СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 22 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 48 50 52 54 56 58 КПД преобразования лазерного излучения, % 0 20 40 60 80 100 120 140 Плотность фототока А/см 2 Фотоответ (А/Вт) Длина волны, нм С брэгговским зеркалом Безбрэггов- ского зеркала До облучения электронами 1 МэВ 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 600 650 700 750 800 850 F = 1E 15 см 900 Призматическое покрытие Адгезив Pd/Au/Ni/Au p -AlGaAs:Mg p -AlGaAs p -GaAs n -GaAs n -GaAs-подложка 2 × 10 18 см –3 p + GaAs p -GaAs:Mg(Zn) n -GaAs:Te n -GaAs:Sn Au:Ge/Ni/Au p -AlGaAs:Te ARC ARC 3,0 мкм 0,05 мкм 0,5 мкм 5 × 10 18 см –3 1 × 10 15 ...2 × 10 17 см –3 1,5 мкм 400 мкм (Подложка) а б 3,0 мкм 1,0...1,5мкм ZnS n -AlAs/GaAs 12-периодный БР мальным материалом для изготовле- ния ФЭП является GaAs, а для лазерно- го излучения с длиной волны 1,55 мкм оптимальными являются полупровод- никиGaSb и твёрдые растворы InGaAsP, InGaAs (теоретическое КПД ∼ 45%). Значения КПД на рисунке 2 и в табли- це рассчитаны в предположении нулевых оптических потерь излуче- ния на отражение света от поверхно- сти ФЭП и на затенение контактами и нулевых рекомбинационных поте- рях фотогенерированных электрон- но-дырочных пар до их разделения p-n -переходом. Не учитывались также потери, связанные с протеканием в объ- ёме p - и n -области ФЭПфотогенериро- ванных носителей тока. При учёте этих потерь реально достижимыми в GaAs ФЭП являются значения КПД = 60–65% при λ = 0,82…0,85 мкм и i ф = 10…50 А/см 2 . Лазеры, предназначенные для пере- дачи энергии от Земли в космос и из космоса на Землю, должны излучать в спектральных диапазонах, характе- ризующихся минимальным поглоще- нием земной атмосферы. Минималь- ная длина волны этих лазеров, вслед- ствие поглощения озоновым слоем и сильным рэлеевским рассеянием коротковолнового излучения, равна 350 нм. Максимальная длина волны ( λ макс ) лазеров определяется длинно- волновым краем поглощения рассма- триваемых ФЭП: λ макс = 870 нм для GaAs ФЭП и ∼ 1700 нм для GaSb и InGaAs ФЭП. В таблице приведены предельные теоретические значения ФЭП излуче- ния различных лазеров на основе GaAs и GaSb. Максимальный КПД передачи лазерной энергии может быть получен в системе с лазером на основе AlGaAs ( λ = 840 нм) и ФЭП на основе AlGaAs/ GaAs гетероструктур. Х АРАКТЕРИСТИКИ A L G A A S /G A A S ФЭП ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ФЭП лазерного излучения на основе GaAs имеют следующие преимущества: ● GaAsФЭПимеютменьшиезначениятем- новыхтоков,вследствиебольшейшири- ны запрещённой зоны – 1,4 эВ в GaAs (0,75эВвInGaAs,изопериодичномсInP) и,следовательно,меньшиешумыилуч- шийпорогфоточувствительности; ● GaAsФЭПимеютбольшеезначениеКПД. Теоретическое значение КПД в GaAs ФЭП,работающемвфотовольтаическом режиме (без внешнего напряжения) длямощного (10 2 …10 3 Вт/см 2 ) лазерно- го излучения ( λ = 0,85 мкм) превышает 75%(40%в InGaAsФЭПдля λ =1,3мкм); ● GaAs ФЭП имеют лучшую стабиль- ность температурного коэффициен- та КПД η т = –1,4 × 10 –3 град –1 при плот- ности фототока 30 А/см 2 (в 1,8 раза меньше, чем в ФЭП на основе Si и в 3 раза меньше, чем в InGaAs ФЭП). СтруктурыФЭП на основе GaAs, выра- щенные методом жидкостной эпи- таксии, показаны на рисунке 3. Они состоят из: n -GaAs базы (3 мкм); p -GaAs эмиттера ( p = (0,2…2,0) × 10 19 см –3 , леги- рованный Mg, Ge и Zn, 1,0…1,5 мкм); p -Al 0.85 Ga 0.15 As «окна» (Mg, Ge, Zn, 0,05…5,0 мкм) (см. рис. 3а). Эти структу- ры были оптимизированы для работы с лазерами мощностью до 200 Вт/см 2 . Элементы должны иметь низкое слое- вое сопротивление, что обеспечивалось увеличением толщины уровня легиро- вания p -GaAs эмиттера (сохраняя доста- точную диффузионную длину электро- нов в этом слое) и p -AlGaAs «окна». Методом МОС-гидридной эпитаксии были изготовлены также структуры ФЭП с внутренним брэгговским реф- лектором (БР) (см. рис. 3б). В этих эле- ментах наблюдалось увеличение фото- ответа (см. рис. 4) в длинноволновой части спектра ( l = 820…880 нм), вызыва- емое сильным отражением (до 96%) от БР в спектральнойобласти 820…900 нм. В структурах с БР удалось также значи- тельно улучшить радиационную стой- кость за счёт реализованной возможно- сти уменьшения толщины (до 1…1,5мкм) базового слоя n -GaAs и снижения за счёт этого количества радиационных дефек- тов, генерируемых в этом слое. Эксперименты с лазерами большой плотности излучения в диапазоне 50…300 Вт/см 2 проводились на элемен- тах с площадью облучения d a = 2 мм 2 . Расстояние между полосами контакт- ной решётки в этих элементах было 0,1 или 0,05 мм; ширина полос была 4…6 мкм при их толщине 2…3 мкм. В лучших образцах был достиг- нут фотоответ 0,62…0,67 А/Вт при l = 820…870 нм (см. рис. 4). В GaAs- элементах с призматическим покры- тием был получен высокий внешний квантовый выход 94–96%. Напряже- ние холостого хода увеличивалось от 1,1…1,15 В при Р лаз = 5 Вт/см 2 до 1,2…1,26 В при Р лаз = 200 Вт/см 2 . При l = 820 нм был получен КПД = 56% при плотности фототока i ф = 30…40 А/см 2 (см. рис. 5) и 52% при i ф = 130 А/см 2 . Теоретический предел КПД ФЭП на основе GaAs и GaSb для излучения лазеров, выполненных на основе различных материалов при i ф = 1 А/см 2 Лазер КПД фотодетекторов Материал лазера Длина волны, нм ФЭП на основе GaAs ФЭП на основе InGaAs и GaSb AlGaInP 650 55 20 AlGaAs 840 75 27 YAG:Nd 1060 – 35 InGaAsP 1300 – 40 InGaAsP 1550 – 45 Рис. 3. Гетероструктура преобразователей лазерного излучения на основе GaAs: а – с призматическим покрытием, б – с внутренним брэгговским отражателем Рис. 4. Спектр фотоответа в AlGaAs/GaAs ФЭП двух типов: с брэгговскими отражателями (БО) и без БО до облучения электронами 1 МэВ и после облучения дозой 10 15 см –2 Рис. 5. КПД преобразования в зависимости от плотности фототока для GaAs-элемента ( d a = 2 мм 2 ) при засветке лазером с длиной волны излучения 820 нм