Книги по разным темам
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 6 Использование низкотемпературного излучателя для исследования спектральных характеристик инфракрасных фотоприемников й В.В. Васильев, Ю.П. Машуков, В.Н. Овсюк Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 8 июля 1996 г. Принята к печати 25 октября 1996 г.) Рассматривается метод определения длины волны отсечки c спектра фоточувствительности инфракрасных фотоприемников, использующий измерение двух фотосигналов, полученных от двух тепловых источников излучения, имеющих различные температуры. Показано, что для 10-14 мкм целесообразно использовать тепловые источники с пониженной температурой. Проведено измерение фотосигнала элемента фотодиодной линейки на p-CdxHg1-xTe с x = 0.225 для теплового излучателя, температура которого изменялась в пределах 150Ц450 K. Из сравнения экспериментальной кривой с расчетной вычислены значения c для нескольких температурных диапазонов. Вычислены поправки к c, связанные с отклонением реального спектра фоточувствительности от идеализированного. Высказаны соображения по поводу выбора оптимального температурного диапазона для излучателей.Многоэлементные фотоприемные устройства, пред- лен числу фотонов, имеющих длину волны меньше c, назначенные для работы в средней ИК области а это число определялось интегрированием формулы (5 14 мкм), получили в настоящее время широкое Планка [3,4]:
распространение [1]. При измерениях фоточувствиc тельности таких устройств приходится сталкиваться со c 1d Q(c) =, (1) следующими особенностями: а) малая величина площади 4 ec2/T - 1 0 отдельного элемента; б) заметное несоответствие легированной области и площади сбора фотоносителей;
где c 1 = 1.88365 1023 мкм3/с см2; c2 = 1.43879 в) возможное взаимное влияние элементов друг на друга.
104 мкм K.
Точные измерения фотоэлектрических характеристик Видно, что зависимости на рис. 1 достаточно резкие, данных структур с применением монохроматора часто особенно при пониженных температурах, чтобы можно оказываются затруднительными как с точки зрения слож- было весьма точно определить c. Однако реальная ности оборудования, так и с точки зрения дефицита точность зависит от того, насколько точно настоящая мощности излучения, падающего на отдельный элемент.
спектральная зависимость ампер-ваттной чувстительноВследствие этого применение для облучения непосред- сти соответствует идеализированной, и то того, наственно теплового излучателя, без монохроматора, так- сколько точно удастся выполнить измерения. Чтобы же широко распространено. В частности, в работе [2] предложен простой метод определения длины волны края фоточувствительности с использованием двух излучателей с двумя различными температурами. Особеностью данной работы является то, что для исследования фоточувствительности использовалось черное тело, температура которого изменялась в широких пределах, в том числе была ниже комнатной. Использование низкотемпературного излучателя для исследования длинноволновых фотоприемников с краем фоточувствительности c 10 мкм и выше имеет определенные преимущества.
При достаточно низкой температуре, когда максимум излучательной способности располагается при большей, чем c, длине волны, наблюдается более резкая зависимость фотосигнала от c.
Для определения c удобно взять отношение двух фотосигналов при двух температурах излучателя. При этом исключаются из рассмотрения ряд величин: площадь Рис. 1. Расчетные зависимости для отношения фотосигналов фотоприемника, потери на отражение, квантовый выход.
идеального фотонного фотоприемника при двух температурах Отношение двух фотосигналов при двух температурах идеального теплового излучателя в зависимости от длины излучателя как функции c построены на рис. 1. При волны отсечки фотоприемника. 1 Ч 250 и 150 K; 2 Ч расчетах предполагалось, что фотоотклик пропорционаи 250 K; 3 Ч 450 и 350 K.
750 В.В. Васильев, Ю.П. Машуков, В.Н. Овсюк где и Ч углы, показанные на вставке рис. 3. Использовалось два расположения черного тела по отношению к образцу, дальнее (2eff = 15) и ближнее (2eff =49).
При этом на рис. 3 отложены либо экспериментальные значения фототока для дальнего расположения, либо пересчитанные соответствующим образом Ч для ближнего. Ближнее расположение излучателя применялось для наиболее точных измерений в области низких температур.
Между излучателем и элементом линейки находилась подвижная охлаждаемая заслонка, которая использовалась при измерениях фототока. Нижний предел измеряемой величины фототока был 1 10-10 А. Температура тела измерялась с помощью термопары медь-константан Рис. 2. Спектральная зависимость ампер-ваттной чувствитермопары, припаянной к телу, другой конец которой тельности (1) для одного из элементов фотодиодной линейки 2 64 на p-CdxHg1-xTe с x = 0.225; принятая для расчетов (2) находился в жидком азоте.
и идеализированная (3) спектральная зависимость квантового выхода.
провести соответствующий анализ, рассмотрим рис. и 3, где приведены данные измерений для одного из элементов фотодиодной линейки 2 64 элемента, изготовленной на подложке p-CdxHg1-xTe с x = 0.225, в которой n-p-переходы формировались методом ионной имплантации бора.
Методика эксперимента На рис. 2 показана истинная спектральная характеристика ампер-ваттной чувствительности, которая существенно отличается от идеальной. Измерения были проведены при температуре образца 78 K. На рис. приведена экспериментальная зависимость фототока от температуры излучателя, а также ряд теоретических зависимостей, построенных при тех же предположениях, что и кривые на рис. 1. Кроме того, было принято, что потери на отражение составляли 30 %, площадь сбора носителей равна площади p-n-перехода 50 70 мкм2, излучательная способность черного тела = 0.95, а эффективный угол обзора 2eff = 15. Измерения проводились в азотном криостате, в рабочем объеме которого находились образец, модель черного тела, а также устройство для перемещения зонда. Черное тело было изготовлено из латуни и имело излучающую поверхность диаметром 8 мм, почерненную клеем Рис. 3. Зависимость фототока одного из элементов фотоБФ-2, смешанным с порошком графита. Нагревателем диодной линейки от температуры излучателя. 1Ц4 Ч расслужила обмотка из медной проволоки, приклеенная к четные зависимости, 5 Ч экспериментальная; a Ч ближнее телу для лучшего теплового контакта тем же клеем. Так расположение излучателя; b Ч дальнее. На вставке показана как поверхность образца располагалась под углом к схема измерений: 1 Ч столик образца, 2 Ч образец, 3 Ч оси излучателя, для определения облученности следует управляемый зонд, 4 Ч подвижная заслонка, 5 Ч излучатель, применять выражение 6 Ч фторопластовый теплоизолятор, 7 Ч холодный экран, 8 Ч одно из трех стекол окна криостата, 9 Ч объектив sin2 eff = sin2 cos, (2) бинокулярного микроскопа.
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Использование низкотемпературного излучателя для исследования спектральных характеристик... Обсуждение результатов T, K Np/Ni 150 0.Сравним показанные на рис. 3 расчетные кривые с 200 0.экспериментальной. Так как нам известно из рис. 2, что 250 0.c = 10 мкм, проведем сравнение именно для этой кри300 0.вой. Превышение экспериментальной кривой над расчет350 0.ной на всем протяжении можно объяснить большей, чем 400 0.предполагалось, площадью сбора фотоносителей. Если 450 0.взять указанное превышение для средней температуры, то получаем, что площадь сбора носителей на 45 % больше, чем площадь легированной области. Этого слишком оказались бы больше. Для вычисления поправки c мало, чтобы было перекрытие для двух соседних элеменпоступаем следующим образом: 1) определяем по рис. тов. Однако дополнительные измерения показали, что и наклон выбранной кривой в окрестности c = 10 мкм, в самом деле имеется некоторая оптическая связь ме lg M f = ; 2) по таблице определяем логарифм отноc жду элементами линейки: сумма фототоков двух рядом шения величин для соответствующей пары температур, расположенных элементов, включенных одновременно, lg M lg M; 3) определяем c =. вычисления дают f оказалась несколько меньше, чем сумма фототоков для вместо прежних следующие значения для c с учетом них, включенных по отдельности. Вместе с тем нет поправки: 11.2, 10.0, 10.8 мкм для кривых 1Ц3 на рис. инверсионного проводящего канала, связывающего эти соответственно.
два элемента.
Остановимся на вопросе о выборе отпимальной темОпределение c с помощью кривых 1Ц3 на рис. пературной области в рассматриваемом способе опредедает значения c = 11.0, 9.7, 10.2 мкм соответственно.
ения c. Критерием оптимальности могло бы служить Таким образом, разброс составляет 1.3 мкм или 13 % условие максимума производной от числа фотонов по c, измеряемой величины. На наш взгляд, этот результат т. е. dQ(c)/dc. Указанная производная равна подынтеявляется в достаточной степени удовлетворительным, гральному выражению в соотношении (1), для которого если учесть, что имел место целый ряд факторов, способмаксимум определяется законом Вина [3]:
ствующих появлению ошибок: большой динамический диапазон измеряемой величины, возможная зависимость max T = a, (4) излучательной способности излучателя от длины волны где a = 3669.73 мкм K.
и температуры, возможная нестабильность свойств фоТаким образом, в нашем случае соответствующая тодиода.
температура составляет примерно 370 K. Однако, как Оценим погрешность величины c, связанную с отлипоказывают вычисления, относительное изменение числа чием реальной спектральной зависимости от идеализиdQ(c) фотонов, т. е. величина, непрерывно увеличированной. Исходя из рис. 2, введем величину квантового Q(c) dc вается по мере уменьшения температуры от указанного выхода (). Так как фототок пропорцианален числу значения, так что эффект зависимости от c проявляфотонов и квантовому выходу, а число фотонов в свою ется все ярче. Поэтому, по-видимому, разумно снижать очередь пропорционально (для той же самой мощнотемпературу ниже указанного значения до тер пор, пока сти излучения), можно написать не начнут действовать новые ограничивающие факторы, Ip() такие как малая величина полезного сигнала, появление () =k, (3) ложных сигналов от других частей криостата, влияние формы истинной спектральной зависимости, наличие где k Ч некоторый коэффициент, который определяется заметной фоточувствительности за краем (напомним, из условия нормировки. Мы пронормируем () на 1 в что при температуре излучателя 150 K только 0.3 % всех максимуме (рис. 2). Умножая () на функцию Планка фотонов приходится на область <10 мкм). Вполне и вычисляя соответствующий интеграл, получаем число возможно, что полученное нами наилучшее значение c фотоэлектронов. Вычислим далее число фотоэлектронов для кривой 2 на рис. 1, которая использует темперав идеализированном случае, т. е. считая () =1 при турный диапазон 250 350 K, подтверждает сказанное
отношение числа фотоэлектронов, полученных в первом случае Np, к числу фотоэлектронов, полученных во втором Ni (см. таблицу). Видно, что с понижением темЗаключение пературы излучателя расхождение результатов для идеализированной и реальной спектральной зависимости уве- Из проведенного анализа и экспериментальных данличивается. Вследствие этого кривые на рис. 1, если бы ных можно сделать вывод, что пределение c по мемы их построили для реального спектра, пошли бы выше тодике, использованной в данной работе, не дает нам нарисованных, вследствие чего значения c, определен- гарантий получения высокой абсолютной точности, котоные с привлечением экспериментальных данных рис. 3, рую можно оценить как 0.5 мкм в диапазоне 10 мкм.
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 752 В.В. Васильев, Ю.П. Машуков, В.Н. Овсюк Впрочем, само понятие c для реального спектра не является вполне определенным. Однако использование простой конструкции модели абсолютно черного тела, расположенной внутри криостата, простота метода измерения являются заманчивыми. Метод, безусловно, может быть весьма эффективен при измерении большого массива элементов (линейка, матрица); при этом относительная точность будет уже гораздо выше (0.1мкм).
Как и в [2], следует, конечно, иметь два излучателя с различными температурами и устройство для их механического перемещения.
Благодарим А. Суслякова за измерение спектра фоточувствительности, а также полезные дискуссии.
Список литературы [1] A. Rogalski, I. Piotrowski. Prog. Quant. Electron., 12, (1988).
[2] R.M. Liberati, N. Sparvieri, M.Marini. Infr. Phys., 31, (1991).
[3] Р. Хадсон. Инфракрасные системы (М., Мир, 1972).
[4] Таблицы физических величин. Справочник, под ред.
И.К. Кикоина (М., Атомиздат, 1976).
Редактор В.В. Чалдышев Utilization of a low temperature source for investigation of infrared photodetector spectral characteristics V.V. VasilТev, Yu.P. Mashukov, V.N. Ovsyuk Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090 Novosibirsk, Russia
Abstract
In this paper is considered a method of the wavelength cutoff c determination for spectral photosensitivity infrared (IR) photodetectors, which utilizates two photosignals received from two heat sources having different temperatures. It is shown that for c 10-14 m a low temperature heat source is to be used. The photosignal measuring is performed for the element of a photodiode gage prepared on p-CdxHg1-xTe with x = 0.225, utilizating a heat source of which the temperature varied in the range 150Ц450 K. From comparison of experimental and calculated curves the value of c for several temperature intervals is demermined. The c corrections is calculated due to photosensitivity spectrum deviations from the idealized one. Considerations in connection with optimal source temperature interval choice are formulated.
Книги по разным темам