Antimonidische Übergitter Infrarot-Photodioden mit reduziertem Dunkelstrom

Die elektrooptische Leistungsfähigkeit einer InAs/GaSb-Übergitterphotodiode wird durch den Dunkelstrom begrenzt. Durch eine Reduktion des Dunkelstroms ist eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses möglich, was genutzt werden kann, um die Detektoren bei höheren Temperaturen zu betreiben und daher den Kühlaufwand minimieren zu können. Eine Reduktion des Dunkelstroms kann durch eine Verbesserung der Diodenstruktur erreicht werden. Dazu wird eine Diode mit Heteroübergang entworfen, bei der eine Schicht kleiner Bandlückenenergie zur Absorption der infraroten Strahlung mit einer Schicht größerer Bandlückenenergie zur Reduktion des Dunkelstroms kombiniert wird. Detektoren, die auf diesem Prinzip basieren, vereinen die Absorptionseigenschaften eines Detektors kleiner Bandlücke mit den überlegenen Dunkelstromeigenschaften einer Diode großer Bandlücke. Um die gewünschte Dunkelstromreduktion erreichen zu können muss die Struktur des Heteroübergangs korrekt entworfen werden. Dazu ist eine genaue Kenntnis über die dem Dunkelstrom zugrundeliegenden Mechanismen des Materialsystems nötig. In dieser Arbeit wurde die Dunkelstromanalyse an pin-Dioden mit Homoübergang durchgeführt, da hierzu ein umfassendes Dunkelstrommodell vorliegt. Ein entscheidender Parameter hierfür ist die Hintergrunddotierdichte, die mit Hilfe von Kapazitäts-Spannungs-Messungen bestimmt wurde. Bei der Dunkelstromanalyse wurde unter Berücksichtigung der Störstellenenergie als Anpassungsparameter die limitierenden Mechanismen über einen breiten Temperatur- und Spannungsbereich identifiziert, so dass auf dieser Basis ein geeigneter Detektor mit Heteroübergang entworfen werden konnte. Ziel der Arbeit war eine Reduktion des Dunkelstroms mit einer möglichst einfachen Diodenstruktur. Für den langwelligen Infrarotbereich konnte bei 77K und −100mV eine Reduktion des Dunkelstroms um einen Faktor von 165 im Vergleich zu einer pin-Diode mit Homoübergang erreicht werden. Bei Detektoren für den mittleren Infrarotbereich gelang es, eine Dunkelstromreduktion von einem Faktor von 110 bei 77K und −100mV im Vergleich zu einer pin-Diode korrespondierender Grenzwellenlänge zu zeigen. Dieser Wert stellt gleichzeitig den geringsten in der Literatur veröffentlichen Dunkelstrom einer Photodiode für den mittleren Infrarotbereich um 80K auf Übergitterbasis dar.