RU2723910C1 - Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда - Google Patents
Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723910C1 RU2723910C1 RU2019125084A RU2019125084A RU2723910C1 RU 2723910 C1 RU2723910 C1 RU 2723910C1 RU 2019125084 A RU2019125084 A RU 2019125084A RU 2019125084 A RU2019125084 A RU 2019125084A RU 2723910 C1 RU2723910 C1 RU 2723910C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- region
- type conductivity
- type
- optical radiation
- conductivity
- Prior art date
Links
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 90
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 68
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 66
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 65
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 49
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims abstract description 39
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims abstract description 39
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 25
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 10
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 7
- 239000003574 free electron Substances 0.000 claims description 3
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 claims 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 7
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 2
- 235000018936 Vitellaria paradoxa Nutrition 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
- H01L31/1121—Devices with Schottky gate
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно - к быстродействующим интегральным фотодетекторам на основе полупроводниковых материалов типа AIIIBV. Для увеличения быстродействия при сохранении высокой чувствительности в фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда, содержащий полуизолирующую подложку, полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированные приконтактные области n и р типов проводимости, соединенные с ними первый и второй металлические электроды, введены управляющий р-n переход, который образован нижней узкозонной GaAs-областью р-типа проводимости и верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости, высоколегированная приконтактная подобласть р-типа проводимости, первая управляющая металлическая шина, нижняя LT-GaAsSb и верхняя LT-InGaAs области рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, широкозонная AlGaAs-область n-типа проводимости, вторая управляющая металлическая шина, расположенная над широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости и образующая с ней управляющий переход Шоттки. 6 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно - к быстродействующим интегральным фотодетекторам на основе полупроводниковых материалов типа AIIIBV. Устройство предназначено для функционирования в составе оптических межсоединений для интегральных схем и детектирования субпикосекундных лазерных импульсов, генерируемых инжекционными лазерами с двойными AIIIBV наногетероструктурами и функционально интегрированными модуляторами излучения [Пат. RU 2400000 C1, Российская Федерация. Коноплев Борис Георгиевич, Рындин Евгений Адальбертович, Денисенко Марк Анатольевич. «Интегральный инжекционный лазер с управляемой передислокацией максимума амплитуды волновых функций носителей заряда», 2009].
Аналогом заявляемого изобретения является униполярный гетерофотодиод с переносом электронов (UTC PD - Uni-Travelling Carrier Photodiode) [Nagatsuma Т., Ito H. High-Power RF Uni-Travelling-Carrier Photodiodes (UTC-PDs) and Their Applications // Advances in Photodiodes, Dalla Betta G.-F. (ed.), 2011, Chapter 14, p. 292, fig. 1, а], содержащий полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод, высоколегированную широкозонную барьерную область р-типа проводимости, расположенную между высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости и полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, широкозонную область коллектора собственной проводимости, расположенную над высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости, градиентную область собственной проводимости, расположенную между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и широкозонной областью коллектора собственной проводимости, причем высоколегированная широкозонная барьерная область р-типа проводимости образует потенциальный барьер только для электронов в зоне проводимости, полупроводниковая область поглощения оптического излучения является слаболегированной областью р-типа проводимости и имеет более узкую запрещенную зону, чем высоколегированная широкозонная барьерная область р-типа проводимости, широкозонная область коллектора собственной проводимости и приконтактная область n-типа проводимости, градиентная область собственной проводимости обеспечивает отсутствие потенциального барьера для электронов в зоне проводимости между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и широкозонной областью коллектора собственной проводимости, формирующей область сильного электрического поля, которая обеспечивает дрейф электронов из полупроводниковой области поглощения оптического излучения в высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости.
В гетеропереходах первого типа, образующихся на границах полупроводниковой области поглощения оптического излучения с соседними областями, из-за разной ширины запрещенной зоны возникает потенциальный барьер в зоне проводимости. На левой границе полупроводниковой области поглощения оптического излучения UTC-фотодиода этот барьер полезен, так как он отражает электроны и блокирует их диффузию в высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости. На правой границе области поглощения оптического излучения потенциальный барьер в зоне проводимости был бы вреден, поскольку он мешал бы переходу электронов в широкозонную область коллектора собственной проводимости. Поэтому между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и широкозонной областью коллектора собственной проводимости размещена градиентная область собственной проводимости с плавно увеличивающейся шириной запрещенной зоны, которая обеспечивают беспрепятственное прохождение электронов в область с сильным электрическим полем. Потенциальные барьеры в валентной зоне на гетеропереходах между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, градиентной областью собственной проводимости и широкозонной областью коллектора собственной проводимости дополнительно препятствуют проникновению дырок в коллектор.
В отличие от классических p-i-n фотодиодов, области поглощения оптического излучения и дрейфа фотогенерированных носителей заряда в UTC фотодетекторах характеризуются четким пространственным разделением. На первый и второй металлические электроды UTC структуры подается постоянное напряжение питания обратной полярности, которое обеспечивает фотодиодный режим работы прибора. Фотогенерированные дырки переносятся из полупроводниковой области поглощения оптического излучения в высоколегированную широкозонную барьерную область р-типа проводимости и далее в высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, а электроны - в широкозонную область коллектора собственной проводимости и далее в высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости. Так как дырки достаточно быстро достигают высоколегированной приконтактной области р-типа проводимости, то быстродействие UTC структуры определяются, главным образом, дрейфом электронов через протяженную область коллектора собственной проводимости.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полупроводниковая область поглощения оптического излучения, высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированная приконтактная область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются длительное время жизни фотогенерированных электронов и дырок до рекомбинации в полупроводниковой области поглощения оптического излучения и в широкозонной области коллектора собственной проводимости UTC фотодиода и значительное время пролета электронов через область пространственного заряда (ОПЗ). В UTC фотодетекторах использование специализированных областей с малым временем жизни не приводит к выигрышу в быстродействии, так как подобные слои характеризуются низкой подвижностью носителей заряда, и, кроме того, негативно влияют на амплитуду фототока. Существенное время пролета электронов через полупроводниковую область поглощения оптического излучения и широкозонную область коллектора собственной проводимости UTC структуры обусловлено их протяженностью и малой подвижностью носителей заряда ввиду воздействия сильного электрического поля, которое вызывает междолинные переходы и насыщение скорости дрейфа электронов.
Другим аналогом заявляемого изобретения является фотодиод Шоттки с оптическим резонатором [ М. et. al. Design and Optimization of High-Speed Resonant Cavity Enhanced Schottky Photodiodes // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1999, vol. 35, no. 2, pp. 208-215, fig. 1], содержащий полуизолирующую подложку, полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, второй металлический электрод, оптический резонатор, образованный полностью отражающим зеркалом и полуотражающим зеркалом, находящуюся над полностью отражающим зеркалом нелегированную буферную GaAs-область, нижний GaAs-спейсер, расположенный между высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, верхний GaAs-спейсер, расположенный над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, причем полностью отражающее зеркало представляет собой распределенный брэгговский отражатель, включающий 15 чередующихся слоев AlAs/GaAs и расположенный между полуизолирующей подложкой и нелегированной буферной GaAs-областью, полупроводниковая область поглощения оптического излучения является слаболегированной InGaAs-областью n-типа проводимости, полуотражающее зеркало оптического резонатора представляет собой тонкий слой металла с нанесенным антиотражающим покрытием, образующий с верхним GaAs-спейсером контакт Шоттки и соединенный со вторым металлическим электродом, оптическая ось резонатора параллельна направлению дрейфа фотогенерированных носителей заряда.
Рассматриваемый фотодетектор работает в фотодиодном режиме при подаче постоянного напряжения питания обратной полярности между первым и вторым металлическими электродами, соединенными с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и верхним GaAs-спейсером, соответственно. Встроенное электрическое поле фотодиода, переносящее неравновесные электроны и дырки, сосредоточено в верхнем и нижнем GaAs-спейсерах и в находящейся между ними полупроводниковой области поглощения оптического излучения. Оптический резонатор фотодетектора образован распределенным брэгговским отражателем (полностью отражающим зеркалом) и тонким металлическим слоем второго электрода с антиотражающим покрытием (полуотражающим зеркалом) и служит для повышения квантовой эффективности прибора. Оптическая ось резонатора ориентирована параллельно оси, вдоль которой изменяется электрическое поле в структуре фотодетектора. В сравнении с обычным фотодиодом со сходной квантовой эффективностью, резонансный фотодиод Шоттки характеризуется сниженным временем пролета носителей заряд через обедненную область ввиду ее меньшей толщины.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полуизолирующая подложка, полупроводниковая область поглощения оптического излучения, высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, второй металлический электрод, полностью отражающее зеркало оптического резонатора, полуотражающее зеркало оптического резонатора.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются размещение оптической оси резонатора параллельно направлению дрейфа фотогенерированных носителей заряда, что приводит к негативному влиянию сужения полупроводниковой области поглощения оптического излучения на квантовую эффективность фотодетектора, и, аналогично UTC фотодетектору, низкая скорость рекомбинации фотогенерированных носителей заряда и значительное время пролета неравновесных электронов и дырок через ОПЗ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является волноводный эпитаксиальный p-i-n фотодиод [Ghione G. Semiconductor Devices for High-Speed Optoelectronics. Cambridge: Cambridge University Press, 2009, p. 202, fig. 4.27], содержащий полуизолирующую подложку, полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод, высоколегированную InGaAs-область р-типа проводимости, расположенную над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения, высоколегированную InGaAsP-область р-типа проводимости, расположенную над высоколегированной InGaAs-областью р-типа проводимости, причем полупроводниковая область поглощения оптического излучения совмещена с оптическим волноводом, имеет собственную проводимость и наиболее узкую в данной структуре запрещенную зону, высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости расположена между полуизолирующей подложкой и полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и имеет более широкую запрещенную зону, чем полупроводниковая область поглощения оптического излучения, высоколегированная InGaAs-область р-типа проводимости имеет более широкую запрещенную зону, чем полупроводниковая область поглощения оптического излучения, но более узкую запрещенную зону, чем расположенная над ней высоколегированная InGaAsP-область р-типа проводимости, высоколегированная приконтактная область р-типа проводимости имеет более широкую запрещенную зону, чем высоколегированная InGaAsP-область р-типа проводимости, и расположена над ней, освещение фоточувствительной структуры осуществляется вдоль оси, перпендикулярной направлению движения фотогенерированных электронов и дырок под действием электрического поля.
При приложении напряжения обратного смещения к первому и второму металлическим электродам, соединенным с высоколегированными приконтактными областями n и р типов проводимости, в полупроводниковой области поглощения оптического излучения формируется ОПЗ с сильным электрическим полем. При освещении фотодиода оптическим излучением с энергией кванта, большей или равной ширины запрещенной зоны полупроводника в InGaAs-области, происходит поглощение фотонов и образование одной электронно-дырочной пары на каждый поглощенный фотон. Свет падает перпендикулярно направлению движения фотогенерированных электронов и дырок под действием встроенного электрического поля, что позволяет варьировать толщину областей p-i-n структуры без негативного влияния на ее квантовую эффективность. Неравновесные носители заряда, генерированные светом в полупроводниковой области поглощения оптического излучения, разделяются полем и ускоряются до скорости насыщения дрейфа: электроны дрейфуют к высоколегированной приконтактной области n-типа проводимости, а дырки - в противоположную сторону к высоколегированной приконтактной области р-типа проводимости. Затем фотогенерированные носители заряда протекают через внешнюю цепь, создавая в ней фототок.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются полуизолирующая подложка, полупроводниковая область поглощения оптического излучения, высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированная приконтактная область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод. Структура прототипа освещается вдоль оси, которая перпендикулярна направлению движения фотогенерированных электронов и дырок под действием встроенного электрического поля. В заявляемом объекте падающее оптическое излучение направлено аналогичным образом - вдоль оптической оси резонатора, образованного полуотражающим и полностью отражающим зеркалами, причем ось перпендикулярна направлению электрического поля p-i-n перехода.
Причины, препятствующие достижению технического результата:
1) значительное время (порядка 1 пикосекунды и более), требуемое для пролета фотогенерированных электронов и дырок через ОПЗ, и существенное влияние данного параметра на быстродействие прибора. Указанная особенность обусловлена эффектами междолинного перехода и насыщения дрейфовой скорости носителей заряда, которые проявляются под действием сильного встроенного электрического поля p-i-n структуры и приводят к снижению подвижности электронов и дырок в активной области. Устранение негативной роли представленных эффектов без значительного изменения конструкции прибора достаточно проблематично. Кроме того, сужение полупроводниковой области поглощения оптического излучения p-i-n фотодетектора не приводит к росту быстродействия, так как при этом возрастают емкость перехода и, как следствие, RC-постоянная времени;
2) низкая скорость рекомбинации электронов и дырок в полупроводниковой области поглощения фотодетектора, в результате которой происходит заметное удлинение заднего фронта импульса фототока. В классических структурах фотодетекторов с p-i-n переходами уменьшение времени жизни фотогенерированных носителей заряда путем использования специализированных слоев полупроводниковой структуры с высокой скоростью рекомбинации нецелесообразно, так как это приводит к ухудшению чувствительности прибора и дополнительному снижению подвижности.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является увеличение быстродействия интегрального фотодетектора на основе гетероструктур типа AIIIBV при сохранении высокой чувствительности. Технический результат достигается тем, что в устройство введены управляющий р-n переход, который расположен над полуизолирующей подложкой и образован нижней узкозонной GaAs-областью р-типа проводимости и верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости, высоколегированная приконтактная подобласть р-типа проводимости, расположенная в нижней узкозонной GaAs-области р-типа проводимости управляющего р-n перехода, первая управляющая металлическая шина, образующая омический контакт с высоколегированной приконтактной подобластью р-типа проводимости, нижняя LT-GaAsSb-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости управляющего р-n перехода и под полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, верхняя LT-InGaAs-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, широкозонная AlGaAs-область n-типа проводимости, расположенная над верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации, вторая управляющая металлическая шина, расположенная над широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости и образующая с ней переход Шоттки.
Для достижения необходимого технического результата в фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда, содержащий полуизолирующую подложку, полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод, оптический резонатор, образованный полностью отражающим зеркалом и полуотражающим зеркалом, введены управляющий р-n переход, который расположен над полуизолирующей подложкой и образован нижней узкозонной GaAs-областью р-типа проводимости и верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости, высоколегированная приконтактная подобласть р-типа проводимости, расположенная в нижней узкозонной GaAs-области р-типа проводимости управляющего р-n перехода, первая управляющая металлическая шина, образующая омический контакт с высоколегированной приконтактной подобластью р-типа проводимости, нижняя LT-GaAsSb-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости управляющего р-n перехода и под полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, верхняя LT-InGaAs-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, широкозонная AlGaAs-область n-типа проводимости, расположенная над верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации, вторая управляющая металлическая шина, расположенная над широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости и образующая с ней переход Шоттки, причем полупроводниковая область поглощения оптического излучения имеет наиболее узкую запрещенную зону в данной структуре и образует с нижней LT-InGaAs и верхней LT-GaAsSb областями рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда гетеропереходы, обеспечивающие свободный транспорт электронов при невозможном транспорте дырок между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации и свободный транспорт дырок при невозможном транспорте электронов между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и нижней LT-GaAsSb-областью рекомбинации, освещение фоточувствительной структуры осуществляется вдоль оси, перпендикулярной направлениям движения фотогенерированных электронов и дырок как под действием продольного электрического поля первого и второго металлических электродов, так и под действием поперечного электрического поля первой и второй управляющих металлических шин.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в увеличение быстродействия интегрального фотодетектора на основе гетероструктур типа AIIIBV при сохранении высокой чувствительности.
На фиг. 1 приведена топология предлагаемого фотодетектора с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда. На фиг. 2 показано поперечное сечение А-А структуры рассматриваемого прибора. На фиг. 3 представлены зонные диаграммы управляющей гетероструктуры фотодетектора при нулевом (верхняя диаграмма) и смещающем (нижняя диаграмма) напряжениях на управляющих контактах. На фиг. 4-6 показаны результаты численного квантовомеханического моделирования фотодетектора с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда. Фиг. 4 демонстрирует совмещение максимумов плотности электронов (сплошная линия) и дырок (пунктирная линия) в полупроводниковой области поглощения оптического излучения при нулевом напряжении на управляющих контактах фотодетектора. На фиг. 5 показана передислокация максимумов плотности электронов (сплошная линия) и дырок (пунктирная линия) в LT-области рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда при подаче смещающего напряжения на управляющие шины фотодетектора. На фиг. 6 приведен задний фронт импульса фототока, протекающего в цепи питания прибора при детектировании короткого прямоугольного лазерного импульса.
Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда (фиг. 1, 2) содержит полуизолирующую подложку 1, полупроводниковую область поглощения оптического излучения 2, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости 3, соединенный с ней первый металлический электрод 4, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости 5, соединенный с ней второй металлический электрод 6, оптический резонатор, образованный полностью отражающим зеркалом 7 и полуотражающим зеркалом 8, управляющий р-n переход, который расположен над полуизолирующей подложкой 1 и образован нижней узкозонной GaAs-областью р-типа проводимости 9 и верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости 10, высоколегированную приконтактную подобласть р-типа проводимости 11, расположенную в нижней узкозонной GaAs-области р-типа проводимости 9 управляющего р-n перехода, первую управляющую металлическую шину 12, образующую омический контакт с высоколегированной приконтактной подобластью р-типа проводимости 11, нижнюю LT-GaAsSb-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда 13, расположенную над верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости 10 управляющего р-n перехода и под полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и граничащую с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости 3 и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости 5, верхнюю LT-InGaAs-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда 14, расположенную над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и граничащую с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости 3 и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости 5, широкозонную AlGaAs-область n-типа проводимости 15, расположенную над верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации 14, вторую управляющую металлическую шину 16, расположенную над широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости 15 и образующую с ней переход Шоттки, причем полупроводниковая область поглощения оптического излучения 2 имеет наиболее узкую запрещенную зону в данной структуре и образует с нижней LT-GaAsSb и верхней LT-InGaAs областями рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда 13, 14 гетеропереходы, обеспечивающие свободный транспорт электронов при невозможном транспорте дырок между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации 14 и свободный транспорт дырок при невозможном транспорте электронов между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и нижней LT-GaAsSb-областью рекомбинации 13, освещение фоточувствительной структуры осуществляется вдоль оси, перпендикулярной направлениям движения фотогенерированных электронов и дырок как под действием продольного электрического поля первого и второго металлических электродов 4, 6, так и под действием поперечного электрического поля первой и второй управляющих металлических шин 12, 16.
Устройство работает следующим образом. Высоколегированная приконтактная область р-типа проводимости 5, полупроводниковая область поглощения оптического излучения 2 и высоколегированная приконтактная область n-типа проводимости 3 образуют p-i-n гетеропереход 5-2-3. Прибор детектирует лазерные импульсы с энергией фотонов, которая соответствует ширине запрещенной зоны полупроводника в области поглощения оптического излучения 2. В остальных областях фото детектора ширина запрещенной зоны превышает энергию фотонов падающего излучения, поэтому оптическая генерация электронно-дырочных пар в них не происходит. Для повышения квантовой эффективности фотодетектора используется оптический резонатор Фабри-Перо, который образован передним полуотражающим зеркалом 8, перпендикулярно поверхности которого падает лазерное излучение, и задним полностью отражающим зеркалом 7. Главная оптическая ось резонатора 8-7 ортогональна как направлению дрейфа носителей заряда в p-i-n структуре 5-2-3, так и направлению электрического поля в управляющей гетероструктуре. Представленная конфигурация оптического резонатора позволяет повысить квантовую эффективность и, как следствие, достичь высокой чувствительности фотодетектора при малых длинах областей p-i-n перехода 5-2-3 и малых толщинах слоев управляющей гетероструктуры.
Фоточувствительный p-i-n гетеропереход 5-2-3 работает в фотодиодном режиме. На первый и второй металлические электроды 4 и 6, соединенные с высоколегированными приконтактными областями пир типов проводимости 3 и 5, подается постоянное напряжение питания обратной полярности. При освещении структуры лазерным импульсом с энергией фотонов, равной ширине запрещенной зоны полупроводника в области поглощения оптического излучения 2, в последней генерируются неравновесные электроны и дырки. Встроенное продольное электрическое поле p-i-n перехода разделяет фотогенерированные носители заряда и переносит их через ОПЗ к высоколегированными приконтактными областями пир типов проводимости 3 и 5, где электроны и дырки уходят в цепь питания, создавая в ней фототок. Измерительным сигналом прибора является фототок, протекающий в цепи питания детектора.
Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на переходные процессы в фоточувствительных p-i-n структурах, является время жизни неравновесных носителей заряда в i-области поглощения оптического излучения до их рекомбинации. Однако использование модифицированных слоев с высокой скоростью рекомбинации в классических p-i-n фотодиодах приводит к негативным последствиям: время пролета активной области увеличивается ввиду малой подвижности носителей заряда, а также снижается амплитуда фототока и, как следствие, ухудшается чувствительность. Для решения представленной проблемы предлагается использовать известный принцип управляемой передислокации максимумов плотности носителей заряда [Sakaki Н. Velocity Modulation Transistor (VMT) -A New Field-Effect Transistor Concept // Japanese Journal of Applied Physics, 1982, vol. 21, no. 6, pp. L381-L383]. В структуру фотодетектора с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда введена управляющая гетероструктура, которая образована управляющим р-n переходом GaAs/AlGaAs 9-10, расположенным над полуизолирующей подложкой 1, верхней и нижней LT-областями рекомбинации 13 и 14, находящейся между ними полупроводниковой областью поглощения оптического излучения 2 и верхним управляющим переходом Шоттки AlGaAs/металл 15-16. В управляющей гетероструктуре сформированы квантовые ямы в зоне проводимости в областях 2 и 14 и в валентной зоне в зоне в областях 13 и 2 (см. фиг. 3). Управляющее напряжение подается на первую управляющую металлическую шину 12, соединенную с высоколегированной р-подобластью 11, и вторую управляющую металлическую шину 16, образующую с широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости 15 управляющий переход Шоттки, и формирует поперечное электрическое поле, которое направлено перпендикулярно встроенному продольному полю p-i-n структуры и главной оптической оси резонатора 8-7.
Потенциальные барьеры для дырок в валентной зоне на гетеропереходе 2-14 и для электронов в зоне проводимости на гетеропереходе 13-2 препятствуют уходу фотогенерированных электронов в управляющую цепь при нулевом напряжении на управляющих металлических шинах 12 и 16. За счет этого при нулевом управляющем напряжении максимумы плотности электронов и дырок совмещены в тонкой поглощающей области 2 с низкой скоростью рекомбинации (см. верхнюю зонную диаграмму на фиг. 3 и распределения концентраций на фиг. 4), и структура функционирует аналогично традиционному обратносмещенному p-i-n фотодиоду.
Под действием смещающего напряжения, прикладываемого к управляющим металлическим шинам 12 и 16, максимумы плотности носителей заряда разделяются и передислоцируются в специальные рекомбинационные LT-области 13 и 14 (см. нижнюю зонную диаграмму на фиг. 3 и распределения концентраций на фиг. 5). Области 13 и 14 характеризуются низкой подвижностью и малым временем жизни неравновесных носителей заряда до рекомбинации. Управляемая передислокация осуществляется за короткий промежуток времени (менее 0,1 пикосекунды) при неизменном общем числе носителей заряда в квантовых ямах управляющей наногетероструктуры, так как потенциальные барьеры на гетеропереходах 10-13 и 14-15 препятствуют быстрому уходу носителей заряда в управляющую электрическую цепь. Перемещение фотогенерированных носителей заряда из полупроводниковой области поглощения оптического излучения 2 с высокой подвижностью и низкой скоростью рекомбинации в рекомбинационные области 13 и 14 с низкой подвижностью и высокой скоростью рекомбинации приводит к резкому уменьшению плотности фототока в цепи питания детектора (см. фиг. 6). Полупроводниковая область поглощения оптического излучения 2 имеет малую толщину (порядка 10 нанометров и менее), поэтому полуклассические высокополевые транспортные эффекты не оказывают столь существенного влияния на время ее пролета в поперечном направлении, как на время пролета i-области в продольном направлении в классических p-i-n фотодиодах.
Применение рассмотренного механизма модуляции времени жизни и подвижности носителей заряда целесообразно только после начала заднего фронта оптического импульса, так как в противном случае дрейф фотогененрированных электронов и дырок будет осуществляться в рекомбинационных LT-областях 13 и 14 с низкой подвижностью и малым временем жизни, что приведет к ухудшению характеристик быстродействия и чувствительности фотодетектора по сравнению с классической p-i-n структурой. По этой причине напряжение смещения подается на управляющие металлические шины 12 и 16 только во время заднего фронта импульса фототока, а в остальные моменты времени управляющая разность потенциалов равна нулю.
Для обеспечения указанного режима работы фотодетектора в интегральных оптических межсоединениях, элементом которых является рассматриваемый прибор, передаваемый цифровой электрический сигнал преобразуется в короткие лазерные импульсы с фиксированной длительностью t0. Фотодетектор управляется быстродействующей электрической схемой на основе логических элементов с управляемой передислокацией максимумов амплитуды волновых функций носителей заряда [Konoplev B.G., Ryndin Е.А., Denisenko М.А. Components of integrated microwave circuits based on complementary coupled quantum regions // Russian Microelectronics, 2015, vol. 44, no. 3, pp. 190-196]. В исходном состоянии после окончания переходного процесса по питанию напряжение на управляющих шинах фотодетектора 12 и 16 равно нулю. Параметры элементов управляющей схемы подобраны таким образом, что она срабатывает через время t0 после появления фототока в цепи питания детектора, подавая напряжение смещения на его управляющие контакты 12 и 16. В результате появляющееся после начала заднего фронта оптического импульса управляющее электрическое поле передислоцирует максимумы плотности носителей заряда из полупроводниковой области поглощения оптического излучения 2 в рекомбинационные LT-области 13 и 14, где они быстро рекомбинируют, что приводит к снижению плотности фототока (см. фиг. 6). Следует отметить, что крутой участок заднего фронта импульса фототока определяется не только уходом неравновесных носителей заряда из ОПЗ под действием электрического поля и рекомбинации, как в классических фотодиодах, но и резким снижением подвижности при перемещении электронов и дырок в рекомбинационные LT-области 10 и 12. Через некоторое фиксированное время после завершения передислокации управляющая схема обнуляет напряжение на металлических шинах 12 и 16, и структура может детектировать следующий лазерный импульс.
Таким образом, в предлагаемом фотодетекторе принцип управляемой передислокации максимумов плотности носителей заряда используется для уменьшения длительности заднего фронта импульса фототока до субпикосекундной величины. Передислокация управляется поперечным электрическим полем: при нулевом напряжении на управляющих шинах максимумы плотности электронов и дырок совмещены в полупроводниковой области поглощения оптического излучения, а при подаче напряжения смещения они разделяются и перемещаются в LT-области с высокой скоростью рекомбинации и низкой подвижностью. До начала заднего фронта структура работает аналогично классическому p-i-n фотодиоду, в котором встроенное электрическое поле p-i-n перехода разделяет и переносит фотогенерированные носители заряда. Ортогональное расположение главной оптической оси резонатора, направления электрического поля p-i-n перехода и направления поля управляющей гетероструктуры позволяет не только повысить быстродействие, но и обеспечить высокую чувствительность фотодетектора, варьируя размеры его основных областей.
Положительный эффект, заключающийся в увеличении быстродействия интегрального фотодетектора на основе гетероструктур типа AIIIBV при сохранении высокой чувствительности, получен за счет введения перечисленных выше новых признаков.
Изобретение создано при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта №18-37-00432.
Claims (1)
- Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда, содержащий полуизолирующую подложку, полупроводниковую область поглощения оптического излучения, высоколегированную приконтактную область n-типа проводимости, соединенный с ней первый металлический электрод, высоколегированную приконтактную область р-типа проводимости, соединенный с ней второй металлический электрод, оптический резонатор, образованный полностью отражающим зеркалом и полуотражающим зеркалом, отличающийся тем, что в него введены управляющий р-n переход, который расположен над полуизолирующей подложкой и образован нижней узкозонной GaAs-областью р-типа проводимости и верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости, высоколегированная приконтактная подобласть р-типа проводимости, расположенная в нижней узкозонной GaAs-области р-типа проводимости управляющего р-n перехода, первая управляющая металлическая шина, образующая омический контакт с высоколегированной приконтактной подобластью р-типа проводимости, нижняя LT-GaAsSb-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над верхней широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости управляющего р-n перехода и под полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, верхняя LT-InGaAs-область рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда, расположенная над полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и граничащая с высоколегированной приконтактной областью n-типа проводимости и с высоколегированной приконтактной областью р-типа проводимости, широкозонная AlGaAs-область n-типа проводимости, расположенная над верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации, вторая управляющая металлическая шина, расположенная над широкозонной AlGaAs-областью n-типа проводимости и образующая с ней переход Шоттки, причем полупроводниковая область поглощения оптического излучения имеет наиболее узкую запрещенную зону в данной структуре и образует с нижней LT-GaAsSb и верхней LT-InGaAs областями рекомбинации с малым временем жизни и низкой подвижностью носителей заряда гетеропереходы, обеспечивающие свободный транспорт электронов при невозможном транспорте дырок между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и верхней LT-InGaAs-областью рекомбинации и свободный транспорт дырок при невозможном транспорте электронов между полупроводниковой областью поглощения оптического излучения и нижней LT-GaAsSb-областью рекомбинации, освещение фоточувствительной структуры осуществляется вдоль оси, перпендикулярной направлениям движения фотогенерированных электронов и дырок как под действием продольного электрического поля первого и второго металлических электродов, так и под действием поперечного электрического поля первой и второй управляющих металлических шин.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019125084A RU2723910C1 (ru) | 2019-08-06 | 2019-08-06 | Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019125084A RU2723910C1 (ru) | 2019-08-06 | 2019-08-06 | Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2723910C1 true RU2723910C1 (ru) | 2020-06-18 |
Family
ID=71096128
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019125084A RU2723910C1 (ru) | 2019-08-06 | 2019-08-06 | Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2723910C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2806342C1 (ru) * | 2023-03-13 | 2023-10-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Фотодетектор лазерного излучения |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5051804A (en) * | 1989-12-01 | 1991-09-24 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Photodetector having high speed and sensitivity |
DE4309181A1 (de) * | 1993-03-22 | 1994-09-29 | Max Planck Gesellschaft | Opto-elektronische Halbleitereinrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung |
JPH07226523A (ja) * | 1994-02-15 | 1995-08-22 | Fujitsu Ltd | 単電子トンネル接合装置の製造方法 |
US20040075090A1 (en) * | 2001-03-02 | 2004-04-22 | Taylor Geoff W. | Modulation doped thyrisor and complementary transistors combination for a monolithic optoelectric integrated circuit |
RU2671286C1 (ru) * | 2017-09-22 | 2018-10-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн |
-
2019
- 2019-08-06 RU RU2019125084A patent/RU2723910C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5051804A (en) * | 1989-12-01 | 1991-09-24 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Photodetector having high speed and sensitivity |
DE4309181A1 (de) * | 1993-03-22 | 1994-09-29 | Max Planck Gesellschaft | Opto-elektronische Halbleitereinrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung |
JPH07226523A (ja) * | 1994-02-15 | 1995-08-22 | Fujitsu Ltd | 単電子トンネル接合装置の製造方法 |
US20040075090A1 (en) * | 2001-03-02 | 2004-04-22 | Taylor Geoff W. | Modulation doped thyrisor and complementary transistors combination for a monolithic optoelectric integrated circuit |
RU2671286C1 (ru) * | 2017-09-22 | 2018-10-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ghione G. Semiconductor Devices for High-Speed Optoelectronics. Cambridge: Cambridge University Press, 2009, p. 202, fig. 4.27. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2806342C1 (ru) * | 2023-03-13 | 2023-10-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Фотодетектор лазерного излучения |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ishibashi et al. | Uni-traveling-carrier photodiodes | |
Ishibashi et al. | InP/InGaAs uni-traveling-carrier photodiodes | |
US6717972B2 (en) | VCSEL with monolithically integrated photodetector | |
US4202000A (en) | Diode capable of alternately functioning as an emitter and detector of light of the same wavelength | |
JP3539977B2 (ja) | 光電半導体構成素子 | |
JP3287458B2 (ja) | 超高速・低電圧駆動アバランシェ増倍型半導体受光素子 | |
KR20110073493A (ko) | 나노구조 포토다이오드 | |
Bar-Chaim et al. | GaAs integrated optoelectronics | |
US5148267A (en) | Double heterostructure step recovery diode with internal drift field | |
US4471370A (en) | Majority carrier photodetector | |
Li et al. | A partially depleted absorber photodiode with graded doping injection regions | |
RU2723910C1 (ru) | Фотодетектор с управляемой передислокацией максимумов плотности носителей заряда | |
US5343054A (en) | Semiconductor light-detection device with recombination rates | |
Hara et al. | AlGaAs-GaAs pnpn differential optical switch | |
JPH038117B2 (ru) | ||
Gammel et al. | High-speed photoconductive detectors using GaInAs | |
US4553155A (en) | High speed bias-free photodetector | |
Agusta et al. | Opto‐Electric Effects in Ge‐GaAs p‐n Heterojunctions | |
CN115295646A (zh) | 一种高性能光探测器芯片外延片 | |
JP3047385B2 (ja) | 受光素子 | |
JPH0732264B2 (ja) | 半導体受光素子 | |
Williams et al. | High-power photodiodes | |
JP2671562B2 (ja) | ガリウム砒素とゲルマニウムとからなるフォトトランジスタ | |
Wei et al. | A study on the photoresponses in GaAs n-channel optical detectors | |
Law et al. | State‐of‐the‐art performance of GaAlAs/GaAs avalanche photodiodes |