Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда
PHOTODETECTOR WITH CONTROLLED REDEPLOYMENT OF CHARGE CARRIER DENSITY MAXIMA

III
V
III
V
Предлагаемое изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно - к быстродействующим интегральным фотодетекторам на основе полупроводниковых материалов типа AB. Устройство предназначено для функционирования в составе оптических межсоединений для интегральных схем и детектирования субпикосекундных лазерных импульсов, генерируемых инжекционными лазерами с двойными AB наногетероструктурами и функционально интегрированными модуляторами излучения [Пат. RU 2400000 C1, Российская Федерация. Коноплев Борис Георгиевич, Рындин Евгений Адальбертович, Денисенко Марк Анатольевич. «Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда», 2009].
Аналогом заявляемого изобретения является униполярный гетерофотодиод с переносом электронов (UTC PD - Uni-Travelling Carrier Photodiode) [Nagatsuma Т., Ito H. High-Power RF Uni-Travelling-Carrier Photodiodes (UTC-PDs) and Their Applications // Advances in Photodiodes, Dalla Betta G.-F. (ed.), 2011, Chapter 14, p. 292, fig. 1, а], содержащий полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод, высоколегированную широкозонную барьерную область р-типа проводимости, расположенную между высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости и полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, широкозонную область коллектора собственной проводимости, расположенную над высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости, градиентную область собственной проводимости, расположенную между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и широкозонной областью коллектора собственной проводимости, причем высоколегированная широкозонная барьерная область р-типа проводимости образует потенциальный барьер только для электронов в зоне проводимости, полупроводниковая область поглощения оптического излучения является слаболегированной областью р-типа проводимости и имеет более узкую запрещенную зону, чем высоколегированная широкозонная барьерная область р-типа проводимости, широкозонная область коллектора собственной проводимости и приконтактная область n-типа проводимости, градиентная область собственной проводимости обеспечивает отсутствие потенциального барьера для электронов в зоне проводимости между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и широкозонной областью коллектора собственной проводимости, формирующей область сильного электрического поля, которая обеспечивает дрейф электронов из полупроводниковой области поглощения оптического излучения в высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости.
В гетеропереходах первого типа, образующихся на границах полупроводниковой области поглощения оптического излучения с соседними областями, из-за разной ширины запрещенной зоны возникает потенциальный барьер в зоне проводимости. На левой границе полупроводниковой области поглощения оптического излучения UTC-фотодиода этот барьер полезен, так как он отражает электроны и блокирует их диффузию в высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости. На правой границе области поглощения оптического излучения потенциальный барьер в зоне проводимости был бы вреден, поскольку он мешал бы переходу электронов в широкозонную область коллектора собственной проводимости. Поэтому между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и широкозонной областью коллектора собственной проводимости размещена градиентная область собственной проводимости с плавно увеличивающейся шириной запрещенной зоны, которая обеспечивают беспрепятственное прохождение электронов в область с сильным электрическим полем. Потенциальные барьеры в валентной зоне на гетеропереходах между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, градиентной областью собственной проводимости и широкозонной областью коллектора собственной проводимости дополнительно препятствуют проникновению дырок в коллектор.
В отличие от классических p-i-n фотодиодов, области поглощения оптического излучения и дрейфа фотогенерированных носителей заряда в UTC фотодетекторах характеризуются четким пространственным разделением. На первый и второй металлические электроды UTC структуры подается постоянное напряжение питания обратной полярности, которое обеспечивает фотодиодный режим работы прибора. Фотогенерированные дырки переносятся из полупроводниковой области поглощения оптического излучения в высоколегированную широкозонную барьерную область р-типа проводимости и далее в высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, а электроны - в широкозонную область коллектора собственной проводимости и далее в высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости. Так как дырки достаточно быстро достигают высоколегированной приконтактной области р-типа проводимости, то быстродействие UTC структуры определяются, главным образом, дрейфом электронов через протяженную область коллектора собственной проводимости.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полупроводниковая область поглощения оптического излучения, высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированная приконтактная область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются длительное время жизни фотогенерированных электронов и дырок до рекомбинации в полупроводниковой области поглощения оптического излучения и в широкозонной области коллектора собственной проводимости UTC фотодиода и значительное время пролета электронов через область пространственного заряда (ОПЗ). В UTC фотодетекторах использование специализированных областей с малым временем жизни не приводит к выигрышу в быстродействии, так как подобные слои характеризуются низкой подвижностью носителей заряда, и, кроме того, негативно влияют на амплитуду фототока. Существенное время пролета электронов через полупроводниковую область поглощения оптического излучения и широкозонную область коллектора собственной проводимости UTC структуры обусловлено их протяженностью и малой подвижностью носителей заряда ввиду воздействия сильного электрического поля, которое вызывает междолинные переходы и насыщение скорости дрейфа электронов.
Другим аналогом заявляемого изобретения является фотодиод Шоттки с оптическим резонатором [ М. et. al. Design and Optimization of High-Speed Resonant Cavity Enhanced Schottky Photodiodes // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1999, vol. 35, no. 2, pp. 208-215, fig. 1], содержащий полуизолирующую подложку, полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, второй металлический электрод, оптический резонатор, образованный полностью отражающим зеркалом и полуотражающим зеркалом, находящуюся над полностью отражающим зеркалом нелегированную буферную GaAs-область, нижний GaAs-спейсер, расположенный между высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, верхний GaAs-спейсер, расположенный над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, причем полностью отражающее зеркало представляет собой распределенный брэгговский отражатель, включающий 15 чередующихся слоев AlAs/GaAs и расположенный между полуизолирующей подложкой и нелегированной буферной GaAs-областью, полупроводниковая область поглощения оптического излучения является слаболегированной InGaAs-областью n-типа проводимости, полуотражающее зеркало оптического резонатора представляет собой тонкий слой металла с нанесенным антиотражающим покрытием, образующий с верхним GaAs-спейсером контакт Шоттки и соединенный со вторым металлическим электродом, оптическая ось резонатора параллельна направлению дрейфа фотогенерированных носителей заряда.
Рассматриваемый фотодетектор работает в фотодиодном режиме при подаче постоянного напряжения питания обратной полярности между первым и вторым металлическими электродами, соединенными с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и верхним GaAs-спейсером, соответственно. Встроенное электрическое поле фотодиода, переносящее неравновесные электроны и дырки, сосредоточено в верхнем и нижнем GaAs-спейсерах и в находящейся между ними полупроводниковой области поглощения оптического излучения. Оптический резонатор фотодетектора образован распределенным брэгговским отражателем (полностью отражающим зеркалом) и тонким металлическим слоем второго электрода с антиотражающим покрытием (полуотражающим зеркалом) и служит для повышения квантовой эффективности прибора. Оптическая ось резонатора ориентирована параллельно оси, вдоль которой изменяется электрическое поле в структуре фотодетектора. В сравнении с обычным фотодиодом со сходной квантовой эффективностью, резонансный фотодиод Шоттки характеризуется сниженным временем пролета носителей заряд через обедненную область ввиду ее меньшей толщины.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полуизолирующая подложка, полупроводниковая область поглощения оптического излучения, высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, второй металлический электрод, полностью отражающее зеркало оптического резонатора, полуотражающее зеркало оптического резонатора.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются размещение оптической оси резонатора параллельно направлению дрейфа фотогенерированных носителей заряда, что приводит к негативному влиянию сужения полупроводниковой области поглощения оптического излучения на квантовую эффективность фотодетектора, и, аналогично UTC фотодетектору, низкая скорость рекомбинации фотогенерированных носителей заряда и значительное время пролета неравновесных электронов и дырок через ОПЗ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является волноводный эпитаксиальный p-i-n фотодиод [Ghione G. Semiconductor Devices for High-Speed Optoelectronics. Cambridge: Cambridge University Press, 2009, p. 202, fig. 4.27], содержащий полуизолирующую подложку, полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод, высоколегированную InGaAs-область р-типа проводимости, расположенную над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, высоколегированную InGaAsP-область р-типа проводимости, расположенную над высоколегированной InGaAs-областью р-типа проводимости, причем полупроводниковая область поглощения оптического излучения совмещена с оптическим волноводом, имеет собственную проводимость и наиболее узкую в данной структуре запрещенную зону, высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости расположена между полуизолирующей подложкой и полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и имеет более широкую запрещенную зону, чем полупроводниковая область поглощения оптического излучения, высоколегированная InGaAs-область р-типа проводимости имеет более широкую запрещенную зону, чем полупроводниковая область поглощения оптического излучения, но более узкую запрещенную зону, чем расположенная над ней высоколегированная InGaAsP-область р-типа проводимости, высоколегированная приконтактная область р-типа проводимости имеет более широкую запрещенную зону, чем высоколегированная InGaAsP-область р-типа проводимости, и расположена над ней, освещение фоточувствительной структуры осуществляется вдоль оси, перпендикулярной направлению движения фотогенерированных электронов и дырок под действием электрического поля.
При приложении напряжения обратного смещения к первому и второму металлическим электродам, соединенным с высоколегированными приконтактными областями n и р типов проводимости, в полупроводниковой области поглощения оптического излучения формируется ОПЗ с сильным электрическим полем. При освещении фотодиода оптическим излучением с энергией кванта, большей или равной ширины запрещенной зоны полупроводника в InGaAs-области, происходит поглощение фотонов и образование одной электронно-дырочной пары на каждый поглощенный фотон. Свет падает перпендикулярно направлению движения фотогенерированных электронов и дырок под действием встроенного электрического поля, что позволяет варьировать толщину областей p-i-n структуры без негативного влияния на ее квантовую эффективность. Неравновесные носители заряда, генерированные светом в полупроводниковой области поглощения оптического излучения, разделяются полем и ускоряются до скорости насыщения дрейфа: электроны дрейфуют к высоколегированной приконтактной области n-типа проводимости, а дырки - в противоположную сторону к высоколегированной приконтактной области р-типа проводимости. Затем фотогенерированные носители заряда протекают через внешнюю цепь, создавая в ней фототок.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полуизолирующая подложка, полупроводниковая область поглощения оптического излучения, высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированная приконтактная область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод. Структура прототипа освещается вдоль оси, которая перпендикулярна направлению движения фотогенерированных электронов и дырок под действием встроенного электрического поля. В заявляемом объекте падающее оптическое излучение направлено аналогичным образом - вдоль оптической оси резонатора, образованного полуотражающим и полностью отражающим зеркалами, причем ось перпендикулярна направлению электрического поля p-i-n перехода.
Причины, препятствующие достижению технического результата:
1) значительное время (порядка 1 пикосекунды и более), требуемое для пролета фотогенерированных электронов и дырок через ОПЗ, и существенное влияние данного параметра на быстродействие прибора. Указанная особенность обусловлена эффектами междолинного перехода и насыщения дрейфовой скорости носителей заряда, которые проявляются под действием сильного встроенного электрического поля p-i-n структуры и приводят к снижению подвижности электронов и дырок в активной области. Устранение негативной роли представленных эффектов без значительного изменения конструкции прибора достаточно проблематично. Кроме того, сужение полупроводниковой области поглощения оптического излучения p-i-n фотодетектора не приводит к росту быстродействия, так как при этом возрастают емкость перехода и, как следствие, RC-постоянная времени;
2) низкая скорость рекомбинации электронов и дырок в полупроводниковой области поглощения фотодетектора, в результате которой происходит заметное удлинение заднего фронта импульса фототока. В классических структурах фотодетекторов с p-i-n переходами уменьшение времени жизни фотогенерированных носителей заряда путем использования специализированных слоев полупроводниковой структуры с высокой скоростью рекомбинации нецелесообразно, так как это приводит к ухудшению чувствительности прибора и дополнительному снижению подвижности.
III
V
Техническим результатом предполагаемого изобретения является увеличение быстродействия интегрального фотодетектора на основе гетероструктур типа AB при сохранении высокой чувствительности. Технический результат достигается тем, что в устройство введены управляющий р-n переход, который расположен над полуизолирующей подложкой и образован нижней узкозонной GaAs-областью р-типа проводимости и верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости, высоколегированная приконтактная подобласть р-типа проводимости, расположенная в нижней узкозонной GaAs-области р-типа проводимости управляющего р-n перехода, первая управляющая металлическая шина, образующая омический контакт с высоколегированной приконтактной подобластью р-типа проводимости, нижняя LT-GaAsSb-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости управляющего р-n перехода и под полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, верхняя LT-InGaAs-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, широкозонная AlGaAs-область n-типа проводимости, расположенная над верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации, вторая управляющая металлическая шина, расположенная над широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости и образующая с ней переход Шоттки.
Для достижения необходимого технического результата в фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда, содержащий полуизолирующую подложку, полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод, оптический резонатор, образованный полностью отражающим зеркалом и полуотражающим зеркалом, введены управляющий р-n переход, который расположен над полуизолирующей подложкой и образован нижней узкозонной GaAs-областью р-типа проводимости и верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости, высоколегированная приконтактная подобласть р-типа проводимости, расположенная в нижней узкозонной GaAs-области р-типа проводимости управляющего р-n перехода, первая управляющая металлическая шина, образующая омический контакт с высоколегированной приконтактной подобластью р-типа проводимости, нижняя LT-GaAsSb-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости управляющего р-n перехода и под полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, верхняя LT-InGaAs-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, широкозонная AlGaAs-область n-типа проводимости, расположенная над верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации, вторая управляющая металлическая шина, расположенная над широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости и образующая с ней переход Шоттки, причем полупроводниковая область поглощения оптического излучения имеет наиболее узкую запрещенную зону в данной структуре и образует с нижней LT-InGaAs и верхней LT-GaAsSb областями рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда гетеропереходы, обеспечивающие свободный транспорт электронов при невозможном транспорте дырок между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации и свободный транспорт дырок при невозможном транспорте электронов между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и нижней LT-GaAsSb-областью рекомбинации, освещение фоточувствительной структуры осуществляется вдоль оси, перпендикулярной направлениям движения фотогенерированных электронов и дырок как под действием продольного электрического поля первого и второго металлических электродов, так и под действием поперечного электрического поля первой и второй управляющих металлических шин.
III
V
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в увеличение быстродействия интегрального фотодетектора на основе гетероструктур типа AB при сохранении высокой чувствительности.
На фиг. 1 приведена топология предлагаемого фотодетектора с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда. На фиг. 2 показано поперечное сечение А-А структуры рассматриваемого прибора. На фиг. 3 представлены зонные диаграммы управляющей гетероструктуры фотодетектора при нулевом (верхняя диаграмма) и смещающем (нижняя диаграмма) напряжениях на управляющих контактах. На фиг. 4-6 показаны результаты численного квантовомеханического моделирования фотодетектора с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда. Фиг. 4 демонстрирует совмещение максимумов плотности электронов (сплошная линия) и дырок (пунктирная линия) в полупроводниковой области поглощения оптического излучения при нулевом напряжении на управляющих контактах фотодетектора. На фиг. 5 показана передислокация максимумов плотности электронов (сплошная линия) и дырок (пунктирная линия) в LT-области рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда при подаче смещающего напряжения на управляющие шины фотодетектора. На фиг. 6 приведен задний фронт импульса фототока, протекающего в цепи питания прибора при детектировании короткого прямоугольного лазерного импульса.
Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда (фиг. 1, 2) содержит полуизолирующую подложку 1, полупроводниковую область поглощения оптического излучения 2, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости 3, соединенный с ней первый металлический электрод 4, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости 5, соединенный с ней второй металлический электрод 6, оптический резонатор, образованный полностью отражающим зеркалом 7 и полуотражающим зеркалом 8, управляющий р-n переход, который расположен над полуизолирующей подложкой 1 и образован нижней узкозонной GaAs-областью р-типа проводимости 9 и верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости 10, высоколегированную приконтактную подобласть р-типа проводимости 11, расположенную в нижней узкозонной GaAs-области р-типа проводимости 9 управляющего р-n перехода, первую управляющую металлическую шину 12, образующую омический контакт с высоколегированной приконтактной подобластью р-типа проводимости 11, нижнюю LT-GaAsSb-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда 13, расположенную над верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости 10 управляющего р-n перехода и под полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и граничащую с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости 3 и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости 5, верхнюю LT-InGaAs-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда 14, расположенную над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и граничащую с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости 3 и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости 5, широкозонную AlGaAs-область n-типа проводимости 15, расположенную над верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации 14, вторую управляющую металлическую шину 16, расположенную над широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости 15 и образующую с ней переход Шоттки, причем полупроводниковая область поглощения оптического излучения 2 имеет наиболее узкую запрещенную зону в данной структуре и образует с нижней LT-GaAsSb и верхней LT-InGaAs областями рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда 13, 14 гетеропереходы, обеспечивающие свободный транспорт электронов при невозможном транспорте дырок между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации 14 и свободный транспорт дырок при невозможном транспорте электронов между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и нижней LT-GaAsSb-областью рекомбинации 13, освещение фоточувствительной структуры осуществляется вдоль оси, перпендикулярной направлениям движения фотогенерированных электронов и дырок как под действием продольного электрического поля первого и второго металлических электродов 4, 6, так и под действием поперечного электрического поля первой и второй управляющих металлических шин 12, 16.
Устройство работает следующим образом. Высоколегированная приконтактная область р-типа проводимости 5, полупроводниковая область поглощения оптического излучения 2 и высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости 3 образуют p-i-n гетеропереход 5-2-3. Прибор детектирует лазерные импульсы с энергией фотонов, которая соответствует ширине запрещенной зоны полупроводника в области поглощения оптического излучения 2. В остальных областях фото детектора ширина запрещенной зоны превышает энергию фотонов падающего излучения, поэтому оптическая генерация электронно-дырочных пар в них не происходит. Для повышения квантовой эффективности фотодетектора используется оптический резонатор Фабри-Перо, который образован передним полуотражающим зеркалом 8, перпендикулярно поверхности которого падает лазерное излучение, и задним полностью отражающим зеркалом 7. Главная оптическая ось резонатора 8-7 ортогональна как направлению дрейфа носителей заряда в p-i-n структуре 5-2-3, так и направлению электрического поля в управляющей гетероструктуре. Представленная конфигурация оптического резонатора позволяет повысить квантовую эффективность и, как следствие, достичь высокой чувствительности фотодетектора при малых длинах областей p-i-n перехода 5-2-3 и малых толщинах слоев управляющей гетероструктуры.
Фоточувствительный p-i-n гетеропереход 5-2-3 работает в фотодиодном режиме. На первый и второй металлические электроды 4 и 6, соединенные с высоколегированными приконтактными областями пир типов проводимости 3 и 5, подается постоянное напряжение питания обратной полярности. При освещении структуры лазерным импульсом с энергией фотонов, равной ширине запрещенной зоны полупроводника в области поглощения оптического излучения 2, в последней генерируются неравновесные электроны и дырки. Встроенное продольное электрическое поле p-i-n перехода разделяет фотогенерированные носители заряда и переносит их через ОПЗ к высоколегированными приконтактными областями пир типов проводимости 3 и 5, где электроны и дырки уходят в цепь питания, создавая в ней фототок. Измерительным сигналом прибора является фототок, протекающий в цепи питания детектора.
Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на переходные процессы в фоточувствительных p-i-n структурах, является время жизни неравновесных носителей заряда в i-области поглощения оптического излучения до их рекомбинации. Однако использование модифицированных слоев с высокой скоростью рекомбинации в классических p-i-n фотодиодах приводит к негативным последствиям: время пролета активной области увеличивается ввиду малой подвижности носителей заряда, а также снижается амплитуда фототока и, как следствие, ухудшается чувствительность. Для решения представленной проблемы предлагается использовать известный принцип управляемой передислокации максимумов плотности носителей заряда [Sakaki Н. Velocity Modulation Transistor (VMT) -A New Field-Effect Transistor Concept // Japanese Journal of Applied Physics, 1982, vol. 21, no. 6, pp. L381-L383]. В структуру фотодетектора с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда введена управляющая гетероструктура, которая образована управляющим р-n переходом GaAs/AlGaAs 9-10, расположенным над полуизолирующей подложкой 1, верхней и нижней LT-областями рекомбинации 13 и 14, находящейся между ними полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и верхним управляющим переходом Шоттки AlGaAs/металл 15-16. В управляющей гетероструктуре сформированы квантовые ямы в зоне проводимости в областях 2 и 14 и в валентной зоне в зоне в областях 13 и 2 (см. фиг. 3). Управляющее напряжение подается на первую управляющую металлическую шину 12, соединенную с высоколегированной р-подобластью 11, и вторую управляющую металлическую шину 16, образующую с широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости 15 управляющий переход Шоттки, и формирует поперечное электрическое поле, которое направлено перпендикулярно встроенному продольному полю p-i-n структуры и главной оптической оси резонатора 8-7.
Потенциальные барьеры для дырок в валентной зоне на гетеропереходе 2-14 и для электронов в зоне проводимости на гетеропереходе 13-2 препятствуют уходу фотогенерированных электронов в управляющую цепь при нулевом напряжении на управляющих металлических шинах 12 и 16. За счет этого при нулевом управляющем напряжении максимумы плотности электронов и дырок совмещены в тонкой поглощающей области 2 с низкой скоростью рекомбинации (см. верхнюю зонную диаграмму на фиг. 3 и распределения концентраций на фиг. 4), и структура функционирует аналогично традиционному обратносмещенному p-i-n фотодиоду.
Под действием смещающего напряжения, прикладываемого к управляющим металлическим шинам 12 и 16, максимумы плотности носителей заряда разделяются и передислоцируются в специальные рекомбинационные LT-области 13 и 14 (см. нижнюю зонную диаграмму на фиг. 3 и распределения концентраций на фиг. 5). Области 13 и 14 характеризуются низкой подвижностью и малым временем жизни неравновесных носителей заряда до рекомбинации. Управляемая передислокация осуществляется за короткий промежуток времени (менее 0,1 пикосекунды) при неизменном общем числе носителей заряда в квантовых ямах управляющей наногетероструктуры, так как потенциальные барьеры на гетеропереходах 10-13 и 14-15 препятствуют быстрому уходу носителей заряда в управляющую электрическую цепь. Перемещение фотогенерированных носителей заряда из полупроводниковой области поглощения оптического излучения 2 с высокой подвижностью и низкой скоростью рекомбинации в рекомбинационные области 13 и 14 с низкой подвижностью и высокой скоростью рекомбинации приводит к резкому уменьшению плотности фототока в цепи питания детектора (см. фиг. 6). Полупроводниковая область поглощения оптического излучения 2 имеет малую толщину (порядка 10 нанометров и менее), поэтому полуклассические высокополевые транспортные эффекты не оказывают столь существенного влияния на время ее пролета в поперечном направлении, как на время пролета i-области в продольном направлении в классических p-i-n фотодиодах.
Применение рассмотренного механизма модуляции времени жизни и подвижности носителей заряда целесообразно только после начала заднего фронта оптического импульса, так как в противном случае дрейф фотогененрированных электронов и дырок будет осуществляться в рекомбинационных LT-областях 13 и 14 с низкой подвижностью и малым временем жизни, что приведет к ухудшению характеристик быстродействия и чувствительности фотодетектора по сравнению с классической p-i-n структурой. По этой причине напряжение смещения подается на управляющие металлические шины 12 и 16 только во время заднего фронта импульса фототока, а в остальные моменты времени управляющая разность потенциалов равна нулю.
0
0
Для обеспечения указанного режима работы фотодетектора в интегральных оптических межсоединениях, элементом которых является рассматриваемый прибор, передаваемый цифровой электрический сигнал преобразуется в короткие лазерные импульсы с фиксированной длительностью t. Фотодетектор управляется быстродействующей электрической схемой на основе логических элементов с управляемой передислокацией максимумов амплитуды волновых функций носителей заряда [Konoplev B.G., Ryndin Е.А., Denisenko М.А. Components of integrated microwave circuits based on complementary coupled quantum regions // Russian Microelectronics, 2015, vol. 44, no. 3, pp. 190-196]. В исходном состоянии после окончания переходного процесса по питанию напряжение на управляющих шинах фотодетектора 12 и 16 равно нулю. Параметры элементов управляющей схемы подобраны таким образом, что она срабатывает через время t после появления фототока в цепи питания детектора, подавая напряжение смещения на его управляющие контакты 12 и 16. В результате появляющееся после начала заднего фронта оптического импульса управляющее электрическое поле передислоцирует максимумы плотности носителей заряда из полупроводниковой области поглощения оптического излучения 2 в рекомбинационные LT-области 13 и 14, где они быстро рекомбинируют, что приводит к снижению плотности фототока (см. фиг. 6). Следует отметить, что крутой участок заднего фронта импульса фототока определяется не только уходом неравновесных носителей заряда из ОПЗ под действием электрического поля и рекомбинации, как в классических фотодиодах, но и резким снижением подвижности при перемещении электронов и дырок в рекомбинационные LT-области 10 и 12. Через некоторое фиксированное время после завершения передислокации управляющая схема обнуляет напряжение на металлических шинах 12 и 16, и структура может детектировать следующий лазерный импульс.
Таким образом, в предлагаемом фотодетекторе принцип управляемой передислокации максимумов плотности носителей заряда используется для уменьшения длительности заднего фронта импульса фототока до субпикосекундной величины. Передислокация управляется поперечным электрическим полем: при нулевом напряжении на управляющих шинах максимумы плотности электронов и дырок совмещены в полупроводниковой области поглощения оптического излучения, а при подаче напряжения смещения они разделяются и перемещаются в LT-области с высокой скоростью рекомбинации и низкой подвижностью. До начала заднего фронта структура работает аналогично классическому p-i-n фотодиоду, в котором встроенное электрическое поле p-i-n перехода разделяет и переносит фотогенерированные носители заряда. Ортогональное расположение главной оптической оси резонатора, направления электрического поля p-i-n перехода и направления поля управляющей гетероструктуры позволяет не только повысить быстродействие, но и обеспечить высокую чувствительность фотодетектора, варьируя размеры его основных областей.
III
V
Положительный эффект, заключающийся в увеличении быстродействия интегрального фотодетектора на основе гетероструктур типа AB при сохранении высокой чувствительности, получен за счет введения перечисленных выше новых признаков.
Изобретение создано при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта №18-37-00432.