Spektral breitbandige Antimonid-Übergitter-Photodetektoren mit Photoleitungsverstärkung
Final Report Abstract
Ausgangslage bei Antragstellung in Kurzform: In einem früheren DFG-Projekt konnte die Arbeitsgruppe wellenleitergestützte (über eine Kante/Facette beleuchtete) Antimonid- Übergitter-pn-Photodioden molekularstrahl epitaktisch auf GaSb- und InAs-Substrat realisieren, welche selbst bei Raumtemperatur hohe Photoempfmdlichkeiten zeigten, die die stark gekühlter Detektoren anderer Gruppen übertrafen und die mit hohen Photoleitungsverslärkungen erklärt wurden. Die Photoempfmdlichkeiten waren im Vis/NIR am größten. Im Vorhaben, über das hier abschließend berichtet wird, sollte die Detektivität im MIR relativ zu der im Vis/NIR erhöht werden, z.B. durch Verdickung des MIR-absorbierenden Übergitters und Variation der Einzelschichtdicken. Gleichzeitig sollten die Ursachen fiir die hohen Photoempfmdlichkeiten aus dem Projekt genauer untersucht werden. (Abkürzungen: Vis = "visible light", sichtbares Licht; NIR = nahes Infrarot; MIR = mittleres Infrarot. Im nun abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde gegenüber der Situation im früheren Projekt auf ein angehobenes Verhältnis der Photoempfmdlichkeiten im MIR zum Vis/NIR Wert gelegt - u.a. durch eine Verdickung der MIR-absorbierenden aktiven Zone und damit des Füllfaktors. Das hatte zwangsläufig aber auch geringere Photoempfindlichkeiten im Vis/NIR zur Folge; d.h., die Photoempfindlichkeiten" im Vis/NIR lagen nun um einen Faktor von etwa 5 unter den früher gemessenen, aber immer noch im Bereich mit Quantenausbeuten inkl. Verstärkungen größer 1: im NIR (1,064 |im) bei Raumtemperatur ohne Vorspannung bis 2,2 , auf 110 K gekühlt bis 5,6 und bei -2 V Rückwärtsspannung gekühlt bis ca. 8 . In Kurzform können folgende Ergebnisse festgehalten werden: Das Verhältnis der Photoempfindlichkeiten zwischen dem MIR und dem Vis/NIR konnte durch Variation der Schichtparameter wie gewünscht gesteigert werden, und zwar um einen Faktor 10 auf nunmehr etwa 1/300. Die Grenzwellenlängen der Absorption wurden durch die Schichtdickenvariation der Übergitter nach theoretischnumerischem Design gezielt verändert. Die im früheren Projekt und in diesem Vorhaben gemessenen Verstärkungen sind nur zum Teil auf Photoleitungsverstärkung zurückzuführen. Als wichtige Erklärung für die hohen Photoempfindlichkeiten ohne extreme Kühlung stellen sich nun phononenunterstützte Übergänge dar, die letztlich zum Abfließen der Ladungsträger aus dem pn-Bereich und aus dem Bauelement führen. Ein Anteil der Photoempfindlichkeit (der unter der Überschrift Photoleitungsverstärkung zu sehen wäre) könnte eventuell bei einigen Proben auf einen Ladungsträgerabfluss mittels des Franz-Keldysh-Effekts, i.e. dem Tunneln der Elektronen im internen Feld des pn-Übergangs heraus aus dem Übergitterbereich, erklärt werden. Als möglicher weiterer (ggf. die Photoleitungsverstärkung mindernder) Beitrag zur Effektiv-Masse-Filtemng innerhalb des Elektronen-Ensembles konnte der "transferred electron"-Effekt ausgeschlossen werden. Darüber hinaus konnte für die hohen Photoempfindlichkeiten eine Beteiligung einer schnellen Entvölkerung einer Ladungsträgerart über semimetallische HeteroÜbergänge als ein Beitrag zur Photoleitungsverstärkung ausgeschlossen werden. Gegenstand dieses und des Vorgängerprojektes waren wellenleitergestützte (über eine Kante/Facette beleuchtete) Antimonid-Mittelinfrarot (MIR)-Photodioden mit hohen Photoempfindlichkeiten auch ohne extreme Kühlung, ggf. sogar bei Raumtemperatur. Die relative Photoempfindlichkeit konnte durch Variation der Schichtdicken (von dem aktiven Bereich und den Einzelschichten des Übergitters) wie gewünscht im MIR gesteigert werden. Für eine stärkere Homogenisierung der Photoempfindlichkeit im gesamten Vis-NIRMIR- Bereich müssten weitere Schichtvariationen vorgenommen werden, die dann aber auch insgesamt eine Verringerung der absoluten Photoempfindlichkeit zur Folge hätten. Die Photoempfindlichkeiten/Verstärkungen sind von zahlreichen Schichtfolgen-Designparametem abhängig. Deren Variation je nach Anwendung ermöglicht - jeweils nach einem erheblichen Design- und Technologieaufwand - weitere spezifische Verbesserungen. Anwendungen liegen in der Mittel infrarot-Spektroskopie, die z.B. zur Lösungsmittel-, Spurengas- oder Atemgasanalyse, zum Teil auch für die Biotechnologie immer wichtiger wird.
