МНОГОКАСКАДНЫЙ ЛАВИННЫЙ ФОТОДЕТЕКТОР
MULTI-STAGE AVALANCHE PHOTODETECTOR

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в системах регистрации слабых световых потоков, сигналов в оптических линиях связи и т.д. Настоящее изобретение является твердотельным аналогом вакуумных фотоумножителей, имея перед ними несомненные преимущества - габариты, вес, спектральный диапазон, рабочие напряжения, потребляемая мощность, цена и т.д.
Известен вакуумный фотоумножитель (ФЭУ), содержащий фотокатод, входную электронно-оптическую систему, динодную умножительную систему и анод, расположенные в специальном вакуумированном корпусе (Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы, 2-е изд. М., 1988 г.).
К их недостаткам относятся большие габариты, высокие напряжения питания, необходимость очень высокого вакуума, затрудненность использования в компактных системах регистрации, ограниченный спектральный диапазон, плохие механические характеристики и многое другое. Их главное достоинство - большой коэффициент умножения и высокое отношение сигнал/шум, что позволяет регистрировать очень слабые световые сигналы.
+
+
+
+
Прототипом заявляемого изобретения является многокаскадный лавинный фотодетектор, включающий не менее двух последовательно расположенных гомозонных полупроводниковых p-n (n-p) структур. Ширина запрещенной зоны каждой структуры постоянна, но уменьшается от структуры к структуре в направлении от первой структуры, на которую падает регистрируемое излучение. Толщина первых слоев структур не превышает диффузионной длины неосновных носителей тока. Второй слой предыдущей структуры и первый слой последующей структуры образуют n-p (p-n) гетеропереход. Первый слой каждой структуры и второй слой последней структуры снабжены омическими контактами, а концентрации легирующих примесей в первых слоях структур выше концентраций легирующих примесей во вторых слоях структур (Д.Гордон и другие. Многокаскадный лавинный фотодетектор с низким уровнем шума. Патент США №4203124, МКИ H01L 29/90, приоритет от 13 мая 1980 г.).
1
2
3
n
Достоинством фотодетектора является теоретическая возможность получения коэффициента умножения, равного произведению коэффициентов умножения отдельных структур, т.е. М=М·М·М…·М, где n - количество используемых структур, и снижение величины избыточного шума из-за наличия потенциального гетеробарьера на границах между структурами.
К недостаткам указанного фотодетектора относится невозможность получения действительно высокого коэффициента умножения и отношения сигнал/шум и ограниченность спектрального диапазона чувствительности. Этот недостаток вытекает из зависимости ширины запрещенной зоны по толщине фотодетектора (фиг.1, 2). Ширина запрещенной зоны каждой последующей структуры меньше, чем в предыдущей структуре, а уровень термической генерации носителей, определяющий уровень темнового тока и, соответственно, шума, растет экспоненциально с уменьшением ширины запрещенной зоны структуры. Поэтому длинноволновая граница чувствительности определяется самой широкозонной структурой, а темновой шум определяется самой узкозонной структурой и для его снижения необходимо снижать рабочую температуру фотодетектора. Если рабочая температура фотодетектора задана, то паразитный механизм туннельного размножения носителей заряда накладывает ограничение на величину запрещенной зоны последней структуры (см. Y.Takanashi etc., Required Donor Concentration of Epitaxial Layers for Efficient InGaAsP Avalanche Photodiodes, Japan Journal of Applied Physics, v.19, N4, April, 1980, стр.693-701).
Следующим недостатком фотодетектора является паразитная фоточувствительность в диапазоне от длины волны, соответствующей ширине запрещенной зоны широкозонной структуры, до длины волны, соответствующей ширине запрещенной зоны самой узкозонной структуры, т.к. длинноволновая часть излучения, проходящего сквозь первую структуру, поглощается в последующих структурах.
+
+
Еще одним недостатком фотодетектора является ограничение максимального числа используемых структур из-за невозможности подбора большого числа изопериодических p-n (n-p) структур с уменьшающейся величиной запрещенной зоны.
Таким образом, возможное число структур в известном фотодетекторе ограничено. Из ограничения числа структур следует ограничение отношения сигнал/шум, величины коэффициента умножения и длинноволновой границы фоточувствительности. Таким образом, физические и технологические ограничения не позволяют изготовить указанный прибор с числом каскадов более двух.
Для устранения этих ограничений необходимо, чтобы собственный шум используемых структур не возрастал при увеличении их номера, а даже был бы ниже, чем у фоточувствительной структуры. Тогда появится возможность и достигнуть больших коэффициентов умножения при одновременном повышении отношения сигнал/шум, и получить максимальную длинноволновую границу фоточувствительности.
Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента умножения и отношения сигнал/шум фотодетектора с одновременным расширением спектрального диапазона фоточувствительности в длинноволновую область спектра, сохранением рабочей температуры и подавлением паразитной фоточувствительности.
+
+
Поставленная задача решается тем, что в многокаскадном лавинном фотодетекторе, содержащем не менее двух каскадов умножения на основе полупроводниковых p-n (n-p) структур, включающих по два полупроводниковых слоя с толщиной первых слоев, не превышающей диффузионную длину неосновных носителей тока, с концентрацией легирующей примеси в первых слоях, превышающей концентрацию легирующей примеси во вторых слоях структур, с омическими контактами к первому слою каждой структуры и второму слою последней структуры, каждая полупроводниковая структура является гетероструктурой, ширина запрещенной зоны первых слоев гетероструктур меньше ширины запрещенной зоны вторых слоев, ширина запрещенной зоны первого слоя первой гетероструктуры не превышает ширину запрещенной зоны первых слоев остальных гетероструктур, а ширина запрещенной зоны вторых слоев гетероструктур одинакова.
Поставленная задача решается также тем, что первый слой первой гетероструктуры примыкает к лицевой стороне изотипной с ним полупроводниковой подложки с шириной запрещенной зоны, превышающей ширину запрещенной зоны указанного слоя, а на тыльной стороне подложки расположено антиотражающее покрытие.
Поставленная задача решается также тем, что последний слой последней гетероструктуры расположен на лицевой стороне полупроводниковой подложки, на первом слое первой гетероструктуры расположен изотипный с ним дополнительный слой с большей шириной запрещенной зоны, а на дополнительном слое расположено антиотражающее покрытие и омический контакт к первому слою первой гетероструктуры.
Поставленная задача решается также тем, что последний слой последней гетероструктуры расположен на лицевой стороне полупроводниковой подложки, на первом слое первой гетероструктуры расположен изотипный с ним дополнительный слой с большей шириной запрещенной зоны, на дополнительном слое расположены омический контакт к первому слою первой гетероструктуры и отражающее покрытие, антиотражающее покрытие расположено на тыльной стороне подложки, а между подложкой и последним слоем последней гетероструктуры расположен второй дополнительный слой с шириной запрещенной зоны большей, чем у первого слоя первой гетероструктуры, и меньшей, чем у первых слоев остальных гетероструктур.
Сущность изобретения заключается в идентичности структур умножения в заявляемом фотодетекторе. Каждая из них практически представляет собой структуру одного лавинного гетерофотодиода с пространственно разделенными областями генерации и умножения. Области генерации и/или диффузии неосновных носителей являются узкозонными, а области умножения - широкозонными. Количество структур в этом случае не ограничено, поэтому результирующий коэффициент умножения, являющийся произведением коэффициентов умножения структур, и отношение сигнал/шум фотодетектора могут быть сделаны сколь угодно большими. Длинноволновая граница фоточувствительности определяется шириной запрещенной зоны первого слоя первой структуры, которая всегда может быть меньше, чем ширина запрещенной зоны первой структуры в прототипе. Поэтому она будет соответствовать большей длине волны фоточувствительности, чем у прототипа. Паразитная фоточувствительность при этом полностью отсутствует, т.к. ширина запрещенной зоны первого слоя первой структуры является наименьшей.
Для полного понимания предлагаемого изобретения рассмотрим его детальное описание, прилагаемое ниже, и следующие чертежи:
Фиг.1. Зависимость ширины запрещенной зоны по толщине фотодетектора-прототипа.
+
+
1, 3, 5, 7 - первые слои четырех каскадов умножения p(n) типа проводимости с уменьшающейся от слоя к слою шириной запрещенной зоны;
-
-
2, 4, 6, 8 - вторые слои трех каскадов умножения n (p) типа проводимости с уменьшающейся от слоя к слою шириной запрещенной зоны;
+
+
9 - контактный слой n (p) типа проводимости, гомозонный со слоем 8;
+
+
10 - контактный слой p (n) типа проводимости с функцией широкозонного окна;
+
+
-
1-2, 3-4, 5-6, 7-8 - p-n (n-p) гомопереходы;
+
+
+
-
2-3, 4-5, 6,7 - n-p (p-n) гетеропереходы.
Фиг.2. Зонная диаграмма и схема включения фотодетектора-прототипа. Обозначения слоев те же, что и на фиг.1.
Фиг.3. Зависимость ширины запрещенной зоны по толщине заявляемого фотодетектора.
+
+
1, 3, 5, 7 - первые слои четырех каскадов умножения p(n) типа проводимости с постоянной от слоя к слою (по крайней мере в слоях 3, 5, 7) шириной запрещенной зоны;
-
-
2,4, 6, 8 - вторые слои четырех каскадов умножения n(p) типа проводимости с постоянной от слоя к слою шириной запрещенной зоны;
+
+
9 - контактный слой n(p) типа проводимости, гомозонный со слоем 8;
+
+
10 - контактный слой p(n) типа проводимости с функцией широкозонного окна;
+
-
+
-
1-2, 3-4, 5-6, 7-8 - p-n (n-p) гетеропереходы;
+
-
+
-
2-3, 4-5, 6,7 - n-p (p-n) гетеропереходы.
Пунктиром отмечен условный диапазон возможных величин ширины запрещенных зон первых и вторых слоев гетероструктур.
Фиг.4. Зонная диаграмма и схема включения заявляемого фотодетектора. Обозначения слоев те же, что и на рис.3
Фиг.5. Вариант конструкции заявляемого фотодетектора на основе многослойной гетероструктуры.
Фиг.6. Вариант конструкции заявляемого фотодетектора на основе двухслойной гетероструктуры.
+
+
-
+
+
-
-
-
-
-
+
g1
0
1
2
1
1
2
1
2
3
4
1
2
3
4
g2
g1
g2
g1
1
Многокаскадный лавинный фотодетектор содержит примыкающие друг к другу полупроводниковые p-n (n-p) гетероструктуры. Каждая структура, являющаяся отдельным каскадом умножения, включает первый слой p(n) типа проводимости 1, 3, 5, 7, выполненный из узкозонного полупроводника, и второй слой n(p) типа проводимости 2, 4, 6, 8, выполненный из широкозонного полупроводника. Между ними может располагаться дополнительный широкозонный слой p(n) типа проводимости. Узкозонный слой 1 первой структуры фотодетектора имеет ширину запрещенной зоны E=hc/λ и определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности, т.к. в нем осуществляется генерация неосновных носителей заряда под действием облучения. Толщина его не превышает диффузионную длину неосновных носителей заряда. Широкозонный слой первой структуры 2 осуществляет первичное размножение фотогенерированных носителей с коэффициентом умножения M и инжекцию размноженных носителей первого знака в узкозонный слой 3 второй структуры через прямосмещенный n-p гетеропереход. Во второй структуре происходит такой же процесс размножения инжектированных носителей первого знака в широкозонном слое 4 с коэффициентом умножения М и инжекция размноженных носителей в узкозонный слой 5 третьей структуры и т.д. Таким образом на один носитель первого знака, генерированный в слое 1, на выходе из слоя 2 будет M носителей этого же знака. Будучи инжектированными в слой 3, на выходе получится M·M носителей первого знака и т.д. В результате на выходе из слоя 8 будут получены М·М·М·М носителей. Таким образом, результирующий коэффициент умножения фотодетектора будет равен произведению коэффициентов умножения всех каскадов, т.е. положительный эффект равен не сумме положительных эффектов известных структур, а их произведению. Параллельно с размножением инжектированных в слой 2 носителей первого знака идет размножение носителей второго знака, которые автоматически возникают при размножении носителей первого знака в слоях 2, 4, 6, 8. В отличие от носителей первого знака носители второго знака, которые являются шумовыми, размножаются лишь в тех широкозонных слоях, в которых они и возникли. В слое 2 количество носителей второго знака на один носитель первого знака будет (M-1). Они будут выведены из первой структуры через узкозонный слой 1 с помощью контакта 15 и уйдут на отрицательный электрод источника питания 11. В слое 4 количество таких носителей на один носитель первого знака будет (М-1). Они будут выведены из второй структуры через узкозонный слой 3 с помощью контакта 16 и уйдут на отрицательный электрод источника питания 12. На выходе из слоя 6 количество таких носителей на один носитель первого знака будет равно (М-1). Они будут выведены из третьей структуры через узкозонный слой 5, контакт 17 и уйдут на отрицательный электрод источника питания 13. На выходе из слоя 8 количество таких носителей на один носитель первого знака будет рано (N-1). Они будут выведены из четвертой структуры через узкозонный слой 7 и с помощью контакта 18 будут нейтрализованы на отрицательном электроде источника питания 14. Для того чтобы носители второго знака не смогли пройти и размножиться последовательно во всех структурах, ширина запрещенной зоны вторых слоев 2, 4, 6, 8, равная E, превышает ширину запрещенной зоны первых слоев 1, 3, 5, 7, равную E. Потенциальный барьер величиной E-E препятствует проникновению носителей второго знака из структуры с номером N в структуру с номером N-1. Это позволяет эффективно выполнить одну из главных целей - понизить избыточный уровень шума фотодетектора, который определяется общим числом размноженных носителей второго знака. Темновой шум фотодетектора будет определяться термогенерацией неосновных носителей в первом слое 1 первого каскада и при заданной рабочей температуре фотодетектора всегда будет ниже, чем в прототипе. Уровень легирования второго слоя 2 первого каскада ниже, чем уровень легирования первого слоя 1. Это необходимо, чтобы приложенное смещение падало на слое 2, в котором производится размножение носителей тока. Вторая и последующие структуры необходимы только для последующего малошумящего размножения носителей заряда первого знака, размноженных в структуре с номером N-1 и инжектированных в первый слой структуры с номером N. Число структур фактически не ограничено, т.к. они одинаковы. В силу этого можно подать на каждую структуру напряжение, при котором коэффициент умножения М=2. Тогда, в самом неблагоприятном случае (α/β=1), при 15 каскадах (структур) умножения мы получим коэффициент умножения 65536, а коэффициент избыточного шума всего 2. В прототипе такой результат получить просто невозможно, а обычный лавинный фотодиод даст коэффициент избыточного шума, равный коэффициенту умножения, т.е. 65536.
В заявляемом устройстве используются только два-три вида полупроводника, что позволяет снять ограничения на количество каскадов умножения и реально изготовить изопериодическую полупроводниковую структуру со сколь угодно высоким коэффициентом размножения и отношением сигнал/шум.
0,53
0,47
В качестве примера выполнения рассмотрим фотодетектор, изготовленный на основе полупроводниковой системы InP-InGaAsP. Эта система очень хорошо проработана технологически. На ее основе изготавливают полупроводниковые лазеры и быстродействующие фотоприемники, для которых необходима изопериодическая полупроводниковая структура. Выберем в качестве фоточувствительного слоя 1 InGaP В этой системе он является самым узкозонным из изопериодических слоев. Прототип не может быть изготовлен с таким фоточувствительным слоем, т.к. отсутствует изопериодический полупроводник с еще меньшей величиной запрещенной зоны для изготовления второго каскада фотодетектора, не говоря уже о следующих каскадах.
Фотодетектор содержит следующие составные части:
+
17
-3
- широкозонный слой из p-InP (10) толщиной (0.1-1.0) мкм с концентрацией легирующей примеси не ниже (1-3)·10 см, являющийся одновременно и широкозонным окном и контактным слоем;
+
17
-3
+
-
0.53
0.47
- узкозонные слои p-InGaP (1, 3, 5, 7) толщиной 0.2-0.8 мкм с концентрацией легирующей примеси (1-5)·10 см, первый из которых (1) является фоточувствительным, а остальные (3, 5, 7) используются для инжекции носителей первого знака в p-n гетеропереходы (3-4, 5-6, 7-8);
-
15
16
-3
- широкозонные слои n-InP (2, 4, 6, 8) толщиной 2-10 мкм с концентрацией легирующей примеси 1·10-8·10 см;
+
+
17
-3
0.53
0.47
- широкозонный или узкозонный контактный слой n-InP или n-InGaP (9) толщиной не менее 0.1 мкм с концентрацией легирующей примеси не менее 1·10 см;
- контакты к отдельным слоям приемника (15, 16, 17, 18, 19) для подключения источников питания и получения сигнала с фотодетектора;
- пассивирующий диэлектрик для защиты поверхности фотодетектора (21);
- антиотражающее покрытие (22), выполненное на основе прозрачных диэлектрических пленок;
- буферный слой InP (23);
- подложка из InP (24).
Рабочая схема фотодетектора включает также источники питания, определяющие коэффициенты умножения отдельных структур (11, 12, 13, 14) и нагрузку фотодетектора (20), на которой регистрируется сигнал.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом:
+
+
+
+
+
-
+
-
+
-
-
+
+
-
+
-
3
1
2
0.53
0.47
1
2
1
2
4
1
2
3
4
Световое излучение падает на широкозонный слой 10 (InP) p-типа проводимости. Кванты с энергией Eg<hν<Eg проходят сквозь слой 10 и поглощаются в узкозонном слое 1 (InGaP) p-типа проводимости, генерируя пары электрон - дырка. Слой 10, образуя со слоем 1 изотипный p-pпереход 10-1, отражает все неосновные носители (электроны) в сторону p-n перехода 1-2. Неосновные носители (электроны) диффундируют через слой 2, инжектируются сквозь p-n переход 1-2, попадают в широкозонный слой 3 и, ускоряясь под действием электрического поля в этом слое, размножаются в нем с коэффициентом M. В процессе размножения вместе с электронами генерируются избыточные дырки, которые уходят через p-n переход 1-2, в слой 1, и, с помощью омического контакта 15, на отрицательный контакт источника питания 11. Размноженные электроны инжектируются прямосмещенным np гетеропереходом 2-3, в узкозонный слой 3 и, поскольку толщина этого слоя не превышает диффузионную длину неосновных носителей, то через p-n переход 3-4 они проходят в широкозонный слой 4. В слое 4 электроны, которые уже размножились в слое 2, размножаются с коэффициентом умножения М. В результате коэффициент умножения электронов в двух структурах составит величину М=M-M. При этом дырки, возникшие в слое 4 в результате размножения электронов, уйдут через p-n переход 3-4 в слой 3, а затем в омический контакт 16 и на отрицательный контакт источника питания 12. Таким образом будет предотвращено их размножение в слое 2 фотодетектора. Аналогично вышесказанному будет происходить дальнейшее размножение электронов и уход избыточных дырок из прибора в последующих каскадах, т.к. механизмы этих процессов такие же, как и в предыдущем случае. Умноженные с коэффициентом М в слое 8 электроны сформируют фототек, который обеспечит выходной сигнал. Выходной сигнал регистрируется на нагрузке 20. В результате общий коэффициент умножения электронов будет равен М=М·М·М·M и мы получим малошумящий прибор с высоким коэффициентом умножения. При коэффициенте умножения одного каскада, равном 10, что очень легко достижимо на практике, мы получим общий коэффициент умножения равный 10000. В самом худшем случае при α/β=1 (α и β - коэффициенты ионизации электронов и дырок) величина шум-фактора такого фотодетектора будет ниже шум-фактора обычного однокаскадного фотодетектора в 10 раз, а прототип с таким полупроводником фоточувствительного слоя изготовить невозможно.
При изготовлении такого фотодетектора могут быть использованы всего два полупроводника, а количестве каскадов умножения не ограничено. Каждая дополнительная структура (каскад умножения) повышает коэффициент умножения фотодетектора и отношение сигнал/шум, не изменяя ни спектральный диапазон, ни рабочую температуру приемника.
Для изготовления указанного приемника можно применить хорошо разработанные в настоящее время технологии MOSCVD и молекулярную эпитаксию и использовать следующие полупроводниковые системы: GaAs-GaAlAs, GaAsP-GaAlAsP, InP-InGaAsP, InP-InGaAs, InP-GaAsSb, InP-GaAsSbP, InAs-InGaAsSb, GaSb-InGaAsSb, GaSb-GaAlAsSb, InGaSb-InGaAsSb CdTe-HgCdTe и т.д.
1
2
Использование предлагаемого устройства позволит повысить коэффициент умножения и отношение сигнал/шум при сохранении рабочей температуры и одновременном расширении спектрального диапазона фоточувствительности в длинноволновую область спектра. Действительно, сравнение известного и заявленного приемников показывает, что при одинаковой рабочей температуре известный приемник сможет иметь лишь два каскада умножения. При этом коэффициент умножения будет равен М=M·M, а шум второго каскада будет больше, чем шум первого каскада, что будет ухудшать отношение сигнал/шум. Заявляемый приемник, даже двухкаскадный, имея ширину запрещенной зоны первого слоя большую, чем ширина запрещенной зоны первого слоя второй структуры будет иметь шум меньший, чем известный приемник, т.к. шумы каждого каскада будут существенно ниже, чем у прототипа. Следовательно, коэффициент умножения второго каскада может быть установлен более высоким, чем у известного приемника. Таким образом, подтверждается достижение поставленной цели.