ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОДИОД ДЛЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SEMICONDUCTOR PHOTODIODE FOR INFRARED RADIATION

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым фоточувствительным приборам, предназначенным для детектирования инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре. Данные полупроводниковые ИК фотодиоды могут применяться в различных областях науки и техники, в промышленности: в диодно-лазерной спектроскопии, в медицине, в системах дальнометрии и локации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, в оптических системах связи и передачи информации, в том числе, по открытому воздушному каналу.
В настоящее время возникла острая потребность в фотодиодах для регистрации коротких лазерных импульсов в ИК-диапазоне спектра. Для данного спектрального диапазона разработаны различные типы лазеров: полупроводниковые лазеры на основе GaSb и его твердых растворов - квантово-каскадные, с резонатором Фабри-Перо и с дисковым резонатором, работающие при комнатной температуре, а также мощные компактные твердотельные лазеры на основе кристаллов YAG и Nd-KGW, легированных ионами Но, Tm и Er. Однако проблема создания высокоэффективных быстродействующих приемников для детектирования излучения таких лазеров не решена.
3
5
Например, существуют быстродействующие фотодиоды на основе Ge для спектрального диапазона 1.0-1.7 мкм. Тем не менее, приемники с быстродействием выше 100 пс в диапазоне длин волн 1.7-5.0 мкм отсутствуют. Это препятствует созданию такой медицинской аппаратуры, как новый вид оптического томографа, задерживает разработку оптических линии связи в открытом пространстве (Free-Space Optics Communication), не требующих прокладки дорогостоящих каналов волоконно-оптической связи (ВОЛС). Современные фотодиоды спектрального диапазона 1.7-5.0 мкм имеют ряд существенных недостатков. В результате интенсивных исследований, как в России, так и за рубежом к настоящему времени созданы фотодиоды на основе полупроводников AB - на основе как бинарных соединений (InAs, InSb, GaSb), так и многокомпонентных твердых растворов (GalnAsSb/GaAlAsSb, InAs(Sb)/InAsSbP). Одним из основных недостатков InAs, InSb и InAs/InAs(Sb)/InAsSbP фотодиодов является невозможность обеспечить высокую эффективность без глубокого охлаждения, и такие фотодиоды демонстрируют приемлемые для работы характеристики только при криогенных температурах (-196°С).
Задача создания высокоэффективных быстродействующих ИК-приемников, работающих при комнатной температуре, заставляет искать новые альтернативные подходы к принципам работы и конструкции приборов. Увеличение эффективности фотодиодов возможно повышением обнаружительной способности и повышением быстродействия. Обнаружительная способность D* фотодиода определяется по следующей формуле [Jones R.C. Performance of Detectors for Visible and Infrared Radiation in book Advances in Electronics, Academic, New York, 5, 1 (1953)]:
i
n
2
где R - токовая монохроматическая чувствительность, А/Вт, S - площадь чувствительной площадки, см; i - величина шумового тока, А.
Из формулы (1) следует, что для повышения обнаружительной способности фотодиода необходимо снижать величину шумового тока, который связан следующим образом с величиной обратного темнового тока:
d
где i - величина обратного темнового тока, A; q - заряд электрона, Кл.
С другой стороны, для повышения D* фотодиода необходимо увеличивать площадь чувствительной площадки S, что ведет к увеличению собственной емкости и, следовательно, снижению быстродействия фотодиода.
3
5
Таким образом, задача увеличения эффективности фотодиода для ИК-излучения на основе полупроводников AB за счет одновременного увеличения его обнаружительной способности и быстродействия не решена.
3
5
*
Одним из недостатков существующих фотодиодов для ИК-излучения на основе полупроводников AB является снижение их эффективности из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом. Площадь чувствительной площадки S уменьшается на величину площади контакта на ее поверхности, при этом уменьшается D фотодиода. В формуле (1) под S понимается эффективная площадь чувствительной площадки, а именно площадь чувствительной к ИК-излучению поверхности, не занятой контактами.
Для таких типов полупроводниковых приборов как транзисторы [LI Xian-Jie, CAI Dao-Min, ZENG Qing-Ming, LIU Shi-Yong, LIANG Chun-Guanng, Self-Aligned InP/InGaAs single heterojunction bipolar transistor with novel micro-airbrige structure and quasi-coplanar contacts, Chin. Phys. Lett. 20 (2), 311 (2003)], диоды Шоттки [А.Notargiacomo, R.Bagni, E.Giovine, V.Foglietti, S.Carta, M.Pea, L. Di Gaspare, G.Capellini, F.Evangelisti, Fabrication of air-bridge Schottky diodes on germanium for high speed IR detectors, Microelectron. Eng. (2011), doi: 10.1016/j.mee.2010.11.046] известны мостиковые контакты.
0.88
0.12
max
i
-2
2
3
5
*
8
-1
1/2
Известен p-i-n фотодиод для ИК-излучения на основе InAsSb для спектрального диапазона 2.5-4.9 мкм [В.В.Шерстнев, Д.Старостенко, И.А.Андреев, Г.Г.Коновалов, Н.Д.Ильинская, О.Ю.Серебренникова, Ю.П.Яковлев, Письма в ЖТФ 37 (1), 11-17 (2011)], взятый за аналог. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированную на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-InAs состоит из широкозонного слоя InAsSbP, активной области InAsSb и широкозонного окна InAsSbP. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 300 мкм. Фронтальный контакт к слою p-InAsSbP является точечным с диаметром 30 мкм и контактная площадка располагается на поверхности чувствительной площадки фотодиода. Тыльный контакт к подложке n-InAs является сплошным. Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигает 4.9 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляет 2.5 мкм. Токовая монохроматическая чувствительность фотодиодов в максимуме спектра (λ=4.0-4.6 мкм) имеет значение R=0.6-0.8 A/W, что соответствует квантовой эффективности 15-20%. Значение плотности обратных темновых токов фотодиода составляет (1.3-7.5)×10 А/см при напряжении обратного смещения U=-0.2 В. Быстродействие фотодиода является типичным для приборов на основе AB и составляет 1-5 нс. Обнаружительная способность фотодиодов в максимуме спектральной чувствительности с учетом токовой монохроматической чувствительности и величины шумов, определяемых дробовыми шумами сопротивления в 200-500 Ом, достигает значений D=(5-8)×10W×cm×Hz.
К достоинствам данного фотодиода можно отнести возможность работы при комнатной температуре в длинноволновом диапазоне 2.5-4.9 мкм.
*
Основным недостатком устройства-аналога являются невысокая эффективность за счет низких обнаружительной способности и быстродействия фотодиода. Обнаружительная способность D фотодиода снижена из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом. Кроме того, в данной конструкции уменьшение площади чувствительной площадки, позволяющее снизить собственную емкость и, соответственно, повысить быстродействие фотодиода, приведет к дальнейшему снижению обнаружительной способности.
0.78
0.22
0.18
0.82
0.66
0.34
0.025
0.975
i
10
-1
1/2
Известен p-i-n фотодиод для ИК-излучения на основе GaInAsSb для спектрального диапазона 0.9-2.4 мкм [И.А.Андреев, О.Ю.Серебренникова, Г.С.Соколовский, Е.В.Куницына, В.В.Дюделев, И.М. Гаджиев, А.Г.Дерягин, Е.А.Гребенщикова, Г.Г.Коновалов, М.П.Михайлова, Н.Д.Ильинская, В.И.Кучинский, Ю.П.Яковлев, Письма в ЖТФ 36 (9), (2010)], взятый за аналог. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированную на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-GaSb состоит из активной области n-GaInAsSb и широкозонного окна p-GaAlSbAs. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 100 мкм. Фронтальный контакт к слою p-GaAlAsSb является точечным с диаметром 30 мкм и контактная площадка располагается на поверхности чувствительной площадки фотодиода. Тыльный контакт к подложке n-GaSb является сплошным. Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигает 2.4 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляет 0.9 мкм. При нулевом смещении фотодиоды имели собственную емкость 2.0-3.0 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода имеет величину 0.9-1.2 пФ. Токовая монохроматическая чувствительность на длине волны λ=2.1 мкм достигает R=0.9-1.1 A/W, что соответствует квантовой эффективности 0.6-0.7 без антиотражающего покрытия. Величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода составляет (500-1000) нА при обратном напряжении U=-(0.5-3.0) В. Обнаружительная способность фотодиодов, определенная по формуле [1], в максимуме спектра имеет значение D*=9.0×10 W×cm×Hz. Быстродействие фотодиода, определяемое по времени нарастания импульса фотоотклика на уровне 0.1-0.9, составляет величину (130-150) пс. Полоса пропускания фотодиодов достигает значения 2 HGz.
К достоинствам данного фотодиода можно отнести достаточно высокое быстродействие для приемников ИК-излучения в спектральном диапазоне 0.9-2.4 мкм при высоком значении обнаружительной способности, т.е. довольно высокую эффективность при комнатной температуре.
*
Основными недостатками устройства-аналога являются снижение эффективности из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом, приводящего к уменьшению эффективной площади чувствительной площадки и, таким образом, к уменьшению D фотодиода, а также невозможность дальнейшего снижения собственной емкости фотодиода, и, следовательно, повышения его быстродействия при сохранении/повышении обнаружительной способности за счет уменьшения площади чувствительной площадки.
3
5
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0.52
0.48
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
0.52
0.48
0.53
0.47
s
2
5
0.53
0.47
0.53
Известен быстродействующий p-i-n фотодиод на основе InGaAs для селективного перестраиваемого приемного устройства - фильтра, работающего на длине волны 1.55 мкм с диапазоном перестройки 44 нм [C.Dhanavantri, H.Halbritter, O.P.Daga, J.P.Pachauh, F.Riemenschneider, P.Meissner, and B.R.Singh, Fabrication of PIN diodes for WDM tunable and wavelength selective receivers, in Proc. 7th Conference on Optoelectronics, Fiber Optics & Photonics (Photonics), Cochin, Indien, Dezember 2004, p.340], взятый за прототип. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированной на поверхности полупроводниковой гетероструктуры на основе AB, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-lnP состоит из буферных слоев InAlAs и InGaAs, общей толщиной 65 nm, легированных n-слоев InAlAs, InGaAs и InAlAs, толщиной 200 nm, 50 nm and 500 nm, соответственно; нелегированной активной области InGaAs; верхних р-слоев InAlAs и InGaAs, толщиной 200 nm and 50 nm. На структуру со стороны подложки InP нанесено диэлектрическое Брэгговское зеркало из 7 пар SiO/TaO, необходимое для применения фотодиода в качестве селективного перестраиваемого фильтра. Для создания мезы использовалось мокрое травление. На первой стадии с фронтальной поверхности гетероструктуры вокруг чувствительной площадки мезы удалялись все слои до контактного n-InGaAs слоя. На второй стадии ступенчатого травления с одной стороны от мезы удалялись все слои до подложки InP. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 100 мкм. Омические контакты р и n выполнены фронтальными, поскольку с тыльной стороны подложки нанесено Брэгговское зеркало. С противоположных сторон мезы на фронтальной поверхности сформированы две контактные площадки: n-Ti/Pt/Au - на контактном n-InGa-As слое, p-Pd/AuGe/Au - на поверхности подложки InP. Омический контакт p-Pd/AuGe/Au, усиленный электролитическим золотом толщиной 2.5 мкм, выполнен в мостиковой конфигурации. Один конец мостика в виде кольца с диаметром, близким к диаметру мезы, лежит на чувствительной площадке. Другой конец мостика соединен с контактной р площадкой на поверхности подложки InP.
-2
-2
Пик спектральной чувствительности фотодиодов на основе InGaAs, выращенных на подложке InP, лежит на длине волны 1.55 мкм. Диапазон спектральной чувствительности фотодиодов является узким - полуширина пика на полувысоте составляет 0.2 нм и диапазон перестройки пика 44 нм. Фотодиоды с диаметром мезы 100 мкм имеют собственную емкость при нулевом смещении ~2.5 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода падает до ~1.0 пФ. Плотность емкости меняется от 7.7 мкФ×см до 9.7 мкФ×см при изменении диаметра мезы от 500 мкм до 60 мкм. Плотность обратного темнового тока фотодиодов 100 мкм составляет ~10 нА при обратном напряжении U=-3.0 В. Ширина полосы пропускания InGaAs/InAlAs/InP фотодиодов достигает 2.5 ГГц.
+
+
+
Данная конструкция фотодиода с мостиковым контактом позволяет минимизировать паразитную емкость. А именно, при включении фотодиода в схему в качестве селективного фильтра контактные провода, подводимые к n и pконтактным площадкам, не находятся над рабочей мезой прибора, и паразитная емкость, возникающая между контактным проводом и проводящими слоями рабочей мезы, отсутствует. Однако из-за расположения pконтактной площадки непосредственно на подложке InP возникает дополнительная емкость, снижающия быстродействие фотодиода. Поскольку один конец контактного мостика лежит на чувствительной площадке, а другой соединен с контактной площадкой на поверхности подложки InP, мостик расположен в разных плоскостях и претерпевает двойной изгиб. Такой изгиб приводит к возникновению механических напряжений и снижению надежности конструкции, что, в свою очередь, требует создания достаточно толстого мостика и кольца большой площади на его конце, соединенном с чувствительной площадкой. Данное кольцо затеняет чувствительную площадку, эффективная площадь фотодиода уменьшается, и обнаружительная способность прибора падает.
Создателям устройства-прототипа удалось минимизировать паразитную емкость, однако собственная емкость InGaAs/InAlAs/lnP фотодиода уменьшена не до предельных значений для данного материала. Так полоса пропускания данного фотодиода в 20 раз меньше известных фотодиодов на основе Ge, работающих в том же спектральном диапазоне 1.55-1.7 мкм [Klinger, M. Berroth, M.Kaschel, M.Oehme, E. Kasper, Photonics Technology Letters, IEEE 21 (13), 920 (2009)].
К достоинствам данного фотодиода можно отнести повышение его эффективности, а именно повышение быстродействия за счет снижения паразитной емкости благодаря мостиковому фронтальному контакту.
Основными недостатками фотодиода-прототипа являются низкая надежность и недостаточная эффективность. Надежность конструкции фотодиода снижается при механических напряжениях, возникающих из-за изгиба мостикового фронтального контакта. Потери в обнаружительной способности происходят за счет значительного затенения чувствительной площадки кольцевой частью мостикового контакта, а в быстродействии - из-за высокой собственной емкости для фотодиода на основе данных материалов и возникновения дополнительной емкости при расположении контактной площадки на подложке.
3
5
Задачей, решаемой изобретением, является увеличение эффективности полупроводникового фотодиода для ИК-излучения на основе гетероструктур AB.
3
5
3
5
3
5
Задача решается полупроводниковым фотодиодом для инфракрасного излучения, включающим гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений AB на подложке AB с двумя сформированными мезами, тыльным и фронтальным омическими контактами к гетерострукгуре, тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен на подложку, а фронтальный выполнен в виде соединяющего мезы мостика, продольная ось которого сориентирована под углом от 40° до 50° к кристаллическому направлению {110} подложки AB, электрически изолированного от одной из мез слоем анодного окисла с нанесенным на этот слой по меньшей мере одним слоем диэлектрика.
Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является увеличение эффективности фотодиода за счет одновременного увеличения быстродействия и обнаружительной способности прибора.
*
В таком фотодиоде, как выявили авторы, формирование двух мез позволяет вынести за пределы чувствительной площадки на поверхности одной мезы большую часть фронтального контакта и расположить ее на поверхности (контактной площадке) другой мезы. В отличие от прототипа, имеющего одну мезу и, как следствие, претерпевающий изгиб в двух местах металлический контактный мостик, в предлагаемом фотодиоде контактный мостик располагается в одной плоскости и не требует для увеличения механической прочности контактного кольца большой площади на его конце, соединенном с чувствительной площадкой. Фронтальный контакт в виде мостика не затеняет чувствительной площадки, за счет чего повышается обнаружительная способность D прибора. Авторами обнаружено, что в отличие от прототипа в фотодиоде с двумя мезами возможно независимо от площади фронтального контакта уменьшать площадь чувствительной площадки. И если в прототипе быстродействие увеличивается незначительно, только за счет уменьшения паразитной емкости при создании мостикового контакта, то в предлагаемом фотодиоде быстродействие возрастает как за счет уменьшения паразитной емкости, так и, более значительно, за счет снижения собственной емкости прибора. Ориентирование мостикового контакта в нужном кристаллическом направлении позволяет получить гладкий (без ступенек) профиль травления гетероструктуры под контактом, что приводит к снижению величины обратных темновых токов фотодиода, следовательно, уровня шумов и, как результат, к увеличению обнаружительной способности.
3
5
-11
-12
3
5
14
15
-3
4
-2
3
5
3
5
3
5
3
5
Быстродействие полупроводникового фотодиода с p-n переходом определяется тремя факторами - временем диффузии созданных ИК-излучением носителей до области пространственного заряда, временем пролета области пространственного заряда носителями и постоянной времени RC. Предлагаемый фотодиод (как и прототип) имеет широкозонное окно, прозрачное для принимаемого излучения в спектральном ИК-диапазоне. Такая конструкция позволяет подавить поверхностную рекомбинацию и обеспечить генерацию носителей в области пространственного заряда, исключив, таким образом, вклад диффузионной составляющей, определяемой временем диффузии носителей до области пространственного заряда. Так как время пролета носителями области пространственного заряда p-n перехода, толщина которой для полупроводников в гетероструктурах на основе AB равна 2-3 мкм, по оценкам авторов составляет менее 10 пс (τ=10-10 с), определяющим быстродействие фактором является собственная емкость фотодиода. Таким образом, увеличение быстродействия фотодиода может быть достигнуто за счет снижения собственной емкости прибора. В свою очередь, собственная емкость полупроводникового фотодиода определяется концентрацией носителей в активной области и площадью чувствительной площадки. Концентрация носителей в эпитаксиальных слоях AB может быть снижена до такого низкого уровня, как 10-10 cm при высоком структурном совершенстве слоя и низкой плотности дислокации несоответствия (<10 cm) на гетерограницах, что следует отнести к преимуществам фотодиодов на основе гетероструктур AB. Дальнейшее же уменьшение площади чувствительной площадки в фотодиоде-прототипе практически невозможно, т.к. мостиковый фронтальный контакт, располагающийся в разных плоскостях и претерпевающий двойной изгиб, для повышения надежности конструкции соединен с чувствительной площадкой металлическим кольцом большой площади. Уменьшение площади чувствительной площадки при такой конструкции приведет к снижению обнаружительной способности фотодиода из-за значительного затенения чувствительной площадки кольцевой частью фронтального контакта. В предлагаемом фотодиоде в отличие от прототипа сформированы две мезы, что дает возможность независимо уменьшать площадь чувствительной площадки одной из них и увеличивать площадь контактной площадки другой. Чувствительная и контактная площадки мез соединены фронтальным омическим контактом, выполненным в виде металлического мостика, изолированного от подконтактной площадки анодным окислом и нанесенным на него по меньшей мере еще одним слоем диэлектрика. При такой конструкции фотодиода травление слоев гетероструктуры под мостиковым контактом осуществляется одновременно с травлением мез. Глубина травления должна быть достаточной для протравливания слоев под металлическим мостиком и, тем самым, формирования двух мез. Кроме того, травление должно обеспечивать гладкий (без ступенек) профиль травления. В противном случае, каждая из ступенек и неоднородностей будет приводить к возрастанию токов утечки фотодиода, вносящих, как обнаружено авторами, подавляющий вклад в величину обратного темнового тока фотодиодов с малыми диаметрами чувствительной площадки (<300 мкм). Как результат, будет возрастать уровень шумов и падать обнаружительная способность фотодиода. Для решения данной проблемы авторы предлагают ориентировать определенным образом металлический мостик относительно кристаллографических направлений в материале, учитывая различие скоростей травления в различных направлениях. Предлагаемый фотодиод создан на основе полупроводников AB. Для всех соединений AB скорости растворения зависят от ориентации следующим образом: V{111}B>V{110}>V{100}>>V{111}A. Авторы обнаружили, что если продольная ось контактного мостика сориентирована под углом (40-50)° к кристаллографическому направлению {110}, то, например, мокрое травление позволяет получить гладкий (без ступенек) профиль под контактом. Это приводит к снижению величины обратных темновых токов фотодиода и, следовательно, уровня шумов и, в конечном итоге, к увеличению обнаружительной способности. Данное утверждение справедливо для всех кристаллических полупроводников AB.
Чтобы электрически изолировать металлический мостиковый контакт от контактной площадки и, тем самым, контактную площадку от чувствительной, используется диэлектрик. Авторами обнаружено, что использование многослойного диэлектрика, состоящего из анодного окисла и других диэлектрических слоев, одновременно позволяет:
3
5
- получить достаточно толстый слой диэлектрика, толщиной не менее 0.3 мкм, обеспечивающий надежную электрическую изоляцию мостикового контакта от материала гетероструктуры AB;
- уменьшить высоту ступеньки диэлектрика за счет особенностей процесса анодного окисления.
3
5
3
6
Известно, что наличие резких ступеней диэлектрика является нежелательным при производстве приборов из-за возникновения трещин при термическом осаждении металла, а также из-за возможного брака при проведении фотолитографических процессов, связанных с неоднородностью нанесения и экспонирования фоторезиста на топологических ступенях. Особенностью же химических свойств рассматриваемых материалов AB определяется необходимость создавать топологический рисунок только методом взрывной фотолитографии, в результате чего априори получается резкий край ступени диэлектрика. Анодный окисел на поверхности гетероструктуры AB формируется вглубь материала. Это позволяет получить общую толщину диэлектрика не менее 0.3 мкм при снижении высоты диэлектрической ступени на 2/3 величины по сравнению с высотой диэлектрической ступени, образующейся при отсутствии анодного окисла.
Изобретение поясняется Фиг.1 и Фиг.2.
На Фиг.1 схематически изображен предложенный полупроводниковый фотодиод для ИК-диапазона спектра, где
1 - подложка;
2 - меза с чувствительной площадкой;
3 - меза с контактной площадкой;
4 - спои диэлектриков;
5 - тыльный омический контакт;
6 - фронтальный омический контакт в виде мостика.
На Фиг.2 схематически изображен вид сверху полупроводникового фотодиода для ИК-диапазона спектра, где
2 - меза с чувствительной площадкой;
3 - меза с контактной площадкой;
6 - фронтальный омический контакт в виде мостика.
Фотодиод работает следующим образом. При попадании фотона ИК излучения на поверхность мезы с чувствительной площадкой 2 он проходит через широкозонное окно и поглощается в области пространственного заряда p-n перехода между широкозонным окном и активной областью. При поглощении фотона образуется электронно-дырочная пара, которая разделяется электрическим полем объемного заряда. Электроны доходят до тыльного омического контакта 5 и дырки - до фронтального омического контакта 6 и образуют фототок во внешней цепи. Фототок, проходя во внешней цепи, образует на нагрузочном сопротивлении напряжение, которое пропорционально фототоку. Это напряжение измеряется во внешней цепи осциллографом либо вольтметром.
Пример 1.
3
5
0.78
0.22
0.18
0.82
0.66
0.34
0.025
0.975
3
4
Созданный полупроводниковый фотодиод включал гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений AB на подложке 1 GaSb, две сформированные на поверхности гетероструктуры мезы 2 и 3, тыльный 5 и фронтальный 6 омические контакты. Гетероструктура на подложке 1 из n-GaSb состояла из активной области (n-GaoInAsSb) толщиной 1-3 мкм и широкозонного окна (p-GaAlSbAs) толщиной 0.5-2.5 мкм. На основе гетероструктуры изготавливался полупроводниковый фотодиод для ИК-излучения с двумя мезами. Поверхность одной мезы 2 являлась чувствительной площадкой, а поверхность другой мезы 3 - контактной. Чувствительная площадка была выполнена в форме круга диаметром 50 мкм, контактная площадка - в форме прямоугольника размерами 50×70 мкм. Тыльный AuTe/Au омический контакт 5 был нанесен на подложку n-GaSb и выполнен сплошным. Фронтальный омический контакт 6 был сформирован к слою p-GaAlAsSb и представлял собой мостик шириной 20 мкм и длиной 85 мкм. Мостик формировался напылением Cr-Au толщиной 2200 Å, и нанесением гальванического Au толщиной 3-6 мкм. Для обеспечения контакта одной стороной мостик заходил на чувствительную площадку 2 на 10 мкм, а другой стороной - на контактную площадку 3, покрытую диэлектриком 4. Со стороны контактной площадки мостик заканчивался прямоугольной частью размером 60×40 мкм. Продольная ось мостика была сориентирована под углом 45° к кристаллическому направлению {110} подложки. Мезы формировались мокрым травлением после нанесения контактов. Мостиковый контакт 6 изолирован от контактной площадки 3 и, следовательно, полупроводникового материала гетероструктуры двухслойным диэлектриком 4 толщиной 0.3 мкм, состоящим из слоя анодного окисла толщиной 0.2 мкм и слоя SiN толщиной 0.1 мкм.
15
-3
*
11
-1
1/2
i
Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигала 2.4 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляла 0.9 мкм. Для снижения концентрации основных носителей в активной области в качестве легирующей примеси использовался теллур. Исследование вольт-емкостных характеристик показало, что распределение примеси в гетероструктуре было резким, а концентрация носителей в активной области составила (0.7-2)10 cm. При нулевом смещении фотодиоды имели собственную емкость 1.0-2.0 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода составляла величину 0.5-1.9 пФ. Токовая монохроматическая чувствительность на длине волны λ=2.1 мкм составила R=0.9-1.1 A/W, что соответствует квантовой эффективности 0.6-0.7 без антиотражающего покрытия. Величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода составила 200-500 нА при обратном напряжении U=-(0.5-3.0) В. Обнаружительная способность фотодиодов, оцененная по формуле (1), в максимуме спектра имеет значение D=1.2×10 W×cm×Hz. Быстродействие фотодиода, определяемое по времени нарастания импульса фотоотклика на уровне 0.1-0.9, составило величину 50-100 пс. Полоса пропускания фотодиодов достигает величины 5 HGz.
Данный фотодиод для ИК-излучения имеет высокую эффективность за счет рекордных в данном спектральном диапазоне до 2.4 мкм обнаружительной способности и быстродействия. В отличие от прототипа в данном фотодиоде фронтальный мостиковый контакт незначительно заходит на чувствительную площадку и затеняет менее 1/10 ее площади, что позволяет получить высокое значение обнаружительной способности. В устройстве-прототипе быстродействие было увеличено за счет снижения паразитной емкости, в то время как в предлагаемом фотодиоде быстродействие увеличено за счет снижения как паразитной, так и собственной емкости прибора. В отличие от прототипа наличие двух мез позволяет независимо от площади контактной площадки уменьшать площадь чувствительной площадки, снижая собственную емкость. Кроме того, в прототипе расположение контактной площадки на подложке приводит к возникновению дополнительной емкости. В предлагаемом приборе контактной площадкой является поверхность одной из мез, что позволяет избежать дополнительной емкости.
3
5
Сравнение с прототипом возможно провести только по конструкции. Сравнение параметров разработанного фотодиода и прототипа затруднительно, поскольку значения параметров, в том числе спектральный диапазон работы прибора, зависят от выбранного материала. Однако новые конструктивные решения, описанные в формуле изобретения, позволяют для фотодиода на основе любых полупроводниковых соединений AB получить повышение эффективности за счет одновременного увеличения его обнаружительной способности и быстродействия. Также по сравнению прототипом надежность конструкции разработанного фотодиода выше, так как мостиковый фронтальный контакт располагается в одной плоскости и не претерпевает изгибов.
Пример 2.
*
11
-1
1/2
То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 40° к кристаллическому направлению {110} подложки. В результате величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода незначительно увеличилась по сравнению с фотодиодом в Примере 1 и составила 300-600 нА, что привело к незначительному снижению обнаружительной способности фотодиодов до D=1.0×10W×cm×Hz и не оказало влияния на значения остальных параметров фотодиода. Показано, что по сравнению с прототипом фотодиод имеет такие же преимущества, как фотодиод в Примере 1.
Пример 3.
*
11
-1
1/2
То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 50° к кристаллическому направлению {110} подложки. В результате величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода незначительно увеличилась по сравнению с фотодиодом в Примере 1 и составила 300-600 нА, что привело к незначительному снижению обнаружительной способности фотодиодов до D=1.0×10 W×cm×Hz и не оказало влияния на значения остальных параметров фотодиода. Показано, что по сравнению с прототипом фотодиод имеет такие же преимущества, как фотодиод в Примере 1.
Пример 4.
То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 35° к кристаллическому направлению {110} подложки. За время формирования мез с заданным шаблоном размером протравливания под металлическим фронтальным контактом в виде мостика не произошло, и две сформированные мезы не были изолированы друг от друга. Дальнейшее травление привело к искажению формы боковых стенок мез.
Пример 5.
То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 55° к кристаллическому направлению {110} подложки. За время формирования мез с заданным шаблоном размером протравливание под металлическим фронтальным контактом в виде мостика было неполным и форма боковых стенок мез в районе мостика была сильно искажена.