RU2080691C1

RU2080691C1 - Photodiode node for matrix photodetector

Info

Publication number: RU2080691C1
Application number: RU93017241A
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Величко
Original assignee: Александр Андреевич Величко
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: microelectronics. SUBSTANCE: method for manufacturing involves generation of two photodiodes in active layer of semiconductor. Photodiodes are connected in series through tunnel-transparent structure. Each diode receives half of exposed light. EFFECT: increased functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к конструкции фотоприемной ячейки на основе диодной структуры. Диодная фотоприемная ячейка является основным элементом при изготовлении матричных фотоприемных устройств ФПУ. The invention relates to the field of microelectronics, in particular to the design of a photodetector cell based on a diode structure. A diode photodetector cell is the main element in the fabrication of FPU array photodetector devices.

Известна конструкция двойной диодной структуры, которая состоит из двух последовательно включенных фотодиодов и используется в качестве фоточувствительного элемента в солнечных батареях [1] Ячейка имеет следующую конструкцию. На подложке из арсенида галия расположен слой узкозонного полупроводника InGaAs, в котором сформированы n- и p⁺-области, на ними находится слой широкозонного полупроводника AlGaAs, в котором сформирована вторая фотодиодная структура, состоящая из последовательно расположенных слоев n⁺-, n-, p⁺-типа проводимости.A known design of a double diode structure, which consists of two series-connected photodiodes and is used as a photosensitive element in solar panels [1], the Cell has the following design. A layer of narrow-gap InGaAs semiconductor is located on a gallium arsenide substrate, in which n- and p ⁺ regions are formed; on them is a layer of wide-gap AlGaAs semiconductor, in which a second photodiode structure is formed, consisting of successively arranged n ⁺ -, n-, p layers ⁺ type of conductivity.

Ячейка работает следующим образом. Световой поток с широким спектром излучения попадает на поверхность верхнего ФД сформированного в широкозонном материале. Коротковолновая часть спектра поглощается, вызывая появление фотоЭДС на первом ФД. У длинноволновая часть спектра проникает во второй ФД, сформированный в узкозонном материале и поглощается в нем, вызывая появление фотоЭДС. Результирующая фотоЭДС складывается, повышая эффективность преобразования солнечной энергии за счет использования двух диодов, включенных последовательно и расположенных друг над другом. Диоды работают в фотовольтаическом режиме, т.е. регистрируется фотоЭДС. The cell works as follows. A luminous flux with a wide spectrum of radiation falls on the surface of the upper PD formed in a wide-gap material. The short-wavelength part of the spectrum is absorbed, causing the appearance of photo-emf at the first PD. In the long-wavelength part of the spectrum, it penetrates into the second PD formed in the narrow-gap material and is absorbed in it, causing the appearance of photo-emf. The resulting photoEMF is added, increasing the efficiency of solar energy conversion through the use of two diodes connected in series and located one above the other. Diodes operate in photovoltaic mode, i.e. photo emf is recorded.

Недостатком известной конструкции является невозможность использования ее для приема монохроматического излучения в фотодиодном режиме. A disadvantage of the known design is the inability to use it to receive monochromatic radiation in the photodiode mode.

Известна конструкция диодной фотоприемной ячейки, выбранная в качестве прототипа [2] которая состоит из подложки арсенида индия, на поверхности которой диффузией получена p⁺-область, а затем сформированы меза-структуры. Каждая меза-структуры представляет собой отдельную фотоприемную ячейку. При этом контакты формируются мостиковым способом.A known design of a diode photodetector cell, selected as a prototype [2], which consists of a substrate of indium arsenide, on the surface of which a p ⁺ region is obtained by diffusion, and then mesa structures are formed. Each mesa structure is a separate photodetector cell. In this case, the contacts are formed by the bridge method.

Известная диодная ячейка работает следующим образом p⁺-n-переход, образованный p⁺ диффузионным слоем и n-подложкой смещается в обратном направлении. При отсутствии светового потока через ФД протекает темновой ток I_т. При наличии излучения ток через ФД возрастает. Его величина определяется количеством поглощенных квантов излучения и квантовой эффективностью. Величина фототока при слабой интенсивности падающего излучения мала, поэтому очень высоки требования к качестве p⁺-n-перехода: в нем должны быть малы темновые токи утечки и достаточно высокие поля пробоя p⁺-n-перехода:

Недостатком известной конструкции является высокая вероятность отказов, обусловленная низким сопротивление обратно-смещенного ФД, которая приводит к резкому увеличению темнового тока ФД, превышающего величину фототока. Отказы могут быть вызваны неоднородным пространственным распределением носителей точечными или структурными дефектами в области p⁺-n-перехода, поверхностными утечками или другими неконтролируемыми факторами. Высокий процент нерабочих диодных фотоприемных ячеек в фотоприемной матрице приводит к выходу из строя матрицы ФПУ в целом.The known diode cell operates as follows p ⁺ -n junction formed by the p ⁺ diffusion layer and the n-substrate is shifted in the opposite direction. In the absence of light flux, a dark current I _t flows through the PD. In the presence of radiation, the current through the PD increases. Its value is determined by the number of absorbed radiation quanta and quantum efficiency. The magnitude of the photocurrent at a low incident radiation intensity is small, therefore, the requirements for the quality of the p ⁺ -n junction are very high: the dark leakage currents and sufficiently high breakdown fields of the p ⁺ -n junction must be small:

A disadvantage of the known design is the high probability of failures due to the low resistance of the reverse biased PD, which leads to a sharp increase in the dark current of the PD, exceeding the photocurrent. Failures can be caused by an inhomogeneous spatial distribution of carriers by point or structural defects in the p ⁺ -n junction region, surface leaks, or other uncontrolled factors. A high percentage of non-working diode photodetector cells in the photodetector array leads to failure of the FPU matrix as a whole.

Технической задачей изобретения является увеличение выхода годных многоэлементных матриц ФПУ на основе диодных фотоприемных ячеек. An object of the invention is to increase the yield of multi-element matrices of FPUs based on diode photodetector cells.

Поставленная техническая задача достигается тем, что известная диодная фотоприемная ячейка для матричного ФПУ, выполненная в виде мезаструктуры, включающая подложку арсенида индия n-типа, активный слой n-типа и расположенный над ним слой p⁺ типа содержит дополнительно последовательно расположенные над ними n⁺ слой толщиной W₊, второй слой n-типа толщиной W₂, второй слой p⁺-типа толщиной W₊, причем выполняется условие W₂= 0,7α^-1, а αW₊≪ 1, где α коэффициент поглощения в n-слое.The stated technical problem is achieved by the fact that the known diode photodetector cell for the matrix FPU, made in the form of a mesastructure, including an n-type indium arsenide substrate, an n-type active layer and a p ⁺ type layer located above it contains an additional n ⁺ layer W ₊ thick, the second n-type layer W ₂ thick, the second p ⁺ -type layer W ₊ thick, and the condition W ₂ = 0.7α ^-1 , and αW ₊ ≪ 1, where α is the absorption coefficient in the n-layer.

В качестве полупроводника, где формируется двойная диодная структура могут использоваться гетероэпитаксиальные слои соединений A₃B₅; A₂B₆; A₄B₆, а в качестве подложек полупроводниковые и диэлектрические подложки материалов с шириной запрещенной зоны, большей чем ширина з.з. эпитаксиального слоя, а также гетероэпитаксиальные структуры с буферными диэлектрическими и полупроводниковыми слоями.As a semiconductor, where a double diode structure is formed, heteroepitaxial layers of compounds A ₃ B ₅ can be used; A ₂ B ₆ ; A ₄ B ₆ , and as substrates, semiconductor and dielectric substrates of materials with a band gap greater than the width of the s.z. epitaxial layer, as well as heteroepitaxial structures with buffer dielectric and semiconductor layers.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием второй диодной структуры, расположенной над первой таким образом, чтобы оба фотодиода включены последовательно, а контакт между ними обеспечен низкоомной туннельной диодной структурой. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized by the presence of a second diode structure located above the first so that both photodiodes are connected in series, and the contact between them is provided by a low-resistance tunnel diode structure.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что двойные структуры диодных ячеек ФПУ известны [1] и используются в гетероструктурах. Однако введение дополнительного p⁺0-n-перехода в материале с той же шириной запрещенной зоны проявляет новые свойства, что приводит к повышению выхода годных при работе в фотодиодном режиме в узком спектральном диапазоне.A comparison of the proposed solution with other technical solutions shows that the double structures of the FPU diode cells are known [1] and are used in heterostructures. However, the introduction of an additional p ⁺ 0n junction in a material with the same band gap exhibits new properties, which leads to an increase in the yield when operating in the photodiode mode in a narrow spectral range.

На фиг.1,2 представлены зонная структура и вольт-амперные характеристики ВАХ, поясняющие работу ячейки. In Fig.1,2 presents the band structure and the current-voltage characteristics of the I-V characteristic explaining the operation of the cell.

В полупроводниковой подложке InAs n-типа-1, последовательно расположены активный слой n-типа толщиной W₁-2, слой p⁺-типа толщиной W₊-3, слой n⁺-типа толщиной W₊-4, второй слой n-типа толщиной W₂-5, слой p⁺-типа толщиной W₊-6. Обозначено: E_c, E_v, E_f, E_g дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень ферми и ширина запрещенной зоны соответственно.In the InAs n-type-1 semiconductor wafer, an n-type active layer with a thickness of W ₁ -2, a p ⁺ -type layer with a thickness of W ₊ -3, a n ⁺ -type layer with a thickness of W ₊ -4, a second n-type layer are sequentially arranged in series thickness W ₂ -5, p ⁺ -type layer W ₊ -6 thick. Designated: E _c , E _v , E _f , E _{g the} bottom of the conduction band, the valence band ceiling, the Fermi level and the band gap, respectively.

На фиг.2 изображены ВАХ одинарной и двойной фотодиодной структуры: кривые 1 и 2 темновая и световая ВАХ двойной диодной структуры, а 4 и 3 для одинарной диодной структуры соответственно. Figure 2 shows the I – V characteristics of a single and double photodiode structure: curves 1 and 2 show the dark and light I – V characteristics of a double diode structure, and 4 and 3 for a single diode structure, respectively.

Ячейка работает следующим образом. The cell works as follows.

При отсутствии светового потока, направленного на поверхность второго от подложки ФД2 через последовательно включенные p⁺-n-переходы течет темновой ток I_t, величина которого меньше каждого из токов насыщения I_s1 и I_s2, соответствующих первому и второму ФД соответственно. При наличии дефектного (полностью пробитого) p⁺-n-перехода (например, второго) ток темновой будет равен I_s1, т.е. определяется величиной обратного темнового тока первого ФД1.In the absence of a luminous flux directed to the surface of the second PD2 from the substrate, dark current I _t flows through successively connected p ⁺ -n junctions, the value of which is less than each of the saturation currents I _s1 and I _s2 corresponding to the first and second PD, respectively. In the presence of a defective (completely broken through) p ⁺ -n junction (for example, the second), the dark current will be equal to I _s1 , i.e. determined by the value of the inverse dark current of the first PD1.

Если вероятность пробоя одного p⁺-n-перехода обозначить P, то вероятность отказа сразу двух последовательно включенных ФД равна произведению их вероятностей P₁•P₂. Например: если вероятность случайного отказа ФД равна 20% (0,2), то вероятность отказа двойной диодной структуры составит 0,04.If the breakdown probability of one p ⁺ -n junction is denoted by P, then the probability of failure of two consecutively connected PDs is equal to the product of their probabilities P ₁ • P ₂ . For example: if the probability of an accidental PD failure is 20% (0.2), then the probability of failure of a double diode structure will be 0.04.

Таким образом в фотодиодном режиме двойная диодная структура обеспечивает уменьшение темнового тока и резкое снижение вероятности катастрофического отказа ячейки ФПУ в матрице. Thus, in the photodiode mode, the double diode structure provides a decrease in the dark current and a sharp decrease in the probability of a catastrophic failure of the FPU cell in the matrix.

При облучении ФД световым потоком интенсивности I_о, часть его поглотителя в первом p⁺-n-переходе, а оставшаяся часть во втором. Если I_о Полностью поглотится в одном p-n-переходе, что увеличения фототока не произойдет, при исправном втором переходе, т.к. его сопротивление велико и ток через ячейку останется равным темновому току второго диода. Если второй диод не рабочий, то величина I_ф определяется числом неосновных носителей сгенерированных в первом переходе и при квантовой эффективности равной единице их число равно I_o/hν. Выход из строя второго перехода приведет к увеличению напряжения смещения на первом переходе, но в пределах рабочего участка характеристики это не приведет к изменению темнового или фототока (фиг.2. точки c' и d')
Для достижения максимальной эффективности необходимо, чтобы весь световой поток поровну поглотился в каждом из переходов I_o/2hν. В этом случае приращение фототока в каждом ФД будет одинаковым и общий ток через двойную диодную структуру также будет равен I_o/2hν. Таким образом величина фототока уменьшается в два раза по сравнению со случаем, когда используется одинаковая диодная структура с поглощением в ней полного светового потока.When the PD is irradiated with a light flux of intensity I _о , part of its absorber is in the first p ⁺ -n junction, and the remaining part is in the second. If I _{о is} completely absorbed in one pn junction, that the increase in the photocurrent will not occur, with a working second junction, because its resistance is large and the current through the cell will remain equal to the dark current of the second diode. If the second diode is not working, then the value of I _f is determined by the number of minority carriers generated in the first transition, and with quantum efficiency equal to unity, their number is I _o / hν. Failure of the second transition will lead to an increase in the bias voltage at the first transition, but within the working section of the characteristic, this will not lead to a change in the dark or photocurrent (Fig. 2. points c 'and d')
To achieve maximum efficiency, it is necessary that the entire luminous flux is equally absorbed in each of the transitions I _o / 2hν. In this case, the increment of the photocurrent in each PD will be the same and the total current through the double diode structure will also be I _o / 2hν. Thus, the magnitude of the photocurrent decreases by half compared with the case when the same diode structure is used with the absorption of the total light flux in it.

Если один из переходов нерабочий, то величина фототока не изменится и также будет составлять 1/2 от фототока для одинарной диодной структуры. If one of the transitions is inoperative, then the magnitude of the photocurrent will not change and will also be 1/2 of the photocurrent for a single diode structure.

Таким образом использование двойной диодной структуры для приема монохроматического (узкой спектральной области) излучения в режиме фотодиодном позволяет резко уменьшить вероятность отказов элементов матрицы ФПУ, при этом снижается величина темнового (I_t) тока большинства ячеек и всего в два раза уменьшается величина сигнала, определяемого фототоком.Thus, the use of a double diode structure for receiving monochromatic (narrow spectral region) radiation in the photodiode mode dramatically reduces the probability of failures of FPU matrix elements, while the dark (I _t ) current of most cells is reduced and the signal determined by the photocurrent is only half reduced .

Толщина первого n-слоя должна удовлетворять условию поглощения 50% интенсивности:
I/I_o= exp(-αW₂) = 0,5, или W₂= 0,7α^-1,
а толщины слоев P⁺ должны быть такими, чтобы поглощение в них было минимально:
exp(-αW₊) ≅ 1.
Это обусловлено тем, что в материалах p-типа часто величина внутризонного поглощения в p-области сравнима с собственным в том же оптическом диапазоне.The thickness of the first n-layer should satisfy the absorption condition of 50% intensity:
I / I _o = exp (-αW ₂ ) = 0.5, or W ₂ = 0.7α ^-1 ,
and the thicknesses of the P ⁺ layers should be such that the absorption in them is minimal:
exp (-αW ₊ ) ≅ 1.
This is due to the fact that in p-type materials the intraband absorption in the p-region is often comparable to its intrinsic in the same optical range.

Claims

Diode photodetector cell of a matrix FPU made in the form of a mesa structure, including an n-type indium arsenide substrate, an n-type active layer and a p ⁺ -type layer located above it, characterized in that the cell further comprises n ⁺ - successively located above them a layer of thickness W +, a second n-layer of thickness W ₂ , a second layer of a p ⁺ type of thickness W ₊ , and the condition

where α is the absorption coefficient.