵ получили при 78,1 вольта относительно выбранного режима единичного усиления при одном вольте. Это было усиление отдельного высоковольтного фотоприемника, а не характеристика самопитающегося диода или канала передачи данных.

Для стационарного освещения применяли длину волны 254 нанометра; временной отклик исследовали отдельно импульсным лазером на 248 нанометрах. Аппроксимация переходного процесса дала постоянные времени 12,4 наносекунды и 41,7 микросекунды. Постоянная экспоненциального изменения отличается от интервала между десятью и девяноста процентами сигнала, используемого в других экспериментах. Обнаружительную способность 2,33 × 10¹⁶ в единицах Джонс оценивали с измеренным шумом при электрической полосе один герц. Условия измерения шума являлись частью этой оценки. Авторы рассматривали будущую интеграцию элементов в матрицы, однако описанные результаты относились к исследованному прибору. Его лавинный режим требовал обратного смещения и сохранял собственные условия определения усиления, шума и времени отклика.

Измерение оптической чувствительности

Токовую чувствительность выражают в амперах на ватт, связывая электрический сигнал с падающей оптической мощностью. Ее значение зависит от длины волны. Национальный институт стандартов и технологий США использует спектральные компараторы, в которых исследуемый приемник сравнивают с известным эталоном. Последовательная подстановка устройств в измерительный пучок позволяет связать их отклики. Монитор следит за изменениями мощности источника при сравнении. Такая схема учитывает дрейф освещения между измерениями эталона и образца. Ультрафиолетовая часть установок использует подходящие источники и кремниевые передаточные фотодиоды с повышенной чувствительностью в коротковолновой области.

Сравнение проводят не только в одной спектральной точке. Установки института охватывают диапазон 200–1800 нанометров, а ультрафиолетовая конфигурация оптимизирована для 200–500 нанометров. Пространственное сканирование проверяет, одинаково ли приемник реагирует на свет в разных участках активной поверхности. Для соответствующей услуги указан диапазон 200–1700 нанометров. Перемещение малого светового пятна позволяет построить карту неоднородности, которая дополняет спектральную характеристику. Неопределенность измерения зависит от диапазона и применяемой конфигурации; значение для видимого света нельзя автоматически переносить на глубокий ультрафиолет. Эти процедуры характеризуют оптическую метрологию, а не сертификацию томской разработки. Измеряемые величины включают:

• Спектральную зависимость электрического отклика при известной мощности.
• Изменение сигнала при перемещении освещения по поверхности.
• Дрейф источника во время подстановки приемников.

От импульса к изображению

Хунбинь Ван (Hongbin Wang) и коллеги из Северо-Восточного педагогического университета в Китае и Университета Миэ в Японии исследовали самопитающийся гетеропереход оксида галлия с нитридными слоями. Барьер из нитрида алюминия и поляризационные свойства структуры помогали разделять заряд. При нулевом внешнем напряжении измеренное нарастание занимало шестьдесят наносекунд, спад — пятьдесят шесть микросекунд. Для переходного процесса использовали импульсы на 248 нанометрах. Лазерные импульсы длились двадцать пять наносекунд, повторялись пять раз в секунду; измерения проходили при комнатной температуре образца. Устройство объединяло иной набор материалов, чем платиновый диод Шоттки ТГУ. Гетероструктуру затем включили в несколько лабораторных оптических экспериментов.

Один чувствительный элемент работал вместе с цифровым микрозеркальным модулятором: последовательные световые узоры давали набор измерений для вычислительного восстановления изображения. Неподвижный объект восстанавливали с разрешением 256 на 256 элементов, движущийся — 64 на 64. Сто пятьдесят восстановленных кадров собрали в восьмисекундное видео. Отдельно исследователи продемонстрировали передачу оптических данных со скоростью восемьсот бит в секунду. Это измерение относилось к их лабораторной системе, а не к томскому приемнику. Обнаружительную способность гетероструктуры оценивали по измеренному шуму. Временной отклик элемента, алгоритм восстановления кадра и скорость передачи сообщения описывали разные операции внутри оптического тракта, каждая со своей экспериментальной процедурой.