ПЛАНАРНЫЙ pin-ФОТОДИОД НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР InGaAs/InP

Заявляемый планарный pin-фотодиод относится к области фоточувствительных полупроводниковых приборов, регистрирующих излучение в диапазоне длин волн 0,9-1,7 мкм. Эти приборы используются в лазерных оптико-электронных системах обнаружения источника лазерного излучения, в волоконно-оптических системах передачи информации, в автоматических системах ориентации при взлете-посадке летательных аппаратов, в лазерных локаторах и дальномерах.
Заявляемая полезная модель направлена на увеличение быстродействия планарного p-i-n-фотодиода на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/InP при поглощении излучения в необедненной n-области слева и справа от p-n-перехода.
Известны способы улучшения быстродействия планарного p-i-n-фотодиода реализованные:
в составе фотоприемного устройства (ФПУ) за счет схемотехнических решений [«Особенности схемотехники импульсных пороговых ФПУ с малым временем восстановления чувствительности после воздействия импульса перегрузки» П.М. Боровков, Л.Н. Казарин, Н.В. Кравченко, А.В. Потапов, М.А. Тришенков Прикладная физика, 2015, №1, с. 61];
либо за счет изменения конструкции кристалла фотодиода: создание металлической диафрагмы со стороны подложки в сочетании с засветкой p-n-перехода со стороны прозрачной для излучения в рабочем диапазоне длин волн подложки InP [A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды - М.: Физматкнига, 2011].
Первый способ улучшения быстродействия усложняет электрическую схему обработки сигнала в ФПУ. Второй вариант усложняет технологию изготовления фотодиода за счет введения двусторонней фотолитографии в технологию его изготовления и оправдан только для сверхвысокочастотных применений с диаметром фоточувствительной площадки устройства не более 50 мкм.
3
4
Прототипом заявляемой модели является планарный pin-фотодиод (фиг. 1), на которой представлено поперечное сечение аналога полезной модели), содержащий высоколегированную подложку InP n+-типа проводимости (1), на которой эпитаксиальным методом выращен высоколегированный буферный n+ слой InP (2), светопоглощающий слой InGaAs n-типа проводимости (3) и слой входного окна InP также n-типа проводимости (4). В слоях 3 и 4 локально через отверстие в диэлектрическом пассивирующем слое SiN (5) с помощью диффузии сформирована фоточувствительная область (6) p+-типа проводимости. Кроме этого, pin-фотодиод содержит антиотражающее покрытие (7) и контакты к n- (8) и p-областям (9). Прототип описан в [Браер М.А., Забенькин О.Н., Кулыманов А.В., Огнева О.В., Равич В.Н., Чинарева И.В. Планарные pin-фотодиоды на основе гетероструктур InGaAs/InP Письма в Журнал технической физики. - 1990. - т. 16. - вып. 18.].
Недостатком прототипа является низкое быстродействия фотодиода при поглощении излучения в необедненной n-области слева и справа от p-n-перехода за счет диффузионной составляющей темнового тока.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение быстродействия фотодиода при поглощении излучения в необедненной n-области слева и справа от p-n-перехода.
3
4
Решение поставленной задачи достигается тем, что в планарный pin-фотодиод на основе гетероэпитаксиальных структур InGaAs/InP, содержащий высоколегированную подложку InP n+-типа проводимости 1, на которой эпитаксиальным методом выращены высоколегированный буферный n+слой InP 2, светопоглощающий слой InGaAs n-типа проводимости 3 и слой входного окна InP n-типа проводимости 4, фоточувствительную область 6 p+-типа проводимости, сформированную в слоях 3 и 4 локально через отверстие в диэлектрическом пассивирующем слое SiN 5 с помощью диффузии, антиотражающее покрытие 7 и контакты к n- 8 и p-областям 9, включаются дополнительная область «кармана» 10, формируемая, одновременно с фоточувствительной областью 6, и контакт 11, сформированный в едином технологическом процессе с p-контактом 9.
Сущность полезной модели поясняется примером реализации заявляемого устройства:
фиг. 2, на которой представлено поперечное сечение заявляемого устройства;
фиг. 3, на которой представлен фотоотклик при освещении фоточувствительной площадки фотодиода-аналога;
фиг. 4, на которой представлен фотоотклик при освещении периферии фотодиода-аналога;
фиг. 5, на которой представлено распределение чувствительности по площадкам прототипа фотодиода и фотодиода с «карманом» в двух режимах - режимы замкнутого на ноль «кармана» (0) и режим "плавающего кармана" (хх);
- фиг. 6, на которой представлено распределение длительности заднего фронта по площадкам фотодиода-аналога и заявляемого фотодиода двух режимах - режимы замкнутого на ноль кармана (0) и режим "плавающего кармана" (хх).
В соответствии с признаками заявляемой полезной модели авторы изготовили планарные фотодиоды. Для сравнения заявляемого устройства с устройством-аналогом была изготовлена также партия образцов с отличительными признаками аналога.
4
Фотодиоды изготавливались по одинаковой планарной технологии для pin-ФД на основе InGaAs/InP гетероструктур. В качестве маскирующей, защитной и просветляющей пленки использовалась Si3N, полученная низкотемпературным плазмо-химическим осаждением, отверстия в которой получались стандартной фотолитографией путем плазмо-химического травления указанной пленки. Фоточувствительная область и область «кармана» получалась в едином технологическом процессе с помощью диффузии кадмия в запаянной кварцевой ампуле. Контактные окна в защитной пленке вскрывались фотолитографическим методом с использованием плазмохимическим травлением. В качестве металлизации к n- и p-областям использовалась двуслойная система титан-золото с последующим вжигании в водороде.
Результаты исследования и сопоставления двух типов образцов - образцов с признаками заявляемого устройства и образцов с признаками аналога представлены на фиг. 3, 4, фиг.5 и фиг. 6.
Исследования фотодиода-аналога показали что, фотоотклик при освещении фоточувствительной площадки фотодиода составляет 650 пс на переднем фронте и 850 пс на заднем фронте (фиг. 3), в то время как при освещении периферии фотодиода величины фотоотклика увеличиваются на порядок: 6,95 нс на переднем фронте и 69,75 нс на заднем фронте (фиг. 4). Кроме того на периферии наблюдается диффузионная затяжка заднего фронта.
Из фиг. 5 следует, что в случае замкнутого на ноль «кармана» сбор заряда осуществляется с меньшей площади, соответствующей диаметру фоточувствительной площадки 200 мкм.
Распределение длительности заднего фронта на фиг. 6 окончательно подтверждает уменьшение времени восстановления чувствительности фотодиода. Видно, что в режиме "плавающего кармана" (хх) длительность заднего фронта 300 нс, тогда как в случае замкнутого на ноль кармана (0) на порядок меньше, 35 нс.
В результате проведенного исследования заявляемого фотодиода выявлено, что за счет замкнутого на ноль «кармана» устраняются медленные диффузионные составляющие на периферии, что приводит к уменьшению времени восстановления чувствительности на порядок.