Мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP
MESASTRUCTURAL PHOTODIODE BASED ON HETEROEPITAXIAL STRUCTURE OF INGAAS / ALINAS / INP

Изобретение относится к матричным фотоприемным устройствам (ФПУ) на основе фотодиодов (ФД), изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп InGaAs/AlInAs/InP, преобразующих излучение в коротковолновой инфракрасной области спектра (0,9-1,7 мкм).
Фотоприемные устройства на основе фотодиодов, изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп полупроводниковых соединений InGaAs/AlInAs/InP, широко используются в различных применениях, связанных с построением изображений объектов наблюдения, характеризующихся сверхмалым уровнем сигнала. Они обладают малыми темновыми токами и высокой обнаружительной способностью.
Имеются различные конструкции фотодиодов в матрице фоточувствительных элементов (МФЧЭ). По типу формирования чувствительных элементов различают планарные и мезаструктурные ФД. Во всех конструкциях у фотодиодов имеется обратно смещенный p-n или p-i-n переход, который формируется путем использования слоев p-, n- и i-типа проводимости. ФД функционирует таким образом, чтобы формируемые под воздействием падающего излучения инфракрасной области спектра носители заряда, электроны и дырки, разделялись полем p-n перехода и принимали участие в процессе фотопроводимости.
0,53
0,47
0,48
0,52
Для повышения эффективности работы современные фотодиоды имеют барьерные слои, которые создаются в единой гетероэпитаксиальной структуре с помощью прогрессивных методов выращивания, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и мосгидридная эпитаксия (МОСГЭ). Барьерные слои являются более широкозонными по сравнению с поглощающими узкозонными слоями и за счет этого зонная диграмма полупроводниковых соединений имеет ряд особенностей, влиящих на выходные фотоэлектрические параметры матричных ФПУ. В качестве поглощающего слоя в гетероструктурах InGaAs/AlInAs/InP выступает полупроводниковый слой с узкой шириной запрещенной зоны, например InGaAs, в то время как слой с более широкой запрещенной зоной AlInAs, является барьерным. Размещение широкозонного слоя в области p-n перехода существенно уменьшает темновые токи диффузии, генерации-рекомбинации и туннелирования, и таким образом, увеличивает отношение сигнал/шум.
Известен многоэлементный фотоприемник на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP [Способ изготовления многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP, Болтарь К.О., Седнев М.В., Шаронов Ю.П., Смирнов Д.В., Киселева Л.В., Савостин А.В., патент на изобретение № RU 2530458 С1 от 23.04.2013, ОАО «НПО «Орион»], который формируется методом травления гетероструктуры InGaAs/InP на отдельные p-i-n фотодиоды с минимальным коэффициентом фотоэлектрической связи между ними. Изобретение обеспечивает формирование матриц фоточувствительных элементов с минимальными потерями светового потока, минимальным коэффициентом фотоэлектрической взаимосвязи и высоким быстродействием. Недостатком данного многоэлементного фотоприемника являются повышенные темновые токи p-i-n фотодиодов, поскольку мезаструктурное разделение элементов в матрицах, ограничивающее токи диффузии в боковых областях структуры, не обеспечивает ограничения других токовых составляющих темнового тока, таких как: токи диффузии, генерации-рекомбинации, туннелирования и утечки.
В качестве ближайшего аналога для представляемого изобретения выбран p-i-n фотодиод [Low dark current photodiode, Augusto Gutierrez-Aitken, Edward A. Rezek, Patent No: US 6 566 724 B1, Date of Patent 20.05.2003 г.], обеспечивающий существенное уменьшение темнового тока за счет использования широкозонного барьерного слоя в области p-n-перехода, который служит для подавления диффузионного тока электронов за счет использования барьера в зоне проводимости; тока генерации-рекомбинации за счет размещения области объемного заряда в широкозонном слое; туннельных токов и токов утечки за счет пассивации узкозонного поглощающего слоя широкозонным барьерным. Недостатком данного фотодиода с широкозонным барьерным слоем является дополнительный барьер и разрыв энергетического уровня в валентной зоне структуры, что приводит к снижению квантовой эффективности при рабочих напряжениях смещения.
Задачами настоящего изобретения являются устранение разрыва в валентной зоне, выравнивание энергетического уровня и как следствие увеличение квантовой эффективности и чувствительности в матричных мезаструктурных фотодиодах на основе полупроводниковых соединений InGaAs/AlInAs/InP с барьерными широкозонными слоями AlInAs при сохранении малых темновых токов и шумов.
Технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается тем, что мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP, изготовленный по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах InGaAs/AlInAs/InP, работающих в коротковолновой области спектра, содержит:
- оптически прозрачную подложку InP n-типа;
- буферный слой InP n-типа проводимости, к которому формируется n-контакт;
0,53
0,47
- слой поглощения InGaAs n-типа с шириной запрещенной зоны, настроенной на заданный спектральный диапазон;
0,52
0,48
- барьерный слой InAlAs p+-типа с шириной запрещенной зоны большей, чем ширина запрещенной зоны поглощающего слоя;
- контактный слой InGaAs p+-типа;
- в структуру между барьерным слоем и контактным слоем добавлен слой AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны и двумя дельта-легированными слоями p- и n-типа проводимости, для достижения высокой квантовой эффективности и чувствительности при заданном времени считывания фотосигнала и минимальных темновых токах.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет введения в гетероэпитаксиальную структуру InGaAs/AlInAs/InP между слоем поглощения и барьерным слоем дополнительного слоя с градиентным изменением состава для устранения разрыва в области валентной зоны структуры. По краям градиентного слоя формируются два дельта-легированных слоя для выравнивания энергетического уровня валентной зоны и повышения его однородности, что позволяет устранить барьер в валентной зоне и за счет этого увеличить квантовую эффективность, а как следствие и чувствительность в матричных ФПУ на основе соединений InGaAs/AlInAs/InP.
На фиг. 1 показан мезаструктурный барьерный фотодиод p+-B-n-N+-типа на основе ГЭС InGaAs, он включает p-i-n-структуру, совмещенную с широкозонным барьерным слоем (В), использование которого в области p-n перехода позволяет эффективно подавлять ток диффузии электронов, токи генерации-рекомбинации, токи туннелирования и утечки, входящие в состав темнового тока.
Гетероэпитаксиальная структура p+-B-n-N+-типа, включает:
3
4
D
18
-3
- высоколегированную оптически прозрачную подложку InP с антиотражающим покрытием нитрида кремния SiN и концентрацией доноров в подложке InP N=(1-2)⋅10 см;
- высоколегированный буферный слой InP N+-типа проводимости толщиной ~0,3-1,0 мкм, используемый для согласования кристаллической решетки подложки со слоем поглощения и изготовления контактов к N+-области;
0,53
0,47
16
-3
- активный поглощающий слой InGaAs n-типа проводимости толщиной 2,0-2,5 мкм с уровнем концентрации n=(1-2)⋅10 см и высоким значением подвижности носителей заряда;
0
52
0,48
0,53
0,47
g
15
-3
- широкозонный барьерный слой In,AlAs (В) P-типа проводимости, толщина которого составляет 0,1-0,5 мкм с концентрацией акцепторов p=(1-2)⋅10 см, пассивирующий поглощающий слой InGaAs (E=0,75 эВ) и уменьшающий токи поверхностной рекомбинации;
0,53
0,47
- контактный высоколегированный слой InGaAs p+-типа толщиной 0,1-0,5 мкм для создания омического контакта к p-области.
Параметры слоев, входящих в состав мезаструктурного фотодиода p+-B-n-N+-типа, сформированного на подложке InP, приведены в таблице 1.
0.52
0.48
0.53
0.47
На фиг. 2(а) схематично представлена область разрыва в зонной диаграмме между барьерным и поглощающим слоями p-InAlAs/n-InGaAs.
С
V
Согласно модели Андерсона [Anderson, R. Experiments on Ge-GaAs heterojunctions / R. Anderson // Solid-State Electronics. - 1962. - Vol. 5. - P. 341] на гетерогранице различных по составу слоев расхождение энергии для зоны проводимости Е и валентной зоны E описываются формулами
C
1
2
ΔE=χ-χ
V
g
C
ΔE=ΔE-ΔE,
g
F
где E - ширина запрещенной зоны, E - положение уровня Ферми, χ - энергия электронного сродства, которая определяется как энергия, необходимая для переноса электрона с состояния на краю зоны проводимости до энергетического уровня свободного электрона в вакууме.
0,53
0,47
0,52
0,48
0.52
0.48
0.53
0.47
На фиг. 2(б) показано примененное решение по устранению разрыва зонной диаграммы с помощью дополнительного четырехкомпонентного тонкого слоя AlInGaAs n- типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны для плавного перехода между кристаллическими структурами поглощающего (InGaAs) и барьерного (InAlAs) слоев, что позволяет устранить разрыв между барьерным (p-InAlAs) и поглощающим (n-InGaAs) слоями.
Необходимость дальнейшего выравнивания неоднородности энергетического уровня в валентной зоне (показано стрелочками на фиг. 2(б) приводит к необходимости введения в структуру двух сильно легированных тонких дельта-слоев n- и p-типа проводимости на границе слоя AlInGaAs с градиентным изменением ширины запрещенной зоны для устранения немонотонности энергетического уровня зонной структуры и беспрепятственного прохождения неосновных носителей заряда (дырок) к контакту при обратном напряжении смещения на структуре.
Подобные тонкие легированные слои можно математически описать с помощью дельта-функции Дирака, по названию которой данные слои получили обозначение дельта-легированных слоев. В идеале толщина дельта-слоев должна составлять один или насколько моноатомных слоев. На практике толщина данных слоев составляет 5-10 нм.
На фиг. 3 схематично представлена зонная диаграмма в области сопряжения барьерного и поглощающего слоев рассматриваемой полупроводниковой структуры p+-B-n-N+-типа с градиентным слоем и двумя дельта-легированными слоями при небольшом напряжении смещения. Введение в структуру дополнительного поля за счет использования двух дельта слоев n- и p-типа проводимости приводит к смещению и выравниванию уровня энергии валентной зоны. Показано полное устранение барьера в валентной зоне и выравнивание энергетического уровня.
Уменьшение наклона валентной зоны в градиентном слое можно оценить по формуле
s
откуда можно получить оценку концентрации дельта-слоя N, необходимой для выравнивания валентной зоны на потенциал, равный Δϕ=0.2 эВ.
Возможные параметры реализованного мезаструктурного фотодиода (концентрации слоев и их толщины) на основе гетероструктуры на основе четырехслойной архитектуры с тонким четырехкомпонентным слоем AlInGaAs переменного состава и дельта-слоями, приведены в таблице 2.
0,53
0,47
0.48
0.52
2
Гетероструктуры на основе четырехслойной архитектуры p+-B-n-N+-типа с варизонным четырехкомпонентным слоем AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны и дельта-слоями выращивалась методом мосгидридной эпитаксии на согласованной с поглощающим слоем InGaAs по кристаллической структуре подложке InP n+-типа проводимости. Для формирования матрицы фотодиодов формата 320×256 элементов гетероструктура разделялась на мезаэлементы методом ионного и финишного жидкостного травления. Шаг элементов в матрице составлял 30 мкм, размеры ФЧЭ - 20×20 мкм. Глубина травления мезаструктуры задавалась временем и скоростью травления ионами аргона до широкозонного барьерного слоя AlInAs через маску фоторезиста, что позволяло формировать отдельные ФЧЭ, пассивируя узкозонный поглощающий слой. Затем формировались контактные слои к фотодиодам и подложке.
фчэ
т
Проведены исследования параметров образцов ФПУ на основе четырехслойных ГЭС InGaAs с архитектурой n+-В-n-P+-типа с широкозонным барьерным слоем, градиентным четырехкомпонентным слоем и дельта-легированными слоями p- и n-типа. На фиг. 4(а, б) представлены (а) - диаграмма распределения темнового тока и (б) - ИК-изображение. Контроль темновых токов фотодиодов показал, что среднее по МФЧЭ значение темнового тока при напряжении обратного смещения (V=-0,35 В) составило I=8,5 фА.