非晶質傾斜超格子を用いた極低雑音アバランシェ増幅型光導電膜の研究

非晶梯度超晶格超低噪声雪崩放大光电导薄膜研究

基本信息

批准号：
08243225
负责人：
安藤隆男
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
1996
资助国家：
日本
起止时间：
1996 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

a-Si:H光導電膜中に生じるアバランシェ増倍の低電圧化、低雑音化を目的にpinフォトダイオードのi層内に傾斜超格子構造を導入することを検討した。得られた主要な成果は、1.プラズマCVD堆積中にSiH_4ガスを20sccm一定として、C_2H_4ガスを最大からその流量をコンピュータ制御により連続的に減らし、a-SiC:H膜の禁制帯幅が連続的に縮小する傾斜層(a-Si_<1-x>C_x:H)を形成できることを確認した。2.傾斜層とC_2H_4を含まないa-Si:H層とのヘテロ界面に生じる伝導帯のエネルギ段差とC_2H_4の最大流量との関係を求め、最大0.45eVまでのエネルギ段差が実現できることを確かめた。3.i層中に傾斜a-Si_<1-x>C_x:H層とa-Si:H層を交互に堆積した3段の超格子構造pinフォトダイオードを製作し、1.4×10^6V/cmの電界の下で最大6.7倍の光電流増倍を得た。この値は通常のpinフォトダイオードと比較すると約3倍大きく、かつ増倍開始電圧も低電圧側にシフト出来ることを確かめた。4.光電流の増倍率は、伝導帯のエネルギ段差が0.26eVから0.45eVの間で急激に増大することを見出し、電子がこの領域でイオン化を生じるためには伝導帯の不連続値にある閾値が存在することを示した。5.さらに大きなエネルギ段差を得るためにa-Si_<1-x>C_x:H膜と単結晶Siとの1段のヘテロ接合を作り、最大0.67eVまでのエネルギ段差を実現し、この段差が0.5eVあると電子はこのバンドオフセット領域でほぼ100%の確率で衝突イオン化を起こすことがわかった。しかし傾斜層に導入する炭素の混入量を増し、段差が0.5eV以上になると増倍開始電圧は逆に増加する。この原因は膜中に取り込まれる炭素の割合の増に伴って膜質が劣化し、キャリア移動度が減少することによる。今後は、a-Si:H層とa-Si_<1-x>C_x:H層の界面の急峻性を高めると同時に、a-Si_<1-x>C_x:H傾斜層の膜質を改善するために分子線堆積法を検討する。また、試作素子を用いてアバランシェ増倍に伴う過剰雑音の低減、超高感度イメージセンサへの応用を進める。

我们研究了将渐变超晶格结构引入 pin 光电二极管的 i 层，以降低 a-Si:H 光电导薄膜中发生的雪崩倍增的电压和噪声。获得的主要结果为: 1.在等离子体CVD沉积过程中,SiH_4气体流量保持在20 sccm恒定,C_2H_4气体流量通过计算机控制从最大值开始不断减小,使得a-SiC的禁带宽度:H膜是连续的，可以形成快速收缩的梯度层(a-Si_<1-x>C_x:H)。 2. 确定了梯度层与不含C_2H_4的a-Si:H层异质界面处发生的导带能量阶跃与C_2H_4最大流量之间的关系，并确认了能量阶跃可以达到0.45 eV。 3. 我们制作了三级超晶格结构 pin 光电二极管，其中在 i 层交替沉积渐变的 a-Si_<1-x>C_x:H 层和 a-Si:H 层，电压为 1.4×10^ 6V/cm电场下获得高达6.7倍的光电流倍增。该值大约是普通引脚光电二极管的三倍，并且我们确认倍增起始电压也可以移至较低电压侧。 4. 我们发现，当导带能级在0.26 eV到0.45 eV之间时，光电流的倍增因子迅速增加，并且为了使电子在该区域引起电离，它们必须在导带中处于不连续值。结果表明，导带存在阈值。 5. 为了获得更大的能量阶跃，我们在a-Si_<1-x>C_x:H薄膜和单晶Si之间创建了单阶异质结，并实现了高达0.67 eV的能量阶跃。研究发现，在 0.5 eV 时，电子在该能带偏移区域中几乎 100% 的概率经历碰撞电离。然而，如果增加引入到梯度层中的碳的量并且阶跃变为0.5eV或更大，则倍增开始电压将增加。其原因在于，随着膜中碳含量的增加，膜质量变差，载流子迁移率降低。未来我们将增加a-Si:H层与a-Si_<1-x>C_x:H层界面的陡度，同时提高a-Si_<的薄膜质量1-x>C_x:H梯度层因此，我们将考虑分子束沉积方法。此外，我们将使用原型器件来减少雪崩倍增引起的过多噪声，并将其应用于超高灵敏度图像传感器。