СВЧ ФОТОДЕТЕКТОР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01L31/101 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотодетекторов (ФД) лазерного излучения (ЛИ).

Быстродействующие ФД являются одними из главных компонентов волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и обеспечивают идеальную гальваническую развязку между источником сигнала и приемником. Также они невосприимчивы к электромагнитным помехам в радиодиапазоне и сами не являются источником таких помех. По этим причинам ВОЛС имеют неоспоримые достоинства в задачах, где предъявляются строгие требования по обеспечению электромагнитной совместимости и использование медных проводников между источником и приемником невозможно или нежелательно. В настоящий момент достигнут значительный прогресс в создании ФД для высокоскоростных систем информационного обмена и создания волоконных линий, обеспечивающих передачу сигнала к СВЧ излучателям. Рабочие частоты ФД, применяемых в таких системах, достигают десятков гигагерц, а в случае радиофотонных трактов - и терагерцового диапазона. Мощность оптического сигнала в зависимости от задачи и рабочей частоты лежит в диапазоне от единиц микроватт до сотен милливатт.

В большинстве приложений в качестве среды ВОЛС используется кварцевое волокно, окна прозрачности которого лежат вблизи следующих длин волн излучения: 0,85 мкм (первое окно), 1,3 мкм (второе окно) и 1,55 мкм (третье окно). Оптимальными материалами для создания ФД, работающего в первом окне является GaAs, эффективно преобразующий фотоны с длинной волны менее 860 нм в электрический ток.

Таким образом, задача улучшения утилитарных характеристик ФД ЛИ, таких как, квантовый выход, КПД и быстродействие являются весьма актуальной для современной фотоники и радиофотоники.

Известен СВЧ фотодетектор лазерного излучения (см. заявку JP 2008140808, МПК H01L 31/10, опубликована 19.06.2008), содержащий p-i-n переход, включающий базовый слой одного типа проводимости, выполненный из кремния, нелегированный слой, выполненный из кремния, и эмиттерный слой другого типа проводимости, выполненный из германия.

Недостатком известного СВЧ фотодетектора лазерного излучения является высокое время разделения носителей, связанное с необходимостью обеспечения большой толщины слоев p-i-n структуры для близкого к полному поглощению носителей, что выражается в пониженном быстродействии фотодетектора.

Известен СВЧ фото детектор лазерного излучения (см. патент RU 2318272, МПК H01L 31/18, опубликован 27.02.2008), содержащий подложку n-InP, поглощающий слой n-In_0,53Ga_0,47As и слой n⁺-InP.

Недостатком известного СВЧ фотодетектора лазерного излучения является высокое время разделения носителей, связанное с необходимостью обеспечения большой толщины слоев структуры, а также неэффективное преобразование фотонов с длинной волны в диапазоне 800-860 нм.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является СВЧ фотодетектор лазерного излучения (см. патент RU 2547004, МПК H01L 31/18, опубликована 10.04.2015), принятый за прототип и включающая подложку n-GaAs, базовый слой n-GaAs, эмиттерный слой p-GaAs и слой p-AlGaAs.

Недостатками известного СВЧ фотодетектора лазерного излучения является высокая барьерная емкость за счет отсутствия нелегированной области, а также низкое быстродействие, связанное с необходимостью создания слоев большой толщины для обеспечения близкого к полному поглощения фотонов.

Задачей настоящего решения является создание такого СВЧ фотодетектора лазерного излучения, который обладал бы малой барьерной емкостью, обеспечивал высокое быстродействие и поглощал бы более 95% фотонов с длинной волны в диапазоне 800-860 нм, обеспечивая близкое к полному собирание фотогенерированных носителей.

Поставленная задача достигается тем, что СВЧ фотодетектор лазерного излучения, включает полупроводниковую подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно осажденные: Брегговский отражатель, настроенный на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающий чередующиеся пары слоев n-AlAs/n-Al_0,2Ga_0,8As, базовый слой, выполненный из n-GaAs, нелегированный слой i-GaAs и эмиттерный слой p-GaAs, при этом сумма толщин базового, нелегированного и эмиттерного слоев не превышает 1,5 мкм.

В СВЧ фотодетекторе лазерного излучения толщина слоя n-AlAs Брегговского отражателя может находится в диапазоне от 66 нм для длины волны лазерного излучения 800 нм до 72 нм для длины волны лазерного излучения 860 нм, а толщина слоя n-Al_0,2Ga_0,8As Брегговского отражателя может находиться в диапазоне от 57 нм для длины волны лазерного излучения 800 нм до 63 нм для длины волны лазерного излучения 860 нм.

В СВЧ фотодетекторе лазерного излучения толщина базового слоя может находиться в диапазоне от 50 до 100 нм, толщина нелегированного слоя может составлять от 0.9 до 1.1 мкм, а толщина эмиттерного слоя может находиться в диапазоне от 450 до 400 нм.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 представлено схематичное изображение поперечного сечения настоящего СВЧ фотодетектора лазерного излучения;

на фиг. 2 приведены спектры отражение Брегговского отражателя (БО) на основе AlAs/Al_0,2Ga_0,8As (кривые 1-3) и AlAs/GaAs (кривая 4), центрированных на длину волны ЛИ 830 нм, в зависимости от числа пар слоев: кривая 1-20 пар; кривые 2, 4 - 15 пар, кривая 3-12 пар;

на фиг.3 приведены доли непоглощенных фотонов лазерного излучения в ФД ЛИ на основе GaAs в зависимости от суммарной толщины базового нелегированного и эмиттерного слоев для длин волн в диапазоне 800-860 для структур без БО (серия кривых 5) и с БО на основе 15 пар слоев AlAs/Al_0,2Ga_0,2As толщиной 69/60 нм, соответственно (серия кривых 6);

на фиг.4 представлены вклады различных фотоактивных слоев в постоянную времени разделения фотогенерированных носителей в ФД ЛИ на основе GaAs в вентильном режиме при напряжении 1 В: кривая 7 -время диффузии неравновесных дырок из слоя n-GaAs; кривая 8 - время дрейфа неравновесных дырок через слой i-GaAs; кривая 9 - время диффузии неравновесных электронов из слоя p-GaAs; кривая 10 - время разделения электрон-дырочных пар в i-GaAs; кривая 11 - время дрейфа неравновесных электронов через слой i-GaAs;

на фиг. 5 показаны вклады различных фотоактивных слоев в удельную диффузионную емкость структуры ФД на основе GaAs в вентильном режиме при напряжении 1В (кривые 12-14), а также барьерная емкость такого ФД ЛИ (кривая 15): кривая 12 - вклад слоя i-GaAs, кривая 13 - вклад слоя n-GaAs, кривая 14 - вклад слоя p-GaAs.

Настоящий СВЧ фотодетектор лазерного излучения показан на фиг. 1. Он включает подложку 1, выполненную, например, из и-GaAs, и последовательно осажденные: Брегговский отражатель 2, настроенный на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающий чередующиеся пары слоев n-AlAs 3 /n-Al_0,2Ga₀,₂As 4, базовый слой, выполненный из n-GaAs 5, с толщиной, например, 50-100 нм, нелегированный слой i-GaAs 6 толщиной, например, 0,9-1,1 мкм и эмиттерный слой p-GaAs 7 толщиной, например, 450-400 нм, при этом сумма толщин базового, нелегированного и эмиттерного слоев не превышает 1,5 мкм.

Структура ФД представляет собой полупроводниковый p-i-n переход, разделяющий фотогенерированные носители за счет тянущего поля p-i-n перехода. Ключевой особенностью большинства типов СВЧ ФД ЛИ является наличие толстого нелегированного i-слоя. Назначением такого слоя является расширение обедненной области между сильно легированными мелкой примесью эмиттерным и базовым слоями ФД с целью снижения емкости структуры. Этот параметр оказывает исключительно важное влияние на показатели быстродействия ФД, а, следовательно, и возможность его использования при преобразовании СВЧ сигналов.

Быстродействие p-i-n структур определяется несколькими постоянными времени:

где τ₀ - постоянная времени, определяемая скоростью разделения электрон-дырочных пар в области пространственного заряда (ОПЗ);

τ_{эмиттер} - постоянная времени, определяемая скоростью диффузии неравновесных носителей заряда из эмиттера по направлению к ОПЗ;

τ_база - постоянная времени, определяемая скоростью диффузии неравновесных носителей заряда из базы по направлению к ОПЗ;

τ_RC = RhC - постоянная времени перезаряда емкостей, определяемая сопротивлением нагрузки ФД R_H и емкостью p-i-n структуры.

Скорость разделения электрон-дырочных пар в ОПЗ зависит от подвижности носителей заряда градиента поля в ОПЗ, определяемого контактной разницей потенциалов, напряжением на ФД и толщины i-слоя d. Скорости диффузии в эмиттере и базе определяются толщинами этих слоев и коэффициентами диффузии неосновных носителей заряда.

Сопротивление нагрузки ФД зависит от режима его работы, для большинства приложений оно составляет 50 Ом, однако, в некоторых задачах может быть меньше. Емкость p-i-n структуры включает два основных компонента:

- барьерную емкость;

- диффузионную емкость.

Барьерная емкость играет доминирующую роль при отрицательных смещениях на p-i-n структуре. Ее можно оценить по формуле:

где ε - диэлектрическая проницаемость i-слоя; ε₀ - электрическая постоянная; S - площадь ФД.

При положительных смещениях существенной оказывается диффузионная емкость. Ее значение можно рассчитать из решения диффузионно-дрейфовых уравнений для структуры. Диффузионная емкость определяется нескомпенсированным зарядом в фотоактивных слоях и также существенно зависит от толщины i-слоя. Диффузионная емкость экспоненциально возрастает с увеличением положительного смещения на ФД.

Для обеспечения высокого быстродействия ФД необходим компромисс в выборе толщины нелегированной области. При малой ее толщине поле в области ОПЗ будет достаточно для быстрого разделения носителей, однако, барьерная емкость структуры окажется большей, чем для толстого i-слоя.

Толщина i-слоя помимо быстродействия также определяет долю поглощаемого в нем излучения, а, следовательно, и квантовый выход ФД. Поглощение излучения в полупроводниках подчиняется закону Бугера-Бэра, поэтому доля непоглощенного лазерного излучения в структуре с суммарной толщиной всех фотоактивных слоев h может быть выражена формулой:

где α - коэффициент поглощения полупроводника.

Существует возможность оптимизации поглощения в слоях ФД ЛИ, так как необходимая толщина поглощающего слоя структуры может быть обеспечена не только за счет нелегированной i-области, но также и легированных мелкой примесью эмиттерного и базового слоев. Поэтому в p-i-n ФД ЛИ возможно достижение квантового выхода близкого к 100% при достаточно высоких частотах и значительных мощностях.

Важной особенностью настоящего СВЧ фотодетектора лазерного излучения является наличие встроенного Брэгговского отражателя. БО обеспечивают двухкратное прохождение оптического излучения через структуру, и таким образом, позволяют в два раза сократить толщину поглощающих слоев ФД ЛИ.

Если в конце структуры установлен Брегговский отражатель с коэффициентом ξ отражения то формула (3) заменится следующей:

Чем ближе коэффициент ξ к единице, тем меньше доля непоглощенного света согласно (4). При ξ =1 эквивалентная оптическая толщина слоев структуры удваивается.

Конструкция БО выбиралась из условия обеспечения высокого коэффициента отражения в рабочем диапазоне 800-860 нм (фиг. 2). Расчет распространения света в структуре был произведен с использованием метода матриц Абелеса. Оптимальными материалами для слоев БО являются AlAs и Al_0,2Ga_0,8As, которые имеют значительную разницу в показателе преломления, не поглощают ЛИ в рабочем диапазоне, а также согласованы по параметру решетки с GaAs. Число пар слоев отражателя выбрано равным 15 (см. фиг. 2, кривая 2), так как при меньшем числе пар коэффициент отражения не доходит до 90% (см. фиг. 2, кривая 3), дальнейшее же увеличение числа пар до 20 и более (см. фиг. 2, кривая 1) уже не оказывает заметного влияния на коэффициент отражения. Предлагаемый БО на основе непоглощающих материалов AlAs/Al_0,2Ga_0,8As имеет существенно более высокий коэффициент отражения по сравнению с БО на основе пар слоев GaAs/AlAs (см. фиг. 2, кривая 4), среди которых GaAs поглощает ЛИ.

Расчетные толщины слоев AlAs/Al_0,2Ga_0,8As для длины волны 800 нм составляют 66/57 нм соответственно, для длины волны 860 нм 71/62 нм соответственно и меняются линейно при изменении длинны волны центрирования БО в диапазоне 800-860 нм.

Встраивание БО в предлагаемую структуру ФД ЛИ позволяет обеспечить поглощение порядка 95% фотонов ЛИ в рабочем диапазоне при в два раза меньшей общей толщине поглощающих базового нелегированного и эмиттерного слоев. Действительно, в случае структуры ФД ЛИ без БО поглощение порядка 95% достигается при общей толщине порядка 3 мкм (см. фиг 3 серия кривых 5), в то время как при введении БО поглощение на уровне 95% обеспечивается при общей толщине порядка 1,5 мкм. Таким образом, ФД ЛИ без БО явно уступает по быстродействию ФД с БО, так как фотогенерированным носителям потребуется большее время для разделения. Уменьшение же общей толщины ФД ЛИ без БО для увеличения его быстродействия будет приводить к падению поглощения и квантовой эффективности прибора. К примеру, ФД ЛИ без БО с общей толщиной 1,5 мкм обеспечит поглощение на уровне, не превышающем 70%.

Расчет фоточувствительности и временных параметров структуры ФД производился методом решения системы уравнений диффузии и дрейфа, а также уравнения Пуассона для фотоактивных слоев. При этом учитывалось кулоновское взаимодействие электронов и дырок, генерированных ЛИ в i-слое. Быстродействие СВЧ ФД ЛИ определяет постоянная времени разделения фотогенерированных носителей заряда и удельная емкость структуры. Расчеты показывают, что толщины слоев заявляемого СВЧ ФД ЛИ обеспечивают достижение постоянной времени разделения фотогенерированных носителей на уровне 10 пс (фиг. 4). Постоянная определяется временем разделения электрон-дырочных пар в слое i-GaAs, которая составляет 10 пс для толщины нелегированного слоя 1 мкм (фиг. 4, кривая 10) и временем собирания неравновесных электронов из слоя p-GaAs, которое составляет 10 пс для толщины этого слоя в 400 нм (фиг. 4, кривая 9). Время дрейфа электронов через слой i-GaAs пренебрежимо мало, порядка 1 пс для толщины 1 мкм (рис. 4, кривая 11). Время дрейфа дырок через слой i-GaAs составляет порядка 50 пс (фиг. 4, кривая 8), однако, ввиду малой толщины слоя n-GaAs (100 нм), из которого они инжектируются, а также расположения слоя с тыльной стороны, суммарный вклад этих носителей заряда в фототок не превышает 3%. В то же самое время, такой толщины достаточно для создания необходимой контактной разности потенциалов на p-i-n переходе и сильного равномерного электрического поля в слое i-GaAs.

Толщина слоя p-GaAs помимо достижения малого значения постоянной времени разделения носителей заряда, которое составляет 10 пс при толщине 100 нм (фиг. 4, кривая 7), выбрана и с учетом обеспечения высокого значения внутреннего квантового выхода фотоответа (фиг. 5).

Если для структуры без БО увеличения толщины эмиттерного слоя р-GaAs позволяет улучшить чувствительность за счет улучшения поглощения, то для предлагаемой структуры более толстый слой только ухудшит квантовый выход, т.к. снизится коэффициент собирания. Выбранная толщина слоя i-GaAs помимо приемлемой постоянной времени разделения фотогенерированных носителей также отвечает условию баланса между барьерной и диффузионной емкостями в рабочих режимах (фиг. 5, кривые 12 и 15). При этом вклад в диффузионную емкость, в основном, обеспечивает слой i-GaAs.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотодетекторов (ФД) лазерного излучения (ЛИ). СВЧ фотодетектор лазерного излучения состоит из подложки 1, выполненной из n-GaAs, и последовательно осажденных: Брегговского отражателя 2, настроенного на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающего чередующиеся пары слоев n-AlAs 3 / n-Al_0,2Ga_0,8As 4, базового слоя, выполненного из n-GaAs 5, с толщиной 50-100 нм, нелегированного слоя i-GaAs 6 толщиной 0,9-1,1 мкм, эмиттерного слоя p-GaAs 7 толщиной 450-400 нм, фронтальный слой р-Al_0,2Ga_0,8As, при этом сумма толщин базового, нелегированного и эмиттерного слоев не превышает 1,5 мкм. Изобретение обеспечивает возможность создания такого СВЧ фотодетектора лазерного излучения, который обладал бы малой барьерной емкостью, обеспечивал высокое быстродействие и поглощал бы более 95% фотонов с длинной волны в диапазоне 800-860 нм, обеспечивая близкое к полному собирание фотогенерированных носителей. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. СВЧ фотодетектор лазерного излучения, включающий полупроводниковую подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно осажденные: Брегговский отражатель, настроенный на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающий чередующиеся пары слоев n-AlAs/n-Al_0,2Ga_0,8As, базовый слой, выполненный из n-GaAs, нелегированный слой i-GaAs, эмиттерный слой p-GaAs и фронтальный слой p-Al_0,2Ga_0,8As, при этом сумма толщин базового, нелегированного и эмиттерного слоев не превышает 1,5 мкм.

2. СВЧ фотодетектор лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя n-AlAs Брегговского отражателя находится в диапазоне от 66 нм для длины волны лазерного излучения 800 нм до 72 нм для длины волны лазерного излучения 860 нм, а толщина слоя n-Al_0,2Ga_0,8As Брегговского отражателя находится в диапазоне от 57 нм для длины волны лазерного излучения 800 нм до 63 нм для длины волны лазерного излучения 860 нм.

3. СВЧ фотодетектор лазерного излучения по пп. 1, 2, отличающийся тем, что толщина базового слоя находится в диапазоне от 50 до 100 нм, толщина нелегированного слоя составляет 0,9-1,1 мкм, а толщина эмиттерного слоя находится в диапазоне от 450 до 400 нм.