Quantum yield enhancement in AlGaN(n)/GaN(p) UV photodetector with position-dependent energy band gap

• Autorzy: Małachowski M. J.

Warianty tytułu

PL

Zwiększenie wydajności kwantowej w zakresie UF detektora ALGaN(n)/GaN(p) w przypadku zależnej od położenia przerwy energetycznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Numerical analysis has been carried out on the spectral dependence of the quantum yield for an AlGaN(n)-GaN(p) photodiode ultraviolet (UV) detector in which the AlGaN layer has position-dependent band gap. The spatial dependence of the material properties, such as energy band-gap and absorption coefficient of the photodiode's n-type layer is considered in the calculation. The band-gap grading with a proper direction, due to a reduced absorption coefficient at the surface region and the built in electric field, results in the increase of the minority carrier generation in the vicinity of the junction resulting the enhancement of carrier collection efficiency. In order to improve the quantum yield, it was found that there is no need to fabricate the structures exhibiting the large gradients. In case of no surface recombination, there is a substantial rise in the detector quantum yield with increasing the grading within the range of small values of the gradient. Much more extended the dependence in quantum yield with the grading has been found when the recombination was present at the illuminated surface. The carried out study enabled to determine the optimal grading and the graded layer thickness with regard to the detector response to the selected UV wavelengths.

PL

Dokonano analizę numeryczną spektralnej zależności wydajności kwantowej w zakresie ultrafioletowym (UF) fotodiody AlGaN(n)/GaN(p), w której warstwa AlGaN(n) jest półprzewodnikiem o zależnej od położenia przerwie energetycznej. W obliczeniach uwzględniono zależność od szerokości przerwy energetycznej współczynnika absorpcji w zakresie UF. Zastosowanie materiału z odpowiednio ukierunkowanym gradiantem przerwy energetycznej, powoduje wzrost wydajności zbierania w obszarze złącza generowanych przez światło nośników mniejszościowych, bowiem gradient wywołuje wytworzenie się w półprzewodniku dodatkowego pola elektrycznego oraz zmniejszenie absorpcji w pobliżu powierzchni. W celu zwiększenia wydajności kwantowej nie zachodzi konieczność wykonywania warstw o dużym gradiencie - co zmniejszyłoby ruchliwość nośników. W przypadku zaniedbywalnej rekombinacji powierzchniowej, stwierdzono że już w zakresie małych gradientów występuje znaczący wzrost wydajności kwantowej ze wzrostem wartości gradientu. W przypadku natomiast obecności rekombinacji powierzchniowej, występuje także wzrost wydajności kwantowej ze wzrostem gradientu lecz ten wzrost jest powolniejszy niż w przypadku poprzednim. Rezultaty wyliczeń umożliwiają określenie optymalnego gradientu oraz grubości warstwy z gradientem przerwy energetycznej ze względu na odpowiedź detektora na promieniowanie UF o dowolnie wybranych zakresach długości fal.

Słowa kluczowe

EN

(Ga,Al)N semiconductor; energy band grading; ultraviolet p-n detector

PL

półprzewodnik; gradient przerwy energetycznej; detektor p-n promieniowania ultrafioletowego

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2000
• Tom: Vol. 49, nr 6
• Strony: 31--43
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., il., wykr.

Twórcy

autor

Małachowski M. J.

• Military University of Technology, Institute of Applied Physics, 0-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

Bibliografia

• [1] D. Caputo, G. De Cesare, F. Irrere And F. Palma, Solar-blind UV photodetectors for large area applications, IEEE Trans. on Electron Devices, 43 (1996), pp. 1351-1356.
• [2] S. Nakamura, InGaN-based violet laser diodes, Semicond. Sci. Technol., 14 (1999), pp. R27-R40. See, for example: S. Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode, Heidelberg: Springer, 1997.
• [3] H. Morkoc, S. Strite, G. B. Gao, M. E. Lin, B. Sverdlov and M. Burns, Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies, J. Appl. Phys., 76 (1994), pp. 1363-1398.
• [4] S. J. Pearton, J. C. Zolper, R. J. Shul and F. Ren, GaN: Processing, defects, and devices, J. Appl. Phys. 86 (1999), pp. 1-78.
• [5] A. Rogalski and M. Razeghi, Semiconductor ultraviolet detectors, J. Appl. Phys., 79 (1996), pp. 7433-7473.
• [6] S. N. Mohammad, A. A. Salvador, and H. Morkoc, Emerging gallium nitride based devices, Proc. IEEE, 88 (1995), pp.1306-1355.
• [7] M. A. Khan, Q. Chen, C. J. Sun, M. S. Shur, M. F. Macmillan, R. P. Devaty and J. Choyke, Optoelectronic devices based on GaN, AlGaN, InGaN homo-heterojunctions and supperlattices, Proc. SPIE, 2397 (1995), pp. 283-293.
• [8] X. Zhang, P. Kung, D. Walker, J. Piotrowski, A. Rogalski, A. Saxler and M. Razeghi, Photovoltaic effects in GaN structures with p-n junctions, Appl. Phys. Lett., 67 (1995), pp. 2028-2030.
• [9] L. Chernyak, A. Osinsky, H. Temkin, J. W. Yang, Q. Chen and M. A. Khan, Electron beam induced current measurements of minority carrier diffusion lenght in gallium nitride, Appl. Phys. Lett., 69 (1996), pp. 2531-2533.
• [10] F. Omnes, N. Marenco, B. Beaumont, Ph. De Mierry, E. Monroy, F. Calle and E. Munoz, Metalorganic vapor-phase epitaxy-grown AlGaN-materials for visible-blind ultraviolet photodetector applications, J. Appl. Phys. 86 (1999), pp. 5286-5295.
• [11] M. J. Małachowski and A. Rogalski, Comparison of GaN Schottky barrier and p-n junction photodiodes, Proc. SPIE, 3287 (1998), pp. 206-213.
• [12] M. J. Małachowski and A. Rogalski, Photoresponse of GaN p-n junction and Schottky barrier ultraviolet photodetectors, Optoelectronics Review, 6 (1998), pp. 141-149.
• [13] Q. Chen, M. A. Khan, C. J. Sun and J. W. Yang, Visible-blind ultraviolet photodetectors based on GaN p-n junctions, Electronics Letters, 31 (1995), pp. 1781-1782.
• [14] J. M. Van Hove, R. Hickman, J. J. Klaassen, P. P. Chow and P. P. Ruden, Ultraviolet-sensitive, visibleblind GaN photodiodes fabricated by molecular beam epitaxy, Appl. Phys. Lett., 70 (1997), pp. 2282-2284.
• [15] F. van de Wiele, Quantum efficiency of photodiode, [in:] Solid State Imaging, pp. 41-76, J. G. Jespers, F. Van de Wiele and M. H. White [Eds], Noordhoff, Leyden 1976.
• [16] M. J. Małachowski and A. Rogalski, GaN ultraviolet photodiodes - photoresponse modeling, Journal of Technical Physics, 38 (1997), pp. 65-72.
• [17] M. J. Małachowski and A. Rogalski, Influence of doping and geometry on GaN ultraviolet photodiode performance. Numerical modeling, Proc. SPIE, 3179 (1997), pp. 242-246.
• [18] S. Keller, G. Parish, P.T. Fini, S. Heikman, C.-H. Chen, N. Zhang, S. P. Den Baars and U. C. Misha, Metalorganic chemical vapor deposition of high mobility AlGaN/GaN heterostructures, J. Appl. Phys., 86 (1999), pp.5850-5857.
• [19] A. Y. Polyakov, M. Shin, J. A. Freitas, M. Skowronski, D. W. Greve and R. G. Wilson, On the origin of electrically active defects in AlGaN alloys grown by organometallic vapor phase epitaxy, J. Appl. Phys., 80 (1996), pp. 6348-6354.
• [20] A. Saxler, M. Ahoujja, W. C. Mitchel, P. Kung, D. Walker and M. Razeghi, Electrical characterization of AlGaN for UV photodetector applications, Proc. SPIE, 3629 (1999), pp. 211-222.
• [21] D. Walker, P. Kung, P. Sandvik, J. Wu, M. Hamilton, I.-H. Lee, J. Diaz and M. Razeghi, AlGaN p-i-n photodiodes on sapphire substrates, Proc. SPIE, 3629 (1999), pp. 193-198.
• [22] Ozgur Aktas, Z. F. Fan, S. N. Mohammad, A. E. Botchkarev and H. Morkoc, High temperature characteristics of AlGaN/GaN modulation doped field-effect transistors, Appl. Phys. Lett., 69 (1996), pp. 3872-3874.
• [23] B. W. Lim, Q. C. Chen, J. Y. Yang and M. A. Khan, High responsivity intrinsic photoconductors based on AlGaN, Appl. Phys. Lett., 68 (1996), pp. 3761-3762.
• [24] A. H. Pawlikiewicz and S. Guha, Numerical modeling of an amorphous-silicon-based p-i-n solar cell, IEEE Trans. ED, 37 (1990), pp. 403-409.
• [25] A. Dhingra and A. Rothwarf, Computer simulation and modeling of graded bandgap CuInSe/CdS based solar cells, IEEE Trans. ED, 43 (1996), pp. 613-621.
• [26] R. P. Joshi, Simulations for the transient response of graded AlGaN submicron photodetectors, J. Appl. Phys., 76 (1994), pp. 4434-4436.
• [27] S. Sikorski, The transport of 3excess current carriers in an inhomogeneous semiconductor with position-dependent band gap, Semicond. Sci. Technol., 13 (1998), pp. 18-26.
• [28] D. Rosenfeld, V. Garber, and G. Bahir, The effects of built-in electric field on the performance of compositionally graded p-on-n HgCdTe heterojunction photodiodes, J. Appl. Phys., 77 (1995), pp. 925-933.
• [29] D. Rosenfeld, V. Garber, V. Ariel and G. Bahir, Compositionally graded HgCdTe photodiodes: pre- diction of spectral response from transmission spectrum and the impact of grading, J. Electronic Materials, 24 (1995), pp. 1321-1328.
• [30] M. J. Małachowski, Influence of band-gap grading on n-AlGaN/p-GaN ultraviolet detector responsivity, Biul. WAT, XLVI, 11 (1997), 19-30.
• [31] M. J. Małachowski, Impact of energy band-gap grading on responsivity of an AlGaN ultraviolet p-n detector, Solid State Electronics, 42 (1998), pp. 963-967.
• [32] M. J. Małachowski, Spectral dependence of GaAIN band-gap graded UV detector responsivity, Proc. SPIE, 3725 (1999), pp. 321-328.
• [33] K. J. Pluciński and M. J. Małachowski, Quantum yield of GaN and (Ga,Al)N band-gap graded ultraviolet p-n detectors, phys. stat. sol. (a), 176 (1999), 153-156.
• [34] M. J. Małachowski, I. R. Kityk and B. Sahraoui, Band structure and optical response in GalN phys. stat. sol. (b), 207 (1998), pp. 405-418.
• [35] M. J. Małachowski, I. R. Kityk, B. Sahraoui, Electronic structure and optical response in Ga Ali-N solid alloys, Physics Letters A, 242 (1998), pp. 337-342.
• [36] J. I. Pankove, Optical Processes in Semiconductors. Englewood Cliffs, N.J: Prentice-Hall (1971), p. 3