Search academic texts

Registration Number

0821U102931, PhD dissertation

Title

Advanced germanium p-i-n photodetector for a wavelength of 1.54 μm

Author

Fedorenko Artem V,

popup.head Maslov Volodymyr Petrovych
popup.opponent Kadan Viktor Mykolaiovych
popup.opponent Voronov Serhii Oleksandrovych
popup.review Kolomzarov Yurii Viktorovych
popup.review Sorokin Viktor Mykhailovych

Status

Доктор філософії, 105, Прикладна фізика та наноматеріали

Date

10-12-2021

Description

Дисертація присвячена розробці вдосконаленого германієвого p-i-n фотоприймача для сучасних лазерних далекомірів та сенсорно-вимірювальних приладів на довжину хвилі 1,54 мкм, що більш безпечно для ока людини в порівнянні з 1,06 мкм, яка використовується в сучасних далекомірах. Розроблена конструкція та технологія виготовлення надійного, швидкодіючого і високочутливого Ge p-i-n фотодіоду, яка захищена патентом України на винахід та експериментально показано перспективи його застосування. Актуальною проблемою існуючих германієвих p-i-n-фотодіодів яку потрібно вирішити є низька надійність та їх висока деградація з часом. Ця проблема пов’язана з використовуванням в якості пасивуючих шарів - SiO2, Si3N4, ZrO2, або фіаніту, постійна решітка та коефіцієнт термічного розширення яких, значно відрізняється від Ge, в результаті чого утворюється велика кількість дислокацій та дефектів. В роботі була запропонована ідея підвищення надійності Ge p-i-n фотодіоду, за рахунок застосування в якості пасивуючого покриття селеніду цинку (ZnSe). Цей матеріал має коефіцієнт термічного розширення, який становить 6,1х10-6 К-1, максимально наближеного до відповідного показника для германію - 7,1х10-6 К-1. Зменшення поверхневих струмів досягається за рахунок великої забороненої зони 2,7 еВ ZnSe, в порівнянні з власним Ge 0.67 еВ. ZnSe має високу прозорість в ІЧ-діапазоні випромінювання, тому його можна наносити як на фронтальну поверхню фотоприймача, так і на бічну поверхню для захисту p-n переходу. В роботі експериментально доведено, що пасивація поверхні Ge p-i-n фотодіода ZnSe дозволила досягти поліпшення його характеристик і надійності. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: 1. Вперше запропоновано для захисту мезаструктури Ge фотоприймача нове пасивуюче покриття - полікристалічний шар ZnSe, який на відміну від існуючих покриттів забезпечує: високе узгодження кристалічних граток (99,8%) та коефіцієнту лінійного термічного розширення (~7·10–6 град–1 для ZnSe та ~6·10–6 град–1 для Ge). Ці переваги дозволяють зменшити рівень механічних напружень поверхневого шару та пов’язанні з цим концентрацію дислокації та дефектів, що забезпечило відсутність деградації фотодіоду протягом 3х років з моменту виготовлення 2018 р. до 2021р. 2. Проведено моделювання та теоретичні розрахунки енергетичної структури розробленого Ge p-i-n фотодіоду та його спектральної чутливості. Результати моделювання були підтвердженні вимірюваннями на експериментальних зразках з похибкою ±0,01 А/Вт. Дослідження підтвердили можливість застосування теоретичної моделі для досягнення необхідної зонної структури фотодіоду та оптимізації його конструкції. 3. Вперше встановлено вплив фазового складу ZnSe/Ge на електроопір пасивуючого шару ZnSe. Для цього було розроблено методику вимірювання електричного опору високоомних тонких плівок з використанням еластичних контактів, яка має такі переваги в порівнянні з чотирьохзондовим методом: малий тиск на поверхню напівпровідника, велика площа контактної зони і як наслідок при вимірюваннях високоомних поверхневих шарів забезпечується мала густина струму та відсутність нагріву. Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному: 1. Вперше розроблено вдосконалений високонадійний Ge p-i-n фотодіод, який володіє параметрами необхідними для фотоприймачів в складі імпульсного лазерного далекоміра та має час релаксації 5,8 10-8 с і чутливість на λmax=1,54 мкм 0,45 А/Вт. Науково технічне рішення захищено патентом України на винахід. 2. Експериментально доведено перспективність вдосконаленого Ge p-i-n фотодіоду в складі макету імпульсного лазерного далекоміра. Такий фотодіод має достатню швидкодію для надійного реєстрування коротких імпульсів порядку 20 нс. Сумарний коефіцієнт пропускання світлофільтрів, які послаблювали імпульс лазеру (Eвих = 578 мкДж) становив kф1-4= 0,000437, що на порядок більше, ніж теоретично розрахований коефіцієнт пропускання при вимірювані відстані 5 км (kатм= 0,0038) та відповідає технічним вимогам до фотодіоду в складі імпульсного лазерного далекоміру. 3. Показано перспективність застосування розробленого Ge p-i-n фотодіоду у складі макету приладу на основі явища поверхневого плазмонного резонансу, що працює в ближньому інфрачервоному діапазоні спектру. Результати дослідження підтвердили перспективність застосування розробленого Ge p-i-n фотодіоду у складі вимірювального приладу на основі явища поверхневого плазмонного резонансу. Результати досліджень, проведених в роботі, є перспективними для застосування у промисловості та в науковій діяльності. Результати досліджень підтверджені відповідними актами впровадження Інститут монокристалів НАН України та Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.