ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК H01L31/101 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано для создания фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

В настоящее время значительный прогресс достигнут в создании ФЭП для систем информационного обмена и создания оптоволоконных линий связи (ВОЛС), 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, одно из окон прозрачности которого лежат вблизи длины волны излучения 0,85 мкм. Оптимальными материалами для создания ФЭП, работающего в этом окне является GaAs, эффективно преобразующий фотоны с длинной волны λ_изл 800-870 нм. 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 цинком, слой из p-AgGaAs при 0,2≤х≤0,3 в начале роста и при 0,10≤х≤0,15 в приповерхностной области слоя, легированный цинком.

Недостатком известного ФЭП является низкий КПД преобразования лазерного излучения.

Известен фотоэлектрический преобразователь InAsP/GalnAs (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 Ga_xIn₁-_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 InP_1-yAS_y, сформированного из легирующей примеси р-типа, причем первый и второй слои используют 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; H0L 31/0248, опубл. 31.03.2011), включающий полупроводниковую подложку, Брегговский отражатель 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. 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 электропроводящее основание-подложку, выполненное из n-GaAs, и последовательно осажденные тыльную широкозонную структуру в виде Брегговского отражателя, настроенного на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающий чередующиеся пары слоев n-AIAs/n-Al₀.₂Ga_0.8As; узкозонные полупроводниковые слои, образующие р-n переход: 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 широкозонный слой из p-Al_0.2Ga_0.8As, прозрачный для преобразуемого излучения; при этом сумма толщин нелегированного и фотоактивных слоев не превышает 1.5 мкм.

Известный фотоэлектрический преобразователь лазерного излучения обладает малой барьерной емкостью и обеспечивает высокое быстродействие. Недостатком известного фотоэлектрического преобразователя-прототипа является низкий внешний квантовый выход фотоответа, относительно малое рабочее напряжение и низкое значение КПД.

Задачей настоящего изобретения является разработка фотоэлектрического преобразователя, который бы имел повышенный внешний квантовый выход фотоответа, повышенное рабочее напряжение и увеличенный КПД.

Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический преобразователь включает электропроводящее основание и последовательно осажденные тыльную широкозонную структуру, узкозонный полупроводниковый фотоактивный слой с p-n переходом, поглощающий излучение, и фронтальный широкозонный слой полупроводника, прозрачного для преобразуемого излучения. Новым в фотоэлектрическом преобразователе является то, что тыльная широкозонная структура выполнена в виде тыльного широкозонного слоя, на тыльной поверхности которого сформировано прикрепленное прозрачным для излучения слоем адгезива диэлектрическое зеркальное покрытие, отражающее лучи, падающие на него под углами, превышающими угол полного отражения от границы тыльного широкозонного слоя с диэлектрическим зеркальным покрытием; диэлектрическое зеркальное покрытие выполнено из материала с показателем преломления n, меньшим 1,46, толщиной Н, равной (0.3-1.0)λ_изл/n, где λ_изл - длина волны преобразуемого излучения;

диэлектрическое зеркальное покрытие перфорировано круглыми отверстиями, заполненными металлическими омическими контактами к тыльному широкозонному слою. Диаметр круглых отверстий (20-50)H, расстояние между круглыми отверстиями (200-1000)H, при этом к поверхности диэлектрического зеркального покрытия прикреплено с помощью слоя электропроводящего адгезива, прозрачного для излучения, металлическое зеркало, выполненное из металла, имеющего величину коэффициента отражения не менее 97%.

Фотоэлектрический преобразователь для преобразования излучения с длиной волны Δ_изл=(800-860) нм фронтальный и тыльный широкозонные слои могут быть выполнены из AlGaAs, а узкозонный полупроводниковый фотоактивный слой может быть выполнен из GaAs.

Перфорированное диэлектрическое зеркальное покрытие может быть выполнено из слоя диоксида кремния SiO₂, прикрепленного слоем адгезива TiO₂ толщиной (200-600) нм.

Диаметр круглых отверстий в перфорированном диэлектрическом покрытии может быть установлен в диапазоне (5-15) мкм с расстоянием между круглыми отверстиями, установленном в диапазоне (50-200) мкм.

Металлическое зеркало может быть выполнено из слоя серебра с толщиной (0.2-2.0) мкм и может быть прикреплено электропроводящим адгезивом из сплава никеля с хромом толщиной (1-3) нм.

Электропроводящее основание может быть выполнено из электролитического слоя меди толщиной (40-100) мкм.

Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью признаков фотоэлектрического преобразователя, является увеличение квантового выхода фотоответа, рабочего напряжения и КПД фотоэлектрического преобразователя путем встраивания в структуру двух отражателей.

Первый отражатель (диэлектрическое зеркальное покрытие), прикрепленное прозрачным для излучения адгезивом, что обеспечивает полное внутреннее отражение от границы полупроводникового слоя со слоем диэлектрика, имеющего меньшую величину показателя преломления и отражающей лучи, падающие на эту границу под углами, превышающими угол полного внутреннего отражения.

Вторая стадия внутреннего отражения лучей реализуется металлическим зеркалом, выполненным из металла с высоким значением коэффициента отражения, например, из слоя серебра.

Реализация двустадийного внутреннего отражения излучения обеспечивает увеличение эффективности поглощения этого излучения в фотоактивной области, увеличение эффективного времени жизни генерированных носителей тока за счет перепоглощения фотонов и повторного рождения электронно-дырочных пар и, как следствие этого, увеличение спектральной фоточувствительности, рабочего напряжения и КПД фотоэлектрического преобразователя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематически изображена структура фотоэлектрического преобразователя: 1 (цифры должны быть жирным шрифтом) - фронтальный широкозонный слой, прозрачный для преобразуемого излучения; 2 - узкозонный слой, поглощающий излучение; 3 - тыльный широкозонный слой; 4 - прозрачный для излучения слой адгезива; 5 - перфорированное диэлектрическое зеркальное покрытие; 6 - локальные омические контакты к тыльному широкозонному слою 3 в отверстиях в перфорированном диэлектрическом зеркальном покрытии 5; 7 - слой электропроводящего адгезива, прозрачного для излучения; 8 - металлическое зеркало; 9 - электропроводящее основание фотоэлектрического преобразователя; 10 - сплошной тыльный токоотводящий контакт; 11 - полосковый фронтальный токоотводящий контакт; 12 - преобразуемое излучение.

Фотоэлектрический преобразователь включает фронтальный широкозонный слой 1 (фиг. 1) полупроводника, прозрачного для преобразуемого излучения, узкозонный полупроводниковый фотоактивный слой 2 с p-n переходом, поглощающий излучение, тыльный широкозонный слой 3, к тыльной поверхности которого прикреплено прозрачным для излучения адгезивом 4 перфорированное диэлектрическое зеркальное покрытие 5, отражающее лучи, падающие на него под углами, превышающими угол полного отражения от границы широкозонного слоя 3 с диэлектрическим зеркальным покрытием 5, при этом диэлектрическое зеркальное покрытие 5 выполнено из материала с показателем преломления n, меньшим 1,46; толщина Н диэлектрического зеркального покрытия 5 установлена в диапазоне Н=(0.3-1)λ_изл/n, где λ_изл - длина волны преобразуемого излучения; причем диэлектрическое зеркальное покрытие 5 выполнено перфорированным с расстоянием между круглыми отверстиями, в 10-20 раз превышающим диаметр об круглых отверстий, установленных в диапазоне d₀=(20-50)H круглые отверстия заполнены локальными омическими контактами 6 к тыльному широкозонному слою 3 с толщиной локальных омических контактов 6, установленной равной толщине Н диэлектрического зеркального покрытия 5. К поверхности диэлектрического зеркального покрытия 5 прикреплено слоем электропроводящего адгезива 7, прозрачного для излучения, металлическое зеркало 8, выполненное из металла, имеющего величину коэффициента отражения не менее 97%. Структура фотоэлектрического преобразователя нанесена на электропроводящее основание 9, на тыльной стороне которого выполнен сплошной тыльный токоотводящий контакт 10; на поверхности фронтального широкозонного слоя 1 сформирован полосковый фронтальный токоотводящий контакт 11.

Фотоэлектрический преобразователь, предназначенный для преобразования излучения с длиной волны λ_изл=(800-860) нм, может быть выполнен с фронтальным широкозонным слоем 1 и тыльным широкозонным слоем 3 из AlGaAs, и с узкозонным слоем 2 из GaAs.

Фотоэлектрический преобразователь может содержать диэлектрическое зеркальное покрытие 5, выполненное из SiO₂ толщиной Н=(200-600) нм, прикрепленное прозрачным для излучения слоем адгезива 4 из TiO₂.

Фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен с диаметром круглых отверстий в перфорированном диэлектрическом покрытии 5, установленным в диапазоне d₀=(5-15) мкм с расстоянием между отверстиями, установленным в диапазоне (50-200) мкм.

Фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен с прикрепленным электропроводящим адгезивом 7 из сплава никеля с хромом толщиной (1-3) нм зеркалом 8, выполненным из серебра толщиной (0.2-2) мкм.

Фотоэлектрический преобразователь может включать электропроводящее основание 9, выполненное из электролитического слоя меди толщиной (40-100) мкм.

Отвод фототока осуществляется с помощью сплошного тыльного токоотводящего контакта 10 и полоскового токоотводящего контакта 11 к фронтальной поверхности фотоэлектрического преобразователя.

Фотоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При облучении фотоэлектрического преобразователя лазерным или светодиодным излучением 12 (фиг. 1) это излучение проходит без поглощения сквозь фронтальный широкозонный слой 1, выполненный прозрачным для преобразуемого излучения, которое поглощается в узкозонном слое 2 с p-n переходом, разделяющим генерируемые электронно-дырочные пары. Следующий тыльный широкозонный слой 3 выполняет функцию локализации генерируемых в узкозонном слое 2 неосновных носителей тока, что обеспечивает увеличение эффективности их разделения полем p-n перехода и увеличение квантового выхода фотоответа фотоэлектрического преобразователя. Однако часть генерируемых электронно-дырочных пар рекомбинируют с излучением фотонов с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны узкозонного фотоактивного слоя 2. Данное рекомбинационное излучение является изотропным, распространяющимся с одинаковой интенсивностью во всех направлениях. В известных фотоэлектрических преобразователях это рекомбинационное излучение бесполезно пропадает, поглощаясь в электропроводящем основании 9. Другой причиной внутренних потерь, кроме поглощения рекомбинационного излучения, является поглощение части «первичного» излучения 12, падающего на фотоактивный узкозонный слой 2, вследствие прохождения части этого излучения с энергией квантов, близкой к ширине запрещенной зоны фотоактивного слоя, сквозь фотоактивный узкозонный слой 2. В настоящем фотоэлектрическом преобразователе для снижения этих потерь и увеличения КПД в структуру встроен двустадийный (слои 5, 8) отражатель излучения. Первая стадия отражения от границы «полупроводник - диэлектрик» обеспечивается для лучей, падающих на эту границу из полупроводника под углами, превышающими угол полного отражения. Вторая стадия отражения лучей, падающих на эту границу под углами, меньшими угла полного отражения, выполняется металлическим зеркалом 8, выполненным из металла с высоким коэффициентом отражения, например, из серебра, имеющего коэффициент отражения более 97%. Разработанный двустадийный отражатель обеспечивает возврат в фотоактивный узкозонный слой 2 более 95% генерированного рекомбинационного излучения, а также «первичного» излучения 12, прошедшего сквозь этот слой 2 от фронтальной облученной поверхности, что обеспечивает увеличение количества генерированных носителей тока, увеличение их эффективного времени жизни и, как следствие этого, увеличение фототока, рабочего напряжения и КПД фотоэлектрического преобразователя.

Выбор материала диэлектрического зеркального покрытия 5 с показателем преломления n, меньшим 1,46, обусловлен тем, что угол полного внутреннего отражения уменьшается, а доля отраженного изотропного излучения увеличивается с уменьшением показателя преломления диэлектрического покрытия.

Выбор толщины Н диэлектрического покрытия в диапазоне Н=(0.3-1.0)λ_изл/n обусловлен тем, что при толщине Н<0.3⋅λ_изл/n уменьшается коэффициент отражения излучения от границы раздела полупроводник - диэлектрик, а при толщине Н>λ_изл/n ухудшается адгезия относительно толстого слоя диэлектрика к полупроводнику, что приводит к отслаиванию диэлектрического зеркального покрытия 5 от тыльного широкозонного слоя 3.

Диэлектрическое зеркальное покрытие 5 выполнено перфорированным круглыми отверстиями с расстоянием D между круглыми отверстиями, в 10-20 раз превышающим диаметр об отверстий, потому, что при этом граничном условии «затенение» поверхности отверстиями, заполненными локальными омическими контактами 7, составляет менее (0.25-1.0) %, что сравнимо с величиной оптических потерь при отражении излучения от двустадийного отражателя. Диаметр об отверстий, заполненных локальными омическими контактами 6, установлен в диапазоне d₀=(20-50)H потому, что это условия обеспечивают прохождение фототока сквозь диэлектрическое зеркальное покрытие 5 с минимальными омическими потерями. При d₀<20H усложняется технология изготовления этих отверстий диаметром менее нескольких микрон. При увеличении d₀>50Н необходимо увеличивать расстояние D между отверстиями так, чтобы не увеличивать «затенение» поверхности локальными контактами. Экспериментально установлено, что такое увеличение расстояния D является недопустимым, так как это приведет к увеличению омических потерь на растекание фототока в тыльном широкозонном слое полупроводниковой структуры.

При толщине слоев локальных омических контактов 6 в отверстиях в диэлектрическом зеркальном покрытии 5 равной толщине диэлектрического зеркальном покрытия 5 обеспечивается планарность поверхности структуры перед нанесением металлического зеркала 9, что необходимо для обеспечения адгезии и высокого коэффициента отражения от металлического зеркала 8, наносимого на поверхность перфорированного диэлектрического зеркального покрытия 5.

Металлическое зеркало 8 выполнено из металла, имеющего величину коэффициента отражения не менее 97%. Наилучшими материалами для зеркала являются серебро и золото. Серебро при этом имеет максимальное значение коэффициента отражения (97-99%). Однако серебро нестабильно в условиях окружающей среды, что может приводить со временем к уменьшению коэффициента отражения. Золото характеризуется меньшей величиной коэффициента отражения в коротковолновой части видимого спектра излучения, но и высокой стабильностью к воздействию условий окружающей среды. Выбор материала для зеркала будет определяться условиями эксплуатации фотоэлектрического преобразователя, а также степенью защиты зеркального покрытия.

Пример 1. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь излучения с длиной волны λ_изл=800-860 нм на основе AlGaAs/GaAs структуры с широкозонными слоями Al(16%)Ga(84%)As и узкозонным слоем толщиной 2 мкм. Диэлектрическое зеркальное покрытие, прикрепленное адгезивом из TiO₂, было выполнено из диоксида кремния SiO₂ толщиной Н=600 нм. Значение показателя преломления n диоксида кремния SiO₂ составляло 1,45. Диаметр отверстий в перфорированном диэлектрическом зеркальном покрытии был установлен равным 10 мкм. Расстояние между отверстиями, заполненным локальными омическими контактами, было установлено равным 100 мкм. Затенение поверхности локальными омическими контактами, выполненными в отверстиях, составило менее 1%. Металлическое зеркало, прикрепленное к поверхности диэлектрического зеркального покрытия адгезивом из сплава никеля с хромом толщиной 2 нм, было выполнено из слоя серебра толщиной 0,5 мкм. Теплоотводящее основание фотоэлектрического преобразователя было выполнено из низкоомного GaAs толщиной h_s=200 мкм.

Пример 2. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь излучения с длиной волны λ_изл=800-860 нм на основе AlGaAs/GaAs структуры с широкозонными слоями Al(16%)Ga(84%)As и узкозонным слоем толщиной 2 мкм. Диэлектрическое зеркальное покрытие, прикрепленное адгезивом из Si, было выполнено из диоксида кремния SiO₂ толщиной Н=200 нм. Значение показателя преломления т диоксида кремния SiO₂ составляло 1,45. Диаметр отверстий в перфорированном диэлектрическом зеркальном покрытии был установлен равным 15 мкм. Расстояние между отверстиями, заполненным локальными омическими контактами, было установлено равным 150 мкм. Металлическое зеркало, прикрепленное к поверхности диэлектрического зеркального покрытия адгезивом из сплава никеля с хромом толщиной 1 нм, было выполнено из слоя серебра толщиной 0,2 мкм. Теплоотводящее основание фотоэлектрического преобразователя было выполнено из слоя электролитической меди толщиной h_s=80 мкм.

Результатом настоящего технического решения стала разработка фотоэлектрического преобразователя, обладающего КПД=62% (λ_изл=860 нм) при мощности лазерного излучения Р_лаз=150 Вт/см².

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике Фотоэлектрический преобразователь включает фронтальный широкозонный слой (1), узкозонный фотоактивный с p-n переходом слой (2), тыльный широкозонный слой (3), на тыльной поверхности которого выполнено диэлектрическое перфорированное зеркальное покрытие (5). Диэлектрическое перфорированное зеркальное покрытие выполнено с расстоянием между круглыми отверстиями, в 10-20 раз превышающим диаметр отверстий, заполненных слоями омических контактов (6) к тыльному широкозонному слою (3) с толщиной контактных слоев, установленной равной толщине диэлектрического зеркального покрытия (5), на поверхности которого нанесено металлическое зеркало (8). Фотоэлектрический преобразователь согласно изобретению обеспечивает повышенный внешний квантовый выход фотоответа, повышенное рабочее напряжение и увеличенный КПД. 5 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 ил.

1. Фотоэлектрический преобразователь, включающий электропроводящее основание и последовательно осажденные тыльную широкозонную структуру, узкозонный полупроводниковый фотоактивный слой с p-n переходом, поглощающий излучение, и фронтальный широкозонный слой полупроводника, прозрачного для преобразуемого излучения, отличающийся тем, что тыльная широкозонная структура выполнена в виде тыльного широкозонного слоя, на тыльной поверхности тыльного широкозонного слоя выполнено прикрепленное прозрачным для излучения слоем адгезива диэлектрическое зеркальное покрытие, отражающее лучи, падающие на него под углами, превышающими угол полного отражения от границы тыльного широкозонного слоя с диэлектрическим зеркальным покрытием, диэлектрическое зеркальное покрытие выполнено из материала с показателем преломления n, меньшим 1,46, толщиной Н, равной (0.3-1.0)λ_изл/n, где

λ_изл - длина волны преобразуемого излучения;

слои адгезива и диэлектрического зеркального покрытия перфорированы круглыми отверстиями, заполненными металлическими омическими контактами к тыльному широкозонному слою, с диаметром круглых отверстий (20-50)H и расстоянием между круглыми отверстиями (200-1000)H, к поверхности диэлектрического зеркального покрытия прикреплено с помощью электропроводящего слоя адгезива, прозрачного для излучения, металлическое зеркало, выполненное из металла, имеющего величину коэффициента отражения не менее 97%.

2. Фотоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что для преобразования излучения с длиной волны λ_изл (800-860) нм фронтальный и тыльный широкозонные слои выполнены из AlGaAs, а узкозонный полупроводниковый фотоактивный слой выполнен из GaAs.

3. Фотоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическое зеркальное покрытие выполнено из слоя диоксида кремния SiO₂ толщиной (200-600) нм, прикрепленное слоем адгезива TiO₂.

4. Фотоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что диаметр круглых отверстий в перфорированном диэлектрическом покрытии установлен в диапазоне (5-15) мкм с расстоянием между круглыми отверстиями, установленным в диапазоне (50-200) мкм.

5. Фотоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий слой адгезива, прозрачный для излучения, выполнен из сплава никеля с хромом толщиной (1-3) нм, а металлическое зеркало выполнено из слоя серебра с толщиной (0.2-2,0) мкм.

6. Фотоэлектрический преобразователь по п. 1, в котором электропроводящее основание выполнено из электролитического слоя меди толщиной (40-100) мкм.