Autoreferat w języku polskim

Transkrypt

1 Autoreferat w języku polskim 1. Imię i Nazwisko Piotr MARTYNIUK 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe - z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytuł rozprawy doktorskiej Magister inżynier (z wyróżnieniem), kierunek fizyka techniczna w zakresie detektorów podczerwieni, Wydział Inżynierii Chemii i Fizyki Technicznej, Wojskowa Akademia Techniczna. Doktor nauk technicznych w zakresie elektroniki, nadany uchwałą Rady Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Tytuł rozprawy doktorskiej: Graniczne parametry detektorów podczerwieni z kwantowymi efektami rozmiarowymi. Promotor: prof. dr hab. inż. Antoni Rogalski, czł. rzecz. PAN. 3. Informacja o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych obecnie Inżynier - Laboratorium Radiologiczne/Chemiczne, Laboratorium Kompatybilności Elektromagnetycznej MON. Adiunkt w Instytucie Fizyki Technicznej na Wydziale Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej. 4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) a) Tytuł osiągnięcia naukowego Jako osiągnięcie naukowe, uzyskane po otrzymaniu stopnia doktora, stanowiące znaczny wkład autora w rozwój określonej dyscypliny naukowej wskazuję jednotematyczny cykl publikacji (12 prac) pod zbiorczym tytułem: b) Wykaz publikacji Barierowe detektory podczerwieni jako nowa generacja detektorów HOT Poniżej przedstawiam jednotematyczny cykl publikacji opublikowanych w czasopismach znajdujących się w bazie Journal Citation Reports (JCR). Dla wymienionych publikacji podałem impact factor (IF) dla lat 2013/2014. Podałem również liczbę punktów ministerialnych (PM) za publikacje w danym czasopiśmie zgodnie z wykazem czasopism naukowych opublikowanym przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (MNiSW) w roku Autoreferat w języku polskim Strona 1

2 W Załączniku 4 Wykaz opublikowanych prac naukowych lub twórczych prac zawodowych oraz informacja o osiągnięciach dydaktycznych, współpracy naukowej i popularyzacji nauki, przedstawiłem szczegółowe informacje dotyczące mojego wkładu w powstanie poszczególnych publikacji, a także zestawienie procentowego udziału współautorów w ich powstanie. W Załączniku 3 Oświadczenia współautorów publikacji przedstawiłem oświadczenia współautorów opisujące ich wkład w poszczególnych publikacjach. Publikacje naukowe w czasopismach znajdujących się w bazie JCR: [H1] P. Martyniuk, A. Rogalski, HOT infrared detectors, Opto-Electron. Rev., 21 (2), (2013). IF 1.279; PM 20. Udział habilitanta: 60% Wkład habilitanta: Teoretyczny opis warunków detekcji HOT: wykrywalność i rozdzielczość termiczna. Przegląd technologii detektorów wysokotemperaturowych: detektory barierowe, detektory kaskadowe, detektory z wzmocnionym sprzężeniem optycznym (trapping detectors). Przegląd materiałów wykorzystywanych w detekcji wysokotemperaturowej. Porównanie i opis materiałów dla detekcji HOT. Przygotowanie tekstu artykułu. [H2] P. Martyniuk, M. Kopytko, A. Rogalski, Barrier infrared detectors, Opto-Electron. Rev., 22, 2, (2014). IF 1.279; PM 20. Udział habilitanta: 50% Wkład habilitanta: Opis teoretyczny detektorów barierowych i przedstawienie ich teoretycznych osiągów do pracy w warunkach HOT. Opis materiałów z grupy A II B VI i A III B V stosowanych w technologii detektorów barierowych. Opis osiągów matryc zbudowanych z detektorów barierowych InAsSb/B-AlAsSb (B - bariera). Interpretacja wyników obliczeń teoretycznych. Przygotowanie tekstu artykułu. [H3] P. Martyniuk, J. Antoszewski, M. Martyniuk, L. Faraone and A. Rogalski, New concepts in infrared photodetector designs, Appl. Phys. Rev., 1, (2014). IF 2.185; PM 30. Udział habilitanta: 50% Wkład habilitanta: Porównanie osiągów detektorów barierowych z HgCdTe/B-HgCdTe, InAsSb/B-AlAsSb i T2SLs InAs/GaSb z innymi obecnie rozwijanymi detektorami podczerwieni: t.j. detektorami pułapkowymi, detektorami z wzmocnionym sprzężeniem optycznym (wykorzystanie plazmoniki). Wskazanie miejsca detektorów barierowych i ich potencjalnego rozwoju w grupie detektorów HOT. Porównanie rozdzielczości termicznej detektorów barierowych i fotodiod HgCdTe o strukturze n + p i P + n powszechnie stosowanych w matrycach IR. Przygotowanie tekstu artykułu. [H4] P. Martyniuk, A. Rogalski, Modelling of MWIR HgCdTe complementary barrier HOT detector, Solid-State Electron., 80, (2013). IF 1.514; PM 25. Udział habilitanta: 60% Wkład habilitanta: Przygotowanie biblioteki materiałowej HgCdTe i jej implementacja do platformy obliczeniowej APSYS. Zbadanie wpływu parametrów poszczególnych warstw detektora CBIRD (complementary barrier infrared detector) na osiągi: prąd ciemny, fotoprąd i wykrywalność. Wskazanie optymalnych parametrów tych warstw dla założonych w artykule warunków pracy detektora. Zbadanie wpływu barier w paśmie przewodnictwa i walencyjnym (band offset) na osiągi detektora. Zbadanie wpływu warunków pracy t.j. zasilania i temperatury na wysokość wymienionych barier (E c i E v ). Określenie zależności prądu ciemnego i wysokości energetycznej barier (blokujących nośniki większościowe i mniejszościowe) od napięcia zasilania i temperatury pracy. Porównanie osiągów detektorów CBIRD z prostą strukturą barierową typu nb n n z HgCdTe. Interpretacja wyników symulacji numerycznych. Przygotowanie tekstu artykułu. Autoreferat w języku polskim Strona 2

3 [H5] P. Martyniuk, W. Gawron, A. Rogalski, Theoretical modeling of HOT HgCdTe barrier detectors for the mid-wave infrared range, J. Electron. Mater., 42, 11, (2013). IF 1.675; PM 25. Udział habilitanta: 50% Wkład habilitanta: Przygotowanie biblioteki materiałowej HgCdTe i jej implementacja do platformy obliczeniowej APSYS. Zbadanie wpływu parametrów poszczególnych warstw (skład x Cd ; domieszkowanie) różnych typów detektorów barierowych (nb n n, nb n nn +, nb n p i nb n pn + ) na ich osiągi: prąd ciemny, fotoprąd i wykrywalność. Zbadanie wpływu szybkości procesów GR SRH, Augera na osiągi detektorów nb n n, nb n p, nb n nn + i nb n pn +. Wskazanie typu i poziomu domieszkowania pozwalającego zminimalizować wpływ procesów Augera dla detektorów barierowych. Wskazanie optymalnych parametrów tych warstw (skład x Cd ) dla założonych w artykule warunków pracy detektora: T = 200 K, t.j. osiąganych przez chłodziarki termoelektryczne. Porównanie gęstości prądów dla wybranych typów detektorów barierowych: HgCdTe, InAsSb, T2SLs InAs/GaSb. Interpretacja wyników symulacji numerycznych. Przygotowanie tekstu artykułu. [H6] P. Martyniuk, W. Gawron, A. Kowalewski, E. Plis, S. Krishna, A. Rogalski, XBn and cascade infrared detectors for mid-wave range and HOT conditions, J Optoelectron Adv Mater., 16, 9-10, (2014). IF 0.563; PM 15. Udział habilitanta: 50% Wkład habilitanta: Symulacje numeryczne detektorów barierowych z HgCdTe i InAsSb. Zbadanie wpływu barier w paśmie przewodnictwa i walencyjnym na osiągi detektora w zależności od warunków pracy, typu i poziomu domieszkowania warstwy kontaktowej. Obliczenie zależności prądu ciemnego i wykrywalności od wysokości energetycznej barier, napięcia zasilania i temperatury pracy. Interpretacja wyników pomiarów. Przygotowani e tekstu artykułu. [H7] A. Rogalski, P. Martyniuk, Mid-wavelength infrared nbn for HOT detectors, J. Electron. Mater., 43, 8, (2014). IF 1.675; PM 25. Udział habilitanta: 50% Wkład habilitanta: Opracowanie przeglądu technologii detektorów barierowych typu HOT; w szczególności T2SLs InAs/GaSb, InAsSb i HgCdTe. Porównanie wykrywalności różnych typów detektorów barierowych pracujących w zakresie MWIR (2.5 7 m) i T = 200 i 300 K z teoretycznie obliczaną wykrywalnością dla warunków BLIP (background limited infrared photodetector) dla kąta widzenia FOV = 2field of view. Interpretacja wyników symulacji numerycznych. Wykazanie, że detektory barierowe, przy obecnym stanie technologii (wpływ procesów generacyjnych SRH) nie mogą konkurować z fotodiodami HgCdTe z immersją optyczną. Przygotowanie tekstu artykułu. [H8] P. Martyniuk, HOT mid-wave HgCdTe nbn and pbp infrared detectors, Opt Quant Electron, /s (2014). IF 1.078; PM 20. Udział habilitanta: 100 % Wkład habilitanta: Przygotowanie biblioteki materiałowej dla platformy obliczeniowej APSYS. Przeprowadzenie symulacji numerycznych detektorów nb n n i pb p p: prąd ciemny wykrywalność. Wyznaczenie warunków BLIP dla tych detektorów. Określenie wpływu typu i poziomu domieszkowania bariery (absorbera) na osiągi detektorów barierowych nb n n i pb p p. Wskazanie, że struktury barierowe z bazą typu p pozwalają uzyskać lepsze osiągi w porównaniu do struktur nbn. Przygotowanie tekstu artykułu. [H9] P. Martyniuk, A. Rogalski, Theoretical modeling of InAsSb/AlAsSb barrier detectors for higher-operation-temperature conditions, Opt. Eng., 53, 1, , (2014). IF 0.958; PM 20. Udział habilitanta: 60% Wkład habilitanta: Przygotowanie bibliotek materiałowych InAsSb/AlAsSb i ich implementacja do platformy obliczeniowej APSYS. Zbadanie wpływu parametrów poszczególnych warstw detektora barierowego na osiągi: prąd ciemny, fotoprąd i wykrywalność. Wskazanie optymalnych parametrów Autoreferat w języku polskim Strona 3

4 tych warstw dla założonych warunków pracy detektora. Zbadanie wpływu barier w paśmie przewodnictwa i walencyjnym na osiągi detektora. Zbadanie wpływu warunków pracy t.j. zasilania i temperatury na wysokość wymienionych barier. Opracowanie wykresów zależności prądu ciemnego w funkcji napięcia zasilania, temperatury pracy i wysokości energetycznej barier. Określenie zależności wykrywalności od napięcia zasilania i temperatury. Interpretacja wyników pomiarów. Przygotowanie tekstu artykułu. [H10] P. Martyniuk, J. Wróbel, E. Plis, P. Madejczyk, A. Kowalewski,W. Gawron, S. Krishna and A. Rogalski, Performance modeling of MWIR InAs/GaSb/B Al 0.2 Ga 0.8 Sb type-ii superlattice nbn detector, Semicond. Sci. Technol., 27, (2012). IF 2.206; PM 30. Udział habilitanta: 40% Wkład habilitanta: Przygotowanie modelu i oprogramowania do przeprowadzenia symulacji numerycznych. Opracowanie wykresów zależności prądu ciemnego i iloczynu RA w funkcji napięcia zasilania i temperatury pracy. Symulacje numeryczne wykrywalności z uwzględnieniem szumów: termicznego i śrutowego. Określenie temperaturowej zależności położenia poziomu pułapkowego E T biorącego udział w procesie tunelowania przez pułapki. Wyznaczenie czasów życia nośników w dyfuzyjnej i generacyjno rekombinacyjnej składowej prądu ciemnego w zależności od temperatury pracy detektora. Interpretacja wyników pomiarów. Przygotowanie tekstu artykułu. [H11] P. Martyniuk, J. Wróbel, E. Plis, P. Madejczyk, W. Gawron, A. Kowalewski, S. Krishna, A. Rogalski, Modeling of mid wavelength infrared InAs/GaSb type II superlattice detectors, Opt. Eng., 52, (2013). IF 0.958; PM 20. Udział habilitanta: 40% Wkład habilitanta: Przygotowanie modelu do porównania wpływu poszczególnych składowych prądu ciemnego struktur barierowych i fotodiod typu PIN z T2SLs InAs/GaSb (praca [H11] jest uzupełnieniem publikacji [H10]). Określenie czasu życia nośników w procesie dyfuzyjnym i generacyjno rekombinacyjnym dla fotodiod PIN. Opracowanie zależności prądu ciemnego i RA od napięcia zasilania i temperatury dla detektorów nbn i PIN z T2SLs InAs/GaSb. Porównanie czasów życia nośników w procesie dyfuzyjnym i generacyjno rekombinacyjnym dla detektorów nbn i PIN. Interpretacja wyników symulacji numerycznych. Przygotowanie tekstu artykułu. [H12] P. Martyniuk, A. Rogalski, MWIR barrier detectors versus HgCdTe photodiodes, Infrared Phys. & Technol., doi: /j.infrared (2014). IF 1.46; PM 25. Udział habilitanta: 60% Wkład habilitanta: Porównanie technologii detektorów barierowych z HgCdTe/B-HgCdTe, InAsSb/B-AlAsSb, T2SLs InAs/GaSb i InAs/InAsSb. Wskazanie miejsca detektorów barierowych na tle powszechnie stosowanych fotodiod n + p i P + n z HgCdTe. Interpretacja wyników symulacji numerycznych. Przygotowanie tekstu artykułu. c) Omówienie celu naukowego ww. prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania Głównym celem naukowym wyżej wymienionego cyklu publikacji jest pokazanie miejsca nowego typu detektorów podczerwieni pracujących w zakresie wyższej temperatury (higher operation temperature - HOT) t.j. T > 150 K - temperatur uzyskiwanych przez chłodziarki termoelektryczne. Szacowania teoretyczne wskazują, że zastosowanie barier w strukturach detekcyjnych prowadzi do ograniczenia prądu ciemnego, a tym samym do zwiększenia wykrywalności. Swoją uwagę koncentrowałem na strukturach barierowych, wytworzonych zarówno z materiałów litych z grupy A II B VI (HgCdTe/B-HgCdTe, B - bariera) i A III B V (InAsSb/B-AlAsSb), jak również supersieci-ii rodzaju InAs/GaSb i InAs/InAsSb. Celem moich badań było pogłębienie wiedzy na temat zjawisk towarzyszących detekcji promieniowania w barierowych strukturach detekcyjnych przez zastosowanie symulacji numerycznych prowadzonych przy pomocy platformy obliczeniowej APSYS i własnego oprogramowania. Ocena osiągów struktur barierowych doprowadziła do sformułowania Autoreferat w języku polskim Strona 4

5 wniosków natury praktycznej odnośnie poprawy procesu technologicznego (dobór składu chemicznego, koncentracji nośników, grubości poszczególnych warstw detektora) w celu otrzymania struktur detekcyjnych charakteryzujących się wysokimi wykrywalnościami w podwyższonych temperaturach pracy. Badania dały jednoznaczną odpowiedź, co do wyboru optymalnej struktury barierowej, domieszkowania bariery, absorbera i warstwy kontaktowej. Wyniki symulacji teoretycznych skonfrontowano z własnymi danymi eksperymentalnymi i zaczerpniętymi z literatury. Zinterpretowano przy tym pojawiające się rozbieżności pomiędzy wynikami eksperymentalnymi i wynikami obliczeń teoretycznych. Istotny autorski wkład do wiedzy w obszarze dyscypliny elektronika przedstawianego osiągnięcia polega na: pokazaniu miejsca barierowych detektorów HOT na tle innych typów detektorów fotonowych: detektorów kaskadowych, detektorów pułapkowych (trapping detectors), detektorów z optycznym sprzężeniem plazmonicznym, fotodiod z HgCdTe, InAsSb i wskazaniu kierunków rozwoju detektorów barierowych; oszacowaniu parametrów detekcyjnych unipolarnych detektorów barierowych z HgCdTe i InAsSb z barierami AlAsSb pracujących w zakresie średniej podczerwieni (3 8 m) w zależności od parametrów strukturalnych (tj. grubości, typu, poziomu domieszkowania i składu molowego poszczególnych obszarów detektora) z zastosowaniem platformy obliczeniowej APSYS z biblioteką materiałową HgCdTe/InAsSb/AlAsSb; w tym kontekście w literaturze nie znalazłem tak szerokiej analizy parametrów detekcyjnych dla temperatur T > 150 K; określeniu wpływu barier w pasmach walencyjnym (E v ) i przewodnictwa (E c ) w zależności od napięcia zasilania, temperatury i parametrów strukturalnych warstwy kontaktowej, bariery i absorbera (składu molowego, typu i poziomu domieszkowania) dla detektorów barierowych z InAsSb z barierami AlAsSb i HgCdTe; implementacji modelu analitycznego do symulacji numerycznych struktur barierowych typu nbn z supersieci-ii rodzaju z InAs/GaSb z barierą AlGaSb (dotychczas publikowane prace innych autorów ograniczają się do analizy struktur homozłączowych typu PIN, np. prace [1 4]). porównaniu osiągów detektorów barierowych z HgCdTe, InAsSb, T2SLs InAs/GaSb i InAs/InAsSb pracujących w zakresie średniej podczerwieni dla warunków pracy wysokotemperaturowej (bez chłodzenia kriogenicznego), w tym również do wytwarzania detektorów trzeciej generacji (tzw. detektorów wielospektralnych). Powyższe osiągnięcia stanowiące mój wkład w literaturę światową w zakresie nowej generacji detektorów barierowych pracujących w podwyższonych temperaturach są podsumowane w obszernej pracy przeglądowej New concepts in infrared photodetector design w prestiżowym czasopiśmie fizyczno/elektronicznym Applied Physics Review, 1, (2014). Mój udział w tej pracy oceniam na 50%. Omówienie wyników Wstęp - motywacja Wśród detektorów promieniowania podczerwonego wyróżnia się dwa ich podstawowe typy - detektory termiczne i detektory fotonowe. Pierwsze z nich mają coraz powszechniejsze zastosowanie w zobrazowaniu termalnym. Są jednak wolne w szybkości odpowiedzi na sygnał i nie mogą być stosowane w detekcji szybko zmieniającej się scenerii (np. w systemach kierowania). Dużo większą szybkością odpowiedzi cechują się detektory fotonowe (nawet poniżej nanosekundową). Jednak, aby uzyskać ich wysoką czułość, wymagają chłodzenia. Konieczność chłodzenia kriogenicznego fotonowych detektorów promieniowania podczerwonego (typowo do K, [H1]) jest główną przeszkodą ograniczającą ich szerokie zastosowania. Z tego powodu szczególnego znaczenia nabierają prace dotyczące niechłodzonych (higher operation temperature - HOT) detektorów zakresu średniej (medium wave infrared radiation - MWIR 3 8 m) i dalszej podczerwieni (long wave infrared radiation - LWIR 8 16 m). Kryteria SWaP (w j. angielskim size weight and power) zmniejszenia rozmiarów, wagi a także zmniejszenie poboru mocy przez system podczerwieni określają najnowsze trendy w rozwoju widzenia termalnego (thermal imaging). Kluczowym zagadnieniem projektowania wysokotemperaturowych struktur Autoreferat w języku polskim Strona 5

6 detekcyjnych jest maksymalizacja ich wydajności kwantowej i minimalizacja prądu ciemnego. Wśród mechanizmów generujących prąd ciemny w detektorze fotonowym należy wyróżnić mechanizmy tunelowe pasmo-pasmo (band-to-band tunneling - BTB), tunelowanie przez poziomy pułapkowe (trap-assisted tunneling - TAT), procesy generacyjno-rekombinacyjne (GR) Augera, procesy GR przez centra pułapkowe Shockley-Read-Halla (SRH) i prądy upływności powierzchniowej [5,6]. Dotychczas do wysokotemperaturowej pracy detektorów fotonowych stosowano detektory fotoelektromagnetyczne (PEM - photoelectromagnetic), detektory wykorzystujące efekt magnetokoncentracyjny oraz detektory z efektem Dembera. Z powodzeniem też stosowano zjawiska nierównowagowe dławiące termiczne procesy GR Augera [7]. Ostatnio zauważono, że prądy uwarunkowane procesami GR Augera i procesami tunelowymi BTB/TAT można ograniczyć poprzez konstrukcje elementów aktywnych detektora z supersieci (SLs) -II rodzaju (type-ii superlattices - T2SLs), szczególnie z związków należących do grupy A III B V z tzw. rodziny 6.1 Å (InAs, GaSb i AlSb) [8]. Niekorzystne, z punktu widzenia konstrukcji wysokotemperaturowych detektorów, procesy GR SRH i prądy upływności powierzchniowej można zredukować poprzez implementację odpowiednio dopasowanych barier do struktury detekcyjnej [H1 3]. Wśród nowych propozycji detektorów HOT należy wymienić struktury barierowe (BIRD - barrier infrared detectors) jak i struktury kaskadowe z sekwencyjnym powielaniem obszarów aktywnych [9]. Głównymi materiałami stosowanymi do wytwarzania barierowych detektorów HOT są roztwory stałe HgCdTe, InAsSb i supersieci-ii rodzaju z InAs/GaSb, InAs/InAsSb [H2]. Na Rysunku 1 przedstawiono mapę drogową rozwoju detektorów podczerwieni. Nowe koncepcje detektorów HOT zaznaczyłem kolorem niebieskim [H3,H8]. W porównaniu z detektorami pułapkowymi (trapping) i kaskadowymi (multi-stage), detektory barierowe charakteryzują się nieskomplikowaną konstrukcją i stosunkowo prostą technologią ich otrzymywania. Należy jednak zaznaczyć, że detektory kaskadowe wykazują lepsze osiągi w szczególności w warunkach pracy powyżej temperatury pokojowej. Jednakże ich technologia otrzymywania jest bardzo skomplikowana i wymaga wyrafinowanej kontroli struktury, aby zbliżyć się do ich potencjalnych osiągów. Rys. 1. Mapa rozwoju detektorów podczerwieni [H3,H8]. Fundamentalne osiągi detektorów podczerwieni - dlaczego detektory barierowe? Podstawowym parametrem określającym osiągi detektora podczerwieni jest wykrywalność ograniczona procesami GR w obszarze aktywnym, którą można przedstawić w następujący sposób [10,H1 3]: D A G R 1 A hc e t o, (1) Autoreferat w języku polskim Strona 6

7 gdzie: jest długością fali, h stałą Plancka, c prędkością światła, wydajnością kwantową, A o /A e jest stosunkiem powierzchni optycznej i elektrycznej. Analiza równania (1) wskazuje, że dla wybranej długości fali, wykrywalność można zwiększyć poprzez: zwiększenie stosunku wydajności kwantowej do szybkości procesów generacyjno-rekombinacyjnych w jak najmniejszej objętości aktywnej detektora A e t - /[(G+R)tA e ] 1/2 ; zwiększenie powierzchni optycznej A o ; zmniejszenie fizycznej objętości detektora (ograniczenie procesów generacji termicznej). Przedstawione sposoby zwiększenia wykrywalności nie mogą powodować zmniejszenia wydajności kwantowej i kąta widzenia detektora. W przypadku struktur barierowych, dzięki zastosowaniu szerokoprzerowej bariery i ograniczeniu procesów GR w obszarze heterozłącza bariera-absorber, zmniejszeniu ulega czynnik G+R, co umożliwia zwiększenie temperatury pracy. Detektory barierowe Historycznie pierwsze prace dotyczące struktur barierowych (unipolarnych) zostały zapoczątkowane przez White a w 1983 roku [11]. Zaproponował on strukturę detekcyjną składająca się z wąskoprzerwowego absorbera typu n, szerokoprzerwowej cienkiej warstwy barierowej i warstwy kontaktowej. Po ukazaniu się publikacji Klipsteina z 2003 [12] oraz Maimon a i Wicks a z 2006 r. [13] obserwuje się lawinowy wzrost zainteresowania strukturami barierowymi. Koncepcja unipolarnej struktury barierowej zakłada brak nieciągłości pasma walencyjnego, co wymusza transport nośników mniejszościowych przy jednoczesnym blokowaniu nośników większościowych w strukturach typu C n B n n, gdzie: C n oznacza warstwę kontaktową typu n wykonaną z tego samego lub innego materiału niż warstwa aktywna, zaś B n określa szerokoprzerwową barierę typu n. Wśród szerokiej gamy detektorów barierowych, najprostszą i obecnie najszerzej badaną jest architektura typu nb n n, której strukturę pasmową przedstawiono na Rys. 2 (a). Teoretycznie warunkiem koniecznym wytworzenia sprawnie działającego detektora barierowego jest uzyskanie tego samego typu domieszkowania w warstwie aktywnej i barierowej by ograniczyć procesy GR w obszarze zubożonym. Bariera powinna być dopasowana sieciowo do absorbera i zlokalizowana jak najbliżej warstwy kontaktowej. Takie usytuowanie bariery blokuje prąd ciemny związany z transportem nośników większościowych, prąd powierzchniowy, natomiast nie wpływa na fotoprąd, co pokazano na Rys. 2 (b). Dodatkowo, bariera nie filtruje prądów związanych z procesami Augera z obszaru aktywnego detektora. Brak złącza p-n pozwala wyeliminować składową GR związaną z centrami SRH prądu ciemnego, co wykorzystuje się do zwiększenia temperatury pracy detektora i stosunku sygnału do szumu. (a) (b) Rys. 2. Struktura pasmowa detektora unipolarnego nb n n (a); zasada działania detektora nb n n (b). Wprowadzenie bariery zmienia własności obszaru zubożonego zwiększając przerwę energetyczną, a tym samym zmniejszając wpływ składowej prądu ciemnego związanej z GR SRH, zmieniającej się Autoreferat w języku polskim Strona 7

8 zgodnie z zależnością exp( E / 2k T ). W porównaniu z detektorem fotowoltaicznym (ze złączem G B p-n), zastosowanie struktury barierowej redukuje prąd GR (przez centra SRH), którego głównym źródłem jest obszar zubożony złącza. Zmniejszenie prądu ciemnego pozwala jednocześnie na zwiększenie temperatury pracy detektora, co pokazano na Rys. 3. Rys. 3. Wpływ implementacji bariery na prąd ciemny. Ważnym parametrem określającym warunki pracy HOT jest temperatura przejścia (T C ) oznaczająca takie warunki pracy, w których składowa GR jest porównywalna z składową dyfuzyjną zgodnie z zależnością: 3 3 / 2 TC exp( EG,T 0K / kbtc ) TC exp( EG,T 0K / 2kBTC ). (2) Oprócz struktur C n B n n, Klipstein i Klem zaproponowali struktury barierowe z warstwą kontaktową typu p (C p ), gdzie podobnie jak C n, C p (w literaturze przyjęto również, że C n, C p - X) jest warstwą wykonaną z tego samego materiału, ale o przeciwnym domieszkowaniu lub innego materiału niż warstwa aktywna [14,15,H2]. Stosowanie warstwy kontaktowej typu p w strukturze C p B n n pozwala na obniżenie napięcia progowego (napięcie potrzebne do zniwelowania bariery w paśmie walencyjnym) w porównaniu z stosowanym dla detektora typu C n B n n [15,H2]. Brak obszaru zubożonego na granicy bariera-absorber detektora barierowego pozwala na stosowanie materiałów półprzewodnikowych, w których prąd generacjo-rekombinacyjny obszaru zubożonego złącz p-n był dominujący. Z tego powodu, w szczególności zalety stosowania detektorów barierowych ujawniają się w grupie związków A III B V. Dobór bariery odgrywa decydującą rolę ze względu na dopasowanie sieciowe, jak również wysokość bariery w paśmie przewodnictwa i paśmie walencyjnym. Bariery unipolarne mogą być również implementowane w konwencjonalnych fotodiodach p-n. Można wyróżnić dwa możliwe położenia barier decydujące o blokowaniu składowych prądu ciemnego, które przedstawiono na Rys. 4: w obszarze typu p - poza warstwą zubożoną (a); na skraju obszaru typu n (b). W pierwszym przypadku blokowane są prądy powierzchniowe, ale prądy dyfuzyjne, generacyjnorekombinacyjne ładunku przestrzennego, prądy tunelowe pasmo-pasmo i przez pułapki nie są filtrowane. Z kolei w drugim przypadku, prądy generowane w obszarze złącza są efektywnie blokowane [16,17,H2,H3]. Autoreferat w języku polskim Strona 8

9 (a) (b) Rys. 4. Struktura pasmowa niespolaryzowanych fotodiod p-n z dodatkowymi barierami unipolarnymi: bariera w obszarze typu p (a); bariera w obszarze typu n (b). Alternatywą do detektorów z unipolarną barierą (unipolar barrier infrared detector - UBIRD) są struktury komplementarne (complementary barrier infrared detectors - CBIRD) zawierające dwie bariery blokujące transport nośników większościowych i mniejszościowych. Implementacja podwójnej bariery, właściwie dopasowanej do pozostałych elementów składowych detektora (dobór przerwy energetycznej, domieszkowania, składu i grubości) w sposób znaczący może zredukować prąd ciemny, zwiększyć wykrywalność i temperaturę pracy przyrządu [H4]. Materiały dla detektorów barierowych W dyskusji dotyczącej struktur barierowych nie można pominąć HgCdTe, który jak dotychczas dominuje w detekcji HOT. Od ponad 50-ciu lat HgCdTe [18], ze względu na unikalne właściwości fizyczne, jest dominującym materiałem stosowanym w konstrukcji fotonowych detektorów podczerwieni. Produkty innowacyjne na globalnym rynku wymagają ciągłego doskonalenia. To, co było dobre kilka lat temu, obecnie jest nieatrakcyjne i znika z rynku. Podobnie jest z detektorami podczerwieni. Już obecnie obowiązuje dyrektywa Unii Europejskiej wymuszająca wyeliminowanie związków rtęci w produkcji przemysłowej. Dotychczas ta dyrektywa nie jest w pełni egzekwowana ze względu na dominującą pozycję HgCdTe jako materiału strategicznego do produkcji detektorów podczerwieni, jak również ze względu na brak materiału alternatywnego. Obecnie jednak już wiadomo, że materiałem potencjalnie lepszym od HgCdTe jest drugi typ supersieci z InAs/GaSb, co wskazuje na zastąpienie HgCdTe w przyszłości. Porównania tych dwóch materiałów i wpływu ich właściwości na osiągi detektorów dokonałem w pracy [8] stanowiącej obecnie podstawowe kryterium oceny przyjęte w literaturze światowej. Z rozważań przeprowadzonych w pracy [10] wynika, że graniczną wykrywalność detektora fotonowego określoną procesami termicznymi w obszarze aktywnym można przedstawić zależnością: D k hc G 1/ 2, (3) gdzie: parametr k może się zmieniać pomiędzy 1 2 w zależności od rodzaju generacji i sprzężenia padającego promieniowania z detektorem. Stosunek współczynnika absorpcji do generacji termicznej, /G, jest fundamentalnym parametrem pozwalającym ocenić i porównać różne grupy materiałów stosowanych do wytwarzania detektorów podczerwieni. Wyniki obliczeń /G w funkcji temperatury dla różnych materiałów o długofalowej granicy czułości c = 10 m przedstawiono na Rys. 5 [H3]. Teoretyczne oszacowania wskazują, że unikalne własności supersieci-ii rodzaju mogą decydować o lepszych osiągach tych detektorów w porównaniu z detektorami z HgCdTe. Większy udział wiązań kowalencyjnych w grupie związków A III B V, wspomagany tzw. inżynierią przerwy energetycznej może być z powodzeniem wykorzystany w konstrukcji fotonowych detektorów HOT. Autoreferat w języku polskim Strona 9

10 2 /G (cm s) Załącznik 2. a Autoreferat w języku polskim. = 10 m InAs/GaInSb SLS HgCdTe QWIP Si extrinsic Temperature (K) Rys. 5. Stosunek /G dla różnych detektorów fotonowych o długofalowej granicy czułości c = 10 m [H3]. Struktury barierowe typu nb n n z HgCdTe zarówno dla zakresu MWIR jak i LWIR zostały zademonstrowane przez Itsuno i współ. stosując technologie MBE [19,20]. Ze względu na problemy technologii związanej z domieszkowaniem akceptorowym HgCdTe, ograniczono się do struktur barierowych z obszarami typu n. Podejście grupy Itsuno skupiało się na zaprojektowaniu struktur detekcyjnych niewymagających domieszkowania na typ p, które trudno uzyskać w technologii MBE. Technika epitaksji MOCVD pozwala lepiej kontrolować domieszkowanie akceptorowe HgCdTe, a poprzez to umożliwia lepsze dławienie generacji termicznej. Słaba zależność stałej sieci od składu molowego Hg 1-x Cd x Te pozwala na osadzanie wielowarstwowych struktur detekcyjnych o wysokiej jakości krystalograficznej i niskiej koncentracji defektów. W przypadku detektorów HOT z HgCdTe, struktury z niskodomieszkowanymi absorberami typu p/() są preferowane (ze względu na niższą generację Augera) i obecnie są powszechnie stosowane w komercyjnych zastosowaniach firmy Vigo System S.A. Otrzymanie barierowej struktury detekcyjnej z HgCdTe z zerową nieciągłością w paśmie walencyjnym [valence band offset (VBO) = 0] pomiędzy obszarem aktywnym a barierą jest trudne technologicznie, ale prace nad tymi strukturami barierowymi są kontynuowane. Zastosowanie T2SLs ze związków A III B V z rodziny 6.1 Å umożliwiło uzyskanie prawie idealnych struktur barierowych o zbliżonej do zera nieciągłości w paśmie walencyjnym. Dobra jakość krystalograficzna struktur uwarunkowana jest dopasowaniem sieciowym pomiędzy warstwami składowymi detektorów. Prosta przerwa energetyczna grupy związków 6.1 Å (InAs, GaSb, AlSb), silna absorpcja promieniowania wsparta inżynierią przerwy energetycznej, dają niespotykane dotychczas możliwości w projektowaniu struktur detekcyjnych o nowych właściwościach fizycznych - odmiennych od wyjściowych związków binarnych. Masy efektywne nośników T2SLs nie są zależne bezpośrednio od szerokości przerwy energetycznej (co ma miejsce dla HgCdTe). Masy efektywne elektronów supersieci są większe od tych w HgCdTe, co świadczy o mniejszym wpływie prądów tunelowych w tych pierwszych. Poprzez przestrzenne rozdzielenie elektronów i dziur szybkość rekombinacji Augera w T2SLs jest mniejsza w porównaniu do HgCdTe i InAsSb o tej samej przerwie energetycznej. Ruchliwość elektronów wynosi około 10 4 cm 2 /Vs. W przypadku detektorów barierowych można technologicznie sterować nieciągłością pasma walencyjnego (VBO = 0) dla układu T2SLs InAs/GaSb i bariery Al 0.2 Ga 0.8 Sb. Bariery można również wytwarzać z supersieci. Przykładowo, dla układu dwóch T2SLs, w których wszystkie warstwy składowe GaSb mają takie same grubości, uzyskuje się VBO 0 - dlatego też unipolarny detektor nb n n można zaprojektować stosując T2SLs o dwóch różnych grubościach warstw składowych InAs [8]. Przy obecnym stanie technologii T2SLs z InAs/GaSb, czasy życia nośników są stosunkowo krótkie (< 200 ns) co wskazuje na wpływ procesów generacyjno-rekombinacyjncyh SRH. Znacznie lepsze czasy życia obserwuje się w supersieciach bez zawartości Ga, np. w T2SLs z InAs/InAsSb [21 23]. Autoreferat w języku polskim Strona 10

11 Biorąc powyższe pod uwagę, obecnie do otrzymania struktur barierowych XBn najczęściej stosuje sie materiały z rodziny 6.1 Å. Najprostszym systemem barierowym jest układ InAs/AlAs y Sb 1-y. Obliczenia numeryczne wskazują, że skład arsenu w barierze w zakresie 0.14< y < 0.18 pozwala uzyskać nieciągłość pasma walencyjnego mniejszą niż 3k B T, która nie ogranicza transportu nośników mniejszościowych do warstwy kontaktowej. Kolejnym układem barierowym z przestrajalnym obszarem aktywnym jest układ InAs 1-x Sb x z barierą AlAs y Sb 1-y. Struktury barierowe osadza się na podłożach GaSb aby uzyskać dopasowanie sieciowe pomiędzy InAsSb i GaSb. Podjęto również próby technologiczne osadzania tych struktur na podłożach GaAs, przezroczystych dla promieniowania podczerwonego. Płytki GaAs są znacznie tańsze od płytek GaSb, a ponadto GaAs umożliwia zastosowanie immersji optycznej (soczewka może być formowana bezpośrednio z podłoża) przez co zwiększa się powierzchnię optyczną detektora, a w efekcie i wykrywalność (która jest proporcjonalna do kwadratu współczynnika załamania materiału; dla GaAs n ~ 3.4). Detektory barierowe z InAsSb i HgCdTe W jednotematycznym cyklu publikacji koncentrowałem się na modelowaniu numerycznym osiągów struktur barierowych HOT z HgCdTe/B-HgCdTe i InAsSb/B-AlAsSb w konfrontacji z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego WAT i dostępnymi w literaturze. Wyniki obliczeń teoretycznych i ich porównanie z danymi eksperymentalnymi stanowiły wskazówki do skorygowania konstrukcji i procesów technologicznych otrzymywania struktur. Pozwoliły też na określenie miejsca detektorów barierowych w szerokiej rodzinie fotonowych detektorów podczerwieni, które mogą w krótkim czasie być wprowadzone na rynek (skomercjalizowane). Struktury barierowe z InAsSb i HgCdTe modelowałem korzystając z platformy obliczeniowej APSYS firmy Crosslight Inc. W symulacjach uwzględniałem następujące mechanizmy generacyjno-rekombinacyjne: radiacyjny (RAD), Augera (AUG) i SRH jak również TAT i BTB na heterozłaczach bariera-absorber. Opracowałem biblioteki materiałowe poszczególnych związków. W obliczeniach teoretycznych skupiłem się na wykazaniu wpływu domieszkowania i składu poszczególnych warstw detektora na jego osiągi, w szczególności na prąd ciemny i wykrywalność. Wykrywalność struktur barierowych wyznaczałem przyjmując, że jest ona ograniczona szumem termicznym Johnsona-Nyquista i szumem śrutowym. W obu analizowanych przypadkach zauważyłem, że określenie powinowactwa elektronowego decyduje o prawidłowości uzyskanych wyników obliczeń. Modelowaną strukturę pasmową i geometrię detektora barierowego przedstawiłem na Rys. 6 (a) i (b). Parametry przyjmowane w obliczeniach jak również szczegółowe opisy zastosowanych metod numerycznych przedstawiłem w pracach [H4 9]. (a) Rys. 6. Model struktury pasmowej detektora barierowego (a); schemat detektora barierowego typu XB n n (b). Zasadność stosowania bariery potwierdzają wyniki obliczeń szybkości procesów GR SRH w obszarze bariery. W przypadku struktur A III B V wpływ mechanizmu GR SRH w barierze AlAsSb jest nieistotny ze względu na wysokość energetyczną bariery (E C ~ 2 ev), natomiast w strukturze HgCdTe/B-HgCdTe wpływ tych procesów przekłada się na osiągi detektora (E C ~ 0.4 ev) [H6]. Struktury barierowe, szczególnie typu nb n n, wymagają zasilania celem wyeliminowania wpływu nieciągłości pasma walencyjnego pomiędzy warstwami składowymi. Przy braku zasilania, obecność tych nieciągłości ogranicza transport nośników z obszaru absorbera do kontaktu. Transport nośników (b) Autoreferat w języku polskim Strona 11

12 z obszaru aktywnego do kontaktu dla detektora nb n n nie jest ograniczany przez barierę, kiedy jej wysokość energetyczna spełnia zależność E v < 3k B T (dla T = 300 K wynosi ona ~78 mev). Porównując struktury nb n n i pb n n, te ostatnie mogą pracować przy znacznie mniejszych napięciach zasilania [H4 9]. Zmiany wysokości barier w pasmach walencyjnym i przewodnictwa w funkcji napięcia zasilania struktury dla wybranych poziomów domieszkowania warstwy kontaktowej i temperatury pokojowej przedstawiłem na Rys. 7 (a) i (b). Należy podkreślić, że dla struktury InAsSb/B-AlAsSb pole elektryczne wpływa na barierę w paśmie walencyjnym, podczas gdy zmiany wysokości bariery w paśmie przewodnictwa są nieznaczne. W przypadku HgCdTe/B-HgCdTe można zdefiniować graniczne wartości napięć zasilania, powyżej których, bariery zarówno w paśmie przewodnictwa i walencyjnym nie zmieniają się z polem elektrycznym. Wpływ poziomu i typu domieszkowania na wysokość barier E v i E c jest wyraźnie widoczny [H4 9]. (a) (b) Rys. 7. E c i E v dla heterozłącza warstwa kontaktowa-bariera i bariera-absorber w funkcji napięcia zasilania dla wybranych wartości i typu domieszkowania warstwy kontaktowej dla detektorów XB n n z InAsSb (a) i HgCdTe (b). Zmiany gęstości prądu ciemnego w funkcji odwrotności temperatury dla wybranych poziomów i typów domieszkowania warstwy kontaktowej detektorów XB n n z InAsSb i HgCdTe przedstawiłem na Rys. 8 (a) i (b). Dodatkowo, na Rys. 8 (a) pokazałem zależność prądu ciemnego od odwrotności temperatury o dwóch energiach aktywacji (dwa nachylenia w różnych zakresach temperatury) dla fotodiody p-n z InAsSb, co świadczy o dominacji składowej dyfuzyjnej i generacyjno-rekombinacyjnej (GR). W przypadku detektora barierowego InAsSb/B-AlAsSb składowa GR została wyeliminowana, a z charakterystyki fotodiody p-n ustaliłem temperaturę przejścia na poziomie T C = 208 K. Pokazałem, że zwiększenie poziomu domieszkowania N D = cm -3, zmniejsza gęstość prądu o dwa rzędy wielkości, co jest bezpośrednio powiązane ze wzrostem barier w pasmach przewodnictwa i walencyjnym. Wyniki symulacji skonfrontowałem z danymi eksperymentalnymi prezentowanymi przez Weissa [24]. Zgodnie z modelem analitycznym, składową dyfuzyjną J DARK detektora nbn z InAsSb przybliżyłem zależnością: r T exp qe k T, gdzie E Diff określa przerwę energetyczną absorbera w temperaturze T = 0 K (r = 3). Diff B Wpływ składowej GR dla fotodiody określiłem przyjmując następujące parametry: E GR E Diff /2 i r 1.5. Dodatkowo pokazałem, że niskie domieszkowanie o przeciwnym typie (N D = N A = cm -3 ) nie wpływa na charakterystyki prądowe. W przypadku HgCdTe, ze względu na wysokość energetyczną bariery w paśmie przewodnictwa, charakterystyki prądowe wykazują dwa nachylenia, a temperatura przejścia zależy od domieszkowania warstwy kontaktowej. Wyniki obliczeń numerycznych porównałem z danymi eksperymentalnymi zaprezentowanymi przez Itsuno i współ. [19,20]. W celach porównawczych, dodatkowo przedstawiłem wyniki obliczeń gęstości prądu ciemnego struktur komplementarnych. Struktury komplementarne ograniczają prąd ciemny w stosunku do detektora nbn około dwa rzędy wielkości w zależności od temperatury pracy [H4]. Wpływ napięcia zasilania na wysokość poszczególnych barier pokazałem w pracach [H4 9]. Autoreferat w języku polskim Strona 12

13 (a) Rys. 8. J DARK dla nb n n/pb n n InAsSb/B-AlAsSb (a); nb n n/pb n n HgCdTe/B-HgCdTe i CBIRD (b) dla wybranych poziomów domieszkowania warstwy kontaktowej. Przedstawiona analiza wskazuje, że składowa GR dominuje poniżej temperatury przejścia, podczas gdy składowa dyfuzyjna powyżej tej temperatury. Porównując strukturę barierową i fotodiodę typu p-n o tej samej geometrii obszaru aktywnego, detektor barierowy pozwala uzyskać niższe prądy ciemne poniżej temperatury przejścia T C. Dodatkowo, zgodnie z zależnością opisującą prąd nasycenia fotodiody: s B e ni q p po e nno J k T h h (b), (4) i biorąc pod uwagę fakt, że w detektorach barierowych w transporcie biorą udział nośniki mniejszościowe, detektory barierowe będą charakteryzowały się mniejszymi wartościami prądu dyfuzyjnego niż tradycyjna fotodioda p-n (co pokazałem na Rys. 8). We wzorze (4): n i jest koncentracją samoistną, p po i n no koncentracją nośników większościowych, e i h ruchliwością nośników, a e i h czasami życia nośników w obszarze typu p i n. Wpływ wysokości barier na charakterystyki prądu ciemnego dla temperatury pokojowej pokazałem na Rys. 9 (a). Dla detektora nbn InAsSb/B-AlAsSb (domieszkowanie warstwy kontaktowej, N D = cm -3 ) napięcie przełamania (turn on voltage) ustaliłem na V = 500 mv. W analizowanym zakresie temperatur można wyróżnić trzy charakterystyczne zakresy pracy. Dla wstecznych napięć zasilania (tzn. + do obszaru aktywnego) do 50 mv, J DARK silnie zależy od napięcia zasilania, podczas gdy od 50 do 500 mv, gęstość prądu jest mniej zależna od napięcia polaryzującego, a w zakresie wyższych napięć obserwujemy nasycenie prądu, co odpowiada E v na poziomie 78 mev (dziury nie są blokowane przez barierę). Ciągły wzrost prądu ciemnego z napięciem może być związany z transportem nośników nad barierą w paśmie przewodnictwa. Poziomem nasycenia prądu można również sterować implementując silnie domieszkowaną warstwę kontaktowa n + lub N + ograniczającą wstrzykiwanie dziur do struktury. Podobne wnioski można wyciągnąć w stosunku do struktur z HgCdTe [H4 9]. Dodatkowo na Rys. 9 (b) porównałem wpływ poziomu i typu domieszkowania warstwy kontaktowej na wykrywalność dla wybranych napięć zasilania w przedziale mv i T = 300 K. Wykazałem, że dla układu nb n n z InAsSb/B-AlAsSb warstwę kontaktową należy domieszkować poniżej N D < cm -3, a dla pb n n domieszkowanie powinno wynosić N A > cm -3. Z kolei dla pb n n HgCdTe/B-HgCdTe zasadnym jest utrzymanie poziomu domieszkowania poniżej cm -3 (dla V > 350 mv), a dla struktur nb n n domieszkowanie należy utrzymać na poziomie cm -3 [H6]. Autoreferat w języku polskim Strona 13

14 (a) (b) Rys. 9. J DARK w funkcji napięcia zasilania (a); D * w funkcji typu i poziomu domieszkowania warstwy kontaktowej (b) dla InAsSb/B-AlAsSb. W przypadku struktur barierowych z HgCdTe/B-HgCdTe dokonałem porównania detektorów nb n n i pb p p, a wyniki przedstawiłem na Rys. 10. Procedura obliczeniowa, jak również dane materiałowe zostały podane w pracy [H8]. Wyniki tej pracy wskazują na przewagę struktur domieszkowanych na typ p. Poniżej zaprezentowałem charakterystyki gęstości prądu ciemnego i wykrywalności. Analizowane struktury nb n n i pb p p osiągają warunki BLIP odpowiednio dla 176 i 192 K. (a) (b) Rys. 10. J DARK (a) i wykrywalność (b) dla struktur nb n n i pb p p z HgCdTe. Zbadałem również wpływ składu bariery na wykrywalność wskazując jednocześnie, na optymalny skład x Cd zarówno dla struktur typu nb n n i pb p p. Wyniki analizy przedstawiłem na Rys. 11. Domieszkowanie absorbera bezpośrednio wpływa na własności detekcyjne struktur nb n n dla (x Cd = 0.6), natomiast dla tych domieszkowanych na typ p wykrywalność utrzymuje się na stałym poziomie [H8]. (a) (b) Rys. 11. D * w funkcji składu bariery (a) i domieszkowania absorbera (b) dla detektora nb n n i pb p p z HgCdTe. Autoreferat w języku polskim Strona 14

15 Detektory barierowe z T2SLs InAs/GaSb W wielu pracach dotyczących struktur fotowoltaicznych PIN z T2SLs InAs/GaSb stosowano wzory analityczne do określenia wpływu poszczególnych składowych prądu ciemnego i parametrów detekcyjnych. W literaturze nie spotkałem podobnego traktowania struktur barierowych. W pracy [H10] podjąłem to wyzwanie - zastosowałem model analityczny dla detektora UBIRD z T2SLs InAs/GaSb. Ponadto, korzystałem również (w modelowaniu detektorów barierowych z T2SLs InAs/GaSb) z platformy obliczeniowej APSYS traktując T2SLs jako sztuczny materiał. W pierwszej kolejności ustalałem zależność przerwy energetycznej od temperatury (zgodnie z relacją Varshni). Następnie zaproponowałem wyznaczenie spadków napięć na poszczególnych heterozłączach. W modelu założyłem, że o osiągach decyduje heterozłącze bariera-absorber. Oszacowane spadki napięć wykorzystałem do określenia poszczególnych składowych prądu ciemnego - zależności te podane są w pracy [H10]. Masy efektywne niezbędne w obliczeniach wyznaczyłem dla temperatury ciekłego azotu, przyjmując dominujący wpływ tunelowania w transporcie nośników. Charakterystyki prądu ciemnego i iloczynu RA dla T = 240 K (uzyskiwanej przez chłodziarki termoelektryczne) pokazałem na Rys. 12 (a) i (b). (a) (b) Rys. 12. I DARK (a) i RA (b) w funkcji napięcia dla modelu analitycznego dla detektora nbn z T2SLs InAs/GaSb. Z analizy zależności prądu ciemnego od napięcia polaryzującego określiłem zmianę położenia poziomu pułapkowego, E T, biorącego udział w tunelowym procesie TAT na heterozłączu bariera-absorber. Tą zależność i zmiany czasów życia nośników określające prąd dyfuzyjny i generacyjno-rekombinacyjny pokazano na Rys. 13. Wyznaczone czasy życia nośników są zgodne z danymi literaturowymi podanymi w pracach [H10,H11]. Rys. 13. Zależność poziomu pułapek, E T, i czasów życia nośników DIF i GR w funkcji temperatury dla detektora nbn z T2SLs InAs/GaSb [H10]. Autoreferat w języku polskim Strona 15

16 MWIR (c = 5 m) Załącznik 2. a Autoreferat w języku polskim. Porównanie osiągów detektorów barierowych A III B V z fotodiodami HgCdTe Z punktu widzenia komercjalizacji wyników badań naukowych istotnym jest porównanie osiągów struktur barierowych z detektorami dostępnymi na rynku. W tym celu zaadaptowałem kryteria opisane w dostępnej literaturze [5,6]. Termiczną gęstość prądu ciemnego z aktywnego obszaru detektora można określić zależnością: J DARK qgtht, (5) gdzie: q jest ładunkiem elektronu, G th stanowi generacje termiczną, a t grubość obszaru aktywnego. Najważniejszym parametrem charakteryzującym matrycę detektorów (stosowanych w układach widzenia termalnego jest noise equivalent difference temperature (NEDT), tzn. minimalna różnica temperatury w scenerii targetu, którą zauważa system termalny. W idealnym przypadku to NEDT określa matryca detektorów i promieniowanie tła atmosfery wpadającego do optyki systemu. W praktyce jednak to rozdzielczość temperaturową dodatkowo ogranicza optyka systemu widzenia, transmisja atmosfery, a w szczególności układ elektronicznego odczytu sygnału (tzw. ROIC - readout integrated circuit). Okazuje się, że w tym idealnym przypadku NEDT zależy od prądu ciemnego detektora i promieniowania tła i można ją oszacować wg zależności: J J 1, (6) NC NEDT DARK gdzie: J jest gęstością prądu generowaną przez strumień fotonów tła padających na jednostkę powierzchni w jednostce czasu, C - kontrastem, a N pojemnością integrującą sygnał układu odczytującego (typowo około 10 7 elektronów). Dokładny opis procedury porównawczej i stosowanych zależności do określenia prądu ciemnego i NEDT dla struktur pracujących w średnim zakresie promieniowania podczerwonego przedstawiłem w pracy [H12]. Porównałem najczęściej stosowane w matrycach architektury detektorów z HgCdTe (fotodiody n + p i P + n). Przyjąłem, że dla fotodiod z HgCdTe prąd ciemny jest określony procesami SRH i Augera 1(7). W przypadku detektorów nbn z HgCdTe stosowałem dane eksperymentalne przedstawione przez Itsuno i współ. [19 20]. Parametry przyjęte w obliczeniach zawiera poniższa Tabela 1. Tabela 1. Parametry obszarów aktywnych unipolarnych detektorów barierowych. Detektor Materiał Domieszkowanie absorbera N d, N a [cm -3 ] Grubość absorbera t [m] SRH [s] Powierzchnia detektora A d [m 2 ] F 1F 2 nbn InAsSb nbn T2SLs InAs/InAsSb nbn T2SLs InAs/GaSb nbn HgCdTe n + p HgCdTe P + n HgCdTe int [ms] 10 Osiągi detektorów z T2SLs InAs/GaSb są ograniczone przez mechanizm SRH. Najwyższe podane w literaturze czasy życia nośników dla tych supersieci wynoszą SRH = 200 ns. Podobne obliczenia przeprowadziłem dla T2SLs InAs/InAsSb, jednak dla tego układu czasy życia nośników przyjąłem na poziomie 400 ns. Przyjęte czasy życia SRH dla HgCdTe wynoszą nawet 4000 s [21 23]. Na Rys. 14 (a) pokazałem, że fotodiody z HgCdTe charakteryzują się niższymi wartościami prądu ciemnego niż detektory barierowe A III B V. Jest to wynikiem krótszych czasów życia nośników związanych z procesami SRH ( SRH < 400 ns) i wyższymi wartościami koncentracji nośników ( cm 3 ) w materiałach grupy A III B V [21 23]. Autoreferat w języku polskim Strona 16

17 (a) (b) Rys. 14. J DARK (a) i NEDT (b) w funkcji temperatury dla wybranych typów detektorów pracujących w zakresie średniej podczerwieni. Oszacowałem również warunki pracy BLIP dla porównywanych detektorów. Dla tła o temperaturze 300 K, kącie widzenia detektorów FOV = 20 i wydajności kwantowej = 1, fotodiody z HgCdTe osiągają warunki BLIP dla temperatury 187 K, a więc w temperaturze o ponad 30 K wyższej aniżeli detektory nbn InAsSb, T2SLs InAs/GaSb i InAs/InAsSb. Rys. 14 (b) przedstawia zależność NEDT w funkcji temperatury i długości fali w zakresie średniej podczerwieni. Z tego rysunku wynika, że dla temperatur T < 150 K, NEDT dla rozważanych detektorów utrzymuje się na poziomie 0.01 K. Powyżej 150 K fotodiody z HgCdTe pozwalają uzyskać lepsze wartości termicznej rozdzielczości niż detektory z materiałów A III B V [H12]. Na Rys. 15 skonfrontowałem wyniki obliczeń teoretycznych i danych eksperymentalnych gęstości prądów ciemnych detektorów barierowych nbn HgCdTe, InAsSb i T2SL InAs/GaSb z danymi szacowanymi dla najwyższej jakości fotodiod z HgCdTe określonych regułą Rule 07 [25]. Gęstości prądów zbliżone do Rule 07 uzyskałem dla detektora nbn InAsSb na podłożu GaSb o długofalowej granicy czułości 4 m w temperaturze 150 K. Dla T2SLs InAs/GaSb w warunkach pracy T = 150 K i c = 5 m zaobserwowano gęstości prądu większe o rząd wielkości od prądów wyznaczonych przez Rule 07 [H12]. Podobne zależności pokazałem dla nbn HgCdTe w warunkach T = 200 K, c 6 m. Wskazałem również, że struktury barierowe nbn z HgCdTe przy założeniu mechanizmu dyfuzyjnego mogą uzyskać niższe gęstości prądu ciemnego niż te wyznaczone przez Rule 07. Struktury te osiągają BLIP dla T = 207 K (T B = 300 K, FOV = 20, N d = cm -3, SRH = 4 ms) podczas, gdy dane experymentalne przedstawione przez Itsuno i współ. są dużo wyższe ze względu na prądy upływności powierzchniowej [19,20]. Rys. 15. J DARK dla detektorów barierowych w porównaniu do Rule 07. Autoreferat w języku polskim Strona 17

18 Ostatni rysunek (Rys. 16) porównuje osiągi fotodiody immersyjnej z HgCdTe z detektorami barierowymi HOT: InAsSb, T2SLs InAs/GaSb i nbn HgCdTe. Fotodioda z HgCdTe chłodzona dwustopniową chłodziarką termoelektryczną z immersją optyczną osiąga warunki pracy BLIP (dla 2π FOV i 4.6 m), podczas gdy detektory barierowe bez immersji optycznej tych warunków nie uzyskują (ich wykrywalności są poniżej wartości określonej przez wpływ promieniowania tła). Rys. 16. Porównanie wykrywalności wybranych detektorów barierowych z fotodiodą HgCdTe z imersją optyczną: nbn T2SLs InAs/GaSb, nbn InAsSb/B-AlAsSb dla T = 300 K; nbn HgCdTe/B-HgCdTe i CBIRD HgCdTe dla T = 200 K [H2]. Podsumowanie Moje wyniki badań detektorów barierowych w warunkach pracy HOT przedstawiane były na konferencjach krajowych i międzynarodowych. Na szczególne podkreślenie zasługuje praca dotycząca porównania detektorów barierowych z innymi typami detektorów, która została bardzo dobrze odebrana podczas konferencji QSIP 2014 w Santa Fe, USA. Wygłosiłem też zaproszony wykład ( MWIR nbn for HOT detectors ) na konferencji amerykańskiej - U.S. Workshop on the Physics and Chemistry of II-VI Materials, Chicago, USA (2013). Podsumowaniem mojego dorobku naukowego kwalifikowanego do ubiegania się o uzyskanie stopnia naukowego doktora habilitowanego jest obszerna praca przeglądowa New concepts in infrared photodetector design w Applied Physics Review, 1, (2014). Przedstawia ona miejsce i osiągi struktur barierowych na tle innych typów fotonowych detektorów podczerwieni. Materiał lity HgCdTe, pomimo trudności technologicznych jego otrzymywania, nadal pozostaje wiodącym materiałem wykorzystywanym w produkcji detektorów pracujących w zakresach MWIR i LWIR. Po 50-ciu latach intensywnych badań i zrealizowaniu ogromnych inwestycji przemysłowych (szczególnie w okresie zimnej wojny ) trudno będzie tą sytuację zmienić. Biorąc jednak pod uwagę bardziej uniwersalne właściwości i aplikacje związków A III B V (HgCdTe jest stosowany tylko w produkcji detektorów podczerwieni, specyfika technologii, brak kompatybilności z krzemem), z upływem czasu sytuacja będzie się zmieniać na korzyść grupy związków A III B V (większa stabilność wiązań kowalencyjnych, tańsza technologia, szersze zastosowania). Struktury barierowe typu nbn umożliwiają uproszczenie technologii otrzymywania i processing-u detektorów, a szczególnie matryc detektorów. W moim cyklu prac wykazałem, że w niektórych aplikacjach detektory barierowe z związków A III B V mogą już stanowić alternatywę do detektorów HgCdTe. Autoreferat w języku polskim Strona 18