ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УЗКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H01L31/101 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано для создания фотоэлектрических преобразователей (ФП) узколосного (лазерного и светодиодного) излучения.

Фотоэлектрические преобразователи являются одними из главных компонентов волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), оптронов, оптических дальномеров, оптических охранных систем и других оптоэлектронных устройств. Эти устройства обеспечивают идеальную гальваническую развязку между источником излучения и приемником. Также они невосприимчивы к электромагнитным помехам в радиодиапазоне и сами не являются источником таких помех. По этим причинам оптоэлектронные устройства имеют неоспоримые достоинства в задачах, где предъявляются строгие требования по обеспечению электромагнитной совместимости и где использование медных проводников между источником и приемником невозможно или нежелательно. В настоящее время достигнут значительный прогресс в создании ФП для систем информационного обмена и создания оптоволоконных линий связи, обеспечивающих беспроводную передачу информации и энергии по волоконно-оптическим каналам. Мощность оптического сигнала, в зависимости от задачи, лежит в диапазоне от единиц микроватт до десятков ватт. В большинстве приложений в качестве среды ВОЛС используют 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 ФП, работающего в первом окне является GaAs, эффективно преобразующий фотоны с длинной волны λ_изл 800-870 нм, то есть в первом окне прозрачности оптоволокна. При передаче энергии по оптическому каналу важнейшим параметром является коэффициент полезного действия (КПД) фотоэлектрического преобразователя, увеличивающийся с увеличением внешнего квантового выхода фотоответа и рабочего напряжения фотоэлектрического преобразователя.

Известен фотоэлектрический преобразователь на основе GaAs (см. RU 170349, МПК H01L 31/0216, H01L 31/0735, опубл. 21.04.2017), включающий подложку из n-GaAs, слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs, базовый слой из n-GaAs, слой из p-GaAs, сформированный диффузионным легированием цинка, слой из p-AlGaAs при 0,2≤х≤0,3 в начале роста и при 0,10≤х≤0,15 в приповерхностной области слоя, легированный цинком.

Недостатком известного ФП является низкий КПД преобразования узкополосного излучения.

Известен фотоэлектрический преобразователь InAsP/GaInAs (см. US 6300557, МПК H01L 31/00, опубл. 09.10.2001), включающий первый слой n-InP_1-yAs_y, сформированный с легирующей примесью n-типа, поглощающий слой GaxIn1-xAs, включающий n-область, сформированную с легирующей примесью n-типа, и р-область, сформированную с помощью р-легирующей примеси для создания одного p-n-перехода, и второго р-слоя InP1-yAsy, сформированного из легирующей примеси р-типа, причем первый и второй слои используются для пассивации и в качестве барьера для неосновных носителей в поглощающих слоях.

Недостатком известного фотоэлектрического преобразователя является неэффективное преобразование фотонов с длинной волны в диапазоне менее 870 нм.

Известен полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (см. US 20110073973, МПК H01L 31/0232; H01L 31/0248, опубл. 31.03.2011), включающий полупроводниковую подложку, Брегговский рефлектор и фотоактивную область, содержащую два поглощающих слоя противоположного типа проводимости. Суммарная толщина слоев фотоактивной области составляет половину длины волны преобразуемого излучения.

Недостатком известного фотоэлектрического преобразователя является низкая эффективность преобразования излучения.

Известен фотоэлектрический преобразователь (см. JP 1991109779, МПК H01L 31/10, опубл. 09.05.1991), включающий многослойный Брегговский отражатель между фотоактивной областью и поглощающей подложкой. Брегговский рефлектор обеспечивает отражение лучей, падающих перпендикулярно фронтальной поверхности фотоэлектрического преобразователя, и обеспечивает увеличение фототока преобразователя.

Недостатком известного фотоэлектрического преобразователя является недостаточно высокая внешняя квантовая эффективность и, как следствие этого, низкое значение КПД.

Известен фотоэлектрический преобразователь узкополосного (лазерного) излучения (см. RU 2676187, МПК H01L 31/101, опубл. 26.12.2018), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип.Фотоэлектрический преобразователь-прототип включает подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно сформированные 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, фотоактивный слой из n-GaAs толщиной 50-100 нм, нелегированный слой из i-GaAs толщиной 0.9-1.1 мкм, фотоактивный слой из p-GaAs толщиной 450-400 нм, фронтальный слой из p-Al_0.2Ga_0.8As, при этом сумма толщин базового, нелегированного и эмиттерного слоев не превышает 1.5 мкм.

Изобретение обеспечивает возможность создания фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения, который обладает малой барьерной емкостью и обеспечивает высокое быстродействие. Недостатком известного фотоэлектрического преобразователя-прототипа является недостаточно высокий внешний квантовый выход, относительно малое рабочее напряжение и низкое значение КПД.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение внешнего квантового выхода, рабочего напряжения и КПД фотоэлектрического преобразования узкополосного (лазерного и светодиодного) излучения.

Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический преобразователь узкополосного излучения включает подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно сформированные Брегговский отражатель, фотоактивный слой из n-GaAs, фотоактивный слой из p-GaAs и фронтальный слой из p-AlGaAs. Новым является то, что между фотоактивными слоями из n-GaAs и из p-GaAs включены три дополнительных нелегированных слоя из n-Al_xGa_1-xAs с процентным содержанием AlAs в прилегающем к фотоактивному слою из p-GaAs первом дополнительном слое, плавно увеличивающимся от нуля до x₁=x₂, содержание (х₂) AlAs во втором дополнительном слое установлено равным х₂=(25-40) %, а в третьем дополнительном слое содержание (х₃) AlAs установлено плавно уменьшающимся от х₃=х₂ до нуля, толщина d₁ первого дополнительно слоя установлена в диапазоне d₁=(10-50) нм, толщина d₂ второго дополнительного слоя d₂=(200-500) нм и толщина d₃ третьего дополнительного слоя d₃=(10-50) нм, при этом Брегговский отражатель включает (15-25) пар чередующихся слоев Al(x₄)Ga(1-x₄)As и Al(x₅)Ga(1-x₅)As, содержание AlAs, в которых установлено равным x₄=(85-95)% и х₅=(7-13)%, а толщины W слоев Брегговского отражателя установлены равными W=(λ_изл+ψ)/4n, при значении *ψ равным ширине спектральной полосы отражения Брегговского отражателя, где n - значения показателей преломления слоев Брегговского отражателя на длине волны λ_изл максимума преобразуемого узкополосного излучения.

Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью признаков фотоэлектрического преобразователя, является увеличение рабочего напряжения и КПД фотоэлектрического преобразователя путем встраивания в структуру дополнительных трех нелегированных слоев: в первом слое с плавно увеличивающемся содержанием AlAs, во втором слое с (25-40)%-ным содержанием AlAs и в третьем слое с уменьшающимся содержанием AlAs. Это обеспечивает уменьшение обратного тока насыщения, увеличение рабочего напряжения фотоэлектрического преобразователя и, как следствие этого, увеличение КПД фотоэлектрического преобразователя. При этом для исключения влияния потенциальных барьеров, возникающих на дополнительных гетерограницах узкозонных фотоактивных слоев с широкозонным дополнительным слоем в области объемного заряда в структуру на данных гетерограницах встраивают слои с градиентом состава, сглаживающие потенциальные барьеры на гетерограницах.

Увеличение внешнего квантового выхода фотоответа за счет внутреннего отражения излучения, прошедшего сквозь фотоактивную область, обеспечивается настоящим Брегговским отражателем с последующим дополнительным поглощением этого излучения в фотоактивной области, сопровождающейся генерацией дополнительных электронно-дырочных пар, что обеспечивает увеличение фототока и, как следствие этого, увеличение КПД фотоэлектрического преобразователя.

Кроме того, настоящий Брегговский отражатель, в отличие от известных конструкций, эффективно отражает также рекомбинационное излучение, генерируемое в активной области, вследствие излучательной рекомбинации носителей тока, не разделенных p-n переходом. Генерируемое рекомбинационное излучение является изотропным, т.е. распространяющимся равновероятно во всех направлениях. Брегговский отражатель обеспечивает увеличение коэффициента отражения в телесном угле от нуля до 40 угловых градусов по отношению к нормали к гетерограницам, то есть в существенно большем телесном угле, чем в известных конструкциях.

Настоящий Брегговский отражатель обеспечивает также дополнительное отражение значительной части латеральных лучей, распространяющихся в телесном угле от 60 до 90 угловых градусов, больших угла полного внутреннего отражения от границы фотоактивной области (n-GaAs) с Брегговским отражателем, имеющим меньшее значение показателя преломления (n=3.03-3.1) широкозонных слоев брегговского рефлектора (Al(x₄)Ga(1-x₄)As при x₄=0.85-0.95) по сравнению с показателем преломления (n=3.6) в прилегающем к нему слое (n-GaAs) фотоактивной области.

Внутреннее отражение прямого и рекомбинационного изотропного излучения предотвращает эти лучи от поглощения и от поглощении этих лучей в подложке n-GaAs, что обеспечивает увеличение внешнего квантового выхода фотоответа и, как следствие этого, увеличение КПД фотоэлектрического преобразователя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 схематически изображена гетероструктура фотоэлектрического преобразователя узкополосного излучения (1 - фронтальный широкозонный слой p-AlGaAs, прозрачный для преобразуемого излучения; 2 - слой p-GaAs фотоактивной области; 3 - дополнительный слой Al(x₁)Ga(1-x₁)As с содержанием x₁ AlAs, плавно увеличивающимся от нуля до x₁=х₂; 4 - дополнительный слой n-Al(x₂)Ga(1-x₂)As с содержанием AlAs равным х₂=(25-40)%; 5 - дополнительный слой n-Al(x₃)Ga(1-x₃)As с плавным уменьшением содержания х₃ AlAs от х₃=х₂ до нуля; 6 - слой n-GaAs фотоактивной области; 7 - Брегговский отражатель; 8 - широкозонные слои n-Al(x₄)Ga(1-x₄)As Брегговского отражателя с содержанием x₄ AlAs x₄=(85-95)%; 9 - узкозонные слои n-Al(x₅)Ga(1-x₅)As брегговского рефлектора с содержанием х₅ AlAs х₅=(8-12) %; 10 - n-GaAs подложка;

на фиг. 2 показано распределение содержания AlAs по толщине слоев в гетероструктуре фотоэлектрического преобразователя узкополосного излучения.

на фиг. 3 приведено изображение гетероструктуры модифицированного брэгговского отражателя на основе 15 пар слоев Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As (полученное на сканирующем электронном микроскопе);

на фиг. 4 показаны спектры отражения Брэгговских отражателей (11 - с 15 парами слоев Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As с толщинами слоев Al_0.1Ga_0.9As - 62 нм и слоев Al_0.9Ga_0.1As - 71 нм; 12 - с двадцатью парами слоев Al_0.1Ga_0.9As - 67 нм) и Al_0.9Ga_0.1As - 78 нм).

Фотоэлектрический преобразователь узкополосного излучения (фиг. 1) включает фронтальный широкозонный слой 1 из p-AlGaAs, фотоактивный слой 2 из n-GaAs, три дополнительных нелегированных слоя 3, 4, 5 из n-Al_xGa_1-xAs с процентным содержанием (x₁) AlAs в прилегающем к фотоактивному слою 2 p-GaAs первом дополнительном слое 3, плавно увеличивающимся от нуля до x₁=(25-40)%, содержание (х₂) AlAs во втором дополнительном слое 4 установлено равным (25-40)%, а в третьем дополнительном слое 5 содержание х₃ AlAs установлено плавно уменьшающимся от х₃=х₂ до нуля вблизи фотоактивного слоя 6 из n-GaAs. Далее следует Брегговский отражатель 7, который включает (15-25) пар чередующихся слоев 8, 9 соответственно из Al(x₄)Ga(1-x₄)As и из Al(x₅)Ga(1-x₅)As и подложка 10 из n-GaAs. Содержание AlAs в слоях 8, 9 установлено равным x₄=(85-95)% в слое 8 и х₅=(7-13)% в слое 9, а толщины W слоев 8, 9 Брегговского отражателя 7 приняты равными W=(λ_изл+ψ)/4n , при значении ψ, установленном равным ширине спектральной полосы отражения Брегговского отражателя 7, где n - значения показателей преломления слоев 8, 9 Брегговского отражателя 7 на длине волны λ_изл максимума преобразуемого узкополосного излучения. Толщина d₁ первого дополнительно слоя 3 установлена в диапазоне d₁=(10-50) нм, толщина d₂ второго дополнительного слоя 4 d₂=(200-500) нм и толщина d₃ третьего дополнительного слоя 5 d₃=(10-50) нм.

Работает настоящий фотоэлектрический преобразователь следующим образом. При облучении фотоэлектрического преобразователя узкополосным (лазерным или светодиодным) излучением в спектральном диапазоне (800-880) нм в слоях 2 и 6 фотоактивной области генерируются электронно-дырочные пары, разделяющиеся полем p-n перехода и дающие основной вклад в фототок преобразователя. Величина рабочего напряжения фотоэлектрического преобразователя в значительной степени определяется шириной запрещенной зоны фотоактивных слоев 2 и 6, поглощающих излучение, а также величиной обратного тока насыщения, который должен быть минимальным для получения максимального рабочего напряжения и, как следствие этого, для увеличения КПД фотоэлектрического преобразователя.

В настоящем фотоэлектрическом преобразователе поглощение излучения происходит в фотоактивных слоях 2 и 6 соответственно из p-GaAs и из n-GaAs.

Типичная величина обратного тока насыщения в фотоэлектрических преобразователях на основе p-n переходов в GaAs (без широкозонной «вставки» в области объемного заряда) составляет j_обр=10^-19 А/см² при плотностях фототока более 1 А/см². Значение напряжения холостого хода U_xx в таких преобразователях составляет порядка U_xx≅1.15 В при фототоке 10 А/см². Введение в область объемного заряда широкозонного слоя Al(x₂)Ga(1-x₂)As при значении х₂=(25-40)% толщиной (200-300) нм обеспечивает уменьшение обратного тока насыщения до величины порядка 10^-20 А/см² при х₂=40%. При этом значение напряжения холостого хода возрастает на величину ΔU_xx≅(60-70) мВ. Это, в свою очередь, обеспечивает увеличение рабочего напряжения и КПД фотоэлектрического преобразователя на 5-6 относительных процентов.

Экспериментально было установлено, что при увеличении содержания AlAs (более 40%) не наблюдается заметного снижения обратного тока насыщения, однако при этом имеет место увеличение омического сопротивления, что приводит к увеличению омических потерь и снижению КПД фотоэлектрического преобразователя. При уменьшении содержания AlAs (менее 25%) наблюдается существенное увеличение обратного тока насыщения, приводящее к снижению рабочего напряжения и КПД фотоэлектрического преобразователя.

Диапазон толщины широкозонного слоя 4 на фиг. 1 и фиг. 2, установленный в интервале (200-500) нм, является оптимальным, так как этот диапазон соответствует толщине области объемного заряда между фотоактивными слоями p-GaAs и n-GaAs.

Экспериментально было установлено, что диапазон толщин градиентных слоев 3 и 5 на фиг. 1 и фиг. 2, установленный в интервале (10-50) нм, является оптимальным, обеспечивает существенное уменьшение высоты потенциальных барьеров на гетерограницах слоев 2, 3, 4, 5 и 6 на фиг. 1, 2 и снижение омических потерь при плотностях фототока (10-100) А/см².

Кроме увеличения рабочего напряжения, в предлагаемом фотоэлектрическом преобразователе обеспечивается также увеличение фототока за счет встраивания в структуру Брегговского отражателя, включающего 20±5 пар чередующихся слоев Al(x₄)Ga(1-x₄)As и Al(x₅)Ga(1-x₅)As, содержание AlAs в которых установлено равным х₄=(85-95)% и х₅=(7-13)%. Толщины W слоев Брегговского отражателя установлены равными W=(λ_изл+ψ)/4n при значении ψ, установленном равным ширине полосы отражения Брегговского отражателя, где n - значения показателей преломления слоев Брегговского отражателя на длине волны λ_изл максимума преобразуемого узкополосного излучения.

Настоящий Брегговский отражатель отражает в активную область фотоны прямого когерентного излучения (при лазерном облучении) или спонтанного прямого излучения (при светодиодном облучении). Кроме того, Брегговский отражатель обеспечивает эффективное отражение вторичного спонтанного рекомбинационного излучения, генерируемого в фотоактивной поглощающей области, вследствие рекомбинации не разделенных p-n переходом электронно-дырочных пар. Это рекомбинационное излучение является изотропным с равновероятной интенсивностью в любом направлении.

Брегговские зеркала в известных конструкциях фотоэлектрических преобразователей выполнены на основе чередующихся узкозонных и широкозонных «четвертьволновых» слоев, т.е. с толщиной слоев W=λ_изл/4n, обеспечивающие отражение только лучей, падающих в направлении, близком к перпендикуляру к облучаемой поверхности в телесном угле ϕ=±20°. Доля изотропного излучения в данном телесном угле незначительна и составляет около 5% излучения, падающего на брегговские отражатели известных конструкций. Настоящий Брегговский отражатель с толщинами слоев W=(λизл+ψ)/4n при значении ψ, равном ширине полосы отражения, равной порядка 100 нм на фиг. 4, обеспечивает отражение лучей в телесном угле от нуля до ±35-40 угловых градусов, доля изотропных лучей в котором составляет более 30%. В итоге, настоящая конструкция Брегговского отражателя обеспечивает существенное увеличение доли отраженного в фотоактивную область и поглощенного в ней изотропного рекомбинационного излучения, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение на 3-4 относительных процента фототока фотоэлектрического преобразователя.

Расчетным и экспериментальным путями было установлено, что содержание AlAs в слоях настоящего Брегговского отражателяа, составляющее (85-95)% в слое 8 на фиг. 1 и (7-13)% в слое 9 на фиг. 1, обеспечивает достаточный контраст показателей преломления этих слоев, необходимый для достижения коэффициента отражения порядка 90% при количестве (15-25) пар этих чередующихся слоев.

Теоретически и экспериментально было установлено, что для обеспечения максимального внутреннего отражения прямого и рекомбинационного излучения толщины W слоев Брегговского отражателя должны быть равными W=(λ_изл+ψ)/4n при значении ψ, равном ширине полосы отражения Брегговского отражателя. Было найдено, что при значении ψ больше полосы отражения брегговского отражателя уменьшается коэффициент отражения для прямых лучей, проходящих через фотоактивную область без поглощения. Также установлено, что при значении ψ меньше полосы отражения брегговского рефлектора уменьшается коэффициент отражения для рекомбинационного изотропного излучения, генерируемого при рекомбинации электронно-дырочных пар, не разделенных полем объемного заряда p-n перехода.

Таким образом, увеличение рабочего напряжения, благодаря широкозонной «вставке» в область объемного заряда, и увеличение фототока, благодаря новой структуре Брегговского отражателя, обеспечивает в предлагаемом фотоэлектрическом преобразователе увеличение КПД на (6-10)% относительных процентов.

Пример. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь узкополосного излучения с длиной волны λ_изл максимума интенсивности излучения λ_изл=870 нм. Брегговский отражатель в структуре фотоэлектрического преобразователя включал 20 пар чередующихся слоев Al_0.1Ga_0.9As толщиной W₁=67 нм и Al_0.9Ga_0.1As толщиной W₂=78 нм. Величина ψ в формуле W=(λ_изл+ψ)/4n составляла в данном Брегговском отражателе ψ=65 нм. В структуре фотоэлектрического преобразователя между фотоактивными слоями n-GaAs и p-GaAs было включено три дополнительных слоя с толщинами «градиентных» слоев 3, на фиг. 1 и фиг. 2 равными 20 нм каждый и с толщиной второго дополнительного слоя Al_0.4Ga_0.6As 4 на фиг. 1 и фиг. 2 равной 300 нм.

Коэффициент полезного действия (КПД) изготовленного фотоэлектрического преобразователя составил 57% при плотности фототока 50 А/см². Полученное значение КПД превышает значения КПД в известных фотоэлектрических преобразователях на 2-3 абсолютных процентов.

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано для создания фотоэлектрических преобразователей узкополосного излучения. Фотоэлектрический преобразователь узкополосного излучения включает фронтальный широкозонный слой из p-AlGaAs, фотоактивный слой из n-GaAs, три дополнительных нелегированных слоя из n-Al_xGa_1-xAs, в которых процентное содержание (x₁) AlAs в прилегающем к фотоактивному слою p-GaAs первом дополнительном слое плавно увеличивается от нуля до x₁=(25-40)%, содержание (х₂) AlAs во втором дополнительном слое установлено равным (25-40)%, а в третьем дополнительном слое содержание (х₃) AlAs установлено плавно уменьшающимся от х₃=х₂ до нуля вблизи фотоактивного слоя из n-GaAs. Фотоэлектрический преобразователь также включает Брегговский отражатель, который содержит (15-25) пар чередующихся слоев соответственно из Al(x₄)Ga(1-x₄)As и из Al(x₅)Ga(1-x₅)As и подложку из n-GaAs. Содержание AlAs в слоях установлено равным x₄=(85-95) % и х₅=(7-13) % в чередующихся слоях Брегговского отражателя, а толщины W слоев Брегговского отражателя приняты равными W=(λ_изл+ψ)/4n при значении ψ, установленном равным ширине спектральной полосы отражения Брегговского отражателя, где n - значения показателей преломления чередующихся слоев Брегговского отражателя на длине волны λ_изл максимума преобразуемого узкополосного излучения. Технический результат: увеличение рабочего напряжения и КПД фотоэлектрического преобразователя путем встраивания в структуру дополнительных трех нелегированных слоев: в первом слое с плавно увеличивающимся содержанием AlAs, во втором слое с (25-40)%-ным содержанием AlAs и в третьем слое с уменьшающимся содержанием AlAs. 4 ил.

Фотоэлектрический преобразователь узкополосного излучения, включающий подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно сформированные Брегговский отражатель, фотоактивный слой из n-GaAs, фотоактивный слой из p-GaAs и фронтальный слой из p-AlGaAs, отличающийся тем, что между фотоактивными слоями из n-GaAs и из p-GaAs включены три дополнительных нелегированных слоя из n-Al_xGa_1-xAs с процентным содержанием AlAs в прилегающем к фотоактивному слою p-GaAs первом дополнительном слое, плавно увеличивающимся от нуля до x₁=х₂, содержание (х₂) AlAs во втором дополнительном слое х₂ установлено равным х₂=(25-40)%, а в третьем дополнительном слое содержание (х₃) AlAs установлено плавно уменьшающимся от х₃=х₂, толщина d₁ первого дополнительно слоя установлена в диапазоне d₁=(10-50) нм, толщина d₂ второго дополнительного слоя d₂=(200-500) нм и толщина d₃ третьего дополнительного слоя d₃=10-50 нм, при этом модифицированный брегговский рефлектор включает 20±5 пар чередующихся слоев Al(x₄)Ga(1-x₄)As и Al(x₅)Ga(1-x₅)As, содержание AlAs в которых установлено равным x₄=(85-95)% и х₅=(7-13)%, а толщины W слоев брегговского рефлектора установлены равными W=(λ_изл+ψ)/4n при значении ψ, установленном равным ширине спектральной полосы отражения брегговского рефлектора, где n - значения показателей преломления слоев брегговского рефлектора на длине волны максимума преобразуемого узкополосного излучения.