ГЕТЕРОСТРУКТУРА ОДНОФОТОННОГО ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА

Полезная модель относится к гетероструктурам лавинного фотодиода для счетчиков одиночных фотонов, работающим в режиме Гейгера, и может быть использована в системах квантового распределения ключей и оптических квантовых вычислений, для проведения позитронно-эмиссионной томографии, оптической рефлектометрии и биомедицинских исследований.
+
Известна гетероструктура лавинного фотодиода, раскрытая в работе [Liu J. J. et al. The fabrication and characterization of InAlAs/InGaAs APDs based on a mesa-structure with polyimide passivation // Sensors. 2019. V. 19, № 15. P. 3399, DOI: 10.3390/s19153399]. Гетероструктура выполнена на подложке InP n-типа и включает последовательно выращенные на подложке слои: буфферный слой из n-InP, контактный слой из n-InAlAs, слой лавинного умножения из InAlAs, зарядовый слой из р-InAlAs, переходный слой из InAlGaAs, поглощающий слой из InGaAs, переходный слой из InAlGaAs, контактный слой из p-InP. Недостатком данной гетероструктуры лавинного фотодиода является необходимость формирования меза-структуры, что приводит к увеличению темновых токов.
Также известна гетероструктура лавинного фотодиода, раскрытая в работе [Hadfield, R. H. Single-photon detectors for optical quantum information applications // Nature Photonics. 2009. V. 3, № 12, P. 696-705, DOI:10.1038/nphoton.2009.230]. Гетероструктура выполнена на подложке InP n-типа и включает последовательно выращенные на подложке слои: буфферный слой из n-InP, поглощающий слой из InGaAs, переходный слой из InGaAsP, зарядовый слой из n-InP и слой лавинного умножения из InP в котором формируется локальная p-область диффузии. Недостатком такой гетероструктуры является необходимость формирования сложного двумерного диффузионного профиля p-области в слое лавинного умножения. Кроме того, в такой гетероструктуре слой лавинного умножения сформирован из InP, однако известно, что отношение коэффициентов ударной ионизации носителей зарядов в слоях InP ниже, чем в слоях InAlAs, что приводит к увеличению избыточных шумов, этот факт является дополнительным недостатком предложенной гетероструктуры.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является гетероструктура, раскрытая в европейской заявке EP2073277A1, опубл. 24.06.2009. Гетероструктура такого лавинного фотодиода выполнена на подложке из InP и включает следующие слои: контактный слой из n-InAlAs, соединяемый с положительным полюсом источника питания, слой лавинного умножения из InGaAlAs, зарядовый слой p-типа из легированного углеродом InGaAlAs, переходный слой из InGaAIAs, поглощающий слой из нелегированного InGaAs, контактный слой из n-InP, легированный цинком в локальном участке, соединяемый с отрицательным полюсом источника питания, и входным окном на нем. Участок слоя легирован цинком с целью формирования локальной одномерной р-области диффузии. Недостатком данной гетероструктуры является малый уровень полезного сигнала за счет низкой максимально достижимой концентрации легирования в локальной р-области диффузии.
Задача полезной модели заключается в увеличении усиления сигнала однофотонного лавинного фотодиода.
Техническим результатом является уменьшение суммарного сопротивления слоев гетероструктуры однофотонного лавинного фотодиода.
Технический результат достигается тем, что гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода с входным окном на соединяемом с отрицательным полюсом источника питания контактном, легированном цинком в локальном участке, слое и включающая выполненные на подложке из InP другой, соединяемый с положительным полюсом источника питания, контактный слой из n-InAlAs, слой лавинного умножения, легированный углеродом зарядовый слой р-типа, переходный слой, разделяющий зарядовый слой и поглощающий слой из нелегированного InGaAs, отличается тем, что первый контактный слой выполнен из InGaAs, область легирования цинком сформирована в центральных участках первого контактного слоя, а также расположенного между первым контактным слоем и поглощающим слоем барьерного слоя, выполненного также как и слой лавинного умножения, зарядовый слой и переходный слой, разделяющий его от поглощающего слоя из InAlAs. Между барьерным и поглощающим слоями расположен переходный слой из InAlAs.
+
18
-3
17
-3
На фиг. схематически показана гетероструктура предложенного однофотонного лавинного фотодиода в поперечном сечении. Гетероструктура предложенного однофотонного лавинного фотодиода (фиг.) содержит последовательно расположенные на подложке 1, выполненной из InP, следующие эпитаксиальные слои: второй контактный слой 2, выполненный из InAlAs и легированный примесью n-типа до уровня концентрации 5×10см, слой лавинного умножения 3, выполненный из InAlAs, зарядовый слой 4, выполненный из InAlAs и легированный примесью p-типа до уровня концентрации 3×10см, переходный слой 5, выполненный из InAlAs, поглощающий слой 6, выполненный из InGaAs, переходный слой 7, выполненный из InAlAs, барьерный слой 8, выполненный из InAlAs, и первый контактный слой 9, выполненный из InGaAs.
19
-3
19
19
-3
Центральная часть барьерного слоя 8 и первого, подключаемого к отрицательному полюсу источника питания при работе устройства, контактного слоя 9 выполнена легированной с образованием одномерной локальной области легирования цинком 10, сформированной посредством диффузии. Периферические части барьерного 8 и первого контактного слоя 9 выполнены нелегированными. Уровень концентрации легирования барьерного слоя 8 в локальной области 10 составляет 5×10см, а уровень концентрации легирования первого контактного слоя 9 в этой области составляет от 5×10до 10×10см.
Устройство работает следующим образом. Для счета фотонов используется гейгеровский режим, при котором подается обратное смещение, путем соединения первого контактного слоя с отрицательным полюсом источника питания и второго контактного слоя с положительным полюсом источника питания, большее, чем напряжение пробоя, примерно на 10-20%. При попадании фотона оптического излучения на входное окно расположенное на первом контактном слое 9 и прохождении его через барьерный 8 и переходный 7 слои без поглощения, поскольку ширина запрещенной зоны слоев больше энергии фотона, в поглощающем слое 6 происходит поглощение фотона и генерируется электронно-дырочная пара. В слое лавинного умножения 3, генерируемые в поглощающем слое 6 носители заряда, подвергаются воздействию электрического поля, вызывающего их ускорение. Ускоренные носители заряда, соударяются с атомами кристаллической решетки слоя 4 и заставляют носители зарядов из атомов высвобождаться и свободно перемещаться. Процесс ускорения и столкновения с атомами усиливается по мере того, как все больше носителей зарядов освобождается, и тем самым рождая все больше носителей зарядов. Этот процесс вызывает экспоненциальное увеличение числа свободных носителей заряда, то есть происходит умножение числа носителей заряда, что обеспечивает возможность получения существенного усиления в устройстве. Зарядовый слой 4 при этом регулирует электрическое поле, проходящее через лавинный фотодиод. Он формирует электрическое поле таким образом, что в поглощающем слое 6 поле было существенно ниже, чем в слое лавинного умножения 3. Переходные слои 5 и 7 необходимы для плавного изменения уровня Ферми между слоями, которые они разделяют, и, как следствие, более плавного изменения напряженности электрического поля при приложении обратного напряжения. Благодаря более сильному легированию контактного слоя 9 и барьерного слоя 8, необходимого для ограничения транспорта носителей заряда, по сравнению с контактным слоем InP (в прототипе), достигается технический результат, заключающийся в уменьшении суммарного сопротивления слоев гетероструктуры, что приводит к увеличению квантовой эффективности однофотонного лавинного фотодиода по численным оценкам до 5%.
Для оптимальной работы однофотонных лавинных фотодиодов необходим резкий рост тока при пробое, то есть необходимо низкое суммарное сопротивление слоев гетероструктуры. Из уровня техники известно [Hampel C. A. et al. Metalorganic vapor phase diffusion using dimethylzinc. Part I: Analysis of the reproducibility of the resulting diffusion profile as measured by secondary ion mass spectrometry // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2004. V. 22, № 3, P. 912-915, DOI: 10.1116/1.1640394], что в слоях InGaAs/InAlAs можно добиться более высоких значений концентрации p-примеси при диффузии цинка, чем в слое InP. Достигаемые концентрации цинка в слоях, выполненных из InGaAs и InP, отличаются почти на порядок. Поэтому сопротивление омического контакта к слою InGaAs меньше, чем к слою InP. Это обуславливает повышение эффективности усиления сигнала однофотонного лавинного фотодиода в случае использования в локальной области легирования слоя InGaAs вместо слоя InP, а также позволяет нам отказаться от использования токсичного и пожароопасного фосфора при эпитаксиальном росте такой гетероструктуры.  Использование переходных слоев, выполненных из InAlAs, технологически легче и дешевле реализовать, чем переходные слои из InGaAlAs, при этом не теряя их функциональное назначение.