ФОТОДЕТЕКТОР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК H01L31/101 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано для создания полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей на основе гетероструктур.

Оптоэлектронные системы передачи информации и энергии на основе фотодетекторов лазерного излучения имеют неоспоримые достоинства в задачах, где предъявляются строгие требования по обеспечению электромагнитной совместимости и где использование медных проводников между источниками и приемниками сигналов невозможно или нежелательно. При беспроводной передаче энергии по оптическому каналу важнейшим параметром является коэффициент полезного действия (КПД) фотодетекторов лазерного излучения, увеличивающийся с увеличением внешнего квантового выхода фотоответа, фототока и генерируемого напряжения фотопреобразователя.

Известен фотопреобразователь 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-Al_xGa_1-xAs при 0,2≤х≤0,3 в начале роста и при 0,10≤х≤0,15 в приповерхностной области слоя, легированный цинком.

Недостатком известного фотодетектора является низкий КПД преобразования лазерного 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 Ga_xIn_1-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 с легирующей примесью 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 низкий КПД преобразования излучения.

Известен полупроводниковый фотодетектор лазерного излучения (см. US 8399945, МПК H01L 31/0232, опубл. 19.03.2013), 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 фотодетектора является низкий КПД преобразования излучения.

Известен фотодетектор лазерного излучения (см. JP 1991109779 JPH03-109779, 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 фотодетектора, и обеспечивает увеличение фототока фотодетектора.

Недостатком известного фотодетектора является недостаточно высокое рабочее напряжение и, как следствие этого, низкое значение КПД.

Известен фотодетектор 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. Фотодетектор-прототип включает подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно сформированные слои тыльного широкозонного барьера в виде Брегговского отражателя, настроенного на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающего 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 нелегированного и фотоактивных слоев не превышает 1.5 мкм.

Фотодетектор-прототип обладает малой барьерной емкостью и обеспечивает высокое быстродействие, но имеет относительно малое рабочее напряжение и низкое значение КПД.

Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является создание такого фотодетектора лазерного излучения, который бы обладал повышенным рабочим напряжением и увеличенным КПД фотоэлектрического преобразования излучения.

Поставленная задача решается тем, что фотодетектор лазерного излучения включает подложку, выполненную из GaAs, и последовательно сформированные слои тыльного широкозонного барьера, узкозонный фотоактивный слой, поглощающий лазерное излучение, и фронтальный широкозонный слой с шириной запрещенной зоны Eg большей энергии квантов преобразуемого излучения. Новым в фотодетекторе является то, что узкозонный фотоактивный слой выполнен из GaAs n-типа проводимости с величиной ширины запрещенной зоны Eg₂, меньшей энергии квантов преобразуемого излучения, тыльный широкозонный барьер р-типа проводимости выполнен из трех широкозонных слоев, первые два из которых выполнены с плавным увеличением ширины запрещенной зоны Eg от узкозонного фотоактивного слоя, градиент dEg/dx первого градиентного слоя, примыкающего к узкозонному фотоактивному слою, выполнен в диапазоне (3-10)⋅Eg₂/W и превышающим в 2-4 раза градиент второго градиентного слоя, а третий слой выполнен с постоянной величиной ширины запрещенной зоны Еg₃, равной максимальному значению Eg₂ во втором градиентном слое и установленному в диапазоне (1.3-1.5)⋅Eg₂, при этом суммарная толщина трех широкозонных слоев больше толщины области W объемного заряда р-n перехода, а легирование слоев тыльного широкозонного барьера установлено в 2-4 раза меньшим легирования узкозонного фотоактивного слоя.

Широкозонные слои могут быть выполнены на основе AlGaAs, а узкозонный фотоактивный слой может быть выполнен на основе GaAs.

Узкозонный фотоактивный слой n-GaAs может быть выполнен толщиной 1-2 мкм.

Легирование узкозонного фотоактивного слоя n-GaAs донорной примесью (N_D) может быть установлено в диапазоне (1-3)⋅10¹⁷ см^-3, легирование слоев широкозонного барьера p-AlGaAs акцепторной примесью (N_A) может быть установлено в диапазоне (1-9)⋅10¹⁶ см^-3.

Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью признаков фотодетектора лазерного излучения, является увеличение генерируемого напряжения и КПД фотодетектора в результате встраивания слоев широкозонного барьера в область объемного заряда р-n перехода. При этом гетеропереход между узкозонным фотоактивным слоем и широкозонным барьером выполнен из двух слоев с градиентами ширины запрещенной зоны, что препятствует возникновению потенциального барьера между узкозонным и широкозонным слоями и обеспечивает разделение без потерь генерированных излучением электронно-дырочных пар, увеличение фототока и КПД фотодетектора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведено схематическое изображение фотодетектора лазерного излучения: 1 - фронтальный широкозонный слой n-типа проводимости фотодетектора лазерного излучения, прозрачный для преобразуемого излучения; 2 - узкозонный фотоактивный слой n-типа проводимости, поглощающий излучение; 3 - первый градиентный слой тыльного широкозонного барьера; 4 - второй градиентный слой тыльного широкозонного барьера; 5 - третий слой тыльного широкозонного барьера; 6-подложка; 7 - тыльный сплошной омический контакт; 8 - фронтальный полосковый омический контакт; 9 - преобразуемое излучение; 10 - область объемного заряда (W);

на фиг.2 приведено пространственное распределение ширины запрещенной зоны (Eg) по толщине фотодетектора: 11 - ширина запрещенной зоны (Eg₁) в фронтальном широкозонном слое 1; 12 - распределение Eg в резком гетеропереходе между узкозонным поглощающим слоем 2 и широкозонным барьером; 13, 14 -распределение Eg в двух слоях 3,4 широкозонного барьера с различными градиентами ширины запрещенной зоны в соответствии с распределением Eg, предлагаемом в настоящем изобретении; 15 - ширина запрещенной зоны (Eg₂) в слое 2; 16 - ширина запрещенной зоны (Eg₃) в третьем слое 5 тыльного широкозонного барьера; на фиг.3 приведена зонная модель гетероструктуры фотодетектора в рабочем режиме: 17 - дно зоны проводимости (Е_с); 18 - вершина валентной зоны (E_v); 19 - разрыв зоны проводимости в резком гетеропереходе (ΔE_V); 20 - разрыв валентной зоны (ΔE_V) в резком гетеропереходе; 21 - распределение дна зоны проводимости в гетероструктуре с резким гетеропереходом между слоями 2 и 3; 22 - распределение дна зоны проводимости в настоящей гетероструктуре с градиентом Eg в слоях 3 и 4; 23 - распределение вершины валентной зоны в структуре с резким гетеропереходом между слоями 2 и 3; 24 - распределение вершины валентной зоны в настоящей гетероструктуре с градиентами Eg в слоях 3 и 4; 26 - электроны, генерируемые излучением; 27 - дырки, генерируемые преобразуемым излучением; 28 -распределение дна зоны проводимости вблизи гетерограницы фронтального широкозонного слоя 1 и узкозонного слоя 2; 29 -распределение по толщине вершины валентной зоны вблизи гетерограницы тыльного барьера с подложкой 6.

Зонная модель, приведенная на фиг.3, соответствует гетероструктуре, в которой фронтальный широкозонный слой и узкозонный слой имеют n-тип проводимости, а тыльный широкозонный барьер и подложка - р-типа проводимости.

Фотодетектор лазерного излучения выполнен на основе гетероструктуры, включающей фронтальный широкозонный слой (слой 1 на фиг.1 - фиг.2) n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны Eg₁ (11, фиг.2) большей энергии квантов преобразуемого излучения 9, узкозонный фотоактивный слой (слой 2 на фиг.1 - фиг.2) n-типа проводимости с величиной Eg₂ (15, фиг.2) меньшей энергии квантов преобразуемого излучения 9, и слои р-типа проводимости тыльного широкозонного барьера (слои 3, 4, 5 на фиг.1 - фиг.2).

Суммарная толщина слоев 3,4,5 тыльного широкозонного барьера установлена большей толщины W (10 на фиг.1 и фиг.3) области объемного заряда р-n перехода. Барьер выполнен из трех широкозонных слоев р-типа проводимости (слои 3, 4, 5 на фиг.1-фиг.2) первые два слоя (слои 3, 4) из которых выполнены с плавным увеличением Eg от узкозонного слоя 2, при этом градиент dEg/dx первого градиентного слоя 3, примыкающего к узкозонному слою 2, выполнен в диапазоне dEg/dx = (3-10)⋅Eg/W и превышающим в 2-4 раза градиент второго градиентного слоя 4. Третий слой 5 выполнен с постоянной величиной Eg₃ (16 на фиг.2), равной максимальному значению Eg во втором градиентном слое 4 и установленному в диапазоне Eg₃ = (1.3-1.5)⋅Eg₂. Легирование слоев 3, 4, 5 тыльного широкозонного барьера установлено в 2-4 раза меньшим легирования узкозонного слоя 2.

Широкозонные слои 1, 3, 4, 5 на фиг.1,2 могут быть выполнены на основе AlGaAs, а узкозонный фотоактивный слой 2 на основе GaAs.

Узкозонный фотоактивный слой 2 n-GaAs может быть выполнен толщиной в диапазоне 1-2 мкм.

Легирование узкозонного фотоактивного слоя (слой 2 на фиг.1-фиг.2) n-GaAs донорной примесью (N_D) может быть установлено в диапазоне N_D=(1-3)⋅10¹⁷ см^-3, легирование слоев 3, 4, 5 широкозонного барьера p-AlGaAs акцепторной примесью (N_A) может быть установлено в диапазоне N_A=(1-9)⋅10¹⁶ см^-3.

Экспериментально было установлено и теоретически подтверждено, что встраивание в область объемного заряда р-перехода слоя, более широкозонного по отношению к фотоактивному узкозонному (поглощающему излучение) слою, обеспечивает увеличение генерируемого напряжения.

В случае же случае резкого гетероперехода, как в известном фотодетекторе, на границе узкозонного слоя (слой 2 на фиг.1) с первым слоем широкозонного барьера (данный вариант структуры с резким гетеропереходом показан штриховыми линиями 12 на фиг.2, линиями 19, 20, 21, 23 на фиг.3) в валентной зоне присутствует потенциальный барьер высотой ΔE_V (20, фиг.3). Данный барьер могут преодолеть только неосновные носители (дырки) с энергией более ΔE_V. Дырки с энергией меньше ΔE_V отражаются от этого потенциального барьера (на фиг.3 это отражение показано загибающейся вниз и влево стрелкой) и возвращаются в узкозонный слой 2, где они могут рекомбинировать, не давая вклад в фототок. Такие процессы имеют место в известном фотодетекторе на основе резких гетеропереходов, что не позволяет осуществить без потерь встраивание широкозонного материала в область объемного заряда в известных конструкциях на основе резких гетеропереходов.

В настоящей конструкции фотодетектора тыльный широкозонный барьер вблизи узкозонного фотоактивного слоя 2 включает два градиентных слоя (3, 4 на фиг.1 и фиг.2), что, как показано сплошной кривой 24 на фиг.3, приводит к исчезновению потенциального барьера ΔE_V (20 на фиг.3) в валентной зоне, что обеспечивает свободное (без потерь) движение дырок в область объемного заряда р-n перехода и генерацию фототока без дополнительных потерь. Таким образом, настоящий фотодетектор обеспечивает увеличение генерируемого напряжения в результате встраивания широкозонного полупроводника в область объемного заряда р-n перехода без уменьшения генерируемого фототока. Экспериментально было установлено, что максимальное рабочее напряжение достигается в фотодетекторе при выполнении слоев тыльного широкозонного барьера толщиной, большей толщины области объемного заряда р-n перехода, вследствие чего значительная часть области объемного заряда размещается в широкозонном материале, что обеспечивает максимально возможное увеличение генерируемого напряжения, то есть способствует выполнению задачи настоящего изобретения.

Тыльный широкозонный барьер выполнен из трех слоев (слои 3, 4, 5 на фиг.1, 2), первые два (слои 3, 4) из которых выполнены с плавным увеличением Eg (линии 13, 14 на фиг.2) от узкозонного слоя 2, при этом градиент dEg/dx (13 на фиг.2) первого градиентного слоя (слой 3 на фиг.1-фиг.2) выполнен в диапазоне dEg/dx=(3-10)⋅Eg/W и превышающим в 2-4 раза градиент dEg/dx (14 на фиг.2) второго градиентного слоя (слой 4 на фиг.1 - фиг.2). Экспериментально было установлено, что данные граничные условия обеспечивают полное сглаживание потенциального барьера для генерированных неосновных носителей тока.

При градиенте dEg/dx < 3Eg/W слишком маленький градиент «растягивает» слой переменного состава на значительную часть объемного заряда р-n перехода, что не решает главную задачу настоящего изобретения - встраивание широкозонного слоя в область объемного заряда.

При градиенте dEg/dx > 10Eg/W слишком большой градиент dEg/dx не позволяет полностью сгладить потенциальный барьер для неосновных носителей тока, что приведет к снижению генерируемого фототока и КПД фотодетектора.

Величина градиента первого градиентного слоя 3 установлена превышающей в 2-4 раза величину градиента второго градиентного слоя 4. При величине dEg/dx первого градиентного слоя 3, менее, чем в 2 раза превышающем dEg/dx второго градиентного слоя 4, в область объемного заряда попадает значительная часть градиентного слоя 3, что уменьшает прирост рабочего напряжения. При величине dEg/dx первого градиентного слоя, более, чем в 4 раза превышающем dEg/dx второго градиентного слоя происходит слишком быстрое изменение условий кристаллизации второго градиентного слоя 4, что затруднено технологически.

Третий слой (слой 5 на фиг.1-фиг.2) тыльного широкозонного барьера выполнен с постоянной величиной Eg₃ (16 на фиг.2), равной максимальному значению Eg во втором градиентном слое 4 и установленному в диапазоне Eg₃=(1.3-1.5)⋅Eg₂. Экспериментально было установлено, что выполнение этих условий является необходимым и достаточным ограничением для исключения возникновения потенциального барьера на границе второго градиентного слоя 4 с третьим слоем 5, а также для существенного увеличения Eg в области объемного заряда, необходимого для существенного увеличения рабочего напряжения фотодетектора.

Легирование слоев (слои 3, 4, 5 на фиг.1-фиг.2) тыльного широкозонного барьера установлено в 2-4 раза меньшим легирования узкозонного слоя (слой 2 на фиг.1-фиг.2). Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы область W объемного заряда (10 на фиг.1 и на фиг.3) располагалась в основном в слаболегированных широкозонных слоях (слои 3,4,5 на фиг.1-фиг.2), что обеспечивает увеличение рабочего напряжения фотодетектора.

При меньшем, чем в 2 раза уровне легирования слоев широкозонного барьера по сравнению с легированием узкозонного фотоактивного слоя (слой 2 на фиг.1-фиг.2) заметно увеличится доля области объемного заряда, залегающая в узкозонном материале, что уменьшает прирост рабочего напряжения фотодетектора. При большем, чем в 4 раза превышении уровня легирования узкозонного фотоактивного слоя 2 будет иметь место заметное уменьшение диффузионной длины генерированных неосновных носителей тока в сильно легированном узкозонном фотоактивном слое 2, что приведет к увеличению рекомбинационных потерь носителей тока в узкозонном фотоактивном слое 2, к уменьшению фототока и КПД фотодетектора.

Работает настоящий фотодетектор следующим образом. При облучении фотодетектора с фронтальной поверхности излучением 9 с энергией квантов, меньшей ширины запрещенной зоны Eg₁ (11 на фиг.2) фронтального широкозонного слоя (слой 1 на фиг.1 - фиг.2), это излучение поглощается в узкозонном фотоактивном слое (слой 2 на фиг.1 - фиг.2) с генерацией электронно-дырочных пар: электронов (26 на фиг.3) и дырок (27 на фиг.3). Генерированные дырки диффундируют преимущественно к р-n переходу с последующим их движением в поле объемного заряда. Движение дырок в противоположную сторону ограничивается потенциальным барьером (28 на фиг.3) в валентной зоне на резкой гетерогранице с широкозонном фронтальным слоем. В настоящем изобретении движение дырок к р-n переходу не ограничено, поскольку потенциальный барьер в валентной зоне сглажен, благодаря введению слоев 3,4 с градиентом Eg. Разделение электронно-дырочных пар в конструкции настоящего фотодетектора происходит в основном в широкозонном материале, что обеспечивает уменьшение величины темнового тока насыщения и увеличение рабочего напряжения по сравнению с известным фотодетектором, в котором разделение носителей осуществляется в р-переходе, расположенном в узкозонном фотоактивном слое.

Наличие в валентной зоне дополнительного потенциального барьера (30 на фиг.3) вблизи гетерограницы тыльного барьера с подложкой 6 не влияет на величину фототока, поскольку эта гетерограница расположена в нефотоактивной части фотодетектора за пределами области объемного заряда р-n перехода, в которой дырки являются основными носителями тока и без потерь собираются сплошным тыльным контактом 7 к подложке 6.

Наличие разрыва зоны проводимости (29 на фиг.3) в гетеропереходе между слоями 1 и 2 (фиг.1, 2) также не вносит дополнительных потерь генерированных электронов, так как они являются основными носителями и без потерь собираются полосковым фронтальным контактом 8.

Пример. Фотодетектор лазерного излучения был изготовлен на основе гетероструктуры, включающей фронтальный n-Al_0.16Ga_0.84As слой, узкозонный n-GaAs фотоактивный слой толщиной 1.5 мкм, первый градиентный слой p-Al_xGa_1-xAs, где х плавно увеличивается от 0 до 0,25 на толщине 10 нм, второй градиентный слой p-Al_yGa_1-xs, где у плавно увеличивается от 0,25 до 0,40 на толщине 20 нм, третий тыльный широкозонный p-Al_0.4Ga_0.6As слой и сильнолегированную (N_A=10¹⁹ см^-3) подложку p-GaAs толщиной 200 мкм. Легирование узкозонного фотоактивного слоя n-GaAs было осуществлено равным N_D=2⋅10¹⁷ см^-2, а легирование слоев тыльного широкозонного барьера N_A=5⋅10¹⁶ см^-3. После нанесения сплошного тыльного контакта и полоскового фронтального контакта были изготовлены чипы фотодетектора площадью 1 мм². Под лазерным излучением с длиной волны λ = 860 нм измеренное значение рабочего напряжения составило: 1.26 В, КПД = 62% при фототоке 2 А. Достигнутое значение напряжения на 35-50 мВ и КПД на 2-3% выше, чем в известных фотодетекторах на основе AlGaAs/GaAs гетероструктур с резкими гетеропереходами.

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, к полупроводниковым фотоэлектрических преобразователей на основе гетероструктур. Фотодетектор лазерного излучения включает фронтальный широкозонный слой n-типа проводимости с шириной запрещенной зоны Eg₁ большей энергии квантов преобразуемого излучения, узкозонный фотоактивный слой того же типа проводимости с величиной Eg₂ меньшей энергии квантов преобразуемого излучения, и слои тыльного широкозонного барьера с р-типом проводимости. Суммарная толщина слоев барьера установлена большей толщины W области объемного заряда р-n перехода. Барьер выполнен из трех широкозонных слоев, первые два из которых выполнены с плавным увеличением Eg от узкозонного слоя. Градиент dEg/dx первого градиентного слоя, примыкающего к узкозонному слою, выполнен в диапазоне dEg/dx = (3-10)⋅Eg₂/W и превышающим в 2-4 раза градиент второго градиентного слоя. Третий слой выполнен с постоянной величиной Еg₃, равной максимальному значению Eg₂ во втором градиентном слое и установленному в диапазоне Eg₃=(1,3-1,5)Eg₂. Легирование слоев тыльного широкозонного барьера установлено в 2-4 раза меньшим легирования узкозонного слоя. Технический результат - увеличение рабочего напряжения и КПД фотодетектора. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фотодетектор лазерного излучения, включающий подложку, выполненную из GaAs, и последовательно сформированные слои тыльного широкозонного барьера, узкозонный фотоактивный слой, поглощающий лазерное излучение, и фронтальный широкозонный слой с шириной запрещенной зоны Eg, большей энергии квантов преобразуемого излучения, отличающийся тем, что узкозонный фотоактивный слой выполнен из GaAs n-типа проводимости с величиной ширины запрещенной зоны Eg₂, меньшей энергии квантов преобразуемого излучения, тыльный широкозонный барьер р-типа проводимости выполнен из трех широкозонных слоев, первые два из которых выполнены с плавным увеличением ширины запрещенной зоны Eg от узкозонного фотоактивного слоя, градиент dEg/dx первого градиентного слоя, примыкающего к узкозонному фотоактивному слою, выполнен в диапазоне (3-10)⋅Eg₂/W и превышающим в 2-4 раза градиент второго градиентного слоя, а третий слой выполнен с постоянной величиной ширины запрещенной зоны Eg₃, равной максимальному значению Eg₂ во втором градиентном слое и установленному в диапазоне (1,3-1,5)Eg₂, при этом суммарная толщина трех широкозонных слоев больше толщины области W объемного заряда р-n перехода, а легирование слоев тыльного широкозонного барьера установлено в 2-4 раза меньшим легирования узкозонного фотоактивного слоя.

2. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что широкозонные слои выполнены на основе AlGaAs.

3. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что узкозонный фотоактивный слой выполнен на основе GaAs.

4. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что узкозонный фотоактивный слой n-GaAs выполнен толщиной 1-2 мкм.

5. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что легирование узкозонного фотоактивного слоя n-GaAs донорной примесью (N_D) установлено в диапазоне (1-3)⋅10¹⁷ см^-3.

6. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что легирование слоев широкозонного барьера p-AlGaAs акцепторной примесью (N_A) установлено в диапазоне (1-9)⋅10¹⁶ см^-3.