ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LASER RADIATION PHOTOCONVERTER

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотопреобразователей (ФП) лазерного излучения.
2
Как показывают теоретические данные, эффективность преобразования монохроматического (в частности, лазерного) излучения в диапазоне длин волн 0,8-86 мкм для фотопреобразователей на основе GaAs может достигать 85-87% при мощности падающего излучения 100 Вт/см. Таким образом, задача улучшения характеристик ФП лазерного излучения, таких как квантовый выход и КПД, является весьма актуальной для современной электроники и фотоники.
n
n
n
n
p
p
p
2
2
18
-3
18
-3
18
-3
17
-3
18
-3
18
-3
+
19
-3
2
Известен фотопреобразователь лазерного излучения на основе GaAs (см. Tiqiang Shan, Xinglin Qi, Design and optimization of GaAs photovoltaic converter for laser power beaming, 2015, м. 71, p. 144-150), включающий подложку из n-GaAs толщиной 350 мкм (концентрация электронов N=5⋅10 см), буферный слой из n-GaAs толщиной 1 мкм (N=5⋅10 см), слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs толщиной 0,05 мкм (N=5⋅10 см), базовый слой из n-GaAs толщиной 3,5 мкм (N=1⋅10 см), эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 0,5 мкм (концентрация дырок N=2⋅10 см), слой широкозонного окна из p-GaInP толщиной 0,05 мкм (N=5⋅10 см), контактный слой из p-GaAs толщиной 0,5 мкм (N=5⋅10 см), который впоследствии вытравливают на фоточувствительной области ФП, тыльный и лицевой омические контакты, двухслойное антиотражающее покрытие из TiO/SiO для спектрального диапазона 810-840 нм. Эффективность таких элементов составила 53,2% при мощности падающего излучения 5 Вт/см для длины волны 808 нм.
2
Недостатком известного фотопреобразователя является высокое последовательное сопротивление растекания, связанное с малой толщиной слоя широкозонного окна, что обеспечивает его работоспособность только до мощности 5 Вт/см.
+
18
-3
+
+
19
-3
++
20
-3
2
n
0,5
p
0,5
p
x
2
Известен фотопреобразователь лазерного излучения на основе GaAs (см. E. Oliva, F. Dimroth and A.W. Bett. Converters for High Power Densities of Laser Illumination. - Prog. Photovolt: Res. Appl., 2008, 16:289-295), содержащий подложку из n-GaAs, слой тыльного потенциального барьера из n-GaInP (N=8⋅10 см), базовый слой из n-GaAs, эмиттерный слой из p-GaAs, слой широкозонного окна из p-GaInP и контактный слой из p-AlGaAs (N=1,5⋅10 см) или из p-AlGaInAs (N=1⋅10 см), который впоследствии вытравливают на фоточувствительной области ФП, тыльный контакт из Pd/Ge к n-GaAs, лицевой контакт из слоев Ti/Pd/Ag и антиотражающее покрытие из двух слоев: TaO и MgF. Эффективность таких фотопреобразователей варьируется от 52% до 54,9% при интенсивности падающего излучения 10-20 Вт/см для длины волны 810 нм.
+
0,5
К недостатку известного фотопреобразователя относится усложненная технология его изготовления (использование большого количества разных газов для выращивания слоев разного элементного состава, а следовательно, повышенные требования к очистке реактора от нежелательных примесей). Кроме того, в случае использования широкозонного контактного слоя p-AlGaAs может увеличиваться последовательное сопротивление структуры из-за большого переходного сопротивления металл-полупроводник.
x
1-x
2
Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является фотопреобразователь лазерного излучения (см. патент RU 2547004, МПК H01L 31/18, опубл. 10.04.2015), принятый за прототип и включающий подложку из n-GaAs, легированную оловом, буферный слой из n-GaAs толщиной не менее 10 мкм, легированный оловом или теллуром, базовый слой из n-GaAs толщиной 3-5 мкм, легированный оловом или теллуром, эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 1,5-2,0 мкм, легированный магнием, слой из p-AlGaAs толщиной 3-30 мкм, легированный магнием или германием, при x=0,3-0,4 в начале роста слоя и при x=0,10-0,15 в приповерхностной области слоя, тыльный омический контакт из Au(Ge)/Au, лицевой омический контакт из Cr/Au и двухслойное антиотражающее покрытие (ZnS/MgF).
Недостатками известного фотодетектора лазерного излучения является неполное собирание фотогенерированных носителей из базового слоя и высокое последовательное сопротивление, связанное с необходимостью нанесения верхнего металлического контакта непосредственно на слой широкозонного окна, содержащего алюминий.
Задачей настоящего решения является создание такого фотодетектора лазерного излучения, который обладал бы высоким уровнем квантовой эффективности в диапазоне 800-860 нм, а также пониженным последовательным сопротивлением, что обеспечит повышение его КПД, а также возможность увеличения преобразуемой мощности лазерного излучения.
x
1-x
y
1-y
Поставленная задача достигается тем, что фотодетектор лазерного излучения включает полупроводниковую подложку из n-GaAs, на которую последовательно нанесены слой тыльного барьера из n-AlGaAs, базовый слой из n-GaAs, эмиттерный слой из p-GaAs, слой широкозонного окна из p-AlGaAs толщиной не менее 1 мкм, где 0,15<х<0,25, широкозонный стоп-слой из p-AlGaAs, где 0,6<y<0,7, и контактный подслой из p-GaAs.
x
1-x
y
1-y
y
1-y
y
1-y
Новым в настоящем фотопреобразователе является введение в структуру слоя тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs, а также введение широкозонного стоп-слоя из p-AlGaAs, где 0,6<y<0,7, для травления контактного подслоя. Наличие тыльного барьера позволяет обеспечить полное собирание носителей, генерируемых в базовом слое. Наличие широкозонного стоп-слоя из p-AlGaAs, где 0,6<у<0,7, позволяет выполнить слой широкозонного окна из AlGaAs с малым содержанием алюминия, характеризующегося большей подвижностью носителей заряда и большей удельной проводимостью, что снижает сопротивление растекания фотодетектора. Кроме того, наличие широкозонного стоп-слоя из p-AlGaAs, позволяет использовать контактный подслой из GaAs, который обладаем очень малым переходным сопротивлением с металлическими контактами, что также понижает последовательное сопротивление структуры. Это условие не выполняется в фотодетекторе-прототипе, где отсутствие селективности для травления контактного подслоя приводит к необходимости осаждать металлический контакт непосредственно на слой широкозонного окна, обладающего большим переходным сопротивлением с металлическим контактом.
Концентрация алюминия в слое широкозонного окна 0,15<x<0,25 обусловлена тем, что при меньшей концентрации возможен заброс фотогенерированных носителей заряда в слой широкозонного окна, где они могут рекомбинировать, не давая вклад в фототок. При концентрации алюминия более 0,25 уменьшение подвижности носителей заряда будет приводить к заметному росту его удельного сопротивления. Толщина слоя широкозонного окна обусловлена тем, что при толщине слоя менее 1 мкм его сопротивление будет больше, чем сопротивление эмиттера, и слой широкозонного окна не будет эффективно способствовать растеканию носителей заряда, так как растекание будет в основном проходить через слой эмиттера. При содержании в стоп-слое Al менее 0,6 не будет обеспечиваться эффективная селективность для травления контактного подслоя, а в случае увеличения концентрации y>0,7, стоп-слой будет иметь тенденцию к деградации вследствие окисления из-за большого содержания алюминия.
z
1-z
x
1-x
y
1-y
В фотодетекторе лазерного излучения слой тыльного барьера может быть выполнен из n-AlGaAs толщиной 100 нм, где z=0,3, базовый слой из n-GaAs может быть выполнен толщиной 3200 нм, эмиттерный слой из p-GaAs может быть выполнен толщиной 400 нм, слой широкозонного окна из p-AlGaAs может быть выполнен толщиной 1000 нм, где x=0,20, широкозонный стоп-слой из p-AlGaAs может быть выполнен толщиной 50 нм, где y=0,65, а контактный подслой из p-GaAs может быть выполнен толщиной 300 нм.
z
1-z
x
1-x
y
1-y
18
-3
17
-3
18
-3
19
-3
18
-3
19
-3
В фотодетекторе лазерного излучения слой тыльного барьера из n-AlGaAs может быть легирован, например, атомами кремния на уровне (1-2)⋅10 см, базовый слой из n-GaAs может быть легирован, например, атомами кремния на уровне (1-2)⋅10 см, эмиттерный слой из p-GaAs может быть легирован, например, атомами цинка на уровне (1-2)⋅10 см, слой широкозонного окна из p-AlGaAs может быть легирован, например, атомами цинка на уровне (1-2)⋅10 см, широкозонный стоп-слой из p-AlGaAs может быть легирован, например, атомами кремния на уровне (1-2)⋅10 см, а контактный подслой p-GaAs может быть легирован, например, атомами цинка на уровне (1-2)⋅10 см.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 представлено схематичное изображение поперечного сечения настоящего фотодетектора лазерного излучения;
на фиг. 2 приведен спектр квантовой эффективности фотодетектора лазерного излучения (кривая 8);
на фиг. 3 приведены напряжение холостого хода (кривая 9), фактор заполнения вольтамперной характеристики (кривая 10) и КПД преобразования лазерного излучения (кривая 11) в зависимости от энергетической освещенности и фототока.
x
1-x
y
1-y
x
1-x
Настоящий фотодетектор лазерного излучения показан на фиг. 1. Он включает подложку 1, выполненную из n-GaAs, и последовательно осажденные слои: слой 2 тыльного барьера, выполненный из n-AlGaAs с толщиной, например, 100 нм, базовый слой 3, выполненный из n-GaAs с толщиной, например, 3200 нм, эмиттерный слой 4, выполненный из p-GaAs с толщиной, например, 400 нм, слой 5 широкозонного окна из p-AlGaAs с толщиной, например, 1000 нм, широкозонный стоп-слой 6, выполненный из p-AlGaAs с толщиной, например, 50 нм, и контактный подслой 7, выполненный из p-GaAs с толщиной, например, 300 нм, при этом толщина широкозонного слоя 5 из p-AlGaAs составляет не менее 1 мкм при концентрации алюминия 0,15<х<0,25, а концентрация алюминия в широкозонном стоп-слое 6 находится в диапазоне 0,6<y<0,7.
Структура настоящего ФД представляет собой полупроводниковый p-n переход, разделяющий фотогенерированные носители за счет тянущего поля. При этом фотогенерированные носители диффундируют в сторону p-n перехода из глубины базового слоя 3 и эмиттерного слоя 4.
Выбранная конструкция ФД позволяет сократить потери на неполное поглощение фотонов в диапазоне 800-860 нм, для чего общая толщина фотопоглощающих слоев (эмиттерный и базовый) должна составлять не менее 3,5 мкм.
17
-3
Наличие в структуре настоящего ФД слоя 2 тыльного барьера наряду с уровнем легирования базового слоя 3 порядка (1-2)⋅10 см позволяет обеспечить полное собирание фотогенерированных носителей из базового слоя 3. Увеличение уровня легирования будет приводить к снижению диффузионной длины таких носителей, что не позволит им достигнуть области р-n перехода для разделения. Отсутствие слоя 2 тыльного барьера приведет к диффузии части носителей в подложку 1 с их последующей потерей. Малая толщина эмиттерного слоя 4 настоящего ФД лазерного излучения позволяет также обеспечить полное собирание фотогенерированных носителей.
Важной особенностью ФД лазерного излучения является большая падающая световая мощность, что приводит к генерации значительной плотности фототока. В этом случае резистивные потери могут играть значительную роль, ограничивая КПД ФД. Последовательное сопротивление складывается из последовательного сопротивления слоев и подложки, сопротивления растекания между контактными шинками в верхних p-слоях, а также из переходного сопротивления между полупроводником и металлическими контактами. Сопротивление растекания, как правило, на несколько порядков выше, поэтому оно является основным фактором, лимитирующим КПД, однако в случае нанесения металлических контактов на широкозонные слои, в особенности слои, содержащие алюминий, переходное сопротивление может также стать ограничивающим КПД фактором.
x
1-x
Для минимизации резистивных потерь в настоящем ФД лазерного излучения включен слой 5 широкозонного окна из p-AlGaAs, с малым содержанием алюминия, высоким уровнем легирования и большой толщиной. При этом при концентрации алюминия более 10% он также исполняет роль лицевого барьера для эмиттерного слоя 4, препятствующего выходу фотогенерированных носителей. Это связано с тем, что при поглощении фотонов в диапазоне 800-860 нм не возникает «горячих» носителей с энергией, достаточной для выхода из эмиттерного слоя 4 в слой 5 широкозонного окна. Малая концентрация алюминия (менее 20%) в слое 5 широкозонного окна обеспечивает высокую удельную проводимость, которая, как известно, для слоев из AlGaAs уменьшается с увеличением концентрации алюминия из-за падения подвижности носителей заряда. Увеличение толщины контактного подслоя 7 приводит к пропорциональному уменьшению сопротивления растекания, так как ток при растекании между шинками течет вдоль слоя.
При изготовлении ФД лазерного излучения необходимо удаление контактного подслоя 7 между шинками, чтобы минимизировать поглощение лазерного излучения в нем. Это обычно достигается химическим жидкостным травлением GaAs. Для обеспечения возможности изготовления структуры ФД лазерного излучения стандартными пост-ростовыми методами в настоящий ФД лазерного излучения введен широкозонный стоп-слой 6, с концентрацией алюминия 60-70%, являющийся стоп-слоем для травления контактного подслоя 7.
Пример
18
-3
17
-3
18
-3
19
-3
18
-3
19
-3
0,2
0,8
0.65
0.35
Методом МОС-гидридной эпитаксии был изготовлен фотодетектор лазерного излучения на подложке из n-GaAs, включающий последовательно осажденные слои: слой тыльного барьера из n-AlGaAs толщиной 100 нм и уровнем легирования атомами кремния 1⋅10 см, базовый слой из n-GaAs толщиной 3200 нм и уровнем легирования атомами кремния 1⋅10 см, эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 400 нм и уровнем легирования атомами цинка 1⋅10 см, слой широкозонного окна из p-AlGaAs толщиной 1000 нм и уровнем легирования атомами цинка 1⋅10 см, широкозонный стоп-слой из p-AlGaAs толщиной 50 нм и уровнем легирования атомами цинка 1⋅10 см и контактный подслой из p-GaAs толщиной 300 нм и уровнем легирования атомами цинка 1⋅10 см.
2
2
Полученный ФД продемонстрировал высокий уровень квантового выхода в диапазоне 800-860 нм (фиг. 2), соответствующий практически полному поглощению фотонов и собиранию фотогенерированных носителей. При этом благодаря сниженному последовательному сопротивлению структуры ФД продемонстрировал КПД на уровне 59-60% вплоть до подводимой мощности лазерного излучения порядка 10 Вт/см и КПД более 54% вплоть до подводимой мощности лазерного излучения порядка 40 Вт/см (фиг. 3).