СВЧ ФОТОДЕТЕКТОР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
MICROWAVE PHOTODETECTOR OF LASER RADIATION

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотодетекторов (ФД) лазерного излучения (ЛИ).
Быстродействующие ФД являются одними из главных компонентов волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и обеспечивают идеальную гальваническую развязку между источником сигнала и приемником. Также они невосприимчивы к электромагнитным помехам в радиодиапазоне и сами не являются источником таких помех. По этим причинам ВОЛС имеют неоспоримые достоинства в задачах, где предъявляются строгие требования по обеспечению электромагнитной совместимости и использование медных проводников между источником и приемником невозможно или нежелательно. В настоящий момент достигнут значительный прогресс в создании ФД для высокоскоростных систем информационного обмена и создания волоконных линий, обеспечивающих передачу сигнала к СВЧ излучателям. Рабочие частоты ФД, применяемых в таких системах, достигают десятков гигагерц, а в случае радиофотонных трактов - и терагерцового диапазона. Мощность оптического сигнала в зависимости от задачи и рабочей частоты лежит в диапазоне от единиц микроватт до сотен милливатт.
В большинстве приложений в качестве среды ВОЛС используется кварцевое волокно, окна прозрачности которого лежат вблизи следующих длин волн излучения: 0,85 мкм (первое окно), 1,3 мкм (второе окно) и 1,55 мкм (третье окно). Оптимальными материалами для создания ФД, работающего в первом окне является GaAs, эффективно преобразующий фотоны с длинной волны менее 860 нм в электрический ток.
Таким образом, задача улучшения утилитарных характеристик ФД ЛИ, таких как, квантовый выход, КПД и быстродействие являются весьма актуальной для современной фотоники и радиофотоники.
Известен СВЧ фотодетектор лазерного излучения (см. заявку JP 2008140808, МПК H01L 31/10, опубликована 19.06.2008), содержащий p-i-n переход, включающий базовый слой одного типа проводимости, выполненный из кремния, нелегированный слой, выполненный из кремния, и эмиттерный слой другого типа проводимости, выполненный из германия.
Недостатком известного СВЧ фотодетектора лазерного излучения является высокое время разделения носителей, связанное с необходимостью обеспечения большой толщины слоев p-i-n структуры для близкого к полному поглощению носителей, что выражается в пониженном быстродействии фотодетектора.
0,53
0,47
+
Известен СВЧ фото детектор лазерного излучения (см. патент RU 2318272, МПК H01L 31/18, опубликован 27.02.2008), содержащий подложку n-InP, поглощающий слой n-InGaAs и слой n-InP.
Недостатком известного СВЧ фотодетектора лазерного излучения является высокое время разделения носителей, связанное с необходимостью обеспечения большой толщины слоев структуры, а также неэффективное преобразование фотонов с длинной волны в диапазоне 800-860 нм.
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является СВЧ фотодетектор лазерного излучения (см. патент RU 2547004, МПК H01L 31/18, опубликована 10.04.2015), принятый за прототип и включающая подложку n-GaAs, базовый слой n-GaAs, эмиттерный слой p-GaAs и слой p-AlGaAs.
Недостатками известного СВЧ фотодетектора лазерного излучения является высокая барьерная емкость за счет отсутствия нелегированной области, а также низкое быстродействие, связанное с необходимостью создания слоев большой толщины для обеспечения близкого к полному поглощения фотонов.
Задачей настоящего решения является создание такого СВЧ фотодетектора лазерного излучения, который обладал бы малой барьерной емкостью, обеспечивал высокое быстродействие и поглощал бы более 95% фотонов с длинной волны в диапазоне 800-860 нм, обеспечивая близкое к полному собирание фотогенерированных носителей.
0,2
0,8
Поставленная задача достигается тем, что СВЧ фотодетектор лазерного излучения, включает полупроводниковую подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно осажденные: Брегговский отражатель, настроенный на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающий чередующиеся пары слоев n-AlAs/n-AlGaAs, базовый слой, выполненный из n-GaAs, нелегированный слой i-GaAs и эмиттерный слой p-GaAs, при этом сумма толщин базового, нелегированного и эмиттерного слоев не превышает 1,5 мкм.
0,2
0,8
В СВЧ фотодетекторе лазерного излучения толщина слоя n-AlAs Брегговского отражателя может находится в диапазоне от 66 нм для длины волны лазерного излучения 800 нм до 72 нм для длины волны лазерного излучения 860 нм, а толщина слоя n-AlGaAs Брегговского отражателя может находиться в диапазоне от 57 нм для длины волны лазерного излучения 800 нм до 63 нм для длины волны лазерного излучения 860 нм.
В СВЧ фотодетекторе лазерного излучения толщина базового слоя может находиться в диапазоне от 50 до 100 нм, толщина нелегированного слоя может составлять от 0.9 до 1.1 мкм, а толщина эмиттерного слоя может находиться в диапазоне от 450 до 400 нм.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлено схематичное изображение поперечного сечения настоящего СВЧ фотодетектора лазерного излучения;
0,2
0,8
на фиг. 2 приведены спектры отражение Брегговского отражателя (БО) на основе AlAs/AlGaAs (кривые 1-3) и AlAs/GaAs (кривая 4), центрированных на длину волны ЛИ 830 нм, в зависимости от числа пар слоев: кривая 1-20 пар; кривые 2, 4 - 15 пар, кривая 3-12 пар;
0,2
0,2
на фиг.3 приведены доли непоглощенных фотонов лазерного излучения в ФД ЛИ на основе GaAs в зависимости от суммарной толщины базового нелегированного и эмиттерного слоев для длин волн в диапазоне 800-860 для структур без БО (серия кривых 5) и с БО на основе 15 пар слоев AlAs/AlGaAs толщиной 69/60 нм, соответственно (серия кривых 6);
на фиг.4 представлены вклады различных фотоактивных слоев в постоянную времени разделения фотогенерированных носителей в ФД ЛИ на основе GaAs в вентильном режиме при напряжении 1 В: кривая 7 -время диффузии неравновесных дырок из слоя n-GaAs; кривая 8 - время дрейфа неравновесных дырок через слой i-GaAs; кривая 9 - время диффузии неравновесных электронов из слоя p-GaAs; кривая 10 - время разделения электрон-дырочных пар в i-GaAs; кривая 11 - время дрейфа неравновесных электронов через слой i-GaAs;
на фиг. 5 показаны вклады различных фотоактивных слоев в удельную диффузионную емкость структуры ФД на основе GaAs в вентильном режиме при напряжении 1В (кривые 12-14), а также барьерная емкость такого ФД ЛИ (кривая 15): кривая 12 - вклад слоя i-GaAs, кривая 13 - вклад слоя n-GaAs, кривая 14 - вклад слоя p-GaAs.
0,2
0
2
Настоящий СВЧ фотодетектор лазерного излучения показан на фиг. 1. Он включает подложку 1, выполненную, например, из и-GaAs, и последовательно осажденные: Брегговский отражатель 2, настроенный на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающий чередующиеся пары слоев n-AlAs 3 /n-AlGa,As 4, базовый слой, выполненный из n-GaAs 5, с толщиной, например, 50-100 нм, нелегированный слой i-GaAs 6 толщиной, например, 0,9-1,1 мкм и эмиттерный слой p-GaAs 7 толщиной, например, 450-400 нм, при этом сумма толщин базового, нелегированного и эмиттерного слоев не превышает 1,5 мкм.
Структура ФД представляет собой полупроводниковый p-i-n переход, разделяющий фотогенерированные носители за счет тянущего поля p-i-n перехода. Ключевой особенностью большинства типов СВЧ ФД ЛИ является наличие толстого нелегированного i-слоя. Назначением такого слоя является расширение обедненной области между сильно легированными мелкой примесью эмиттерным и базовым слоями ФД с целью снижения емкости структуры. Этот параметр оказывает исключительно важное влияние на показатели быстродействия ФД, а, следовательно, и возможность его использования при преобразовании СВЧ сигналов.
Быстродействие p-i-n структур определяется несколькими постоянными времени:
0
где τ - постоянная времени, определяемая скоростью разделения электрон-дырочных пар в области пространственного заряда (ОПЗ);
эмиттер
τ - постоянная времени, определяемая скоростью диффузии неравновесных носителей заряда из эмиттера по направлению к ОПЗ;
база
τ - постоянная времени, определяемая скоростью диффузии неравновесных носителей заряда из базы по направлению к ОПЗ;
RC
H
τ = RhC - постоянная времени перезаряда емкостей, определяемая сопротивлением нагрузки ФД R и емкостью p-i-n структуры.
Скорость разделения электрон-дырочных пар в ОПЗ зависит от подвижности носителей заряда градиента поля в ОПЗ, определяемого контактной разницей потенциалов, напряжением на ФД и толщины i-слоя d. Скорости диффузии в эмиттере и базе определяются толщинами этих слоев и коэффициентами диффузии неосновных носителей заряда.
Сопротивление нагрузки ФД зависит от режима его работы, для большинства приложений оно составляет 50 Ом, однако, в некоторых задачах может быть меньше. Емкость p-i-n структуры включает два основных компонента:
- барьерную емкость;
- диффузионную емкость.
Барьерная емкость играет доминирующую роль при отрицательных смещениях на p-i-n структуре. Ее можно оценить по формуле:
0
где ε - диэлектрическая проницаемость i-слоя; ε - электрическая постоянная; S - площадь ФД.
При положительных смещениях существенной оказывается диффузионная емкость. Ее значение можно рассчитать из решения диффузионно-дрейфовых уравнений для структуры. Диффузионная емкость определяется нескомпенсированным зарядом в фотоактивных слоях и также существенно зависит от толщины i-слоя. Диффузионная емкость экспоненциально возрастает с увеличением положительного смещения на ФД.
Для обеспечения высокого быстродействия ФД необходим компромисс в выборе толщины нелегированной области. При малой ее толщине поле в области ОПЗ будет достаточно для быстрого разделения носителей, однако, барьерная емкость структуры окажется большей, чем для толстого i-слоя.
Толщина i-слоя помимо быстродействия также определяет долю поглощаемого в нем излучения, а, следовательно, и квантовый выход ФД. Поглощение излучения в полупроводниках подчиняется закону Бугера-Бэра, поэтому доля непоглощенного лазерного излучения в структуре с суммарной толщиной всех фотоактивных слоев h может быть выражена формулой:
где α - коэффициент поглощения полупроводника.
Существует возможность оптимизации поглощения в слоях ФД ЛИ, так как необходимая толщина поглощающего слоя структуры может быть обеспечена не только за счет нелегированной i-области, но также и легированных мелкой примесью эмиттерного и базового слоев. Поэтому в p-i-n ФД ЛИ возможно достижение квантового выхода близкого к 100% при достаточно высоких частотах и значительных мощностях.
Важной особенностью настоящего СВЧ фотодетектора лазерного излучения является наличие встроенного Брэгговского отражателя. БО обеспечивают двухкратное прохождение оптического излучения через структуру, и таким образом, позволяют в два раза сократить толщину поглощающих слоев ФД ЛИ.
Если в конце структуры установлен Брегговский отражатель с коэффициентом ξ отражения то формула (3) заменится следующей:
Чем ближе коэффициент ξ к единице, тем меньше доля непоглощенного света согласно (4). При ξ =1 эквивалентная оптическая толщина слоев структуры удваивается.
0,2
0,8
0,2
0,8
Конструкция БО выбиралась из условия обеспечения высокого коэффициента отражения в рабочем диапазоне 800-860 нм (фиг. 2). Расчет распространения света в структуре был произведен с использованием метода матриц Абелеса. Оптимальными материалами для слоев БО являются AlAs и AlGaAs, которые имеют значительную разницу в показателе преломления, не поглощают ЛИ в рабочем диапазоне, а также согласованы по параметру решетки с GaAs. Число пар слоев отражателя выбрано равным 15 (см. фиг. 2, кривая 2), так как при меньшем числе пар коэффициент отражения не доходит до 90% (см. фиг. 2, кривая 3), дальнейшее же увеличение числа пар до 20 и более (см. фиг. 2, кривая 1) уже не оказывает заметного влияния на коэффициент отражения. Предлагаемый БО на основе непоглощающих материалов AlAs/AlGaAs имеет существенно более высокий коэффициент отражения по сравнению с БО на основе пар слоев GaAs/AlAs (см. фиг. 2, кривая 4), среди которых GaAs поглощает ЛИ.
0,2
0,8
Расчетные толщины слоев AlAs/AlGaAs для длины волны 800 нм составляют 66/57 нм соответственно, для длины волны 860 нм 71/62 нм соответственно и меняются линейно при изменении длинны волны центрирования БО в диапазоне 800-860 нм.
Встраивание БО в предлагаемую структуру ФД ЛИ позволяет обеспечить поглощение порядка 95% фотонов ЛИ в рабочем диапазоне при в два раза меньшей общей толщине поглощающих базового нелегированного и эмиттерного слоев. Действительно, в случае структуры ФД ЛИ без БО поглощение порядка 95% достигается при общей толщине порядка 3 мкм (см. фиг 3 серия кривых 5), в то время как при введении БО поглощение на уровне 95% обеспечивается при общей толщине порядка 1,5 мкм. Таким образом, ФД ЛИ без БО явно уступает по быстродействию ФД с БО, так как фотогенерированным носителям потребуется большее время для разделения. Уменьшение же общей толщины ФД ЛИ без БО для увеличения его быстродействия будет приводить к падению поглощения и квантовой эффективности прибора. К примеру, ФД ЛИ без БО с общей толщиной 1,5 мкм обеспечит поглощение на уровне, не превышающем 70%.
Расчет фоточувствительности и временных параметров структуры ФД производился методом решения системы уравнений диффузии и дрейфа, а также уравнения Пуассона для фотоактивных слоев. При этом учитывалось кулоновское взаимодействие электронов и дырок, генерированных ЛИ в i-слое. Быстродействие СВЧ ФД ЛИ определяет постоянная времени разделения фотогенерированных носителей заряда и удельная емкость структуры. Расчеты показывают, что толщины слоев заявляемого СВЧ ФД ЛИ обеспечивают достижение постоянной времени разделения фотогенерированных носителей на уровне 10 пс (фиг. 4). Постоянная определяется временем разделения электрон-дырочных пар в слое i-GaAs, которая составляет 10 пс для толщины нелегированного слоя 1 мкм (фиг. 4, кривая 10) и временем собирания неравновесных электронов из слоя p-GaAs, которое составляет 10 пс для толщины этого слоя в 400 нм (фиг. 4, кривая 9). Время дрейфа электронов через слой i-GaAs пренебрежимо мало, порядка 1 пс для толщины 1 мкм (рис. 4, кривая 11). Время дрейфа дырок через слой i-GaAs составляет порядка 50 пс (фиг. 4, кривая 8), однако, ввиду малой толщины слоя n-GaAs (100 нм), из которого они инжектируются, а также расположения слоя с тыльной стороны, суммарный вклад этих носителей заряда в фототок не превышает 3%. В то же самое время, такой толщины достаточно для создания необходимой контактной разности потенциалов на p-i-n переходе и сильного равномерного электрического поля в слое i-GaAs.
Толщина слоя p-GaAs помимо достижения малого значения постоянной времени разделения носителей заряда, которое составляет 10 пс при толщине 100 нм (фиг. 4, кривая 7), выбрана и с учетом обеспечения высокого значения внутреннего квантового выхода фотоответа (фиг. 5).
Если для структуры без БО увеличения толщины эмиттерного слоя р-GaAs позволяет улучшить чувствительность за счет улучшения поглощения, то для предлагаемой структуры более толстый слой только ухудшит квантовый выход, т.к. снизится коэффициент собирания. Выбранная толщина слоя i-GaAs помимо приемлемой постоянной времени разделения фотогенерированных носителей также отвечает условию баланса между барьерной и диффузионной емкостями в рабочих режимах (фиг. 5, кривые 12 и 15). При этом вклад в диффузионную емкость, в основном, обеспечивает слой i-GaAs.