ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД
AVALANCHE PHOTODIODE

Изобретение относится к полупроводниковым приборам с потенциальным барьером, работающим в режиме лавинного умножения фотовозбужденных носителей заряда и предназначенным для преобразования оптического сигнала в электрический. Изобретение может быть использовано в оптических системах связи, в системах измерения в качестве оптоэлектронного датчика, в том числе в системах детектирования частиц высоких энергий, в интегральной оптоэлектронике.
Лавинные фотодиоды представляют собой полупроводниковые оптоэлектронные приборы, принцип действия которых заключается в преобразовании потока фотонов в фотоэлектрический ток за счет внутреннего фотоэлектрического эффекта в сочетании с последующим усилением фотоэлектрического тока за счет эффекта лавинного умножения фотовозбужденных электронов или дырок в достаточно сильном электрическом поле вышеупомянутого потенциального барьера.
Особый класс лавинных фотодиодов представляют так называемые лавинные фотодиоды с раздельными поглощающим и умножительным слоями, в которых функции преобразования потока фотонов в фотоэлектрический ток и лавинного усиления последнего выполняют различные слои приборной структуры, разделенные в пространстве и контактирующие друг с другом. В последнее время такие лавинные фотодиоды часто выполняются на базе полупроводниковых гетероструктур, в которых поглощающий и умножительный слои выполнены из полупроводниковых материалов различного химического состава. При формировании гетероструктур используют материалы IV, III-V, II-VI и др. групп периодической системы, применяя совокупность как нелегированных, так и легированных полупроводниковых материалов, а также их комбинации. Использование тех или иных материалов определяется предъявляемыми к приборам требованиями. Так, для повышения быстродействия целесообразно изготавливать поглощающий слой из нелегированного материала, а для повышения выходной мощности лавинного фотодиода - из легированного материала.
Для получения высоких эксплуатационных характеристик в состав гетероструктуры вводятся дополнительные слои, например слой тянущего поля между поглощающим слоем и умножительным слоем, полевой буферный слой между слоем тянущего поля и умножительным слоем (например, US 6963089 В2, 2005-11-08); между поглощающим и умножительным слоем вводят уменьшающий темновой ток напряженный слой в виде сверхрешетки (JP 2004179404 А, 2004-06-24). Для получения более совершенных поглощающих и умножительных слоев гетероструктура может также содержать дополнительно слои в виде квантовых ям (КЯ) или квантовых точек (КТ) (например, RU 2022411 С1, 1994-10-30; US 2008006816 А, 2008-01-10).
Выбор материалов для формирования слоев гетероструктуры связан и с областью применения прибора, которая определяет его рабочий спектральный диапазон длин волн оптического излучения, для детектирования которого он предназначен, а также температурный режим, напряжение питания и пр.
R
Лавинные фотодиоды среднего и дальнего инфракрасного (ИК) диапазона (красная граница рабочего спектрального диапазона λ≈30 мкм), эксплуатируются в условиях криогенных температур (обычно, 4,2 К).
Настоящее изобретение относится к лавинным фотодиодам, предназначенным для ближнего ИК-диапазона.
Освоение ближнего ИК-диапазона является актуальным в связи с развитием оптических систем связи, интегральной оптоэлектроники, систем измерения и др. Особенно важно освоение так называемого коммуникативного диапазона длин волн λ=1,3-1,6 мкм, который соответствует диапазону наименьших оптических потерь в световодах на основе безводного кварцевого оптоволокна, используемых для передачи оптического сигнала.
R
3
5
В лавинных фотодиодах ближнего ИК-диапазона (λ=2,5÷3,5 мкм) используются поглощающие слои на основе узкозонных полупроводниковых соединений типа AB (InAs, InSb и др.). Их принцип действия основан на явлении межзонного (собственного) оптического поглощения.
Известны фотодиоды ближнего ИК-диапазона, принцип действия которых основан на явлении межподзонного оптического поглощения (фотоионизации) КЯ или КТ. Известны фотодиоды, в которых поглощающий слой выполнен в виде гетероструктур с КЯ AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs, InGaAs/InP и др., а также на базе гетероструктур с КТ InAs/GaAs, GaSb/GaAs и др. (US 2002074555 А1, 2002-06-20).
Для достижения необходимого для практических применений значения внешней квантовой эффективности фотодиода поглощающий слой выполняют в виде многослойных структур с КЯ или КТ (50-100 КЯ или слоев КТ). Фотодиоды на основе вышеприведенных структур эксплуатируются при пониженных и комнатных температурах (температурный режим большинства фотодиодов, в зависимости от рабочего диапазона длин волн, лежит в пределах 77-250 К).
R
Известен фотодиод, принцип действия которого основан на эффекте межзонного оптического поглощения, красная граница рабочего диапазона длин волн которого достигает λ≈1,6 мкм (US 2003164444 А1, 2003-09-04). Фотодиод содержит подложку и контактирующие друг с другом поглощающий и умножительный слои и может быть выполнен на основе материалов III-V, II-VI, IV группы Периодической системы. Отличительной особенностью прибора является то, что поглощающий слой выполнен таким, что при приложении к нему электрического напряжения ширина запрещенной зоны материала, из которого выполнен поглощающий слой, уменьшается за счет электрооптического эффекта Франка-Келдыша и, соответственно, красная граница рабочего спектрального диапазона сдвигается в сторону увеличения. При этом ширина запрещенной зоны материала поглощающего слоя, красная граница рабочего спектрального диапазона, рабочее напряжение, квантовая эффективность и быстродействие прибора связаны между собой определенными соотношениями.
Недостатком этого фотодиода является то, что даже малое отклонение вышеприведенных параметров от расчетных приводит к снижению квантовой эффективности и быстродействия.
В настоящее время при разработке лавинных фотодиодов ближнего ИК-диапазона большое внимание уделяется подбору материалов, допускающих интеграцию фотодиода в интегральные схемы (ИС) на базе кремния Si, позволяющей создавать микроминиатюрные приборы различного назначения.
кр
R
кр
Известны работающие при комнатных температурах лавинные фотодиоды, выполненные на кремнии Si и германии Ge. Поглощающий слой в этих фотодиодах выполнен в виде однородного слоя из Ge (например, WO 2008011281 А1, 2008-01-24) или в виде двух однородных слоев из нелегированных Ge и из Si (US 7233051 В2, 2007-06-19). Однако эти фотодиоды имеют недостаток, обусловленный тем, что при толщине слоя Ge, меньшей критической толщины образования дислокации несоответствия d, красная граница рабочего спектрального диапазона λ не превышает 1,3 мкм из-за эффекта размерного квантования, а при увеличении толщины слоя Ge свыше d ухудшаются электрические характеристики фотодиода и понижается его квантовая эффективность вследствие формирования дислокации несоответствия.
+
+
В качестве ближайшего аналога выбран фотодиод, известный по US 7233051 В2, 2007-06-19. Фотодиод содержит умножительный слой из нелегированного Si, поглощающий слой в виде однородной двухслойной структуры из нелегированных Si и Ge, расположенный между поглощающим и умножительным слоями слой p-Si, первый подконтактный слой из p-Si, расположенный на нелегированном Si слое и примыкающий к умножительному слою второй подконтактный слой из n-Si. В поглощающем слое толщина слоя Si и толщина слоя Ge составляет 100 нм.
R
Недостатком этого фотодиода, как сказано выше, является то, что в нем переход в длинноволновую область ближнего ИК-диапазона (λ=1,6 мкм) сопровождается ухудшением электрических характеристик, в частности повышением темнового тока и уровня шумов вследствие образования в слое Ge закритической толщины дислокации несоответствия. Другой недостаток, обусловленный выполнением поглощающего слоя двухслойным и наличием слоя p-Si между поглощающим и умножительным слоями, заключается в многостадийной технологии изготовления этого фотодиода.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в расширении рабочего спектрального диапазона фотодиода в области ближнего ИК-диапазона при улучшении квантовой эффективности и электрических характеристик фотодиода и упрощении его конструкции.
x
1-x
В соответствии с изобретением лавинный фотодиод, выполненный в виде гетероструктуры, содержащей поглощающий слой на основе германия и кремния, умножительный слой из кремния, примыкающий к умножительному слою первый подконтактный слой из легированного кремния и примыкающий к поглощающему слою второй подконтактный слой из легированного кремния, характеризуется тем, что поглощающий слой выполнен из легированного кремния с наноразмерными включениями твердого раствора GeSi(x≥0,5), при этом в поглощающем слое твердый раствор и кремний имеют одинаковый тип проводимости, поглощающий слой примыкает к умножительному слою из легированного кремния, тип проводимости которого отличается от типа проводимости поглощающего слоя, а концентрация легирующей примеси в умножительном слое меньше, чем концентрация легирующей примеси в поглощающем слое.
x
1-x
Целесообразно каждое из включений твердого раствора GeSi выполнить с размерами в плоскости слоя 90-130 нм и в направлении, перпендикулярном плоскости слоя, не менее 10 нм.
Первый подконтактный слой целесообразно выполнить из легированного кремния, имеющего тот же тип проводимости, что и умножительный слой, а концентрация легирующей примеси в первом подконтактном слое должна превышать концентрацию легирующей примеси в умножительном слое.
Второй подконтактный слой также целесообразно выполнить из легированного кремния, имеющего тот же тип проводимости, что и поглощающий слой, а концентрация легирующей примеси во втором подконтактном слое должна превышать концентрацию легирующей примеси в поглощающем слое.
В варианте исполнения лавинного фотодиода в виде волноводной меза-структуры второй подконтактный слой расположен на изолирующем слое, на котором расположен также волноводный слой кремния, оптически связанный с поглощающим слоем, и слой из диэлектрика, покрывающий волноводный слой кремния.
x
1-x
x
1-x
В основу изобретения положены экспериментальные данные, полученные при изучении возможностей полупроводниковой структуры с наноразмерными включениями твердого раствора GeSi(x≥0,5) в кремнии в качестве поглощающего слоя в составе лавинного фотодиода с умножительным слоем на основе кремния. Как показывают эксперименты, у фотодиода, содержащего поглощающий слой из легированного кремния с наноразмерными включениями твердого раствора GeSi(x≥0,5), имеющими тот же тип проводимости, что и кремний, и умножительный слой из легированного кремния, тип проводимости которого отличается от типа проводимости поглощающего слоя, а концентрация легирующей примеси в уможительном слое меньше, чем концентрация легирующей примеси в поглощающем слое, появляется возможность продвижения в длинноволновую область ближнего ИК-диапазона при обеспечении большей квантовой эффективности и снижении темнового тока и уровня шумов.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Использование твердого раствора GeSi в структуре фотодиода представляется наиболее интересным, поскольку германий является единственным элементом IV группы Периодической системы, который образует с кремнием непрерывный ряд твердых растворов замещения (0≤х≤1), кристаллизующихся в структурном типе алмаза, как и кремний, и германий. Этот фактор способствует формированию (при определенных параметрах технологического процесса) наноразмерных кристаллических включений твердого раствора GeSi в кремнии, обладающих необходимыми размерами, объемной концентрацией и значениями х, обеспечивающими отсутствие дефектов на границе раздела включений GeSi и кремния. Последнее является ключевым фактором интеграции слоев, содержащих наноразмерные включения GeSi в кремнии, в микро- (нано-) и оптоэлектронные приборы на базе кремния.
R
Значение х определяет значение красной границы рабочего спектрального диапазона лавинного фотодиода. Для х≥0,5 красная граница рабочего спектрального диапазона фотодиода λ превышает 1,7 мкм при комнатной температуре, т.е. спектральный диапазон фотодиода расширяется в длинноволновую часть ближнего ИК-диапазона.
x
1-x
Наибольший эффект наблюдается при размерах включений твердого раствора GeSi в кремний в плоскости слоя 90-130 нм и в направлении, перпендикулярном плоскости слоя, не менее 10 нм.
Проведенные исследования позволили создать простую, компактную и технологически нетрудоемкую конструкцию лавинного фотодиода.
x
1-x
x
1-x
На фиг.1 и 2 представлены схемы лавинного фотодиода; на фиг.3 приведены квазистатические вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода с однослойным массивом наноразмерных включений твердого раствора GeSi, измеренные в темноте (кривая «а») и при освещении от широкополосного источника оптического излучения (кривая «б») при комнатной температуре; на фиг.4 приведен спектр относительной нормированной фоточувствительности, измеренный при комнатной температуре в режиме разомкнутой цепи. Представленные характеристики получены экспериментально на структурах с размерами включений твердого раствора GeSi в кремний в плоскости слоя 90-130 нм и в направлении, перпендикулярном плоскости слоя, 10-15 нм.
Гетероструктура фотодиода содержит поглощающий слой 1, примыкающий к поглощающему слою 1 умножительный слой 2, первый подконтактный слой 3, второй подконтактный слой 4 и контактные слои 5 и 6 (фиг.1).
x
1-x
Поглощающий слой 1 выполнен из легированного кремния с наноразмерными включениями из твердого раствора GeSi(х≥0,5), имеющими тот же тип проводимости, что и кремний. Требование к обеспечению одинакового типа проводимости необходимо для предотвращения взаимной компенсации электрических зарядов ионизованных доноров и акцепторов, что позволяет формировать необходимый для работы фотодиода профиль электрического поля в поглощающем слое 1 и умножительном слое 2.
x
1-x
Технологически поглощающий слой 1 можно получить легированием кремния мелкой акцепторной или донорской примесью с наноразмерными включениями из нелегированного твердого раствора GeSi(x≥0,5).
Умножительный слой 2 выполнен из легированного Si, тип проводимости которого отличается от типа проводимости поглощающего слоя 1. Для формирования необходимого для работы фотодиода профиля электрического поля в поглощающем слое 1 и в умножительном слое 2 концентрация легирующей примеси в слое 2 меньше концентрации легирующей примеси в поглощающем слое 1.
x
1-x
-
-
+
+
В одном варианте фотодиода кремний в поглощающем слое 1 с GeSi может иметь р-тип проводимости, при этом умножительный слой 2 выполняется из кремния n-типа проводимости, подконтактный слой 3 - из кремния n-типа, а подконтактный слой 4 - из кремния p-типа.
x
1-x
-
+
+
В другом варианте реализации фотодиода кремний в поглощающем слое 1 с нанорамерными включениями GeSi может иметь n-тип проводимости, а кремний в умножительном слое 2 -р-тип проводимости. В этом случае подконтактный слой 3 и целесообразно выполнить из кремния p-типа, а подконтактный слой 4 - из кремния n-типа.
Подконтактный слой 3, примыкающий к умножительному слою 2, выполнен из легированного кремния, имеющего тот же тип проводимости, что и умножительный слой 2, а концентрация легирующей примеси в подконтактном слоя 3 больше, чем в умножительном слое 2. Это позволяет сформировать омический контакт с низким сопротивлением между контактным слоем 5 и подконтактным слоем 3.
Подконтактный слой 4, примыкающий к поглощающему слою 1, выполнен из легированного кремния, имеющего тот же тип проводимости, что и поглощающий слой 1, а концентрация легирующей примеси в материале подконтактного слоя 4 больше, чем в поглощающем слое 1. Это позволяет сформировать омический контакт с низким сопротивлением между контактным слоем 6 и подконтактным слоем 1.
2
Контактные слои 5 и 6 выполнены из металла, например золота Au, алюминия Al, меди Cu и пр. В некоторых возможных реализациях фотодиода контаткные слои 5 и/или 6 могут быть выполнены не сплошными, а иметь отверстия различной формы, чтобы обеспечить доступ принимаемого оптического излучения к поглощающему слою 1. Умножительный слой 2 и подконтактые слои 3 и 4 прозрачны для оптического излучения коммуникативного диапазона длин волн. Возможен вариант, когда один из контактных слоев 5 и 6 или оба контактных слоя 5 и 6 могут быть выполнены из прозрачного проводящего материала, например из смеси оксидов индия и олова (ИТО), диоксида олова, легированного сурьмой SnO:Sb и т.п. В этом случае соответствующие контактные слои могут быть выполнены сплошными.
p
p
A
D
D
A
18
-3
16
-3
+
19
-3
+
19
-3
Конкретные значения концентрации легирующих примесей в слоях 1-4 определяются значением рабочего напряжения на фотодиоде U. Например, для U=3 В, что соответствует логическому уровню единицы в комплиментарной логике "металл-оксид-полупроводник" (КМОП), концентрация акцепторной примеси в поглощающем слое 1 p-типа N≈1·10 см, концентрация доноров в умножительном слое 2 n-типа N≈5·10 см, концентрация доноров в подконтактном слое 3 n-типа. N≈1·10 см и концентрация акцепторов в подконтактном слое 4 p-типа N≈1·10 см.
Вышеописанная гетероструктура может быть использована в лавинном фотодиоде с вертикальной меза-структурой и лежать в основе лавинного фотодиода в виде волноводной меза-структуры (фиг.2).
2
2
Фотодиод в виде волноводной меза-структуры содержит изолирующий слой 7 (SiO, оксинитрид кремния и т.п.), на котором выполнены подконтактный слой 4 вышеописанной гетероструктуры и волноводный слой 8 из легированного или нелегированного кремния. Слой 8 оптически связан с поглощающим слоем 1 и покрыт слоем 9 из диэлектрика, который заполняет промежуток между торцом слоя 8 и боковой поверхностью вышеописанной гетероструктуры. Слой 9 может быть выполнен из SiO, полиимида и т.п.
Изолирующий слой 7 и слой 9 в этом варианте фотодиода выполняют функцию оптического ограничителя.
Размеры подконтактного слоя 4 вдоль изолирующего слоя 7 превышают размеры в указанном направлении гетероструктуры, содержащей поглощающий слой 1, умножительный слой 2 и подконтактный слой 3.
Контактный слой 5 в этом варианте исполнения фотодиода расположен на поверхности слоя 9 и поверхности подконтактного слоя 3 со стороны, противоположной умножительному слою 2.
Фотодиод работает следующим образом.
x
1-x
Под действием оптического излучения в поглощающем слое 1 за счет эффекта межзонного оптического поглощения в наноразмерных включениях твердого раствора GeSi генерируются электронно-дырочные пары. Фотовозбужденные электроны и дырки разделяются электрическим полем в поглощающем слое 1 и дрейфуют под его действием в противоположные стороны.
В случае, если поглощающий слой 1 выполнен на основе кремния p-типа проводимости, фотовозбужденные электроны под действием электрического поля в поглощающем слое 1 дрейфуют в область сильного электрического поля, локализованную вблизи границы раздела поглощающего слоя 1 и умножительного слоя 2. В этой области происходит лавинное умножение фотоэлектронов. Электроны, порожденные в процессе лавинного умножения, под действием электрического поля в умножительном слое 2 дрейфуют к подконтактному слою 3, откуда через контактный слой 5 стекают во внешнюю электрическую цепь, формируя тем самым электрический сигнал, соответствующий оптическому сигналу. Дырки, порожденные в умножительном слое 2 в результате процесса лавинного умножения, под действием электрического поля в умножительном слое 2 и в поглощающем слое 1 дрейфуют через умножительный слой 2 и поглощающий слой 1 к подконтактному слою 4, откуда через контактный слой 6 стекают во внешнюю электрическую цепь, тем самым замыкая ее.
x
1-x
В случае, если поглощающий слой 1 выполнен на основе кремния n-типа проводимости, фотовозбужденные дырки эмитируются из наноразмерных включений GeSi в кремний за счет эффекта внутренней термоактивиционной и/или полевой эмиссии, после чего под действием электрического поля в поглощающем слое 1 дрейфуют в область сильного электрического поля, локализованную вблизи границы раздела поглощающего слоя 1 и умножительного слоя 2. В этой области происходит лавинное умножение фотовозбужденных дырок. Дырки, порожденные в процессе лавинного умножения, под действием электрического поля в умножительном слое 2 дрейфуют к подконтактному слою 3, откуда через контактный слой 5 стекают во внешнюю электрическую цепь, формируя тем самым электрический сигнал, соответствующий оптическому сигналу. Электроны, порожденные в умножительном слое 2 в результате процесса лавинного умножения, под действием электрического поля в умножительном слое 2 и в поглощающем слое 1 дрейфуют через умножительный слой 2 и поглощающий слой 1 к подконтактному слою 4, откуда через контактный слой 6 стекают во внешнюю электрическую цепь, тем самым замыкая ее.
x
1-x
eff
Si
Ge
Si
eff
Ge
В фотодиоде в виде волноводной меза-структуры оптическое излучение из слоя 8, выполняющего функцию волновода, через боковую поверхности меза-гетероструктуры направляется непосредственно в торец поглощающего слоя 1 параллельно последнему. Поглощающий слой 1 с наноразмерными включениями GeSi характеризуется эффективным показателем преломления n, значение которого является промежуточным между значениями показателей преломления кремния n≈3.5 и германия n≈ 4.0: n<n<n. В связи с этим поглощающий слой 1 обладает выраженными волноводными свойствами, обеспечивая эффективную локализацию детектируемого оптического излучения в поглощающем слое 1. При этом подконтактный слой 4 и умножительный слой 2 выполняют одновременно функцию слоев оптического ограничения. В результате увеличивается коэффициент оптического поглощения излучения длин волн (λ=1,2-1,7 мкм) в поглощающем слое 1 и, как следствие, внешняя квантовая эффективность фотодиода.
пр
Как видно из представленных на фиг.3 вольт-амперных характеристик (ВАХ) фотодиода, в темноте пробойное напряжение составляет U≈46 В, а при освещении фотодиод в области обратных напряжений (0<V<40 В) ведет себя аналогично обычному фотодиоду. Обратная ветвь ВАХ при освещении (кривая «б») в указанном диапазоне напряжений практически параллельна обратной ветви ВАХ фотодиода в темноте (кривая «а»).
пр
s
ph
ph
пр
При 40 В<V<U фототок при освещении быстро возрастает с увеличением V, по сравнению с темновой ВАХ (кривая «а»). Так, при V=20 В темновой обратный ток фотодиода I≈2 mA, фототок при освещении I≈8 mA, a при V=45 В I≈60 mA. Данный эффект свидетельствует о том, что при 40 В<V<U в фотодиоде реализуется внутреннее усиление фототока за счет лавинного умножения фотовозбужденных носителей заряда.
x
1-x
R
Как следует из приведенного на фиг.4 спектра относительной нормированной фоточувствительности, в области длин волн λ>1,2 мкм наблюдается полоса, связанная с межзонным оптическим поглощением в наноразмерных включениях твердого раствора GSi в кремний. Длинноволновый край этой полосы λ≈1,7 мкм.
Заявленный лавинный фотодиод имеет простую конструкцию, технологичен и легко интегрируется в интегральные схемы на базе Si, что позволяет создавать микроминиатюрные приборы различного назначения, работающие при комнатной температуре.