RU2404487C1 - Avalanche photodiode - Google Patents
Avalanche photodiode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2404487C1 RU2404487C1 RU2009131978/28A RU2009131978A RU2404487C1 RU 2404487 C1 RU2404487 C1 RU 2404487C1 RU 2009131978/28 A RU2009131978/28 A RU 2009131978/28A RU 2009131978 A RU2009131978 A RU 2009131978A RU 2404487 C1 RU2404487 C1 RU 2404487C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- silicon
- absorbing layer
- absorbing
- photodiode
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковым приборам с потенциальным барьером, работающим в режиме лавинного умножения фотовозбужденных носителей заряда и предназначенным для преобразования оптического сигнала в электрический. Изобретение может быть использовано в оптических системах связи, в системах измерения в качестве оптоэлектронного датчика, в том числе в системах детектирования частиц высоких энергий, в интегральной оптоэлектронике.The invention relates to semiconductor devices with a potential barrier operating in the avalanche mode of photoexcited charge carriers and designed to convert an optical signal into an electric one. The invention can be used in optical communication systems, in measurement systems as an optoelectronic sensor, including in high-energy particle detection systems, in integrated optoelectronics.
Лавинные фотодиоды представляют собой полупроводниковые оптоэлектронные приборы, принцип действия которых заключается в преобразовании потока фотонов в фотоэлектрический ток за счет внутреннего фотоэлектрического эффекта в сочетании с последующим усилением фотоэлектрического тока за счет эффекта лавинного умножения фотовозбужденных электронов или дырок в достаточно сильном электрическом поле вышеупомянутого потенциального барьера.Avalanche photodiodes are semiconductor optoelectronic devices, the principle of which is to convert the photon flux into a photoelectric current due to the internal photoelectric effect in combination with the subsequent amplification of the photoelectric current due to the avalanche multiplication of photoexcited electrons or holes in a sufficiently strong electric field of the aforementioned potential barrier.
Особый класс лавинных фотодиодов представляют так называемые лавинные фотодиоды с раздельными поглощающим и умножительным слоями, в которых функции преобразования потока фотонов в фотоэлектрический ток и лавинного усиления последнего выполняют различные слои приборной структуры, разделенные в пространстве и контактирующие друг с другом. В последнее время такие лавинные фотодиоды часто выполняются на базе полупроводниковых гетероструктур, в которых поглощающий и умножительный слои выполнены из полупроводниковых материалов различного химического состава. При формировании гетероструктур используют материалы IV, III-V, II-VI и др. групп периодической системы, применяя совокупность как нелегированных, так и легированных полупроводниковых материалов, а также их комбинации. Использование тех или иных материалов определяется предъявляемыми к приборам требованиями. Так, для повышения быстродействия целесообразно изготавливать поглощающий слой из нелегированного материала, а для повышения выходной мощности лавинного фотодиода - из легированного материала.A special class of avalanche photodiodes is represented by so-called avalanche photodiodes with separate absorbing and multiplying layers, in which the functions of converting the photon flux into a photoelectric current and avalanche amplification of the latter are performed by various layers of the device structure, separated in space and in contact with each other. Recently, such avalanche photodiodes are often performed on the basis of semiconductor heterostructures in which the absorbing and multiplying layers are made of semiconductor materials of various chemical compositions. In the formation of heterostructures, materials of IV, III-V, II-VI, and other groups of the periodic system are used, using a combination of both undoped and doped semiconductor materials, as well as their combinations. The use of certain materials is determined by the requirements for the devices. So, to improve performance it is advisable to make an absorbing layer of unalloyed material, and to increase the output power of an avalanche photodiode from alloyed material.
Для получения высоких эксплуатационных характеристик в состав гетероструктуры вводятся дополнительные слои, например слой тянущего поля между поглощающим слоем и умножительным слоем, полевой буферный слой между слоем тянущего поля и умножительным слоем (например, US 6963089 В2, 2005-11-08); между поглощающим и умножительным слоем вводят уменьшающий темновой ток напряженный слой в виде сверхрешетки (JP 2004179404 А, 2004-06-24). Для получения более совершенных поглощающих и умножительных слоев гетероструктура может также содержать дополнительно слои в виде квантовых ям (КЯ) или квантовых точек (КТ) (например, RU 2022411 С1, 1994-10-30; US 2008006816 А, 2008-01-10).To obtain high performance characteristics, additional layers are introduced into the heterostructure, for example, a pulling field layer between the absorbing layer and the multiplying layer, a field buffer layer between the pulling field layer and the multiplying layer (for example, US 6963089 B2, 2005-11-08); a dark layer in the form of a superlattice, which reduces the dark current, is introduced between the absorbing and multiplying layers (JP 2004179404 A, 2004-06-24). To obtain more advanced absorbing and multiplying layers, the heterostructure may also contain additional layers in the form of quantum wells (QWs) or quantum dots (QDs) (for example, RU 2022411 C1, 1994-10-30; US 2008006816 A, 2008-01-10) .
Выбор материалов для формирования слоев гетероструктуры связан и с областью применения прибора, которая определяет его рабочий спектральный диапазон длин волн оптического излучения, для детектирования которого он предназначен, а также температурный режим, напряжение питания и пр.The choice of materials for the formation of heterostructure layers is also related to the field of application of the device, which determines its working spectral range of wavelengths of optical radiation, for the detection of which it is intended, as well as temperature, supply voltage, etc.
Лавинные фотодиоды среднего и дальнего инфракрасного (ИК) диапазона (красная граница рабочего спектрального диапазона λR≈30 мкм), эксплуатируются в условиях криогенных температур (обычно, 4,2 К).Avalanche photodiodes of the middle and far infrared (IR) range (red boundary of the working spectral range λ R ≈30 μm) are operated at cryogenic temperatures (usually 4.2 K).
Настоящее изобретение относится к лавинным фотодиодам, предназначенным для ближнего ИК-диапазона.The present invention relates to avalanche photodiodes designed for the near infrared range.
Освоение ближнего ИК-диапазона является актуальным в связи с развитием оптических систем связи, интегральной оптоэлектроники, систем измерения и др. Особенно важно освоение так называемого коммуникативного диапазона длин волн λ=1,3-1,6 мкм, который соответствует диапазону наименьших оптических потерь в световодах на основе безводного кварцевого оптоволокна, используемых для передачи оптического сигнала.The development of the near-IR range is relevant in connection with the development of optical communication systems, integrated optoelectronics, measurement systems, etc. It is especially important to master the so-called communicative wavelength range λ = 1.3-1.6 μm, which corresponds to the range of the smallest optical losses in optical fibers based on anhydrous quartz fiber used to transmit an optical signal.
В лавинных фотодиодах ближнего ИК-диапазона (λR=2,5÷3,5 мкм) используются поглощающие слои на основе узкозонных полупроводниковых соединений типа A3B5 (InAs, InSb и др.). Их принцип действия основан на явлении межзонного (собственного) оптического поглощения.Near-IR avalanche photodiodes (λ R = 2.5–3.5 μm) use absorbing layers based on narrow-gap semiconductor compounds of the A 3 B 5 type (InAs, InSb, etc.). Their principle of operation is based on the phenomenon of interband (intrinsic) optical absorption.
Известны фотодиоды ближнего ИК-диапазона, принцип действия которых основан на явлении межподзонного оптического поглощения (фотоионизации) КЯ или КТ. Известны фотодиоды, в которых поглощающий слой выполнен в виде гетероструктур с КЯ AlGaAs/GaAs, InGaAs/GaAs, InGaAs/InP и др., а также на базе гетероструктур с КТ InAs/GaAs, GaSb/GaAs и др. (US 2002074555 А1, 2002-06-20).Known near-infrared photodiodes, the principle of which is based on the phenomenon of interband optical absorption (photoionization) of QWs or QDs. Photodiodes are known in which the absorbing layer is made in the form of heterostructures with AlGaAs / GaAs QWs, InGaAs / GaAs, InGaAs / InP, etc., as well as based on heterostructures with InAs / GaAs QDs, GaSb / GaAs, etc. (US 2002074555 A1, 2002-06-20).
Для достижения необходимого для практических применений значения внешней квантовой эффективности фотодиода поглощающий слой выполняют в виде многослойных структур с КЯ или КТ (50-100 КЯ или слоев КТ). Фотодиоды на основе вышеприведенных структур эксплуатируются при пониженных и комнатных температурах (температурный режим большинства фотодиодов, в зависимости от рабочего диапазона длин волн, лежит в пределах 77-250 К).To achieve the external quantum efficiency of the photodiode necessary for practical applications, the absorbing layer is made in the form of multilayer structures with QW or QD (50-100 QW or QD layers). Photodiodes based on the above structures are operated at low and room temperatures (the temperature regime of most photodiodes, depending on the operating wavelength range, lies in the range of 77-250 K).
Известен фотодиод, принцип действия которого основан на эффекте межзонного оптического поглощения, красная граница рабочего диапазона длин волн которого достигает λR≈1,6 мкм (US 2003164444 А1, 2003-09-04). Фотодиод содержит подложку и контактирующие друг с другом поглощающий и умножительный слои и может быть выполнен на основе материалов III-V, II-VI, IV группы Периодической системы. Отличительной особенностью прибора является то, что поглощающий слой выполнен таким, что при приложении к нему электрического напряжения ширина запрещенной зоны материала, из которого выполнен поглощающий слой, уменьшается за счет электрооптического эффекта Франка-Келдыша и, соответственно, красная граница рабочего спектрального диапазона сдвигается в сторону увеличения. При этом ширина запрещенной зоны материала поглощающего слоя, красная граница рабочего спектрального диапазона, рабочее напряжение, квантовая эффективность и быстродействие прибора связаны между собой определенными соотношениями.A known photodiode, the principle of which is based on the effect of interband optical absorption, the red border of the working wavelength range of which reaches λ R ≈ 1.6 μm (US 2003164444 A1, 2003-09-04). The photodiode contains a substrate and absorbing and multiplying layers in contact with each other and can be made on the basis of materials of the III-V, II-VI, IV groups of the Periodic System. A distinctive feature of the device is that the absorbing layer is made such that when an electric voltage is applied to it, the band gap of the material from which the absorbing layer is made is reduced due to the Frank-Keldysh electro-optical effect and, accordingly, the red boundary of the working spectral range is shifted to the side increase. In this case, the band gap of the material of the absorbing layer, the red boundary of the working spectral range, the operating voltage, quantum efficiency, and speed of the device are interconnected by certain relations.
Недостатком этого фотодиода является то, что даже малое отклонение вышеприведенных параметров от расчетных приводит к снижению квантовой эффективности и быстродействия.The disadvantage of this photodiode is that even a small deviation of the above parameters from the calculated results in a decrease in quantum efficiency and speed.
В настоящее время при разработке лавинных фотодиодов ближнего ИК-диапазона большое внимание уделяется подбору материалов, допускающих интеграцию фотодиода в интегральные схемы (ИС) на базе кремния Si, позволяющей создавать микроминиатюрные приборы различного назначения.Currently, in the development of near-infrared avalanche photodiodes, much attention is paid to the selection of materials that allow the integration of a photodiode into integrated circuits (ICs) based on silicon Si, which makes it possible to create microminiature devices for various purposes.
Известны работающие при комнатных температурах лавинные фотодиоды, выполненные на кремнии Si и германии Ge. Поглощающий слой в этих фотодиодах выполнен в виде однородного слоя из Ge (например, WO 2008011281 А1, 2008-01-24) или в виде двух однородных слоев из нелегированных Ge и из Si (US 7233051 В2, 2007-06-19). Однако эти фотодиоды имеют недостаток, обусловленный тем, что при толщине слоя Ge, меньшей критической толщины образования дислокации несоответствия dкр, красная граница рабочего спектрального диапазона λR не превышает 1,3 мкм из-за эффекта размерного квантования, а при увеличении толщины слоя Ge свыше dкр ухудшаются электрические характеристики фотодиода и понижается его квантовая эффективность вследствие формирования дислокации несоответствия.Avalanche photodiodes operating at room temperature, made on silicon Si and germanium Ge, are known. The absorbing layer in these photodiodes is made in the form of a uniform layer of Ge (for example, WO 2008011281 A1, 2008-01-24) or as two homogeneous layers of undoped Ge and Si (US 7233051 B2, 2007-06-19). However, these photodiodes have the disadvantage that, when the Ge layer thickness is less than the critical thickness of the formation of the misfit dislocation d cr , the red boundary of the working spectral range λ R does not exceed 1.3 μm due to the size quantization effect, and with an increase in the thickness of the Ge layer above d cr, the electrical characteristics of the photodiode deteriorate and its quantum efficiency decreases due to the formation of a misfit dislocation.
В качестве ближайшего аналога выбран фотодиод, известный по US 7233051 В2, 2007-06-19. Фотодиод содержит умножительный слой из нелегированного Si, поглощающий слой в виде однородной двухслойной структуры из нелегированных Si и Ge, расположенный между поглощающим и умножительным слоями слой p-Si, первый подконтактный слой из p+-Si, расположенный на нелегированном Si слое и примыкающий к умножительному слою второй подконтактный слой из n+-Si. В поглощающем слое толщина слоя Si и толщина слоя Ge составляет 100 нм.As the closest analogue selected photodiode, known from US 7233051 B2, 2007-06-19. The photodiode contains a multiplier layer of undoped Si, an absorbing layer in the form of a homogeneous two-layer structure of undoped Si and Ge, a p-Si layer located between the absorbing and multiplying layers, the first p + Si contact layer located on the undoped Si layer and adjacent to the multiplying second contact layer of n + -Si. In the absorbing layer, the thickness of the Si layer and the thickness of the Ge layer is 100 nm.
Недостатком этого фотодиода, как сказано выше, является то, что в нем переход в длинноволновую область ближнего ИК-диапазона (λR=1,6 мкм) сопровождается ухудшением электрических характеристик, в частности повышением темнового тока и уровня шумов вследствие образования в слое Ge закритической толщины дислокации несоответствия. Другой недостаток, обусловленный выполнением поглощающего слоя двухслойным и наличием слоя p-Si между поглощающим и умножительным слоями, заключается в многостадийной технологии изготовления этого фотодиода.The disadvantage of this photodiode, as mentioned above, is that in it the transition to the long-wavelength region of the near infrared range (λ R = 1.6 μm) is accompanied by a deterioration in the electrical characteristics, in particular, an increase in the dark current and noise level due to the formation of supercritical misfit dislocation thickness. Another disadvantage caused by the implementation of the absorbing layer in two layers and the presence of a p-Si layer between the absorbing and multiplying layers is the multistage technology for manufacturing this photodiode.
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в расширении рабочего спектрального диапазона фотодиода в области ближнего ИК-диапазона при улучшении квантовой эффективности и электрических характеристик фотодиода и упрощении его конструкции.The technical result achieved by the present invention is to expand the working spectral range of the photodiode in the near-infrared region while improving the quantum efficiency and electrical characteristics of the photodiode and simplifying its design.
В соответствии с изобретением лавинный фотодиод, выполненный в виде гетероструктуры, содержащей поглощающий слой на основе германия и кремния, умножительный слой из кремния, примыкающий к умножительному слою первый подконтактный слой из легированного кремния и примыкающий к поглощающему слою второй подконтактный слой из легированного кремния, характеризуется тем, что поглощающий слой выполнен из легированного кремния с наноразмерными включениями твердого раствора GexSi1-x(x≥0,5), при этом в поглощающем слое твердый раствор и кремний имеют одинаковый тип проводимости, поглощающий слой примыкает к умножительному слою из легированного кремния, тип проводимости которого отличается от типа проводимости поглощающего слоя, а концентрация легирующей примеси в умножительном слое меньше, чем концентрация легирующей примеси в поглощающем слое.In accordance with the invention, an avalanche photodiode made in the form of a heterostructure containing an absorbing layer based on germanium and silicon, a silicon multiplier layer adjacent to the multiplication layer is the first contact layer of doped silicon and adjacent to the absorption layer is a second contact layer of doped silicon, characterized in that the absorbing layer is made of silicon doped with nanoscale inclusions of a solid solution of Ge x Si 1-x (x≥0,5), wherein in the absorbent layer a solid solution of silicon and they are the same conductivity type, an absorber layer adjacent to the multiplier of the doped silicon layer, which conductivity type is different from the conductivity type of the absorbing layer and the dopant concentration in the layer of the multiplier is less than the dopant concentration in the absorbing layer.
Целесообразно каждое из включений твердого раствора GexSi1-x выполнить с размерами в плоскости слоя 90-130 нм и в направлении, перпендикулярном плоскости слоя, не менее 10 нм.It is advisable that each of the inclusions of the Ge x Si 1-x solid solution be made with dimensions in the plane of the layer of 90-130 nm and in the direction perpendicular to the plane of the layer of at least 10 nm.
Первый подконтактный слой целесообразно выполнить из легированного кремния, имеющего тот же тип проводимости, что и умножительный слой, а концентрация легирующей примеси в первом подконтактном слое должна превышать концентрацию легирующей примеси в умножительном слое.The first contact layer is expediently made of doped silicon having the same type of conductivity as the multiplier layer, and the concentration of the dopant in the first contact layer should exceed the concentration of the dopant in the multiplier layer.
Второй подконтактный слой также целесообразно выполнить из легированного кремния, имеющего тот же тип проводимости, что и поглощающий слой, а концентрация легирующей примеси во втором подконтактном слое должна превышать концентрацию легирующей примеси в поглощающем слое.The second contact layer is also expediently made of doped silicon having the same type of conductivity as the absorbing layer, and the concentration of the dopant in the second contact ply should exceed the concentration of the dopant in the absorbing layer.
В варианте исполнения лавинного фотодиода в виде волноводной меза-структуры второй подконтактный слой расположен на изолирующем слое, на котором расположен также волноводный слой кремния, оптически связанный с поглощающим слоем, и слой из диэлектрика, покрывающий волноводный слой кремния.In the embodiment of the avalanche photodiode in the form of a waveguide mesa structure, the second contact layer is located on the insulating layer, on which there is also a silicon waveguide optically coupled to the absorbing layer, and a dielectric layer covering the silicon waveguide layer.
В основу изобретения положены экспериментальные данные, полученные при изучении возможностей полупроводниковой структуры с наноразмерными включениями твердого раствора GexSi1-x(x≥0,5) в кремнии в качестве поглощающего слоя в составе лавинного фотодиода с умножительным слоем на основе кремния. Как показывают эксперименты, у фотодиода, содержащего поглощающий слой из легированного кремния с наноразмерными включениями твердого раствора GexSi1-x(x≥0,5), имеющими тот же тип проводимости, что и кремний, и умножительный слой из легированного кремния, тип проводимости которого отличается от типа проводимости поглощающего слоя, а концентрация легирующей примеси в уможительном слое меньше, чем концентрация легирующей примеси в поглощающем слое, появляется возможность продвижения в длинноволновую область ближнего ИК-диапазона при обеспечении большей квантовой эффективности и снижении темнового тока и уровня шумов.The invention is based on experimental data obtained by studying the possibilities of a semiconductor structure with nanoscale inclusions of a solid solution of Ge x Si 1-x (x≥0.5) in silicon as an absorbing layer in an avalanche photodiode with a silicon-based multiplier layer. As experiments show, a photodiode containing an absorbing layer of doped silicon with nanosized inclusions of a Ge x Si 1-x solid solution (x≥0.5) having the same conductivity type as silicon and a multiplication layer of doped silicon, type whose conductivity differs from the type of conductivity of the absorbing layer, and the concentration of the dopant in the softening layer is less than the concentration of the dopant in the absorbing layer, it becomes possible to advance to the long-wavelength region of the near IR range echenii higher quantum efficiency and reduction of dark current and noise level.
Использование твердого раствора GexSi1-x в структуре фотодиода представляется наиболее интересным, поскольку германий является единственным элементом IV группы Периодической системы, который образует с кремнием непрерывный ряд твердых растворов замещения (0≤х≤1), кристаллизующихся в структурном типе алмаза, как и кремний, и германий. Этот фактор способствует формированию (при определенных параметрах технологического процесса) наноразмерных кристаллических включений твердого раствора GexSi1-x в кремнии, обладающих необходимыми размерами, объемной концентрацией и значениями х, обеспечивающими отсутствие дефектов на границе раздела включений GexSi1-x и кремния. Последнее является ключевым фактором интеграции слоев, содержащих наноразмерные включения GexSi1-x в кремнии, в микро- (нано-) и оптоэлектронные приборы на базе кремния.The use of a Ge x Si 1-x solid solution in the structure of the photodiode seems to be most interesting, since germanium is the only element of group IV of the Periodic system, which forms a continuous series of substitutional solid solutions with silicon (0≤x≤1), which crystallize in the structural type of diamond, as and silicon and germanium. This factor contributes to the formation (with certain parameters of the process) of nanoscale crystalline inclusions of the Ge x Si 1-x solid solution in silicon, which have the necessary dimensions, volume concentration, and x values that ensure that there are no defects at the interface between the Ge x Si 1-x inclusions and silicon . The latter is a key factor in the integration of layers containing nanosized Ge x Si 1-x inclusions in silicon into micro- (nano-) and silicon-based optoelectronic devices.
Значение х определяет значение красной границы рабочего спектрального диапазона лавинного фотодиода. Для х≥0,5 красная граница рабочего спектрального диапазона фотодиода λR превышает 1,7 мкм при комнатной температуре, т.е. спектральный диапазон фотодиода расширяется в длинноволновую часть ближнего ИК-диапазона.The value of x determines the value of the red border of the working spectral range of the avalanche photodiode. For x≥0.5, the red border of the working spectral range of the photodiode λ R exceeds 1.7 μm at room temperature, i.e. The spectral range of the photodiode extends into the long-wavelength region of the near infrared range.
Наибольший эффект наблюдается при размерах включений твердого раствора GexSi1-x в кремний в плоскости слоя 90-130 нм и в направлении, перпендикулярном плоскости слоя, не менее 10 нм.The greatest effect is observed when the inclusions of the Ge x Si 1-x solid solution in silicon in the layer plane of 90-130 nm and in the direction perpendicular to the layer plane are not less than 10 nm.
Проведенные исследования позволили создать простую, компактную и технологически нетрудоемкую конструкцию лавинного фотодиода.The conducted studies allowed us to create a simple, compact and technologically labor-saving design of an avalanche photodiode.
На фиг.1 и 2 представлены схемы лавинного фотодиода; на фиг.3 приведены квазистатические вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода с однослойным массивом наноразмерных включений твердого раствора GexSi1-x, измеренные в темноте (кривая «а») и при освещении от широкополосного источника оптического излучения (кривая «б») при комнатной температуре; на фиг.4 приведен спектр относительной нормированной фоточувствительности, измеренный при комнатной температуре в режиме разомкнутой цепи. Представленные характеристики получены экспериментально на структурах с размерами включений твердого раствора GexSi1-x в кремний в плоскости слоя 90-130 нм и в направлении, перпендикулярном плоскости слоя, 10-15 нм.Figure 1 and 2 presents a diagram of an avalanche photodiode; Figure 3 shows the quasi-static current-voltage characteristics (I-V) with single photodiode array of nanoscale inclusions of Ge x Si 1-x solid solution, measured in the dark (curve "a") and when illuminated by a broadband source of optical radiation (curve "b" ) at room temperature; figure 4 shows the spectrum of the relative normalized photosensitivity, measured at room temperature in the open circuit mode. The characteristics presented are obtained experimentally on structures with dimensions of inclusions of a Ge x Si 1-x solid solution in silicon in the layer plane of 90-130 nm and in the direction perpendicular to the layer plane of 10-15 nm.
Гетероструктура фотодиода содержит поглощающий слой 1, примыкающий к поглощающему слою 1 умножительный слой 2, первый подконтактный слой 3, второй подконтактный слой 4 и контактные слои 5 и 6 (фиг.1).The heterostructure of the photodiode contains an
Поглощающий слой 1 выполнен из легированного кремния с наноразмерными включениями из твердого раствора GexSi1-x(х≥0,5), имеющими тот же тип проводимости, что и кремний. Требование к обеспечению одинакового типа проводимости необходимо для предотвращения взаимной компенсации электрических зарядов ионизованных доноров и акцепторов, что позволяет формировать необходимый для работы фотодиода профиль электрического поля в поглощающем слое 1 и умножительном слое 2.The absorbing
Технологически поглощающий слой 1 можно получить легированием кремния мелкой акцепторной или донорской примесью с наноразмерными включениями из нелегированного твердого раствора GexSi1-x(x≥0,5).Technologically, the absorbing
Умножительный слой 2 выполнен из легированного Si, тип проводимости которого отличается от типа проводимости поглощающего слоя 1. Для формирования необходимого для работы фотодиода профиля электрического поля в поглощающем слое 1 и в умножительном слое 2 концентрация легирующей примеси в слое 2 меньше концентрации легирующей примеси в поглощающем слое 1.The
В одном варианте фотодиода кремний в поглощающем слое 1 с GexSi1-x может иметь р--тип проводимости, при этом умножительный слой 2 выполняется из кремния n--типа проводимости, подконтактный слой 3 - из кремния n+-типа, а подконтактный слой 4 - из кремния p+-типа.In one embodiment of the photodiode, silicon in the absorbing
В другом варианте реализации фотодиода кремний в поглощающем слое 1 с нанорамерными включениями GexSi1-x может иметь n-тип проводимости, а кремний в умножительном слое 2 -р--тип проводимости. В этом случае подконтактный слой 3 и целесообразно выполнить из кремния p+-типа, а подконтактный слой 4 - из кремния n+-типа.In another embodiment of the photodiode, silicon in the absorbing
Подконтактный слой 3, примыкающий к умножительному слою 2, выполнен из легированного кремния, имеющего тот же тип проводимости, что и умножительный слой 2, а концентрация легирующей примеси в подконтактном слоя 3 больше, чем в умножительном слое 2. Это позволяет сформировать омический контакт с низким сопротивлением между контактным слоем 5 и подконтактным слоем 3.The
Подконтактный слой 4, примыкающий к поглощающему слою 1, выполнен из легированного кремния, имеющего тот же тип проводимости, что и поглощающий слой 1, а концентрация легирующей примеси в материале подконтактного слоя 4 больше, чем в поглощающем слое 1. Это позволяет сформировать омический контакт с низким сопротивлением между контактным слоем 6 и подконтактным слоем 1.The
Контактные слои 5 и 6 выполнены из металла, например золота Au, алюминия Al, меди Cu и пр. В некоторых возможных реализациях фотодиода контаткные слои 5 и/или 6 могут быть выполнены не сплошными, а иметь отверстия различной формы, чтобы обеспечить доступ принимаемого оптического излучения к поглощающему слою 1. Умножительный слой 2 и подконтактые слои 3 и 4 прозрачны для оптического излучения коммуникативного диапазона длин волн. Возможен вариант, когда один из контактных слоев 5 и 6 или оба контактных слоя 5 и 6 могут быть выполнены из прозрачного проводящего материала, например из смеси оксидов индия и олова (ИТО), диоксида олова, легированного сурьмой SnO2:Sb и т.п. В этом случае соответствующие контактные слои могут быть выполнены сплошными.The contact layers 5 and 6 are made of metal, for example, gold Au, aluminum Al, copper Cu, etc. In some possible implementations of the photodiode, the contact layers 5 and / or 6 can be made not continuous, but have holes of various shapes to provide access to the received optical radiation to the
Конкретные значения концентрации легирующих примесей в слоях 1-4 определяются значением рабочего напряжения на фотодиоде Up. Например, для Up=3 В, что соответствует логическому уровню единицы в комплиментарной логике "металл-оксид-полупроводник" (КМОП), концентрация акцепторной примеси в поглощающем слое 1 p-типа NA≈1·1018 см-3, концентрация доноров в умножительном слое 2 n-типа ND≈5·1016 см-3, концентрация доноров в подконтактном слое 3 n+-типа. ND≈1·1019 см-3 и концентрация акцепторов в подконтактном слое 4 p+-типа NA≈1·1019 см-3.The specific concentration of dopants in layers 1-4 are determined by the value of the operating voltage at the photodiode U p . For example, for U p = 3 V, which corresponds to the logical unit level in the complementary metal-oxide-semiconductor logic (CMOS), the concentration of the acceptor impurity in the absorbing layer is 1 p-type N A ≈1 · 10 18 cm -3 , concentration of donors in the
Вышеописанная гетероструктура может быть использована в лавинном фотодиоде с вертикальной меза-структурой и лежать в основе лавинного фотодиода в виде волноводной меза-структуры (фиг.2).The above heterostructure can be used in an avalanche photodiode with a vertical mesa structure and underlie the avalanche photodiode in the form of a waveguide mesa structure (Fig. 2).
Фотодиод в виде волноводной меза-структуры содержит изолирующий слой 7 (SiO2, оксинитрид кремния и т.п.), на котором выполнены подконтактный слой 4 вышеописанной гетероструктуры и волноводный слой 8 из легированного или нелегированного кремния. Слой 8 оптически связан с поглощающим слоем 1 и покрыт слоем 9 из диэлектрика, который заполняет промежуток между торцом слоя 8 и боковой поверхностью вышеописанной гетероструктуры. Слой 9 может быть выполнен из SiO2, полиимида и т.п.A photodiode in the form of a waveguide mesa structure contains an insulating layer 7 (SiO 2 , silicon oxynitride, etc.), on which a
Изолирующий слой 7 и слой 9 в этом варианте фотодиода выполняют функцию оптического ограничителя.The insulating
Размеры подконтактного слоя 4 вдоль изолирующего слоя 7 превышают размеры в указанном направлении гетероструктуры, содержащей поглощающий слой 1, умножительный слой 2 и подконтактный слой 3.The dimensions of the
Контактный слой 5 в этом варианте исполнения фотодиода расположен на поверхности слоя 9 и поверхности подконтактного слоя 3 со стороны, противоположной умножительному слою 2.The
Фотодиод работает следующим образом.Photodiode operates as follows.
Под действием оптического излучения в поглощающем слое 1 за счет эффекта межзонного оптического поглощения в наноразмерных включениях твердого раствора GexSi1-x генерируются электронно-дырочные пары. Фотовозбужденные электроны и дырки разделяются электрическим полем в поглощающем слое 1 и дрейфуют под его действием в противоположные стороны.Under the action of optical radiation in the
В случае, если поглощающий слой 1 выполнен на основе кремния p-типа проводимости, фотовозбужденные электроны под действием электрического поля в поглощающем слое 1 дрейфуют в область сильного электрического поля, локализованную вблизи границы раздела поглощающего слоя 1 и умножительного слоя 2. В этой области происходит лавинное умножение фотоэлектронов. Электроны, порожденные в процессе лавинного умножения, под действием электрического поля в умножительном слое 2 дрейфуют к подконтактному слою 3, откуда через контактный слой 5 стекают во внешнюю электрическую цепь, формируя тем самым электрический сигнал, соответствующий оптическому сигналу. Дырки, порожденные в умножительном слое 2 в результате процесса лавинного умножения, под действием электрического поля в умножительном слое 2 и в поглощающем слое 1 дрейфуют через умножительный слой 2 и поглощающий слой 1 к подконтактному слою 4, откуда через контактный слой 6 стекают во внешнюю электрическую цепь, тем самым замыкая ее.If the
В случае, если поглощающий слой 1 выполнен на основе кремния n-типа проводимости, фотовозбужденные дырки эмитируются из наноразмерных включений GexSi1-x в кремний за счет эффекта внутренней термоактивиционной и/или полевой эмиссии, после чего под действием электрического поля в поглощающем слое 1 дрейфуют в область сильного электрического поля, локализованную вблизи границы раздела поглощающего слоя 1 и умножительного слоя 2. В этой области происходит лавинное умножение фотовозбужденных дырок. Дырки, порожденные в процессе лавинного умножения, под действием электрического поля в умножительном слое 2 дрейфуют к подконтактному слою 3, откуда через контактный слой 5 стекают во внешнюю электрическую цепь, формируя тем самым электрический сигнал, соответствующий оптическому сигналу. Электроны, порожденные в умножительном слое 2 в результате процесса лавинного умножения, под действием электрического поля в умножительном слое 2 и в поглощающем слое 1 дрейфуют через умножительный слой 2 и поглощающий слой 1 к подконтактному слою 4, откуда через контактный слой 6 стекают во внешнюю электрическую цепь, тем самым замыкая ее.If the
В фотодиоде в виде волноводной меза-структуры оптическое излучение из слоя 8, выполняющего функцию волновода, через боковую поверхности меза-гетероструктуры направляется непосредственно в торец поглощающего слоя 1 параллельно последнему. Поглощающий слой 1 с наноразмерными включениями GexSi1-x характеризуется эффективным показателем преломления neff, значение которого является промежуточным между значениями показателей преломления кремния nSi≈3.5 и германия nGe≈ 4.0: nSi<neff<nGe. В связи с этим поглощающий слой 1 обладает выраженными волноводными свойствами, обеспечивая эффективную локализацию детектируемого оптического излучения в поглощающем слое 1. При этом подконтактный слой 4 и умножительный слой 2 выполняют одновременно функцию слоев оптического ограничения. В результате увеличивается коэффициент оптического поглощения излучения длин волн (λ=1,2-1,7 мкм) в поглощающем слое 1 и, как следствие, внешняя квантовая эффективность фотодиода.In a photodiode in the form of a waveguide mesa structure, optical radiation from the
Как видно из представленных на фиг.3 вольт-амперных характеристик (ВАХ) фотодиода, в темноте пробойное напряжение составляет Uпр≈46 В, а при освещении фотодиод в области обратных напряжений (0<V<40 В) ведет себя аналогично обычному фотодиоду. Обратная ветвь ВАХ при освещении (кривая «б») в указанном диапазоне напряжений практически параллельна обратной ветви ВАХ фотодиода в темноте (кривая «а»).As can be seen from the volt-ampere characteristics (CVC) of the photodiode shown in Fig. 3, in the dark, the breakdown voltage is U pr ≈46 V, and when illuminated, the photodiode in the reverse voltage region (0 <V <40 V) behaves similarly to a conventional photodiode. The reverse branch of the I – V characteristic under illumination (curve “b”) in the indicated voltage range is almost parallel to the reverse branch of the I – V characteristic of the photodiode in the dark (curve “a”).
При 40 В<V<Uпр фототок при освещении быстро возрастает с увеличением V, по сравнению с темновой ВАХ (кривая «а»). Так, при V=20 В темновой обратный ток фотодиода Is≈2 mA, фототок при освещении Iph≈8 mA, a при V=45 В Iph≈60 mA. Данный эффект свидетельствует о том, что при 40 В<V<Uпр в фотодиоде реализуется внутреннее усиление фототока за счет лавинного умножения фотовозбужденных носителей заряда.At 40 V <V <U pr, the photocurrent under illumination rapidly increases with increasing V, compared with the dark current – voltage characteristic (curve “a”). So, at V = 20 V the dark reverse current of the photodiode is I s ≈2 mA, the photocurrent under illumination is I ph ≈8 mA, and at V = 45 V I ph ≈60 mA. This effect indicates that at 40 V <V <U CR in the photodiode, an internal amplification of the photocurrent is realized due to the avalanche multiplication of photoexcited charge carriers.
Как следует из приведенного на фиг.4 спектра относительной нормированной фоточувствительности, в области длин волн λ>1,2 мкм наблюдается полоса, связанная с межзонным оптическим поглощением в наноразмерных включениях твердого раствора GxSi1-x в кремний. Длинноволновый край этой полосы λR≈1,7 мкм.As follows from the relative normalized photosensitivity spectrum shown in Fig. 4, in the wavelength region λ> 1.2 μm, a band is observed associated with interband optical absorption in nanoscale inclusions of the G x Si 1-x solid solution in silicon. The long-wavelength edge of this band is λ R ≈ 1.7 μm.
Заявленный лавинный фотодиод имеет простую конструкцию, технологичен и легко интегрируется в интегральные схемы на базе Si, что позволяет создавать микроминиатюрные приборы различного назначения, работающие при комнатной температуре.The claimed avalanche photodiode has a simple design, is technologically advanced, and is easily integrated into Si-based integrated circuits, which makes it possible to create microminiature devices for various purposes operating at room temperature.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009131978/28A RU2404487C1 (en) | 2009-08-24 | 2009-08-24 | Avalanche photodiode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009131978/28A RU2404487C1 (en) | 2009-08-24 | 2009-08-24 | Avalanche photodiode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2404487C1 true RU2404487C1 (en) | 2010-11-20 |
Family
ID=44058543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009131978/28A RU2404487C1 (en) | 2009-08-24 | 2009-08-24 | Avalanche photodiode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2404487C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2778048C1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-08-12 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for receiving pulsed optical signals |
-
2009
- 2009-08-24 RU RU2009131978/28A patent/RU2404487C1/en active IP Right Revival
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2778048C1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-08-12 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for receiving pulsed optical signals |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9748429B1 (en) | Avalanche diode having reduced dark current and method for its manufacture | |
| TWI620339B (en) | High-speed photodetector | |
| US20130292741A1 (en) | High Performance GeSi Avalanche Photodiode Operating Beyond Ge Bandgap Limits | |
| US20100133637A1 (en) | Avalanche photodiode | |
| US20190019903A1 (en) | SILICON WAVEGUIDE INTEGRATED WITH SILICON-GERMANIUM (Si-Ge) AVALANCHE PHOTODIODE DETECTOR | |
| WO2018021126A1 (en) | Light-receiving element and near infrared light detector | |
| CN107403848A (en) | A kind of back-illuminated type cascade-multiplied avalanche photodide | |
| Xu et al. | Heterogeneous integration of colloidal quantum dot inks on silicon enables highly efficient and stable infrared photodetectors | |
| Kumar et al. | Design of mid-infrared Ge 1–x Sn x homojunction pin photodiodes on Si substrate | |
| US20070267711A1 (en) | Optical receiving device | |
| JP2015201504A (en) | Avalanche photo diode | |
| RU2404487C1 (en) | Avalanche photodiode | |
| JP2004111763A (en) | Semiconductor light receiving device | |
| Bansal et al. | Photodetectors for security application | |
| JPH0656900B2 (en) | Semiconductor optical device | |
| WO2018021127A1 (en) | Light-receiving element and near infrared light detector | |
| JP4025651B2 (en) | Semiconductor light-receiving element having a spacer layer for acceleration interposed between a plurality of light-absorbing layers, and a manufacturing method thereof | |
| CN111009586A (en) | Photoelectric device and preparation method thereof | |
| KR100676733B1 (en) | UV detector having NIP Structure | |
| Dong et al. | AlGaN solar-blind APD with low breakdown voltage | |
| Jin et al. | High gain hot-carrier WSe2 phototransistor with gate-tunable responsivity | |
| US11374187B1 (en) | Graphene enhanced SiGe near-infrared photodetectors and methods for constructing the same | |
| CN115101612B (en) | High-speed PIN detector of double multiple quantum wells of silicon-based | |
| Uppalapati et al. | An AlGaN/GaN Based UV Photodetector Simulation Using COMSOL to Obtain the Fresnel Coefficients | |
| JP7435786B2 (en) | receiver |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190825 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220201 |