RU223273U1 - Гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления детекторов одиночных фотонов, работающих в режиме Гейгера в спектральном диапазоне 1300-1700 нм. Гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода, содержащая последовательно расположенные на подложке из InP соединяемый с положительным полюсом источника тока, легированный кремнием контактный слой из InAlAs, нелегированный слой лавинного умножения из InAlAs, легированный углеродом зарядовый слой из InAlAs, нелегированный первый переходный слой из InAlAs, нелегированный поглощающий слой из InGaAs, нелегированный второй переходный слой из InAlAs, а также легированные цинком в центральных участках с образованием одномерной локальной области нелегированные барьерный слой из InAlAs и подключаемый к отрицательному полюсу источника тока контактный слой из InGaAs, отличающаяся тем, что между вторым переходным и барьерным слоями выполнен стоп-слой из двух монослоев кристаллического кремния. Техническая задача заключается в повышении отношения сигнал/шум и увеличении квантовой эффективности детектирования одиночных фотонов. Техническим результатом является подавление возникновения темнового тока однофотонного лавинного фотодиода.

Description

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике и может быть использована для изготовления детекторов одиночных фотонов, работающих в режиме Гейгера в спектральном диапазоне 1300-1700 нм.

Для достижения высокого уровня детектирования сигналов от источников одиночных фотонов спектрального диапазона 1300-1700 нм используются полупроводниковые гетероструктуры лавинных фотодиодов в системе материалов InGaAlAs/InGaAsP/InP, которые позволяют детектировать одиночные фотоны при рабочих температурах от -80°С до -60°С.

Известна полупроводниковая гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода, выполненная на подложке из InP и включающая следующие эпитаксиальные слои: контактный слой из n-InP, контактный слой из n-InAlAs, слой лавинного умножения из InAlAs, согласованный по постоянной решетки с InP, зарядовый слой p-типа из легированного углеродом InAlAs, переходный слой из InAlAs, поглощающий слой из нелегированного InGaAs, переходный слой из InAlAs, барьерный слой p-типа из легированного углеродом InAlAs и контактный слой p-типа из легированного углеродом InGaAs [G. Karve et al., "Geiger mode operation of an In_0.53Ga_0.47As-In_0.52Al_0.48As avalanche photodiode," in IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 39, № 10, pp. 1281-1286, Oct. 2003, doi: 10.1109/JQE.2003.817244]. Недостатком данной гетероструктуры является необходимость формирования мезаструктуры при изготовлении кристалла однофотонного лавинного фотодиода на ее основе. Это приводит к увеличению силы темнового тока однофотонного лавинного фотодиода в результате возникновения тока утечки по поверхности мезаструктуры, и как следствие, к падению отношения сигнал/шум и падению квантовой эффективности детектирования одиночных фотонов.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является полупроводниковая гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода, содержащая последовательно расположенные на подложке из InP легированный кремнием первый контактный слой из InAlAs, нелегированный слой лавинного умножения из InAlAs, легированный углеродом зарядовый слой из InAlAs, нелегированный первый переходный слой из InAlAs, нелегированный поглощающий слой из InGaAs, нелегированный второй переходный слой из InAlAs, нелегированный барьерный слой из InAlAs и нелегированный второй контактный слой из InGaAs, в центральных участках барьерного и второго контактного слоев которой сформирована одномерная локальная область, легированная цинком [патент РФ 216579, МПК H01L31/107, опубл. 14.02.2023]. Недостатком данной полупроводниковой гетероструктуры является тот факт, что при формировании в барьерном и втором контактном слоях одномерной локальной области, легированной цинком, происходит нежелательное проникновение цинка в поглощающий слой InGaAs. Это приводит к росту силы темнового тока лавинного фотодиода и, как следствие, к падению отношения сигнал/шум и падению квантовой эффективности детектирования одиночных фотонов.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении отношения сигнал/шум и увеличении квантовой эффективности детектирования одиночных фотонов.

Поставленная задача решается при реализации устройства благодаря достижению технического результата, заключающегося в подавлении возникновения темнового тока однофотонного лавинного фотодиода.

Данный технический результат достигается тем, что полупроводниковая гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода, содержащая последовательно расположенные на подложке из InP соединяемый с положительным полюсом источника тока легированный кремнием контактный слой из InAlAs, нелегированный слой лавинного умножения из InAlAs, легированный углеродом зарядовый слой из InAlAs, нелегированный первый переходный слой из InAlAs, нелегированный поглощающий слой из InGaAs, нелегированный второй переходный слой из InAlAs, а также легированные цинком в центральных участках с образованием одномерной локальной области нелегированные барьерный слой из InAlAs и подключаемый к отрицательному полюсу источника тока контактный слой из InGaAs, отличается тем, что между вторым переходным и барьерным слоями выполнен стоп-слой из двух монослоев кристаллического кремния.

На фигуре схематически показана гетероструктура предложенного однофотонного лавинного фотодиода в поперечном сечении.

Устройство состоит из последовательно расположенных на подложке 1 из InP эпитаксиальных слоев: соединяемый с положительным полюсом источника тока первый контактный слой 2, выполненный из InAlAs и легированный кремнием до уровня концентрации 5×10¹⁸ см^-3, слой лавинного умножения 3, выполненный из InAlAs, зарядовый слой 4, выполненный из InAlAs и легированный примесью p-типа до уровня концентрации 3×10¹⁷ см^-3, первый переходный слой 5, выполненный из InAlAs, поглощающий слой 6, выполненный из InGaAs, второй переходный слой 7, выполненный из InAlAs, стоп-слой 8, выполненный для обеспечения электронейтральности из двух монослоев кристаллического кремния, барьерный слой 9, выполненный из InAlAs, и подключаемый к отрицательному полюсу источника тока второй контактный слой 10, выполненный из InGaAs. Центральные части барьерного слоя 9 и второго контактного слоя 10 легированы путем диффузии с образованием одномерной локальной области легирования цинком 11. Уровень легирования барьерного слоя 9 в локальной области 11 составляет 5×10¹⁹ см^-3, а уровень легирования контактного слоя 10 в этой области составляет от 5×10¹⁹ до 1×10²⁰ см^-3.

Устройство однофотонного лавинного фотодиода на основе предлагаемой гетероструктуры работает следующим образом. Для счета фотонов используется гейгеровский режим, при котором подается напряжение смещения большее, чем напряжение пробоя, примерно на 10-20%. При попадании фотонов оптического излучения на входное окно, расположенное на втором контактном слое 10, и прохождении его через барьерный 9, стоп-слой 8 и переходный 7 слои без поглощения, поскольку толщина стоп-слоя 8 мала, а ширина запрещенной зоны других слоев больше энергии фотона, в поглощающем слое 6 возникают электронно-дырочные пары, которые разделяются под действием электрического поля и дрейфуют в противоположные стороны. Носители заряда дрейфуют через первый переходный 5 и зарядовый 4 слои в слой лавинного умножения 3, где возникает импульс лавинного тока. Зарядовый слой 4 способствует формированию сильного электрического поля в слое лавинного умножения 3 и слабого электрического поля в поглощающем слое 6. Первый 5 и второй 7 переходные слои необходимы для плавного изменения напряженности электрического поля между слоями, которые они разделяют.

Наличие стоп-слоя позволяет полностью подавить диффузию цинка во второй переходный слой 7 и поглощающий слой 6, поскольку скорость диффузии цинка, по вакансионному механизму, в кремнии значительно меньше, чем в других материалах, используемых в предлагаемой гетероструктуре, за счет более высокой энергии связи. Это, в свою очередь, уменьшает количество носителей заряда во втором переходном 7 и поглощающем 6 слоях, способствующих возникновению темнового тока. Таким образом, данный положительный эффект приводит к техническому результату, заключающемся в подавлении возникновения темнового тока однофотонного лавинного фотодиода, выполненного на основе предлагаемой гетероструктуры.

Claims (1)

1. Гетероструктура однофотонного лавинного фотодиода, содержащая последовательно расположенные на подложке из InP соединяемый с положительным полюсом источника тока, легированный кремнием контактный слой из InAlAs, нелегированный слой лавинного умножения из InAlAs, легированный углеродом зарядовый слой из InAlAs, нелегированный первый переходный слой из InAlAs, нелегированный поглощающий слой из InGaAs, нелегированный второй переходный слой из InAlAs, а также легированные цинком в центральных участках с образованием одномерной локальной области нелегированные барьерный слой из InAlAs и подключаемый к отрицательному полюсу источника тока контактный слой из InGaAs, отличающаяся тем, что между вторым переходным и барьерным слоями выполнен стоп-слой из двух монослоев кристаллического кремния.