Мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP Российский патент 2017 года по МПК H01L31/101 

Изобретение относится к матричным фотоприемным устройствам (ФПУ) на основе фотодиодов (ФД), изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп InGaAs/AlInAs/InP, преобразующих излучение в коротковолновой инфракрасной области спектра (0,9-1,7 мкм).

Фотоприемные устройства на основе фотодиодов, изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп полупроводниковых соединений InGaAs/AlInAs/InP, широко используются в различных применениях, связанных с построением изображений объектов наблюдения, характеризующихся сверхмалым уровнем сигнала. Они обладают малыми темновыми токами и высокой обнаружительной способностью.

Имеются различные конструкции фотодиодов в матрице фоточувствительных элементов (МФЧЭ). По типу формирования чувствительных элементов различают планарные и мезаструктурные ФД. Во всех конструкциях у фотодиодов имеется обратно смещенный p-n или p-i-n переход, который формируется путем использования слоев p-, n- и i-типа проводимости. ФД функционирует таким образом, чтобы формируемые под воздействием падающего излучения инфракрасной области спектра носители заряда, электроны и дырки, разделялись полем p-n перехода и принимали участие в процессе фотопроводимости.

Для повышения эффективности работы современные фотодиоды имеют барьерные слои, которые создаются в единой гетероэпитаксиальной структуре с помощью прогрессивных методов выращивания, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и мосгидридная эпитаксия (МОСГЭ). Барьерные слои являются более широкозонными по сравнению с поглощающими узкозонными слоями и за счет этого зонная диграмма полупроводниковых соединений имеет ряд особенностей, влиящих на выходные фотоэлектрические параметры матричных ФПУ. В качестве поглощающего слоя в гетероструктурах InGaAs/AlInAs/InP выступает полупроводниковый слой с узкой шириной запрещенной зоны, например In_0,53Ga_0,47As, в то время как слой с более широкой запрещенной зоной Al_0,48In_0,52As, является барьерным. Размещение широкозонного слоя в области p-n перехода существенно уменьшает темновые токи диффузии, генерации-рекомбинации и туннелирования, и таким образом, увеличивает отношение сигнал/шум.

Известен многоэлементный фотоприемник на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP [Способ изготовления многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP, Болтарь К.О., Седнев М.В., Шаронов Ю.П., Смирнов Д.В., Киселева Л.В., Савостин А.В., патент на изобретение № RU 2530458 С1 от 23.04.2013, ОАО «НПО «Орион»], который формируется методом травления гетероструктуры InGaAs/InP на отдельные p-i-n фотодиоды с минимальным коэффициентом фотоэлектрической связи между ними. Изобретение обеспечивает формирование матриц фоточувствительных элементов с минимальными потерями светового потока, минимальным коэффициентом фотоэлектрической взаимосвязи и высоким быстродействием. Недостатком данного многоэлементного фотоприемника являются повышенные темновые токи p-i-n фотодиодов, поскольку мезаструктурное разделение элементов в матрицах, ограничивающее токи диффузии в боковых областях структуры, не обеспечивает ограничения других токовых составляющих темнового тока, таких как: токи диффузии, генерации-рекомбинации, туннелирования и утечки.

В качестве ближайшего аналога для представляемого изобретения выбран p-i-n фотодиод [Low dark current photodiode, Augusto Gutierrez-Aitken, Edward A. Rezek, Patent No: US 6 566 724 B1, Date of Patent 20.05.2003 г.], обеспечивающий существенное уменьшение темнового тока за счет использования широкозонного барьерного слоя в области p-n-перехода, который служит для подавления диффузионного тока электронов за счет использования барьера в зоне проводимости; тока генерации-рекомбинации за счет размещения области объемного заряда в широкозонном слое; туннельных токов и токов утечки за счет пассивации узкозонного поглощающего слоя широкозонным барьерным. Недостатком данного фотодиода с широкозонным барьерным слоем является дополнительный барьер и разрыв энергетического уровня в валентной зоне структуры, что приводит к снижению квантовой эффективности при рабочих напряжениях смещения.

Задачами настоящего изобретения являются устранение разрыва в валентной зоне, выравнивание энергетического уровня и как следствие увеличение квантовой эффективности и чувствительности в матричных мезаструктурных фотодиодах на основе полупроводниковых соединений InGaAs/AlInAs/InP с барьерными широкозонными слоями AlInAs при сохранении малых темновых токов и шумов.

Технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается тем, что мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP, изготовленный по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах InGaAs/AlInAs/InP, работающих в коротковолновой области спектра, содержит:

- оптически прозрачную подложку InP n-типа;

- буферный слой InP n-типа проводимости, к которому формируется n-контакт;

- слой поглощения In_0,53Ga_0,47As n-типа с шириной запрещенной зоны, настроенной на заданный спектральный диапазон;

- барьерный слой In_0,52Al_0,48As p+-типа с шириной запрещенной зоны большей, чем ширина запрещенной зоны поглощающего слоя;

- контактный слой InGaAs p+-типа;

- в структуру между барьерным слоем и контактным слоем добавлен слой AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны и двумя дельта-легированными слоями p- и n-типа проводимости, для достижения высокой квантовой эффективности и чувствительности при заданном времени считывания фотосигнала и минимальных темновых токах.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет введения в гетероэпитаксиальную структуру InGaAs/AlInAs/InP между слоем поглощения и барьерным слоем дополнительного слоя с градиентным изменением состава для устранения разрыва в области валентной зоны структуры. По краям градиентного слоя формируются два дельта-легированных слоя для выравнивания энергетического уровня валентной зоны и повышения его однородности, что позволяет устранить барьер в валентной зоне и за счет этого увеличить квантовую эффективность, а как следствие и чувствительность в матричных ФПУ на основе соединений InGaAs/AlInAs/InP.

На фиг. 1 показан мезаструктурный барьерный фотодиод p+-B-n-N+-типа на основе ГЭС InGaAs, он включает p-i-n-структуру, совмещенную с широкозонным барьерным слоем (В), использование которого в области p-n перехода позволяет эффективно подавлять ток диффузии электронов, токи генерации-рекомбинации, токи туннелирования и утечки, входящие в состав темнового тока.

Гетероэпитаксиальная структура p+-B-n-N+-типа, включает:

- высоколегированную оптически прозрачную подложку InP с антиотражающим покрытием нитрида кремния Si₃N₄ и концентрацией доноров в подложке InP N_D=(1-2)⋅10¹⁸ см^-3;

- высоколегированный буферный слой InP N+-типа проводимости толщиной ~0,3-1,0 мкм, используемый для согласования кристаллической решетки подложки со слоем поглощения и изготовления контактов к N+-области;

- активный поглощающий слой In_0,53Ga_0,47As n-типа проводимости толщиной 2,0-2,5 мкм с уровнем концентрации n=(1-2)⋅10¹⁶ см^-3 и высоким значением подвижности носителей заряда;

- широкозонный барьерный слой In₀,₅₂Al_0,48As (В) P-типа проводимости, толщина которого составляет 0,1-0,5 мкм с концентрацией акцепторов p=(1-2)⋅10¹⁵ см^-3, пассивирующий поглощающий слой In_0,53Ga_0,47As (E_g=0,75 эВ) и уменьшающий токи поверхностной рекомбинации;

- контактный высоколегированный слой In_0,53Ga_0,47As p+-типа толщиной 0,1-0,5 мкм для создания омического контакта к p-области.

Параметры слоев, входящих в состав мезаструктурного фотодиода p+-B-n-N+-типа, сформированного на подложке InP, приведены в таблице 1.

На фиг. 2(а) схематично представлена область разрыва в зонной диаграмме между барьерным и поглощающим слоями p-In_0.52Al_0.48As/n-In_0.53Ga_0.47As.

Согласно модели Андерсона [Anderson, R. Experiments on Ge-GaAs heterojunctions / R. Anderson // Solid-State Electronics. - 1962. - Vol. 5. - P. 341] на гетерогранице различных по составу слоев расхождение энергии для зоны проводимости Е_С и валентной зоны E_V описываются формулами

ΔE_C=χ₁-χ₂

ΔE_V=ΔE_g-ΔE_C,

_{где Eg - ширина запрещенной зоны, EF - положение уровня Ферми, χ - энергия электронного сродства, которая определяется как энергия, необходимая для переноса электрона с состояния на краю зоны проводимости до энергетического уровня свободного электрона в вакууме.}

На фиг. 2(б) показано примененное решение по устранению разрыва зонной диаграммы с помощью дополнительного четырехкомпонентного тонкого слоя AlInGaAs n- типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны для плавного перехода между кристаллическими структурами поглощающего (In_0,53Ga_0,47As) и барьерного (In_0,52Al_0,48As) слоев, что позволяет устранить разрыв между барьерным (p-In_0.52Al_0.48As) и поглощающим (n-In_0.53Ga_0.47As) слоями.

Необходимость дальнейшего выравнивания неоднородности энергетического уровня в валентной зоне (показано стрелочками на фиг. 2(б) приводит к необходимости введения в структуру двух сильно легированных тонких дельта-слоев n- и p-типа проводимости на границе слоя AlInGaAs с градиентным изменением ширины запрещенной зоны для устранения немонотонности энергетического уровня зонной структуры и беспрепятственного прохождения неосновных носителей заряда (дырок) к контакту при обратном напряжении смещения на структуре.

Подобные тонкие легированные слои можно математически описать с помощью дельта-функции Дирака, по названию которой данные слои получили обозначение дельта-легированных слоев. В идеале толщина дельта-слоев должна составлять один или насколько моноатомных слоев. На практике толщина данных слоев составляет 5-10 нм.

На фиг. 3 схематично представлена зонная диаграмма в области сопряжения барьерного и поглощающего слоев рассматриваемой полупроводниковой структуры p+-B-n-N+-типа с градиентным слоем и двумя дельта-легированными слоями при небольшом напряжении смещения. Введение в структуру дополнительного поля за счет использования двух дельта слоев n- и p-типа проводимости приводит к смещению и выравниванию уровня энергии валентной зоны. Показано полное устранение барьера в валентной зоне и выравнивание энергетического уровня.

Уменьшение наклона валентной зоны в градиентном слое можно оценить по формуле

откуда можно получить оценку концентрации дельта-слоя N_s, необходимой для выравнивания валентной зоны на потенциал, равный Δϕ=0.2 эВ.

Возможные параметры реализованного мезаструктурного фотодиода (концентрации слоев и их толщины) на основе гетероструктуры на основе четырехслойной архитектуры с тонким четырехкомпонентным слоем AlInGaAs переменного состава и дельта-слоями, приведены в таблице 2.

Гетероструктуры на основе четырехслойной архитектуры p+-B-n-N+-типа с варизонным четырехкомпонентным слоем AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны и дельта-слоями выращивалась методом мосгидридной эпитаксии на согласованной с поглощающим слоем In_0,53Ga_0,47As по кристаллической структуре подложке InP n+-типа проводимости. Для формирования матрицы фотодиодов формата 320×256 элементов гетероструктура разделялась на мезаэлементы методом ионного и финишного жидкостного травления. Шаг элементов в матрице составлял 30 мкм, размеры ФЧЭ - 20×20 мкм². Глубина травления мезаструктуры задавалась временем и скоростью травления ионами аргона до широкозонного барьерного слоя Al_0.48In_0.52As через маску фоторезиста, что позволяло формировать отдельные ФЧЭ, пассивируя узкозонный поглощающий слой. Затем формировались контактные слои к фотодиодам и подложке.

Проведены исследования параметров образцов ФПУ на основе четырехслойных ГЭС InGaAs с архитектурой n+-В-n-P+-типа с широкозонным барьерным слоем, градиентным четырехкомпонентным слоем и дельта-легированными слоями p- и n-типа. На фиг. 4(а, б) представлены (а) - диаграмма распределения темнового тока и (б) - ИК-изображение. Контроль темновых токов фотодиодов показал, что среднее по МФЧЭ значение темнового тока при напряжении обратного смещения (V_фчэ=-0,35 В) составило I_т=8,5 фА.

Изобретение относится к матричным фотоприемным устройствам (ФПУ) на основе фотодиодов (ФД), изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп InGaAs/AlInAs/InP, преобразующих излучение в коротковолновой инфракрасной области спектра (0,9-1,7 мкм). Согласно изобретению в гетероэпитаксиальную структуру InGaAs/AlInAs/InP между слоем поглощения и барьерным слоем введен дополнительный слой с градиентным изменением состава для устранения разрыва в области валентной зоны структуры. По краям градиентного слоя формируются два дельта-легированных слоя для выравнивания энергетического уровня валентной зоны и повышения его однородности, что позволяет устранить барьер в валентной зоне и за счет этого увеличить квантовую эффективность, а как следствие и чувствительность в матричных ФПУ на основе соединений InGaAs/AlInAs/InP. 4 ил., 1 табл.

Мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP, изготовленный по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах InGaAs/AlInAs/InP, работающих в коротковолновой области спектра, содержащий:

- оптически прозрачную подложку InP n-типа;

- буферный слой InP n-типа проводимости, к которому формируется n-контакт;

- слой поглощения In_0,53Ga_0,47As n-типа с шириной запрещенной зоны, настроенной на заданный спектральный диапазон;

- барьерный слой In_0,52Al_0,48As р+-типа с шириной запрещенной зоны большей, чем ширина запрещенной зоны поглощающего слоя;

- контактный слой InGaAs p+-типа,

отличающийся тем,

что в структуру между барьерным слоем и контактным слоем добавлен слой AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны и двумя дельта-легированными слоями р- и n-типа проводимости, что обеспечивает достижение высокой квантовой эффективности и чувствительности при заданном времени считывания фотосигнала и минимальных темновых токах.