ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД С МНОГОСТУПЕНЧАТЫМ УСИЛЕНИЕМ ФОТОТОКА

Полезная модель относится к полупроводниковым фотоприемникам, и может быть использована для применения в качестве приемников волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Из уровня техники известен лавинный фотодиод (ЛФД), содержащий гетероэпитаксиальную структуру с фотоприемной площадкой и омическим контактом, шину анода и шину катода (см. RU 2318272, кл. H01L 31/18, опубл. 27.02.2008).
III
IV
Кроме того известны ЛФД, обладающие значительной асимметрией энергетических скачков в зоне проводимости и валентной зоне в некоторых гетеропереходах на основе соединений типа AB. Эта особенность зонной диаграммы гетероэпитаксиальнойструктуры (ГЭС) используется в ступенчатых ЛФД и ЛФД на основе сверхрешеток или структур с квантовыми ямами (см. Capasso F., Tsang W.T., Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet., 1982, San Francisco, 334 (1982); Capasso F., Tsang W.T.Hutchinson A.L., Williams G.F., Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet., 1981, Washington DC, p.284 (1981); Chin R, Halonyack N, Jr., Stillman G.E., Tang J.T, Hess K., Electron lett, 16, 467 (1980)) для уменьшения вклада дырок в процесс формирования лавины.
ЛФД на основе структур с квантовыми ямами, в которых отношение коэффициентов ударной ионизации электронов и дырок  можно дополнительно повысить путем введения профиля примесей с периодическим легированием (см. Blauvent H., Margalit S., Yariv A., Electron let., 18, 375 (1982)), что приводит к существенному уменьшению уровня шума в ЛФД при лавинном усилении тока.
Все эти типы ЛФД относятся к ЛФД с разделенными областями поглощения фотонов и локализации лавины. В процессе выращивания эпитаксиальных структур для таких ЛФД, как правило, на легированной широкозонной подложке выращивается буферный слой, назначение которого заключается в устранении дислокации и точечных дефектов в слоях, предназначенных для формирования лавины и для поглощения фотонов. После выращивания буферного слоя выращивают несколько слоев, в которых локализована лавина. В сущности конструкции этих слоев заложены основные отличия упомянутых выше типов ЛФД от других типов ЛФД с разделенными областями поглощения фотонов и локализации лавины. После формирования области локализации лавины в упомянутых выше типах ЛФД проводят выращивание одного или нескольких слоев, в которых происходит поглощение фотонов.
Основная идея, заложенная в конструкции этих типов ЛФД, заключается в увеличении отношения  путем создания таких условии, при которых на электроны и дырки действуют различные по величине электрические поля, что возможно в некоторых гетероструктурах с варизонными слоями. Для увеличения отношения  стремятся создать такие условия, чтобы дырки в области локализации лавины находились под воздействием электрических полей, недостаточных для возбуждения и развития лавины. При этом одновременно создают такие условия, при которых электроны находятся под воздействием электрических полей, достаточных для возбуждения и развития лавины.
В ступенчатых ЛФД, в ЛФД на на основе сверхрешеток и структур с квантовыми ямами, часто создаются такие условия, когда сильные электрические поля, достаточные для начала возбуждения и развития лавины, создаются не во всей области, в которой локализована лавина. Это особенно характерно для ступенчатых ЛФД. Характерная особенность области локализации лавины в известных ступенчатых ЛФД заключается в конструкции области локализации лавины. В лучших конструкциях ступенчатых ЛФД область локализации лавины состоит из нескольких чередующихся эпитаксиальных слоев, различающихся по своим свойствам. В процессе выращивания этих слоев сначала выращивается слой из узкозонного материала, далее проводится выращивание варизонного слоя, так, чтобы при выращивании этого слоя ширина запрещенной зоны менялась от величины запрещенной зоны в широкозонном материале до величины запрещенной зоны в узкозонном материале. Далее снова следует процесс выращивания слоя из узкозонного материала и варизонного слоя. Эти процессы повторяются столько раз, сколько ступеней усиления фототока в области локализации лавины необходимо создать в ЛФД.
Таким образом, при создании оптимальной эпитаксиальной структуры для ЛФД в области локализации лавины формирутся такая зонная диаграмма, которая отличается сильным периодическим рельефом дна зоны проводимости и слабым периодическим рельефом потолка валентной зоны. В результате создания такой области локализации лавины удается реализовать следующий принцип увеличения отношения .
При подключении ступенчатого ЛФД к источнику напряжения, часть напряжения падает на области локализации лавины, создавая в ней перодическую структуру распределения напряженности электрического поля. Периодическая структура этого поля возникает в результате сложения напряженности внешнего электрического поля и напряженности встроенного электрического поля. Поскольку дно зоны проводимости имеет сильный периодический рельеф, на электроны в области локализации лавины действует электрическое поле, имеющее сильную периодическую составляющую. Поскольку потолок валентной зоны имеет слабый периодический рельеф, на дырки действует практически постояное электрическое поле.
Очевидно, что при достаточно слабых электрических полях, с которыми взаимодействуют дырки, возможность инициации процесса формирования лавины дырками практически устраняется. При этом, в отличие от ситуации с дырками, электрическое поле, действующее на электроны, имеет сильную периодическую составляющую, позволяющую электронам набрать энергию, достаточную для ударной ионизации и генерации одной или нескольких электронно-дырочных пар. Характерно, что это сильное электрическое поле фактически локализовано у границы раздела «широкозонная часть варизонного слоя - узкозонный слой». Формирование узкозонного слоя (с толщиной порядка 100 Å) вызвано необходимостью увеличения вероятности ударной электронной ионизации в этом слое до величины, близкой к единице.
Таким образом, известные ступенчатые ЛФД с электронным возбуждением лавины работают на основе следующих физических процессов. В области поглощения фотонов во встроенном электрическом поле происходит формирование потоков электронов и дырок, сгенерированных световым излучением (потоков фотоэлектронов и фотодырок). При этом поток фотодырок направлен в катодную шину ЛФД, а поток фотоэлектронов направлен в область, где формируется лавина и происходит лавинное умножение количества электронов. Дырки, сгенерированные в области лавины, практически не участвуют в ее развитии и дрейфуют к катодной шине ЛФД. Электроны, сгенерированные в области лавины, вместе с фотоэлектронами дрейфуют к анодной шине ЛФД. Усиление фототока происходит благодаря существенному увеличению концентрации электронов в области лавины по сравнению с величиной концентрации фотоэлектронов в области поглощения фотонов.
Основными недостатками известных конструкций ступенчатых ЛФД являются следующие эффекты.
1. В известных конструкциях ступенчатых ЛФД наблюдаются большие величины темновых токов, по сравнению с аналогичными величинами в простых ЛФД с разделенными областями поглощения фотонов и локализации лавины, которые выполнены на основе одного (р-n) перехода (или одного (р-n) гетероперехода). Причина этого эффекта заключается в следующем. В ЛФД с одиночным (р-n) переходом удается существенно снизить величины темновых токов методом применения технологии охранных колец и полевых обкладок. Сложное изменение состава гетероструктуры ступенчатых ЛФД в области локализации лавины и ее периодическая варизонность, приводит к существенному снижению эффективности технологии охранных колец. Это приводит к увеличению краевых токов утечки в меза-структуре (мезе) ЛФД. В результате этого эффекта инициация процесса формирования лавины может происходить на боковой поверхности мезы. Периодическая варизонность гетероструктуры в области локализации лавины часто приводит к невозможности обеспечения хорошего согласования постоянных кристалических решеток, особенно на границе «щирокозонная часть варизонного слоя - узкозонный слой». Все эти эффекты приводят к появлению глубоких уровней в запрещенной зоне полупроводника и, как следствие, к увеличению темнового тока и связанному с этим увеличению шумов ЛФД.
2. В известных конструкциях ступенчатых ЛФД наблюдается избыточный шум лавины, связанный с неконтролируемым образованием микроплазм, происходящим не только на боковой поверхности мезы, но и внутри области локализации лавины.
3. Гетероструктура ступенчатого ЛФД отличается сравнительной сложностью изменения химического состава слоев в области локализации лавины и большим количеством этих слоев, что необходимо для получения большого коэффициента усиления. Это отличие приводит к сравнительно высокой стоимости таких гетероструктур и ЛФД на их основе, что ограничивает количество возможных областей применения. В настоящее время актуальны сравнительно дешевые быстродействующие ЛФД с высоким коэффициентом усиления и малым уровнем избыточных шумов лавины, особенно для применения в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) различного назначения.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении чувствительности фотодиода. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в лавинном фотодиоде с многоступенчатым усилением фототока, содержащем гетероэпитаксиальную структуру с фотоприемной площадкой и омическим контактом, шину анода и шину катода, гетероэпитаксиальная структура содержит последовательно расположенные слои с широкой запрещенной зоной: подложку, буферный слой, первый модуляционно легированный акцепторной и донорной примесями слой, первый нелегированный слой; и слои с узкой запрещенной зоной: второй нелегированный слой, второй модуляционно легированный акцепторной и донорной примесями слой и однородно легированный донорной примесью фотоприемный слой, причем в фотоприемном слое выполнена меза-структура в виде, по меньшей мере, одного микроканала, образующая область формирования лавины и обеспечивающая транспорт электронов из фотоприемной площадки в омический контакт. В фотодиоде может быть сформирован омический контакт к микроканалам и контакт Шоттки к узкозонным и широкозонным слоям гетероструктуры. Микроканалы предпочтительно расположены вне фотоприемной площадки. Целесообразно выполнить микроканалы так, что их ширина увеличивается в направлении к фотоприемной площадке, причем на большей части их длины толщина изменяется периодически в направлении от анода к катоду.
Таким образом, для решения задачи полезной модели используется метод формирования нескольких областей сильного электрического поля в узкозонном полупроводнике, например, анизотропным травлением V-канавок, располагаемых перпендикулярно осям симметрии микроканалов и обеспечивающих периодическое изменение толщин микроканалов, и выведение дырок из процесса образования лавины методом их переноса в широкозонный полупроводник во встроенном в ГЭС электрическом поле. При этом используется простая ГЭС с одним гетеропереходом, модуляционным легированием донорами и акцепторами слоев широкозонного и узкозонного полупроводников, контактирующих со слоями спейсеров.
На фиг.1 приведены основные элементы конструкции предлагаемого ЛФД;
0.47
0.53
на фиг.2 изображены направления принципиально важных потоков электронов и дырок на характерной зонной диаграмме (на диаграмме для гетероструктуры с гетеропереходом GaInAs - InP, широко используемой для ВОЛС) для слоя поглощения фотонов и слоев, формирующих потенциальный барьер для электронов, находящихся в узкозонном полупроводнике, при этом
1
2
G
3
4
x, x, x, x, x - координаты границ раздела основных слоев в гетероструктуре,
C
E - положение дна зоны проводимости в гетероструктуре в направлении оси «х» на фиг.1 для равновесного случая,
V
E - положение потолка валентной зоны в гетероструктуре в направлении оси «х» на фиг.1 для равновесного случая,
F
E - положение уровня Ферми в гетероструктуре в направлении оси «х» на фиг.1 для равновесного случая;
на фиг.3 приведен вид сверху предлагаемого ЛФД в случае одного микроканала.
b
Лавинный фотодиод содержит гетероэпитаксиальную структуру с фотоприемной площадкой 1 и омическим контактом, шину анода 2 и шину катода 3. Гетероэпитаксиальная структура содержит последовательно расположенные слои с широкой запрещенной зоной: подложку, буферный слой, первый модуляционно легированный акцепторной и донорной примесями слой 4, первый нелегированный слой (спейсер 1); и слои с узкой запрещенной зоной: второй нелегированный слой (спейсер 2), второй модуляционно легированный акцепторной и донорной примесями слой 5 и однородно легированный донорной примесью фотоприемный слой 6. В фотоприемном слое 6 происходит практически полное поглощение светового потока, при этом отрицательный заряд поверхностных состояний и положительный объемный заряд доноров образуют встроенное электрическое поле, обеспечивающее перенос электронов к слою 4. В слое 6 вне фотоприемной площадки 1 в области 7 (где формируется лавина) выполнена меза-структура в виде, по меньшей мере, одного микроканала 8. Расположение боковых и верхней границ микроканалов 8 задается расположением поверхности полупроводника в микроканале, а расположение нижней границы микроканалов определяется расположением основания потенциального барьера для электронов на границе раздела между слоем 5 и слоем 6. Этот потенциальный барьер с высотой, равной φ (см. фиг.2), превышающей ширину запрещенной зоны в узкозонном полупроводнике, формируется для обеспечения локализации электронов в микроканале 8 при лавинном умножении. Ширина микроканала 8 увеличивается в направлении к фотоприемной площадке 1, причем на большей части длины микроканалов толщина каждого микроканала изменяется периодически в направлении от анода 2 к катоду 3 посредством выполнения V-образных канавок 9. От шины анода 2 к микроканалам 8 сформирован омический контакт, а от шины катода 3 к узкозонным и широкозонным слоям гетероструктуры - контакт Шоттки. Позицией 10 обозначена гетерограница, позицией 11 - одна из областей сильного электрического поля, локализованных у дна V-канавок 9. На чертежах не показан слой нитрида кремния, выполняющего роль просветляющего и пассивирующего покрытия на поверхности фотоприемной площадки 1, и роль покрытия, пассивирующего поверхность других элементов конструкции кристалла ЛФД.
ЛФД изготавливают следующим образом.
3
5
0.47
0.53
3
4
3
4
Предлагаемый ЛФД изготавливается на основе гетероэпитаксиальной структуры с одним гетеропереходом, выполненной из полупроводников семейства АВ (например, InP - GaInAs) и выращенной на полуизолирующей подложке (например, на InP:Fe). После проведения первой операции литографии (фотолитографии) проводят химическое травление слоя 6 в анизотропном травителе. Эта операция проводится для образования верхней поверхности микроканалов, в которых формируется лавина. После проведения второй операции литографии (фотолитография) методом химического изотропного травления проводится формирование углубления для контакта Шоттки и одновременно, стравливаются периферийные области кристалла ЛФД до полуизолирующей подложки. В результате проведения этого травления одновременно формируется фотоприемная площадка 1, боковые поверхности одного или нескольких микроканалов, локализующих лавину и углубление для контакта Шоттки. После проведения третьей операции литографии (электронно-лучевая литография, фотолитография) методом химического анизотропного травления проводится формирование углубления для омического контакта шины анода 2 к узкозонному полупроводнику и одновременно, V-канавок. Важно, что методом проведения только одной операции травления может быть сформировано достаточно большое, для получения необходимого количества ступеней усиления фототока, количество V-канавок. На следующей операции проводится низкотемпературное плазмохимическое осаждение слоя SiN, выполняющего одновременно роль пассивирующего и просветляющего покрытия. После проведения четвертой операции литографии (взрывная фотолитография) проводится вскрытие окна в слое SiN методом плазмо-химического травления для формирования омического контакта шины анода 2 к узкозонному полупроводнику. На следующих операциях проводится напыление металлизации омического контакта, последующий «взрыв» фоторезиста, в результате которого металлизация сохраняется только в окне фоторезиста, а также вжигание омического контакта. На пятой операции литографии (взрывная фотолитография) проводится формирование окна в фоторезисте для формирования контакта Шоттки слоя. Контакт Шоттки формируется путем напыления металлизации и последующего «взрыва» фоторезиста, в результате которого металлизация сохраняется только в окне фоторезиста. На шестой операции литографии (фотолитография) проводится формирование окна в резисте для анизотропного травления изолирующих канавок 9 с удалением части толщины полуизолирующей подложки гетероструктуры. На следующих операциях проводится травление изолирующих канавок и пассивация их поверхности, а затем гальваническое наращивание толщины контактов шины анода 2 и шины катода 3. После этого пластину разделяют на отдельные чипы ЛФП.
Преимущества предлагаемой полезной модели достигаются следующим образом.
л
л
7
Многоступенчатое усиление сигнала фототока в ЛФД на основе простой гетероструктуры, содержащей только один гетеропереход, обеспечивается методом формирования необходимого числа V-канавок на одной технологической операции (анизотропное травление). Подача на ЛФД рабочего напряжения приводит к тому, что у оснований каждой V-канавки формируется область сильного электрического поля, величина которого достаточна для формирования лавины. Из вида распределения величины нормированной напряженности электрического поля Е(х) следует, что по мере увеличения рабочего напряжения на ЛФД лавина сначала формируется у дна первой V-канавки, ближайшей к аноду. При дальнейшем увеличении рабочего напряжения в формировании лавины начинают последовательно принимать участие вторая, третья, четвертая и т.д. V-канавки. Такой режим формирования лавины позволяет обеспечить «мягкость» лавинного пробоя, позволяющую сравнительно легко стабилизировать рабочее напряжение ЛФД. Малость поперечной площади сечения микроканала у основания V-канавки, ближайшей к аноду, по сравнению с площадью, задаваемой толщиной фотоприемного слоя и поперечным размером фотоприемной площадки позволяет устранить неконтролируемое образование микроплазм в областях сильного поля и на порядки уменьшить темновой ток ЛФД. Уменьшение избыточного шума лавины обеспечивается созданием в гетероструктуре такого потенциального рельефа, который приводит к переносу дырок, генерируемых в области лавины, из области сильного электрического поля к верхней границе широкозонного буферного слоя. Это решение позволяет вывести дырки из процесса формирования лавины и, тем самым, существенно увеличить величину отношения . В предлагаемом ЛФД обеспечивается увеличение быстродействия путем уменьшения емкости конструкции за счет введения в состав конструкции изолирующих канавок. Расположение дна изолирующих канавок в полуизлирующей подложке позволяет исключить из величины емкости конструкции ЛФД основную составляющую, связанную с большой площадью и большой емкостью шины анода и шины катода. При достаточно большом расстоянии между изолирующими канавками величина емкости конструкции составляет десятки фемтофарад. Кроме того, обеспечивается увеличение быстродействия путем уменьшения времени пролета электронов за счет малости расстояния от основания V-канавок, ближайших к аноду, где сосредоточена большая часть (~80÷90%) электронов, сгенерированных в лавине. При характерных величинах дрейфовой скорости насыщения электронов, равной 1·10 см/с, это время пролета составляет 5÷10 пс.