ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H01L31/101 H01L31/10 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано для создания фотопреобразователей (ФП) лазерного излучения с повышенной эффективностью и мощностью.

Фотоэлектрические преобразователи лазерного излучения являются одними из главных компонентов волоконно-оптических линий связи, оптических дальномеров, оптических охранных систем и других оптоэлектронных устройств. Эти устройства обеспечивают гальваническую развязку между источником излучения (лазером) и фотопреобразователем. 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 при плотности лазерного излучения до 10³-10⁴ Вт/см². В большинстве приложений в качестве среды канала распространения излучения 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) и мощность фотоэлектрического преобразователя, увеличивающиеся с увеличением внешнего квантового выхода фотоответа, величины фототока и рабочего напряжения фотоэлектрического преобразователя.

Известен фотопреобразователь лазерного излучения 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-AIGaAs, базовый слой из n-GaAs, слой из p-GaAs, сформированный диффузионным легированием цинка, слой из p-AIGaAs при 0.2≤х≤0.3 в начале роста и при 0.10≤х≤0.15 в приповерхностной области слоя, легированный цинком. Фотопреобразователь содержит полосковые токоотводящие контакты на фронтальной поверхности структуры и сплошной контакт с тыльной поверхности структуры.

Недостатком известного ФП является низкий КПД преобразования лазерного излучения, вследствие оптических потерь на поглощение части лазерного излучения на полосковых омических контактах.

Известен фотопреобразователь лазерного излучения 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 фотопреобразователя является неэффективное преобразование фотонов с длинной волны в диапазоне менее 870 нм.

Известен фотопреобразователь лазерного излучения (см. RU 2676187, МПК H01L 31/101, опубл. 26.12.2018). Фотопреобразователь 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 фотопреобразователя лазерного излучения, который обладает малой барьерной емкостью и обеспечивает высокое быстродействие.

Недостатком известного фотопреобразователя является низкий внешний квантовый выход.

Известен фотопреобразователь лазерного излучения (см. US 20110073973, МПК H01L 31/0232, H01L 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. Фотопреобразователь включает плоскую фронтальную поверхность с антиотражающим покрытием, полосковые токоотводящие контакты и сплошной тыльный контакт.

Недостатком известного фотопреобразователя является низкая эффективность преобразования излучения, вследствие оптических потерь на поглощение части излучения на полосковых контактах.

Известен фотопреобразователь лазерного излучения (см. US 11611008B2, МПК H01L 31/0687, H01L 31/0693, опубл. 21.03.2023). Фотопреобразователь включает фоточувствительную многопереходную структуру, включающую шесть PN-переходных субструктур, соединенных последовательно с помощью туннельных переходов, причем, по меньшей мере, две субструктуры имеют ширины запрещенных зон, уменьшающиеся от облучаемой поверхности к тыльной поверхности структуры. На плоской фронтальной поверхности нанесены полосковые токоотводящие контакты, а на тыльную поверхность нанесен сплошной контакт.

Недостатком известного фотопреобразователя является низкий КПД преобразования мощного лазерного излучения, вследствие оптических потерь части лазерного излучения в результате поглощения излучения фронтальными полосковыми контактами.

Известен фотопреобразователь лазерного излучения (см. RU 2487438, МПК H01L 31/042, опубл. 10.07.2013), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотопреобразователь-прототит содержит полупроводниковые легированный и базовый слои р-типа проводимости и n-типа проводимости, чередующиеся токоотводящие полосковые контакты на плоской фронтальной поверхности с антиотражающим покрытием в местах, свободных от контактов, и сплошной омический контакт на поверхности стороне фотопреобразователя. С фронтальной стороны фотопреобразователя установлено устройство для изменения направления лазерного излучения в виде дифракционной решетки, выполненной из непрозрачных параллельных друг другу контактных полосок, составляющих омический контакт с полупроводниковым слоем фотопреобразователя, на которую падает нормально лазерное излучение. В фотопреобразователе-прототипе посредством такого устройства происходит частичное огибание световой волной контактных полос, образующих дифракционную решетку и снижение оптических потерь.

Недостатком известного фотопреобразователя-прототипа является недостаточно эффективное снижение оптических потерь на поглощение лазерного излучения контактными полосами и, как следствие этого, низкое значение КПД и мощности фотопреобразователя лазерного излучения.

Задачей настоящего технического решения является разработка фотопреобразователя лазерного излучения, который бы имел повышенные мощность и КПД.

Поставленная задача решается тем, что фотопреобразователь лазерного излучения включает полупроводниковые легированный и базовый слои р-типа проводимости и n-типа проводимости, чередующиеся токоотводящие полосковые контакты на плоской фронтальной поверхности с антиотражающим покрытием в местах, свободных от полосковых контактов, и сплошной омический контакт на тыльной поверхности фотопреобразователя. Новым в фотопреобразователе лазерного излучения является то, что устройство для изменения направления лазерного излучения выполнено в виде нанесенного на антиотражающее покрытие и на полосковые контакты оптического покрытия, прозрачного для лазерного излучения, в фронтальной плоской поверхности которого, параллельной фронтальной поверхности структуры фотопреобразователя, выполнены проходящие над полосковым контактами V-образные канавки, проекции которых на фронтальную поверхность фотопреобразователя перекрывают полосковые контакты, а грани V-образных канавок выполнены наклоненными под углом ψ к нормали к фронтальной поверхности структуры фотопреобразователя, причем расстояние Н дна V-образных канавок до поверхности полосковых контактов удовлетворяет соотношению:

где d - ширина полосковых контактов;

n - показатель преломления оптического покрытия;

D - расстояние между полосковыми контактами;

а ширина W V-образных канавок на границах с плоской поверхностью оптического покрытия удовлетворяет соотношению:

где δ - угол расходимости лазерного излучения.

Угол ψ может быть выполнен величиной 30-60 угловых градусов.

Оптическое покрытие фотопреобразователя может быть выполнено из силикона с показателем п преломления 1.4-1.6.

Ширина d полосковых контактов фотопреобразователя может быть 3-10 мкм.

Расстояние D между полосковыми контактами может быть 30-200 мкм.

Соотношение D/d расстояния между полосковыми контактами к ширине полосковых контактов может быть 5-30.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является фотопреобразователь лазерного излучения с увеличенным КПД>60% при плотности лазерного излучения более 100 Вт/см². Данный результат достигается благодаря снижению оптических потерь на поглощение части лазерного излучения на полосковых контактах и на отражение от контактов, что обеспечивается отклонением части лазерного излучения от полосковых контактов оптическим покрытием с V-образными канавками, проекции которых на фронтальную поверхность фотопреобразователя перекрывают полосковые контакты.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведен вид с торца на фотопреобразователь лазерного излучения;

на фиг. 2 показана в аксонометрии конструкция фотопреобразователя лазерного излучения;

на фиг. 3 приведена фотография части поперечного сечения оптического покрытия.

Настоящий фотопреобразователь лазерного излучения (см. фиг. 1-фиг. 2) содержит полупроводниковые легированный слой 1 р-типа проводимости и базовый слой 2 n-типа проводимости, чередующиеся токоотводящие полосковые контакты 3 на плоской фронтальной поверхности с антиотражающим покрытием 4 в местах, свободных от полосковых контактов 3, и сплошной омический контакт 5 на тыльной поверхности фотопреобразователя. Функцией полосковых контактов 3, выполненных из металла, является отвод тока, генерируемого лазерным излучением. Для увеличения КПД необходимо снижать оптические потери на поглощение фотонов лазерного излучения в полосковых контактах 3 и на отражение от полосковых контактов 3. Очевидным способом снижения этих оптических потерь является уменьшение площади полосковых контактов 3. Однако при этом увеличиваются омические потери в полосковых контактах 3 и на границах «полупроводник - контакт». Реализованное в настоящем фотопреобразователе решение проблемы состоит в отклонении лазерных лучей от полосковых контактов 3 путем встраивания в оптическую схему оптического покрытия 6, прозрачного для лазерного излучения, отклоняющего лучи в фотоактивные области между полосковыми контактами 3. Оптическое покрытие 6 нанесено на антиотражающее покрытие 4 и на полосковые контакты 3. Оптическое покрытие 6 имеет фронтальную плоскую поверхность 7, параллельную поверхности структуры фотопреобразователя, в которой выполнены проходящие над полосковыми контактами 3 V-образные канавки 8, проекции 9 которых на фронтальную поверхность фотопреобразователя перекрывают полосковые контакты 3, и равноудалены от краев полосковых контактов 3. Грани 10 V-образных канавок 8 выполнены наклоненными под углом ц) к нормали 11 к фронтальной поверхности структуры фотопреобразователя. Такая конструкция оптического покрытия 6 с V-образными канавками 8 обеспечивает отклонение лазерных лучей, попадающих в V-образные канавки 8, в сторону от полосковых контактов 3. Выполнение условия равноудаленности от краев полосковых контактов 3 обеспечивает наиболее эффективное отклонение лазерных лучей от полосковых контактов 3 при выполнении определенных ниже требований к расстоянию Н дна V-образных канавок 8 от поверхности полосковых контактов 3 и к ширине W V-образных канавок 8.

Ниже в уравнениях (1.1)-(1.3) и (2.1)-(2.4) приведены результаты расчетов ограничений - отличительных признаков оптического покрытия 6. Эти расчеты выполнены для лучей 12, падающих на поверхность V-образных канавок 8 вблизи их дна, так как при выполнении рассчитанных ограничений, остальные лучи, падающие в местах V-образных канавок 8, более отдаленных от их дна, после преломления на гранях 10 V-образных канавок 8 будут падать на фоточувствительные области структуры, гарантированно (с запасом) минуя полосковые контакты 3, т.е. без дополнительных оптических потерь.

Расстояние Н дна V-образных канавок 8 до поверхности полосковых контактов 3 установлено в диапазоне:

Минимально допустимая величина H была установлена приведенным ниже в уравнениях (1.1)-(1.3) расчетным путем и подтверждена экспериментально. Были определены следующие соотношения (1.1) и (1.2) между углами:

где ψ - угол между нормалью 11 к поверхности структуры и гранями 10 V-образных канавок 8;

n - показатель преломления оптического покрытия 6;

β - угол распространения преломленных лазерных лучей 12, нормально падающих вблизи дна V-образных канавок 8;

ϕ - минимальный угол падения преломленных лучей 12, не попадающих на полосковые контакты 3.

Соотношение (1.3) определяет взаимосвязь между минимально допустимым расстоянием Н (между дном V-образных канавок 8 и полосковыми контактами 3), при котором лучи не попадают на поверхность полосковых контактов 3.

Выполнение данного условия необходимо для лучей 12, падающих, например, на левую грань 10 канавок вблизи их дна и лучей 12, распространяющихся в оптическом покрытии 6 после преломления на границе «воздух - оптическое покрытие». Лучи, падающие в V-образные канавки 8 в местах, отдаленных от их дна, при выполнении условия (1.3) будут отклонены от полосковых контактов 3 на большее расстояние, чем лучи 12.

Выполнение условия обеспечивает ограничение необходимого расхода материала оптического покрытия 6, что, в свою очередь, упрощает технологию изготовления оптического покрытия 6.

Ширина W V-образных канавок 8 установлена в диапазоне:

где d- ширина полосковых контактов 3;

D- расстояние между полосковыми контактами 3;

δ- угол расходимости лазерного излучения 12;

n- показатель преломления оптического покрытия 6.

Приведенные ниже соотношения (2.1)-(2.4) позволяют установить минимально допустимое значение W ширины V-образных канавок 8 в зависимости от величины Н, ширины d полосковых контактов 3 и расходимости (±δ) лазерных лучей 12.

где α - угол распространения лучей внутри оптического покрытия 6 в результате преломления нормально падающих лучей 12 на покрытие 6;

η - угол распространения лучей в результате преломления лучей 12 распространяющихся от лазера под углом δ к оптической оси лазерного пучка; θ=η-α - разность углов распространения лучей 12.

Из результатов расчетов, приведенных в уравнениях и соотношениях (2.1)-(2.4) следует, что ширина W V-образных канавок 8 должна превышать величину:

Минимальная величина W определяется величиной Н, шириной d полосковых контактов 3 и углом δ расходимости лазерного излучения 12, увеличиваясь с увеличением значений d и δ.

Максимальная ширина V-образных канавок 8 должна быть меньше расстояния D между полосковыми контактами 3, т.к. в противном случае при уширении V-образных канавок 8 будет иметь место перехлест краев соседних V-образных канавок 8 и, как следствие этого, ухудшение качества наклонных граней 10.

Угол ψ наклона граней 10 V-образных канавок 8 может быть установлен в диапазоне 30-60 угловых градусов, что было определено теоретически и экспериментально. При уменьшении менее 30 угла ψ возникают технологические трудности изготовления V-образных канавок 8 с очень острыми углами ψ<30°. При увеличении ψ>60° необходимо существенное увеличение толщины оптического покрытия 6, что ухудшает оптическое качество граней 10 V-образных канавок 8, увеличивает расход материала для изготовления покрытия 6 и стоимость фотопреобразователя.

Оптическое покрытие 6 (фиг. 1-фиг. 2) может быть выполнено из силикона с показателем n преломления 1.4-1.6. Экспериментально было установлено, что наиболее технологичным является использование силикона в качестве материала оптического покрытия. При этом известные силиконы имеют показатель преломления в диапазоне n=1.4-1.6.

Ширина полосковых контактов 3 фотопреобразователя может быть установлена в диапазоне d=3-10 мкм. Такой диапазон ширины полосковых контактов 3 является оптимальным при изготовлении высокоэффективных фотопреобразователей мощного лазерного излучения, что было установлено теоретически и экспериментально.

Расстояние между полосковыми контактами 3 может быть установлено в диапазоне D=30-200 мкм. Теоретически и экспериментально было установлено, что при расстоянии между полосковыми контактами 3 менее 30 мкм имеет место слишком большое «затенение» полосковыми контактами 3 светочувствительной поверхности, что затрудняет снижение оптических потерь с помощью оптического покрытия 6. При увеличении D>200 мкм существенно увеличиваются омические потери, что снижает величину КПД фотопреобразователя при высокой плотности мощности лазерного излучения.

Соотношение расстояния между полосковыми контактами 3 и шириной полосковых контактов 3 может быть установлено в диапазоне D/d=5-30. Данный диапазон D/d был определен теоретически и экспериментально. При D/d<5 увеличивается «затенение» полосковыми контактами 3 облучаемой лазером поверхности фотопреобразователя, что усложняет решение задачи снижения оптических потерь на поглощение излучения на полосковых контактах 3. Увеличение D/d>30 приводит к увеличению омических потерь, что уменьшает КПД фотопреобразователя при высоких плотностях мощности преобразуемого лазерного излучения.

Работает настоящий фотопреобразователь следующим образом.

Фотопреобразователь облучают пучком лазерного излучения 12 с оптической осью пучка, перпендикулярной плоской поверхности 7 фотопреобразователя. Лучи 12, падающие на поверхность оптического покрытия 6 в местах 7 с плоской поверхностью, проходят сквозь оптическое покрытие 6 без преломления на границе с воздухом и генерируют фототок без дополнительных оптических потерь. Луч 12, попадающий в V-образную канавку 8 на грань 10, установленную под углом ψ к нормали 11, преломляется и распространяется в оптическом покрытии 6 под углом . Минимальное расстояние Н, при котором преломленный луч 12 минует полосковый контакт 3, определяется уравнением (1.3).

Ширина W V-образных канавок 8 определяется шириной d полосковых контактов 3 и расходимостью (±δ) лазерного пучка 12, увеличиваясь с увеличением значений d и δ. При этом минимальная ширина W V-образных канавок 8 определяется выражением (2.4).

Таким образом, при выполнении условий, приведенных в формуле изобретения, лазерное излучение «проникает» в фоточувствительную структуру без дополнительных оптических потерь на поглощение и отражения полосковыми контактами 3, что позволяет увеличить КПД и мощность фотопреобразователя. Так, при ширине полосковых контактах 3, равной 5 мкм, и расстоянии между полосковыми контактами 3 45 мкм расчетное увеличение КПД за счет использования оптического покрытия 6 составляет порядка 5%, а возможность использования широких (5-10 мкм) полосковых контактов 3 при уменьшенном расстоянии (50-100 мкм) между полосковыми контактами 3 позволяет увеличить мощность фотопреобразователя до более 1 кВт/см².

Пример. Был изготовлен фотопреобразователь лазерного излучения с оптическим покрытием с V-образными канавками, грани которых выполнены под углом ψ=36 угловых градусов к нормали, с расстоянием дна V-образных канавок до поверхности полосковых контактов Н=18 мкм при глубине V-образных канавок 11 мкм, ширине V-образных канавок W=17 мкм, ширине полосковых контактов 6 мкм и расстоянием между полосковыми контактами 44 мкм. Фотография части сечения оптического покрытия с V-образными канавками приведена на фиг. 3. Фоточувствительная структура была изготовлена на основе AlGaAs/GaAs многослойной гетероструктуры с узкозонным р-n переходом в GaAs. При облучении фотопреобразователя лазерным излучением с длиной волны 860 нм КПД фотопреобразователя с оптическим покрытием составил более 60% (при плотности мощности лазерного излучения 180 Вт/см²).

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано для создания фотопреобразователей (ФП) лазерного излучения. Фотопреобразователь лазерного излучения на основе фоточувствительной полупроводниковой структуры с чередующимися токоотводящими полосковыми контактами (3) на плоской фронтальной поверхности включает устройство для изменения направления лазерного излучения в виде нанесенного на антиотражающее покрытие (4) и на полосковые контакты (3) оптического покрытия (6), прозрачного для лазерного излучения. В фронтальной плоской поверхности оптического покрытия (6) выполнены проходящие над полосковыми контактами (3) V-образные канавки (8), ориентированные параллельно полосковым контактам (3). Проекции V-образных канавок (8) на фронтальную поверхность фотопреобразователя перекрывают полосковые контакты (3), а стороны V-образных канавок (8) выполнены наклоненными под определенным углом к нормали к фронтальной поверхности структуры фотопреобразователя с определенным расстоянием Н дна V-образных канавок (8) до поверхности полосковых контактов (3) и определенной шириной V-образных канавок (8). Фотопреобразователь согласно изобретению обеспечивает снижение оптических потерь на поглощение лазерного излучения на полосковых контактах (3), увеличение КПД и мощности преобразуемого лазерного излучения. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Фотопреобразователь лазерного излучения, включающий легированный и базовый слои р-типа проводимости и n-типа проводимости, чередующиеся токоотводящие полосковые контакты на плоской фронтальной поверхности с антиотражающим покрытием в местах, свободных от полосковых контактов, устройство для изменения направления лазерного излучения и сплошной омический контакт на тыльной стороне фотопреобразователя, отличающийся тем, что устройство для изменения направления лазерного излучения выполнено в виде нанесенного на антиотражающее покрытие и на полосковые контакты оптического покрытия, прозрачного для лазерного излучения, во фронтальной плоской поверхности которого, параллельной фронтальной поверхности структуры фотопреобразователя, выполнены проходящие над полосковыми контактами V-образные канавки, проекции которых на фронтальную поверхность фотопреобразователя перекрывают полосковые контакты, а грани V-образных канавок выполнены наклоненными под углом ψ к нормали к фронтальной поверхности структуры фотопреобразователя, причем расстояние Н дна V-образных канавок до поверхности полосковых контактов удовлетворяет соотношению:

где d - ширина полосковых контактов;

n - показатель преломления оптического покрытия;

D - расстояние между полосковыми контактами;

а ширина W канавок на границах с плоской поверхностью оптического покрытия удовлетворяет соотношению:

где δ - угол расходимости лазерного излучения.

2. Фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что угол ψ выполнен величиной 30-60 угловых градусов.

3. Фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что оптическое покрытие выполнено из силикона с показателем преломления 1,4-1,6.

4. Фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что ширина полосковых контактов 3-10 мкм.

5. Фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что расстояние D между полосковыми контактами 30-200 мкм.

6. Фотопреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что соотношение D/d расстояния между полосковыми контактами к ширине полосковых контактов равно 5-30.