LT6044B - High speed photodiode - Google Patents
High speed photodiode Download PDFInfo
- Publication number
- LT6044B LT6044B LT2013077A LT2013077A LT6044B LT 6044 B LT6044 B LT 6044B LT 2013077 A LT2013077 A LT 2013077A LT 2013077 A LT2013077 A LT 2013077A LT 6044 B LT6044 B LT 6044B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- absorber
- layer
- photodiode
- gaasbi
- collector
- Prior art date
Links
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Šis išradimas priklauso puslaidininkinių fotodetektorių sričiai ir gali būti naudojamas didelio pasikartojimo dažnio, tame tarpe ir terahercinio dažnio, optinių signalų detektavimui, matavimui ir vertimui elektriniais signalais.This invention relates to the field of semiconductor photodetectors and can be used to detect, measure and translate high frequency repetition rates, including terahertz frequencies, into optical signals.
TECHNIKOS LYGISTECHNICAL LEVEL
Pasiūlyme aprašytas didelės spartos fotodetektoriaus darinys ir jo gamybos technologija gali būti naudojami gaminant plačiajuosčius optoelektroninius komponentus ir sistemas, tame tarpe optinio ryšio sistemų imtuvus ir terahercinius emiterius, apšviečiamus dviejų skirtingų bangos ilgių lazerių pluošteliais.The high-speed photodetector assembly and production technology described in the proposal can be used in the manufacture of broadband optoelectronic components and systems, including receivers of optical communication systems and terahertz emitters, illuminated by two laser wavelengths.
Ypač platų pritaikymą spartūs fotodiodai turi telekomunikacijose. Ten jie naudojami šviesolaidžiais perduodamų signalų detektavimui. Kuo spartesnis naudojamas fotodiodas, tuo daugiau informacijos galima perduoti šviesolaidžio linija. Taip pat spartūs fotodiodai naudojami laikinės skyros spektroskopijoje, impulsinių lazerių spinduliuotės charakterizavimui (impulso trukmės ir laikinės gaubtinės formos nustatymui) ir kituose taikymuose, kur reikia užregistruoti ultra trumpus infraraudonosios spinduliuotės signalus.High-speed photodiodes have a particularly wide application in telecommunications. There they are used to detect signals transmitted by fiber. The faster the photodiode is used, the more information can be transmitted through the fiber-optic line. Fast photodiodes are also used in temporal resolution spectroscopy, pulsed laser characterization (pulse duration and temporal envelope detection) and other applications where ultra-short infrared signals are required.
Spartūs fotodiodai, registruojantys infraraudonosios spinduliuotės, kurios bangos ilgis yra tarp 1 pm ir 1 ,5 pm, signalus, paprastai turi suąėriklio sluoksnius, pagamintus iš puslaidininkio su atitinkamu draustiniu energijų tarpu ε9 = 1.24/ kur λ9 yra ilgiausias bangos ilgis spinduliuotės, kuriai fotodiodas dar yra jautrus. Žinomas tokio prietaiso pavyzdys yra vadinamasis PIN diodas, kuriame iš puslaidininkio su mažesniu draustiniu tarpu pagamintas sugėriklio sluoksnis (i-sluoksnis) yra įterptas tarp dviejų platesnio draustinio tarpo puslaidininkio sluoksnių, legiruotų akceptorinėmis ir donorinėmis priemaišomis - atitinkamai, p-tipo ir n-tipo sluoksniai. P-n sandūros viduryje esančiame i-sluoksnyje susidaro vidinis elektrinis laukas, kuris verčia judėti šviesos sukurtus elektronus ir skyles ir taip indukuoja fotosrovę. Infraraudonojo diapazono PIN diodų sugėriklio sluoksnis dažniausiai gaminamas iš InGaAs ar InGaAsP junginių. Šiose medžiagose, kaip ir kituose A3B5 grupės puslaidininkiuose, skylių judris yra žymiai mažesnis už elektronų judrj, todėl būtent šviesos sukurtųjų skylių judėjimas riboja PIN fotodiodų spartą ir jų ribinį dažnį, kuris šiuose prietaisuose tesiekia kelias dešimtis GHz. Norint pagerinti šiuos parametrus tenka mažinti i-sluoksnio storį, tuo pačiu mažinant ir paties fotodiodo jautrį, tačiau ir tokiu atveju yra pasiekiami tik apie 100 GHz dydžio ribiniai dažniai. Kitas PIN diodų trūkumas yra tai, jog dėl lėto skylių ištraukimo iš i-sluoksnio jame susidaro erdvinis krūvis sąlygojantis fotosrovės sotį ir fotojautrio mažėjimą jau palyginti nedideliuose optinio sužadinimo lygiuose.High-speed photodiodes, which record infrared signals with a wavelength between 1 pm and 1.5 pm, usually have an interlayer made of a semiconductor with an appropriate energy gap ε 9 = 1.24 / where λ 9 is the longest wavelength the photodiode is still sensitive. A known example of such a device is a so-called PIN diode, in which an absorber layer (i-layer) made of a semiconductor with a smaller gap is inserted between two layers of a wider gap of the semiconductor doped with acceptor and donor impurities, respectively p-type and n-type. . The i-layer in the middle of the Pn junction generates an internal electric field that forces light-generated electrons and holes to move, thereby inducing photocurrent. The infrared PIN diode absorber layer is usually made from InGaAs or InGaAsP compounds. In these materials, as in other A 3 B 5 semiconductors, the motility of the holes is significantly less than that of the electrons, so the movement of the holes created by the light limits the speed of the PIN photodiodes and their limiting frequency, which in these devices is only tens of GHz. In order to improve these parameters, it is necessary to reduce the thickness of the i-layer while decreasing the sensitivity of the photodiode itself, but in this case only the threshold frequencies of about 100 GHz are reached. Another disadvantage of PIN diodes is that due to the slow removal of holes from the i-layer, it generates a spatial charge that causes saturation of the photocurrent and a decrease in photosensitivity at already relatively low levels of optical excitation.
Siekiant pašalinti PIN diodams būdingus trūkumus buvo pasiūlyta keletas sprendimų.Several solutions have been proposed to overcome the disadvantages of PIN diodes.
JAV patentas Nr. US5818096 aprašo fotodiodą su judančiais vieno tipo krūvininkais (angį. UniTravelling Carrier - UTC - photodiode). UTC fotodiodo sluoksnių darinys yra pavaizduotas Fig. 1, jo juostinė diagrama yra parodyta Fig. 2.U.S. Pat. US5818096 describes a photodiode with a single type of carrier (UniTraveling Carrier - UTC - photodiode). The derivative of the UTC photodiode layers is shown in Figs. 1, its bar graph is shown in Figs. 2.
Iš esmės, UTC fotodiodą sudaro:Basically, a UTC photodiode consists of:
I P-tipo elektrinio laidumo sugėriklio sluoksnis iš siaurą draustinių energijų tarpą egi turinčios medžiagos (siauratarpio puslaidininkio) (1);I P-type electrical conductivity of the absorber layer from the energy gap of the narrow reserves e g i oily substances (siauratarpio semiconductor) (1);
II N-tipo elektrinio laidumo sluoksnis iš platesnį draustinių energijų tarpą eg2 turinčios medžiagos (plačiatarpio puslaidininkio) (2);II. N-type conductive layer of a material having a wider resistor energy gap e g2 (Wide-band semiconductor) (2);
III Skiriamasis nelegiruotas arba silpnai legiruotas kolektoriaus sluoksnis iš platesnio draustinių energijų tarpo ερ2 medžiagos (plačiatarpio puslaidininkio) (3);III. A non-alloy or weakly doped collector layer of a wider resistor energy range ε ρ2 ( Wide- band semiconductor material) (3);
IV Barjero sluoksnis iš p-tipo laidumo plačiatarpio puslaidininkio (4). Šio sluoksnio funkcija - stabdyti elektronų difuziją į anodo kontaktą (5);IV Barrier layer of p-type conductivity wide-band semiconductor (4). The function of this layer is to stop the diffusion of electrons into the anode contact (5);
V Metalinis anodo kontaktas (5);V Metal anode contact (5);
VI Metalinis katodo kontaktas (6);VI Metal cathode contact (6);
VII Kristalinis padėklas (7).VII Crystal Tray (7).
Fotodiodo darinio p-tipo sluoksnis (1) yra pagamintas iš siaurą draustinių energijų tarpą ε9ι turinčio puslaidininkio, o n-tipo sluoksnis (2) yra pagamintas iš platesnį draustinių energijų tarpą eg2 turinčio puslaidininkio. Abu šiuos sluoksnius skiria nelegiruotas arba silpnai legiruotas platesnio draustinių energijų tarpo ερ2 puslaidininkio sluoksnis (3). Siauratarpio p-tipo puslaidininkio sluoksnis (1) ribojasi su to paties laidumo tipo sluoksniu iš plačiatarpio puslaidininkio (4). Fotodiodas yra jautrus spinduliuotei, kurios kvanto energija kinta nuo ε9ΐ iki eg2.The p-type layer (1) of the photodiode derivative is made of a semiconductor with a narrow reserve energy gap ε 9 ι and the n-type layer (2) is made of a semiconductor with a wider reserve energy gap e g2 . Both of these layers are separated by an unalloyed or weakly doped semiconductor layer of a wider resistor energy gap ε ρ2 (3). The narrow gap p-type semiconductor layer (1) is bordered by the same conductivity type layer from the wide-gap semiconductor layer (4). The photodiode is sensitive to radiation with a quantum energy ranging from ε 9ΐ to e g2 .
Optinė spinduliuotė yra sugeriama sugėriklyje (1), kuriame yra tenkinama elektrinio neutralumo sąlyga. Sugėriklyje (1) atsiradę fotosužadintieji elektronai difuzijos būdu patenka į silpnai legiruotą plačiatarpio puslaidininkio sluoksnį (3) (kolektoriaus sluoksnis), kuriame yra stiprus elektrinis laukas, pernešantis elektronus į donorinėmis priemaišomis legiruotą n-tipo sluoksnį (2), pagamintą iš plačiatarpio puslaidininkio. Sugėriklyje (1) šviesos signalo sukurtos nepusiausvyrinės skylės susimaišo su šiame sluoksnyje esančiomis pusiausvyrinėmis skylėmis: papildomos skylės per laiką, lygų dielektrinės relaksacijos trukmei Td = ε/σ (čia ε yra puslaidininkio dielektrinė skverbtis, o σ - jo elektrinis laidumas), iškeliauja į katodo kontaktą. Tipiškame A3B5 grupės puslaidininkyje su skylių koncentracija, lygia 1018 cm'3, xd yra kelių femtosekundžių eilės dydis, todėl, skirtingai nei PIN fotodiodo atveju, nepusiausvirųjų skylių dinamika neturi didesnės įtakos UTC prietaiso tamsinės būsenos atsistatymo spartai. Šis parametras, o tuo pačiu ir UTC fotodiodo ribinis dažnis, yra apsprendžiamas nepusiausvirųjų elektronų lėkio per kolektoriaus sluoksnį (3) trukmei, kuri yra lygi τβ = Lc /vs. čia Lc yra kolektoriaus sluoksnio (3) ilgis, o vyra elektronų dreifinio judėjimo soties greitis kolektoriaus sluoksnio (3) medžiagoje. Kuomet kolektoriaus sluoksnio ilgis yra 200 nm, o elektronų dreifo greitis yra lygus 2 107 cm/s, gauname τθ = 1 ps, taigi UTC fotodiodų tamsinės būsenos atsistatymo trukmė galėtų užtikrinti labai plačią, 1 THz dydžio ir platesnę jų dažninę charakteristiką. To pasiekti neleidžia kitas prietaiso spartą ribojantis faktorius elektronų patekimo iš sugėriklio (1) į kolektorių (3) trukmė. Kuomet sugėriklio sluoksnyje (1) vidinio elektrinio lauko nėra, elektronai iš šio sluoksnio j kolektorių (3) patenka tik dėl difuzijos; šio proceso charakteringą trukmę galima įvertinti kaip td « l2s·, /4De (čia Ls yra sugėriklio sluoksnio (1) plotis, o De, yra elektronų difuzijos koeficientas to sluoksnio medžiagoje, (statydami į šią išraišką tipiškas sugėriklio sluoksnio, pagaminto iš InGaAs vertes: Ls = 200 nm ir De = 100 cm2/s gausime td «10 ps, tai yra dešimt kartų didesnę trukmę nei elektronų lėkio per kolektorių trukmė. Šį parametrą galima sumažinti siaurinant sugėriklio sritį (1), tačiau dėl to sumažėja šviesos sužadintų krūvininkų koncentracija ir, tuo pačiu, fotodiodo jautris. Kitas elektronų pernašos iš sugėriklio sluoksnio (1) j kolektoriaus sluoksnį (3) paspartinimo būdas yra susijęs su kintančios sudėties sugėriklio sluoksnio sudarymu.The optical radiation is absorbed by the absorber (1) which satisfies the condition of electrical neutrality. The photosensitized electrons in the absorber (1) are diffused into a weakly doped wide-band semiconductor layer (3) (collector layer), which has a strong electric field transferring electrons to a donor-doped n-type layer (2) made of a wide-band semiconductor. In the absorber (1), the non-equilibrium holes created by the light signal mix with the equilibrium holes in this layer: additional holes over time equal to dielectric relaxation time T d = ε / σ (where ε is the dielectric permeability of semiconductor and σ is its electrical conductivity). cathode contact. In a typical A 3 B 5 semiconductor with a hole concentration equal to 10 18 cm 3 , xd has a order of several femtoseconds, so unlike the PIN photodiode, the dynamics of the unbalanced holes have no greater effect on the UTC darkness recovery rate. This parameter, and thus the cut-off frequency of the UTC photodiode, is determined by the duration of the non-equilibrium electron beam through the collector layer (3), which is equal to τβ = Lc / vs. where Lc is the length of the collector layer (3) and the saturation velocity of the electron drift in the collector layer (3) is predominant. With a collector layer length of 200 nm and an electron drift velocity of 2 10 7 cm / s, we obtain τθ = 1 ps, so that the UTC photodiode's dark state recovery time could provide a very wide frequency range of 1 THz. Another factor limiting the speed of the device prevents this from the time it takes for the electrons to pass from the absorber (1) to the collector (3). When there is no internal electric field in the absorber layer (1), electrons from this layer to the collector (3) fall only due to diffusion; the characteristic duration of this process can be estimated as t d «l 2 s ·, / 4D e (where Ls is the width of the absorber layer (1) and D e is the electron diffusion coefficient of that layer material (by constructing in this expression a typical absorber layer, values from InGaAs: L s = 200 nm and D e = 100 cm 2 / s will give t d «10 ps, which is ten times the duration of the electron beam through the collector. This parameter can be reduced by narrowing the absorber region (1), however, this results in a decrease in the concentration of the light-excited charge carriers and, consequently, in the sensitivity of the photodiode.Another way of accelerating the transfer of electrons from the absorbent layer (1) to the collector layer (3) involves the formation of a variable composition absorbent layer.
Besikeičianti sluoksnio sudėtis sąlygoja nuo koordinatės priklausantį draustinį energijų tarpą ir dėl to atsirandantį kvazi-elektrinį lauką, verčiantį elektronus judėti link kolektoriaus sluoksnio (3). Tokio fotodiodo elektronų energijos juostų diagrama yra pavaizduota Fig.3.The changing composition of the layer results in a coordinate dependent energy gap and the resulting quasi-electric field that forces electrons to move toward the collector layer (3). The electron energy bar diagram of such a photodiode is shown in Fig.3.
UTC fotodiodo jautrį stipriai įtakoja tai, kaip heterosandūroje, esančioje riboje tarp siauratarpio puslaidininkio sugėriklio sluoksnio (1) ir plačiatarpio puslaidininkio kolektoriaus sluoksnio (3), esantis draustinių energijos tarpų skirtumas ερ2 - £gi = Δε0 + Δεν pasiskirsto tarp laidumo ir valentinių juostų trūkių Δε0 ir Δεν. InGaAs/lnP heterosandūroje tarp sugėriklio ir kolektoriaus sluoksnių tradiciniuose UTC fotodioduose laidumo juostai tenka ~80 procentų viso heterosandūrą sudarančių medžiagų draustinių energijų tarpų skirtumo. Dėl to elektronams, judantiems iš sugėriklio sluoksnio į kolektorių atsiranda didelis potencinis barjeras, trukdantis fotosužadintųjų elektronų judėjimui ir bloginantis daugumą prietaiso veikos parametrų.The sensitivity of the UTC photodiode is strongly influenced by the difference in the conductivity difference ε ρ2 - £ gi = Δε 0 + Δε ν in the heterosaturation between the narrow-band absorber layer (1) and the wide-band semiconductor layer (3). of the trūkε 0 and Δε ν fractures of the bands. In InGaAs / lnP heterosandel, the conductivity band between the absorber and collector layers in conventional UTC photodiodes accounts for ~ 80 percent of the total difference in the energy gap between the materials forming the heterosand. As a result, there is a high potential barrier for electrons moving from the absorber layer to the collector, interfering with the movement of the photosensitized electrons and impairing most of the device's performance.
Fig. 4 yra parodytos UTC fotodiodų jautrio spektrinės priklausomybės dariniuose su sugėriklio ir kolektoriaus sluoksniais iš medžiagų su tokiais pat draustinių energijų tarpais (ε9ι = 0.8 eV ir ε& = 1.42 eV), bet skirtingu laidumo ir valentinių juostų trūkių Δε0 ir Δεν, santykiu.FIG. 4 shows the spectral dependencies of the sensitivity of UTC photodiodes in structures with absorber and collector layers of materials with the same reserve energies (ε 9 ι = 0.8 eV and ε & = 1.42 eV), but with different ratios of conduction and valence band breaks Δε 0 and Δε ν , .
Fig. 5 parodytos UTC fotodiodų su sugėriklio sluoksniais iš skirtingo draustinių energijų tarpo medžiagų jautrio spektrinės charakteristikos. Matyti, kad jautri galima padidinti naudojant medžiagą su mažesniu ε9ΐ. Kita vertus, mažesnio draustinių energijų tarpo medžiagos naudojimas leidžia ploninti sugėriklio storį tuo pačiu gerinant fotodiodo dinamines charakteristikas.FIG. 5 shows the spectral characteristics of UTC photodiodes with absorbent layers of different bonded energy gap materials. It can be seen that the sensitivity can be increased by using a material with a lower ε 9ΐ . On the other hand, the use of a lower resin energy gap material allows the thickness of the absorber to be reduced while improving the dynamic characteristics of the photodiode.
IŠRADIMO ESMĖTHE SUBSTANCE OF THE INVENTION
Šiuo išradimu siekiama išspręsti aukščiau paminėtas problemas ir sukurti fotodiodą su judančiais vieno tipo krūvininkais, kurio charakteristikos būtų geresnės nei tradicinių tokio tipo fotodiodų su InGaAs sugėriklio sluoksniais ir InP kolektoriaus sluoksniais.The present invention seeks to solve the above problems and to provide a photodiode with one type of moving charge carriers having better characteristics than conventional photodiode of this type with InGaAs absorber layers and InP collector layers.
Siūlomas puslaidininkinis fotodiodas, sudarytas iš p-tipo laidumo sugėriklio sluoksnio, nelegiruoto kolektoriaus sluoksnio ir dviejų n-tipo ir p-tipo laidumo kontaktinių sluoksnių, kur sugėriklio sluoksnis yra pagamintas iš puslaidininkio, turinčio savyje bismuto atomų. Taip sumažinami laidumo juostos lygmenų trūkiai.A semiconductor photodiode consisting of a p-type conductivity absorber layer, an unalloyed collector layer, and two n-type and p-type conductivity contact layers is proposed, wherein the absorber layer is made of a semiconductor containing bismuth atoms. This reduces cracks in the conduction band levels.
Todėl naudojant sugėriklio sluoksnyje Bi turinčią puslaidininkinę medžiagą, galima pagerinti tokius fotodiodo veikos parametrus kaip jo jautrį ir spartą.Therefore, the use of a semiconductor material containing an absorber layer Bi can improve photodiode performance parameters such as its sensitivity and speed.
TRUMPAS BRĖŽINIŲ FIGŪRŲ APRAŠYMASBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING FIGURES
Norint geriau suprasti išradimą ir įvertinti jo praktinius pritaikymus, pateikiami šie aiškinamieji brėžiniai. Brėžiniai pateikiami tik kaip pavyzdžiai ir jokiu būdu neriboja išradimo apimties.In order to better understand the invention and evaluate its practical applications, the following illustrative drawings are provided. The drawings are given by way of example only and in no way limit the scope of the invention.
Fig.1. Fotodiodo su judančiais vieno tipo krūvininkais sandara;1. Structure of a photodiode with one type of moving charge;
Fig.2. Fotodiodo su judančiais vieno tipo krūvininkais elektronų energijos juostų diagrama;FIG. Electron energy bar diagram of a photodiode with one type of moving charge;
Fig.3. Fotodiodo su judančiais vieno tipo krūvininkais ir kintamu sugėriklio draustinių energijų tarpu elektronų energijos juostų diagrama;3. Diagram of electron energy bands of a photodiode with one type of moving charge and a variable absorber energy gap;
Fig.4. Fotodiodų su judančiais vieno tipo krūvininkais jautrio spektrinės priklausomybės dariniuose su sugėriklio ir kolektoriaus sluoksniais iš medžiagų su tokiais pat draustinių energijų tarpais (egi = 0.8 eV ir = 1.42 eV), bet skirtingu laidumo ir valentinių juostų trūkių Δε0 ir Δεν, santykiu;FIG. Sensitivity spectral dependence of photodiodes with moving one type of charge in structures with absorber and collector layers of materials with the same reserve energies (e g i = 0.8 eV and = 1.42 eV) but with different conductivity and valence band fractures Δε 0 and Δε ν , ;
Fig.5. Fotodiodų su judančiais vieno tipo krūvininkais ir sugėriklio sluoksniais iš skirtingo draustinių energijų tarpo medžiagų jautrio spektrinės charakteristikos. Laidumo juostos trūkis visais atvejais buvo laikomas lygiu £c = 40%;FIG. Spectral Characteristics of Photodiodes with Moving Single-Chargers and Absorption Layers of Different Reserve Energy Gap Materials. The breakage of the conductivity band was in all cases considered to be £ c = 40%;
Fig.6. Draustinių energijų tarpo kitimo palyginimas GaAsBi ir InGaAs puslaidininkiuose, didėjant Bi ir In koncentracijai, atitinkamai;FIG. Comparison of the variation of the protected energy gap in GaAsBi and InGaAs semiconductors with increasing Bi and In concentrations, respectively;
Fig.7. Trinarių InGaAs ir GaAsBi junginių gardelių konstantų nukrypimas nuo GaAs gardelės konstantos priklausomybės nuo junginio draustinių energijų tarpo pokyčio GaAs atžvilgiu.FIG. The deviation of the lattice constants of the ternary InGaAs and GaAsBi compounds from the dependence of the GaAs lattice constant on the change in the bonding energy gap of the compound with respect to GaAs.
TINKAMIAUSI ĮGYVENDINIMO VARIANTAIPREFERRED EMBODIMENTS
Tinkamiausiame išradimo įgyvendinimo variante, judančių vieno tipo krūvininkų fotodiodas yra pagamintas iš puslaidininkių, kurių heterostruktūroje sugėriklio sluoksnį sudaro medžiaga, turinti bismuto atomų. Tokie bismuto turintys puslaidininkiai gali, pavyzdžiui, būti GaAsBi, InPBi ar GalnAsBi. Šiuose A3B5 grupės puslaidininkiniuose junginiuose Bi atomų įvedimas pakelia valentinės juostos energijos lygmenis mažai įtakodamas laidumo juostos energijos lygmenų padėtį. Todėl laidumo juostos lygmenų trūkiai atitinkamose heterosandūrose: GaAsBi/GaAs, InPBil InP ir GalnAsBi/GalnAs, yra nedideli, pavyzdžiui, pirmojoje iš išvardintųjų heterosandūrų laidumo juostos trūkiui tenka tik nuo 20% iki 30% GaAs ir GaAsBi draustinių energijų tarpo.In a preferred embodiment of the invention, a single-mode, moving-charge photodiode is made of semiconductors having a bismuth-containing material in its heterostructure layer. Such bismuth-containing semiconductors may, for example, be GaAsBi, InPBi or GalnAsBi. In these A 3 B 5 semiconductor compounds, introduction of Bi atoms raises valence band energy levels with little effect on the position of the conduction band energy levels. Therefore, the band gap breaks in the respective heterosandes: GaAsBi / GaAs, InPBil InP and GalnAsBi / GalnAs, are small, for example, in the first of the listed heterosandes, only 20% to 30% of the GaAs and GaAsBi duct energy gap.
Reikia pabrėžti, kad GaAsBi sugėriklio sluoksnio naudojimas suteikia unikalią galimybę gaminti infraraudonajai spinduliuotei jautrius fotodiodus ant GaAs padėklų. Eksperimentiniai GaAsBi tyrimai parodė, kad šio junginio draustinių energijų tarpas Įvedant Bi mažėja labai sparčiai - po 90 meV kiekvienam Įvesto Bi procentui. Todėl ε9ι = 0.8 eV galima pasiekti jau tada, kai į GaAs yra Įvesta vos 10% Bi, o GaAsBi su 15% Bi draustinių energijų tarpas sumažės net iki ε9ι = 0.4 eV. Palyginimui galima pastebėti, jog trinario junginio InGaAs draustinių energijų tarpas augant In daliai mažėja kur kas lėčiau - Įvedus Į GaAs net 30% In, draustinių energijų tarpas sumažėja tik iki 1 eV. Bi koncentracija arba jos kitimas gali būti parenkami pagal tai, kokios yra siekiamos fotodiodo charakteristikos. Šios srities specialistui turėtų būti akivaizdu, kaip keičiant Bi priemaišų koncentraciją, galima gauti norimą fotodiodo spartą ir jautrį.It should be emphasized that the use of a GaAsBi absorber layer provides a unique opportunity to produce infrared-sensitive photodiodes on GaAs substrates. Experimental studies of GaAsBi have shown that the energy gap between this compound decreases very rapidly during introduction of Bi - 90 meV for each percentage of Bi introduced. Therefore, ε 9 ι = 0.8 eV can be achieved when only 10% Bi is introduced into GaAs, and GaAsBi with 15% Bi has a reduced energy gap even ε 9 ι = 0.4 eV. For comparison, the energy gap of the ternary compound InGaAs decreases much slower as the proportion of In grows - with the introduction of GaAs by as much as 30% In, the energy gap decreases to only 1 eV. The concentration of Bi or its variation can be selected according to the desired characteristics of the photodiode. It should be apparent to one skilled in the art how varying the Bi impurity concentration can provide the desired photodiode speed and sensitivity.
Pav. 6 abiejų trinarių junginių - InGaAs ir GaAsBi - charakteristikos yra palygintos tarpusavyje, rodant, kaip abiejų jų gardelių konstantų nukrypimas nuo GaAs gardelės konstantos priklauso nuo junginio draustinių energijų tarpo pokyčio GaAs atžvilgiu. Penkis kartus mažesnis nei InGaAs atveju, GaAsBi gardelės konstantos nukrypimas nuo GaAs padėklo gardelės leidžia tikėtis geresnės epitaksinių sluoksnių kristalinės kokybės, didesnių elektronų judrių ir ilgesnių jų gyvavimo trukmių šiuose sluoksniuose. Šie parametrai tiesiogiai lemia fotodiodų jautrį ir jų spartą.Fig. The characteristics of the six ternary compounds, InGaAs and GaAsBi, are compared with each other, showing how the deviation of their respective lattice constants from the GaAs lattice constant depends on the change in the bonding energies of the compound with respect to GaAs. Five times smaller than in InGaAs, the deviation of the GaAsBi lattice constant from the GaAs substrate lattice allows for better crystalline quality of epitaxial layers, higher electron mobility and longer life in these layers. These parameters directly determine the sensitivity and speed of the photodiode.
Kitame išradimo įgyvendinimo variante siūlomas puslaidininkinis fotodiodas, sudarytas iš p-tipo laidumo sugėriklio sluoksnio, nelegiruoto kolektoriaus sluoksnio ir dviejų n-tipo ir p-tipo laidumo kontaktinių sluoksnių, kurio sugėriklio sluoksnis yra pagamintas iš puslaidininkio, turinčio savyje bismuto atomų, o bismuto atomų dalis junginyje tolygiai mažėja einant tolyn nuo sugėriklio sluoksnio ribos su kolektoriaus sluoksniu.In another embodiment of the present invention there is provided a semiconductor photodiode consisting of a p-type conductivity absorber layer, an unalloyed collector layer and two n-type and p-type conductivity contact layers, wherein the absorber layer is made of a semiconductor containing bismuth atoms in the compound decreases evenly along the boundary of the absorber layer with the collector layer.
Tokio fotodiodo p-tipu legiruotame sugėriklyje (1) valentinės juostos krašto padėtis nuo koordinatės nepriklausys, tuo tarpu laidumo juostos krašto energija tolygiai augs nuo sugėriklio ribos su kolektoriumi (3) iki ribos su barjero sluoksniu (4). Šis augimas sukurs jėgą, veikiančią tik elektronus ir verčiančią juos judėti link kolektoriaus. Tokiu būdu ir išauga fotodiodo jautris (daugiau šviesos sužadintų elektronų dalyvauja fotosrovėje), ir padidėja šio prietaiso sparta (sutrumpėja laikas, per kurj elektronai pasiekia kolektorių). Dėl to, kad Bi Įvedimas keičia juostinę diagramą kur kas stipriau nei kiti atomai, kintamo draustinių energijų tarpo (varizoniniai) puslaidininkių, turinčių savyje bismuto atomų, sluoksniai geriausiai tinka fotodiodų sugėrikliams, nes didelį laidumo juostos krašto energijos gradientą galima gauti palyginti mažai keičiant Bi koncentraciją.In such a photodiode p-type doped absorber (1), the position of the valence band edge will be independent of the coordinate, while the conductor band edge energy will increase steadily from the absorber boundary with the collector (3) to the boundary layer (4). This growth will create a force acting only on the electrons and forcing them to move toward the collector. This increases the sensitivity of the photodiode (more light-excited electrons participate in the photocurrent) and increases the speed of this device (reducing the time it takes for electrons to reach the collector). Due to the fact that Bi Input alters the bar graph much more strongly than other atoms, variable-energy gap (varison) layers of semiconductors containing bismuth atoms are best suited for photodiode absorbers, since a high conductivity band edge energy gradient can be obtained with relatively little change in Bi concentration. .
Naudodamasis aukščiau aprašytais pavyzdžiais, šios srities specialistas gali pasiūlyti ir daugiau skirtingų heterostruktūrų kompozicijų, skirtų šviesos detektavimui infraraudonosios spinduliuotės bangų ruože, tačiau šio išradimo apsauga turėtų apimti visas judančių vieno tipo krūvininkų fotodiodų sandaros variacijas, kur sugėriklio medžiagoje naudojami bismuto atomai, kurie sumažina laidumo juostos lygmenų trūkius, dėl ko pagerėja tokio fotodiodo jautrį ir sparta.Using the examples described above, one of ordinary skill in the art may propose more heterogeneous compositions for detecting light in the infrared band, but the protection of the present invention should encompass all variations in the structure of moving single-charge photodiodes employing bismuth atoms that reduce conductivity bands. level breaks, which improves the sensitivity and speed of such a photodiode.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2013077A LT6044B (en) | 2013-07-22 | 2013-07-22 | High speed photodiode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2013077A LT6044B (en) | 2013-07-22 | 2013-07-22 | High speed photodiode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2013077A LT2013077A (en) | 2014-02-25 |
| LT6044B true LT6044B (en) | 2014-06-25 |
Family
ID=50114944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2013077A LT6044B (en) | 2013-07-22 | 2013-07-22 | High speed photodiode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT6044B (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104766895B (en) * | 2015-04-01 | 2017-01-25 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | A multi-junction solar cell structure based on dilute bismuth phosphide materials |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5818096A (en) | 1996-04-05 | 1998-10-06 | Nippon Telegraph And Telephone Corp. | Pin photodiode with improved frequency response and saturation output |
-
2013
- 2013-07-22 LT LT2013077A patent/LT6044B/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5818096A (en) | 1996-04-05 | 1998-10-06 | Nippon Telegraph And Telephone Corp. | Pin photodiode with improved frequency response and saturation output |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| LT2013077A (en) | 2014-02-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9882080B2 (en) | High speed photodetector | |
| Uliel et al. | InGaAs/GaAsSb Type-II superlattice based photodiodes for short wave infrared detection | |
| JPS6193681A (en) | Semiconductor device | |
| DE112014004665T5 (en) | Double-pass photodiode with embedded reflector | |
| Circir et al. | Optimization of in-device depleted passivation layer for InGaAs photodetectors | |
| Akimov et al. | Lead telluride-based photodetectors: a new approach | |
| US8975718B2 (en) | Avalanche photodiode-type semiconductor structure with low response time and process for producing such a structure | |
| Bansal et al. | Photodetectors for security application | |
| DE69220146T2 (en) | Semiconductor photo detector device | |
| LT6044B (en) | High speed photodiode | |
| US4816890A (en) | Optoelectronic device | |
| KR960004594B1 (en) | Infrared ray light detecting sensor | |
| WO2018189898A1 (en) | Semiconductor light-receiving element | |
| Jose et al. | A review on ZnO heterojunction photodetector for UV application | |
| US8115203B2 (en) | Photoconductors for mid-/far-IR detection | |
| DE10019089C1 (en) | Wavelength selective pn junction photodiode | |
| JPH0473310B2 (en) | ||
| US8513704B2 (en) | Method for manufacturing a photodiode and corresponding photodiode and electromagnetic radiation detector | |
| FR2518817A1 (en) | PHOTODIODE WITH SEPARATE ABSORPTION AND AVALANCHE ZONES | |
| Suo et al. | Dark Current Analysis of InAsSb-Based Hetero-$ p {\text {-}} i {\text {-}} n $ Mid-Infrared Photodiode | |
| Kaur et al. | Investigating the effect of number of metal electrodes on performance parameters of AlGaN MSM photodetectors | |
| Manyk et al. | Theoretical analysis of the response time of MWIR InAs/InAsSb T2SL barrier detector | |
| JP2656476B2 (en) | Semiconductor device | |
| KR102244132B1 (en) | Manufacturing method for dual-photodiode, dual-photodiode manufactured by the method, measuring method for wavelength and intensity using the same | |
| Kaur et al. | Simulation of AlGaN MSM detector for investigating the effect varying absorber layer thickness |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20140225 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20140625 |
|
| MM9A | Lapsed patents |
Effective date: 20150722 |