Фотоприемник и способ управления его чувствительностью Советский патент 1987 года по МПК H01L31/00 H01L31/06 

2. Способ управления чувствительностью фотоприемника, включающий освещение i-области светом из спектрального интервала 1-1,4 мкм при одновременном приложении электрического напряжения в прямом направлении, отличающийся тем что, с целью повышения чувствительности в

спектральном диапазоне 1-1,4 мкм при сохранении быстродействия, создают ударную ионизацию примеси путем приложения напряжения U, удовлетворякгщего соотношению

Ю. .4- 10

di

.. Фотоприемник, включающий p-i-n-структуру на основе GaAs, iобласть которой легирована примесью с энергией активации Е, сравнимой с шириной запрещенной зоны, а толва1на i-области не превышает обратную величину козффиодента поглощения света в примесной области, о т л и ч а .ю щ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в спектральном интервале 1-14 мкм при сохранении быстродействия, i-область легирована донорной примесью, симметрии Fg , сечение фотоионизации которой для процесса с переходом электрона из валентной зоны на примесный уровень по крайней мере на порядок больше величины сечения фотоионизации для процесса с переходом электрона с примесного уровня в зону проводимости, энергия активации гфимеси НА, отличающаяся от значения полуширины запре11енной зоны не более чем на 3 кТ, связана с положением уровня Ферми Ег в i-области соотношением: E +21i:T E E +6kT где k - постоянная Кольцмана; Т - температура, град Кельвина; а толщина i-области di превьш1ает длину ионизации примеси электронами. II III

- 1 Настоящее изобретение относится к области полупроводниковых фотоэлектрических приборов и может быть испо-, льзовано в- оптоэлектронике, системах оптической связи и т.д. Известен фотоприемник на основе p-i-n структуры, например. Si, работающий в спектральном диапазоне 0,51,0 мкм. Известное устройство содержит 1-область, выполненную путем перекомпенсации мелкой акцепторной примеси. Способ использования таких фотоприемников заключается в освещении структуры через р-область светом из области собственного поглощения при одновременном приложении электри ческого напряжения в обратном направ лении . Недостатком его является неработо способность в спектральном диапазоне 1-1,4 мкм. Быстродействие его состав ляет t . Наиболее близким техническим реше нием является фотоприемник, включающий p-i-n структуру на основе GaAs, i-область которой легирована примесь с энергией активации Е, сравнимой с шириной запрещенной зоны, а толщина i-области не превышает обратной вели чины коэффициента поглощения света в примесной области. В этой структуре i-область создана диффузией глубокой примеси Сг в п-материал с концентрацией носителей тока см. Наиболее близким техническим решением в части способа является способ управления чувствительностью фо- топриемника, включающий освещение 1-области светом из спектрального ин тервала 1-1,4 мкм при одновременном приложении электрического напряжения в прямом направлении. Недостатком таких фотопрйемников способа использования их является то, что чувствительность в примесной области 1-1,4 мкм ниже чувствительности в собственной области вблизи 0,85 мкм, а быстродействие, определяемое длиной диффузионного смещения неосновных носителей тока, состав- ляетТ 10 . При изменении электрического напряжения чувствительность в диапазоне 1-1,4 мкм мала и изменяется слабо. В то же время задачи оптоэлактроники и волоконно-оп- тической связи требуют создания быстродействующих высокочувствительных фотоприемников, в особенности для спектрального диапазона 1-1,4 мкм. Целью настоящего изобретения является повьшение чувствительности в спектральном интервале 1-1,4 мкм с сохранением быстродействия прибора. Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемнике, включающем p-i-n структуру на основе GaAs, iобласть которой легирована примесью с энергией активации Ei, сравнимой с шириной запрещенной зоны, а толщи- на 1-области не превышает обратной величины коэффициента поглощения света в примесной области, i-область легирована донорнойпримесью, симметрии }g « сечение фотоионизаоди которой для процесса с переходом электрона из валентной зоны на примесный уровень по крайней мере на порядок больше величины сечения фотоионизации для процесса с переходом электрона с примесного уровня в зону проводимости, энергия активации примеси Е, отличающаяся от значений полуширины запрещенной зоны не более чем на 3 кТ, связана с положением уровня Ферми К, в 1-области соотно шением: K +2k:i K., а тогацина i-области di превышает длину ионизации примеси электронами где k - постоянная Больцмана, Т - температура в градусах Кель вина. Поставленная цель достигается тем, что в способе управления чувствительностью фотоприемника, включающем освещение 1-области светом из спектрального интервала 1-1,4 мк при одновременном приложении электрического напряжения в прямом направлении, создают ударную ионизаци примеси путем приложения напряжения и, удовлетворяющего соотношению: 0 Н, и . 10 Сущность изобретения заключается в следующем. Экспериментально установлен неочевидный факт, что в фото приемнике на основе GaAs p-i-n стру туры, где. i-область легирована глубокой примесью, можно значительно повысить чувствительность за счет монополярной ионизации этой примеси если выполнить следуюп;ие условия. Примесьв i-области должна быть донорного типа с симметрией Г. Это условие означает, что примесь является уровнем 1-е типа и связана с зоной проводимости, а не с валентно зоной. Выполнение условия дпя сечений фотоионизации: с - сечение дл перехода электрона из валентной зоны на примесный уровень по крайней ме- ре на порядок больше, чем Og - сечение для перехода электрона с примеси в зону проводимости означает-, что процесс перехода электронов из вален ной зоны на примесь, т.е. ее заполнение, идет более быстро, чем опустошение примеси. На примесном уров не все время существуют электроны, которые могут принимать участие в процессе ударной ионизации.,В случа обратного соотношения между сечениям все имеюр1иеся на примеси электроныбь1стро будут переведены светом в зону проводимости, примесь опустошается, и стационарш 1й процесс ударнойионизации, приводящий к повьшейию чувствительности, прекращается. Примесь выбрана лежащей вблизи се редины запрещенной зоны, а именно, энергия ее активации E Ea/2f3 кТ. Это важно для того, чтобы свет из области примесного поглощения переводил электроны как из валентной зоны на примесный уровень так и с примесного уровня в зону проводимости. Если примесь будет лежать ближе к одной из 3OHi чем этого требз ет заданное условие, то, во-первых, уходим из интересующего нас спектрального диапазона, во-вторых, чувствительность падает из-за нарзтиения равновесия между переходами электронов и дырок. Концентрация носителей заряда в i области связана с положением уровня Ферми и может быть задана условием, означаюпщм, что примесь при рабочей температуре не полностью занята электронами (Е, Е{.+6kT) и не полностью опустошена (.tE). Толпщна i-области должна быть больше длины ионизации примеси электронами для того, чтобы могла идти заметная ударная ионизация примеси, приводящая и,увеличению фоточувствительности. Если фотоприемник, выполненный при соблюдении указанных вьш1е условий, осветить светом из спектрального интервала 1-1,4 мкм и-приложить электрическое напряжение в прямом направлении, величина которого удо3 и влетворяёт условию 10 В/см э . - . di В/см, то за счет монополярной ударной ионизации глубокой примеси достигается увеличение чувствительности в указанном спектральном интервале при сохранении быстродействия. В отличие от известных лавинных Фотодиодов, работающих в режиме межгзонной ударной ионизации при приложении обратного напряжения, предложеннь1й фотоприемник на основе CrAs p-i-n структуры работает при прямом смещении; при этом все электрическое напряжение фактически приложено к i-области, в которой происходит примесная ударная ионизация. Поля, меньшие 10 В/см, недостаточны для заметной ионизации примеси, и чувствительность при этом падает. В полях и , ,rt В - может иметь место явdiсмение двойной инжекции, которая бу- дет накладываться на монополярную ударную ионизацию и приведет к сильному увеличению уровня шумов, а следовательно, к снижению положитель ного эффекта. В указанном фотоприемнике быстродействие, определяемое временем пролета носителей в i-области, сохра няется не хуже, чем в прототипе, и di в оптимальном режиме о « (От «10 с, где , с дрейфовая скорость электронов; d мкм - толщина i-области. Отметим, что процесс примесной ударной ионизации в заявляемом фотоприемнике является монополярным. Это дает возможность создать фотоприемник с низким уровнем избыточных шумов и получить высокое усиление фототока при достаточно малых значениях напряжения на i-области (U 10 в). Фотоприемник и способ управ зения его фоточувствительностью представлены на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 пока- заны схематическое изображение конструкции фотоприемника и способ его использования. На фиг. 2 показано спектральное распределение фоточув ствительности GaAs p-i-n структуры при двух значениях электрического напряжения. Фотоприемник на фиг. 1 включает р -область 1, i-область 2 толщиной di, п -область 3, контактная система 4, батарея 5 постоянного тока на пряжением и. Устройство работает следующим об разом. При освещении i-области 2 шириной di светом из спектрального интервал 1 - 1,4 мкм и при приложени электрического напряжения U из интервала В, так, чтобы ( -) батареи 5 постоянного тока был пода на 3, а (+) на 1, используя контакт ную систему 4, электроны с примесно го уровня переводятся в зону провод мости, где разгоняются электрически полем до энергий, достаточных для ионизации электрона с глубокого при месного уровня, что приводит к увел чению количества электронов в зоне проводимости, следствием чего является повышение фоточувствительности в рассматриваемой области спектра п сохранении быстродействия, которое определяется временем пролета электроном i-области. Повышение фоточув ствительности при изменении электрического поля от 1 В до 10 В проиллюстрировано на фиг. 2. На фиг. 2 кривая 6 соответствует В ( В/см), кривая 7 - U 10 В ( В/см). Експериментальные кривые спектральной фоточувствительности были получены.при исследовании фотоприемника на основе GaAs p-i-n структуры, содержащей i-область, полученную легированием комплексами хрома. При этом создавался глубокий примесный уровень донор- ного типа с симметрией 1 , что .было установлено из сопоставления характера экспериментально измеренной спектральной фоточувствительности с теоретической. Отношение сечений фотоионизации Г составляло 12, что- удовлетворяет условию, приведенному в формуле. Положительный эффект - повышение фоточувствительнос- ти в спектральном интервале 1-1,4 мкм был получен на примеси с энергией ак тивации ,75 эВ, что соответствовало условию расположения ее в запрещенной зоне, указанному в формуле. Концентрация свободных носителей в i-области составляла см что соответствовало положению уровня Ферми, толщина i-области составляла мкм, при этом длина ионизации в электрических полях, приведенных в формуле, бьша 1, 1 мкм. Структура освещалась светом из спектральной области 1-1,4 мкм. Способ управления чувствительностью устройства был осуществлен при включении структуры в прямом направлении при приложении напряжения В так, что процесс ударной ионизация примесного центра производился при электрическом напряжении. В (3 к 10 В/см). При этом в спектральной области 1-1,4 мкм происходило повышение фоточувствительности на 3 порядка ( ) по сравнению с фотоответом при ,малом электрическом поле В ( В/см).Быстродействие приватом составляло 10 с. Таким образом, в данном фотоприемнике и способе управления его чувствительностью, представляющими собой единый изобретательский замысел, достигнут новый положительный эффект повьш1ение фоточувствительности в спектральном интервале 1-1,4 мкм на 711024 3 порядка при сохранении быстродействия. Кроме того, достоинствами такого фотоприемника по сравнению с уже су1чествую1щми приемниками с внутренним усилением (например, Ge лавинный фотодиод) является низкий коэффициент избыточного шума, достигнутый за счет ударной ионизации носите лями заряда одного знака,(а также возможность получения больших усиле-g-.10 8 ний при небольших рабочих напряжениях. Поскольку в настоящее время весь ма актуальная задача создания быстродействующих малошумящих фотоприекг НИКОВ для систем волоконнооптической связи на спектральный диапазон 1-13 мкм, предложенный фотоприемник и способ его использования позволяют решить задачу создания таких приборов;

ЯГ

Ю

ifo

.-9

70

.-и

10

t.O 1,5

ану,9б Фи9,2