ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам в области полупроводниковых приборов, а именно к приемникам инфракрасного (ИК) излучения, работающими в ближнем и среднем ИК диапазоне (1-3 мкм) как с постоянными, так и импульсными (модулированными) сигналами.
-2
-3
3
5
В последние годы необходимость создания высокоэффективных и быстродействующих фотоприемников (главным образом фотодиодов) для инфракрасных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на основе флюоридных стекол с аномально низкими потерями (10-10 дБ/км, спектральный диапазон 2-4 мкм) активизировала интенсивные исследования в области разработки быстродействующих фотоприемников на основе полупроводниковых соединений АB, в частности, на основе антимонидов. Такие фотодиоды могут применяться в лазерной диодной спектроскопии газов и молекул, в лазерной дальнометрии и локации в окне прозрачности атмосферы 2-3 мкм и, к тому же, безопасном для глаза человека. Кроме того, оптическая линия связи в открытом пространстве (free-space optical communications, также известная как free-space optics или FSO) весьма перспективна в данном диапазоне для высокочастотных коммуникаций в коммерческом секторе экономики, поскольку не требует прокладки дорогостоящих каналов ВОЛС. Большое внимание в последние годы было приковано к проблемам мониторинга окружающей среды. Такая проблема включает в себя различные задачи спектрального анализа атмосферы в диапазоне длин волн 1-3 мкм, в котором существует множество линий поглощения воды и других газообразных веществ, вредных для человека. Таким образом, существует потребность в быстродействующих малошумящих фотоприемниках, работающих в данном спектральном диапазоне.
Все эти применения резко отличаются по сути построения аппаратуры регистрации излучения и природы источников излучения (лазеры, светодиоды, естественное излучение объектов). Из этого следует, что потенциальному потребителю, требуются фотоприемники с различными параметрами и характеристиками. Так в системах дальнометрии и локации основным параметром является быстродействие и шумовые характеристики фотодиода, а в системах газового анализа потребуется большая площадь фотоприемной площадки и высокая обнаружительная способность. Совместить все эти характеристики в одном приборе практически невозможно, из чего следует, что необходимо разработать фотодиоды с различными площадями и функциональными особенностями (специальные корпуса для СВЧ применений, для термостабилизации или охлаждения фотодиода - использование термохолодильников на эффекте Пельтье).
Известны приемники инфракрасного излучения, работающие в спектральном диапазоне 1.6-2.6 мкм (рекламный проспект фирмы «Hamamatsu» Япония). В данных моделях фотоприемников применяются твердые растворы InGaAs с высоким содержанием индия (In), выращиваемые на подложках InP. Для преодоления значительного рассогласования по параметру решетки с подложкой производится наращивание большого количества слоев InGaAs с переменным составом. Технология получения - газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (MOCVD). Прекрасные по основным параметрам фотодиоды, в частности по обнаружительной способности, фотодиоды на основе InGaAs/InP имеют и недостатки, к которым следует отнести:
- узкий диапазон спектральной чувствительности 1,6-2,6 мкм, обусловленный использованием материала широкозонного «окна»;
- относительно худшее быстродействие таких фотодиодов, что объясняется высокими значениями емкости фотодиодов, обусловленными высокими значениями концентраций носителей в активном слое фотодиода;
- сложность конструкции, связанная дороговизной и сложностью эпитаксиальной (MOCVD) технологии, требующая выращивания толстых переходных буферных слоев, для снятия несоответствия параметров решеток подложки и активного слоя. Высокая цена коммерческих фотодиодов.
1-X
X
Y
1-Y
0.66
0.34
0.025
0.975
X
ЭП
1-X
X
Y
1-Y
17
-3
Известны полупроводниковые фотодиоды (ФД) изготовленные методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на основе гетероструктур GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb, с диапазоном спектральной чувствительности 1,10-2,4 мкм, использующие в активной области твердые растворы GaInAsSb (х=0.22, Eg=0.53 eV) и широкозонным «окном» из GaAlAsSb. Эти фотодиоды наиболее близкие к нашей полезной модели по совокупности существенных признаков, приняты за прототип (1). Для обеспечения заданного диапазона длин волн 1,10-2,4 мкм в ФД, в качестве активной области, используются полупроводниковые материалы изопериодные к подложкам GaSb - четырехкомпонентные твердые растворы GaInAsSb (x=0.22, Eg=0.53 eV), поскольку ширина запрещенной зоны материала определяет границу чувствительности фотодиода по уровню 50% и 10%, как длину волны 2,32 мкм и 2,4 мкм, соответственно. Оптическое «окно», прозрачное для квантов из области собственного поглощения активного слоя, в фотодиодных гетероструктурах изготавливается из широкозонных четверных твердых растворов AlGaAsSb с большим содержанием алюминия, изопериодных к подложке GaSb. Эпитаксиальный рост происходит при температуре Т=600С на подложках GaSb с ориентацией (100). Преднамеренно нелегированный слой GaInAsSb растет р-типа проводимости р~10 см. Для получения необходимого уровня легирования слои легируются Те. Степень компенсации примесей в слое высокая, что приводит к увеличению количества комплексов и примесных центров, и обуславливает высокие значения обратных темновых токов и низкие подвижности носителей в слоях (отсюда значительно худшее быстродействие по сравнению с фотодиодами на основе чистых материалов с малым количеством собственных дефектов и примесных центров в слоях.
Преимущество данной гетероструктуры в том, что она позволяет снизить поверхностную рекомбинацию, и, следовательно, повысить квантовую эффективность преобразования фотодиода.
max
10
-1
1/2
Известное устройство-прототип не обеспечивает необходимого диапазона спектральной чувствительности 0,9-2,55 мкм. Легирование Те хотя и допускает получение практически любой концентрации носителей в слоях, приводит к образованию комлексов из примесей и собственных дефектов, а также и глубоких центров, через которые протекают значительные обратные темновые токи. В результате значение обнаружительной способности на длинах волн вблизи 2 мкм составляет D*(λ, 1000,1)=(4-6)×10 Вт× см × Гц. Наличие комплексов и дефектов обуславливает малую подвижность носителей в активном слое и, как следствие, меньшее быстродействие фотодиода (500-1000 пс).
Задачей заявляемой полезной модели является расширение спектрального диапазона чувствительности фотоприемника до 0,9-2,55 мкм, повышение его обнаружительной способности (через снижение обратных темновых токов) и улучшение быстродействия.
ЭП
Pb
1-X
X
Y
1-Y
0.50
0.50
0.04
0.96
1
Указанная задача решается тем, что фотоприемник выращивается методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложке антимонида галлия с ориентацией (111) В из содержащих свинец растворов-расплавов (температура эпитаксии Т=560-600С, мольная доля Рb в жидкой фазе Х =0.079-0.175). Выбрав такую ориентацию подложки и такой режим роста активного слоя из свинцовых растворов - расплавов, при прочих равных (неизменных) условиях, получаем структуру с активной областью из твердого раствора GaInAsSb с максимальным содержанием индия в твердой фазе х=0.24 (в прототипе при тех же условиях роста и ориентации подложки GaSb(100) x=0.22) и широкозонным «окном» из твердого раствора GaAlAsSb. Такой состав твердых растворов обеспечивает фоточувствительность в области 0,9-2,55 мкм. Концентрация носителей в активной области без преднамеренного легирования снижается на порядок до величины
16
-3
n(р)~(1-2)×10 см. Свинец, находящийся в растворе-расплаве не входит в кристаллическую фазу, но при этом воздействует на процесс таким образом, что твердые растворы растут с образованием меньшего количества собственных дефектов. Роль свинца в процессе эпитаксии подробно рассматривается, например, в работе [3].
1-X
X
Y
1-Y
16
-3
Концентрация носителей в слое и его толщина удовлетворяет определенным соотношениям. Узкозонный активный четверной твердый раствор GaInAsSb выращивается толщиной d (при этом выполняется соотношение α×d≫1, d=W, W - ширина слоя пространственного заряда и α - коэффициент поглощения излучения на рабочей длине волны) и имеет концентрацию n(р)=(1-2)×10 см.
обр
g
Типичный гетерофотодиод типа p-i-n состоит из трех областей с различной концентрацией носителей и типом проводимости: i-слой с концентрацией, близкой к собственной, и сильно легированные р- и n-слои. При приложении обратного смещения U в i-слое формируется область пространственного заряда (обедненный слой) шириной W со встроенным полем напряженностью Е(х). В рабочем режиме напряжение выбирается достаточным для истощения i-слоя, чтобы обеспечить W=d, где d - толщина i-слоя. При освещении фотодиода светом с энергией кванта большей E материала активной области, происходит поглощение фотона и образование электронно-дырочных пар. Для обеспечения максимальной квантовой эффективности область пространственного заряда (ОПЗ) должна быть достаточно широкой и удовлетворять следующему условию:
где α - коэффициент поглощения материала, W - ширина области ОПЗ.
g
4
-1
В прямозонных полупроводниках, каковым является твердый раствор GaInAsSb, для излучения с энергией кванта, большей E материала, коэффициент поглощения а превышает 10 см. Тогда для полного поглощения падающего света W должна быть порядка нескольких микрон. Поэтому в нашем случае выбор толщины активной области порядка 2.2-3 мкм обеспечивает практически-полное поглощение света.
16
-3
10
-1
1/2
max
Концентрация в активном слое n(р)=(1-2)×10 см обеспечивает ширину слоя объемного заряда W=1-2 мкм при нулевом смещении и 2-3 мкм при обратном смещении гетерофотодиода U=-(1-2) В. Квантовая эффективность достигает 60-70%, что является замечательным результатом поскольку мы не использовали антиотражающих покрытий и до 30% падающего излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух. На длинах волн 2-2.2 мкм в максимуме спектральной чувствительности мы получили на опытных образцах токовую монохроматическую чувствительность в 1-1.2 А/Вт. Поскольку процесс образования электронно-дырочных пар происходит в слое объемного заряда, то носители созданные светом разделяются в сильном электрическом поле и за счет дрейфа время пролета активной области носителей при отсутствии рассеяния на собственных дефектах материала составляет величину 40-70 пс, что обуславливает высокое быстродействие фотодиода. Снижение количества дефектов обуславливает и снижение величины обратного темнового тока в 5-10 раз и соответственно повышение обнаружительной срособности в 2-3 раза. Были получены значения обнаружительной способности до D*(λ, 1000, 1)=(8-11)×l0 Вт× см × Гц
Заявляемая конструкция фотодиода на основе гетероструктуры GaSb/ GaInAsSb/ AlGaAsSb иллюстрируется рисунком 1. Были изготовлены опытные образцы заявляемого фотоприемника. Сравнение основных характеристик фотодиода на основе предложенной конструкции и нового способа его получения с характеристиками указанными в описании прототипа, подтвердило улучшение данных параметров:
- Диапазон спектральной чувствительности расширился с 1.0-2.4 мкм до 0.9-2.55 мкм;
1-X
X
Y
1-Y
16
-3
- применение нейтрального растворителя Рb позволило получить преднамеренно нелегированный GaInAsSb с концентрацией n(p)=(1-2)×10cм;
max
10
-1
1/2
- получив низкую концентрацию за счет снижения количества собственных структурных дефектов в слое, удалось снизить обратный темновой ток в 5-10 раз, повысив обнаружительную способность фотоприемника в 2-3 раза. Были получены значения обнаружительной способности D*(λ, 1000, 1)=(8-11)×l0 Вт× см × Гц;
- зафиксировано быстродействие фотодиодов 40-70 пс при диаметре чувствительной площадки 100 мкм.
Применение нового метода получения активного слоя фотоприемника (выращивание из свинцовых растворов-расплавов и использование подложки с ориентацией (111) В) и новая его конструкция позволит существенно улучшить параметры фотоприемников ближнего и среднего инфракрасного диапазона.
ЛИТЕРАТУРА
1.1. A.Andreev, M.A.Afrailov, А.N.Baranov, V.G.Danil'chenko, M.A.Mirsagatov, M.Р.Mikhailova, and Yu.P.Yakovlev «GaInAsSb/GaAlAsSb solid-solution photodiodes» Sov. Tech. Phys. Lett. 12, 542 (1986).
2. E.V.Kunitsyna, I.A.Andreev, M.P.Mikhalova, and Yu.P.Yakovlev Fabrication details of GaInAsSb-based photodiode heterostructures Proceedings of SPIE - Vol.4340, 16th International Conference on Photoelectronics and Night Vision Devices, Anatoly M.Filachev, Alexander I.Dirochka, Editors, November 2000, pp.244-253
3. I.A.Andreev, E.V.Kunitsyna, Yu.V.Solov'ev and Yu.P.Yakovlev Use of lead as a neutral solvent for obtaining solid GaInAsSb solutions Tech. Phys. Lett. 25, 792 (1999)