RU72787U1 - Полупроводниковый приемник инфракрасного оптического излучения и способ его получения - Google Patents

Abstract

Заявляемая полезная модель относится к устройствам в области полупроводниковых приборов, а именно к приемникам среднего инфракрасного (ИК) диапазона излучения, работающим как с постоянным, так и импульсным излучением. Такие фотоприемники могут применяться в лазерной диодной спектроскопии газов и молекул, в лазерной дальнометрии и локации в окне прозрачности атмосферы 2-3 мкм. Фотоприемник перспективен для высокочастотных коммуникаций по оптической линии связи в открытом пространстве (FSO), а также для задач мониторинга окружающей среды поскольку в диапазоне 2-4 мкм лежат линии поглощения газообразных веществ (в том числе вредных).

Задачей заявляемой полезной модели является расширение спектрального диапазона чувствительности фотоприемника до 0,9-2,55 мкм, повышение его обнаружительной способности (через снижение обратных темновых токов) и улучшение быстродействия.

Указанная задача решается тем, что фотоприемник выращивается методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложке антимонида галлия с ориентацией (111)В из содержащих свинец растворов-расплавов (Т_ЭП=560-600С, мольная доля Рb в жидкой фазе 0.079-0.175). Как результат, получаем структуру с активной областью из твердого раствора Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y с максимальным содержанием индия в твердой фазе (х=0.24) и широкозонным «окном» из твердого раствора Ga_0.50Al_0.50As_0.04Sb_0.96, и обеспечиваем фоточувствительность в области 0,9-2,55 мкм. Концентрация носителей в активной области без преднамеренного легирования n(р)~(1-2)×10¹⁶ см^-3 обеспечивается снижением количества собственных дефектов материала. Концентрация носителей и толщина активного слоя удовлетворяет определенным соотношениям. Низкая величина токов и емкости, высокое быстродействие обусловлены понижением количества дефектов и ростом подвижности.

1 н.п., 2 з.п., 1 илл.

Description

Заявляемая полезная модель относится к устройствам в области полупроводниковых приборов, а именно к приемникам инфракрасного (ИК) излучения, работающими в ближнем и среднем ИК диапазоне (1-3 мкм) как с постоянными, так и импульсными (модулированными) сигналами.

В последние годы необходимость создания высокоэффективных и быстродействующих фотоприемников (главным образом фотодиодов) для инфракрасных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на основе флюоридных стекол с аномально низкими потерями (10^-2-10^-3 дБ/км, спектральный диапазон 2-4 мкм) активизировала интенсивные исследования в области разработки быстродействующих фотоприемников на основе полупроводниковых соединений А³B⁵, в частности, на основе антимонидов. Такие фотодиоды могут применяться в лазерной диодной спектроскопии газов и молекул, в лазерной дальнометрии и локации в окне прозрачности атмосферы 2-3 мкм и, к тому же, безопасном для глаза человека. Кроме того, оптическая линия связи в открытом пространстве (free-space optical communications, также известная как free-space optics или FSO) весьма перспективна в данном диапазоне для высокочастотных коммуникаций в коммерческом секторе экономики, поскольку не требует прокладки дорогостоящих каналов ВОЛС. Большое внимание в последние годы было приковано к проблемам мониторинга окружающей среды. Такая проблема включает в себя различные задачи спектрального анализа атмосферы в диапазоне длин волн 1-3 мкм, в котором существует множество линий поглощения воды и других газообразных веществ, вредных для человека. Таким образом, существует потребность в быстродействующих малошумящих фотоприемниках, работающих в данном спектральном диапазоне.

Все эти применения резко отличаются по сути построения аппаратуры регистрации излучения и природы источников излучения (лазеры, светодиоды, естественное излучение объектов). Из этого следует, что потенциальному потребителю, требуются фотоприемники с различными параметрами и характеристиками. Так в системах дальнометрии и локации основным параметром является быстродействие и шумовые характеристики фотодиода, а в системах газового анализа потребуется большая площадь фотоприемной площадки и высокая обнаружительная способность. Совместить все эти характеристики в одном приборе практически невозможно, из чего следует, что необходимо разработать фотодиоды с различными площадями и функциональными особенностями (специальные корпуса для СВЧ применений, для термостабилизации или охлаждения фотодиода - использование термохолодильников на эффекте Пельтье).

Известны приемники инфракрасного излучения, работающие в спектральном диапазоне 1.6-2.6 мкм (рекламный проспект фирмы «Hamamatsu» Япония). В данных моделях фотоприемников применяются твердые растворы InGaAs с высоким содержанием индия (In), выращиваемые на подложках InP. Для преодоления значительного рассогласования по параметру решетки с подложкой производится наращивание большого количества слоев InGaAs с переменным составом. Технология получения - газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (MOCVD). Прекрасные по основным параметрам фотодиоды, в частности по обнаружительной способности, фотодиоды на основе InGaAs/InP имеют и недостатки, к которым следует отнести:

- узкий диапазон спектральной чувствительности 1,6-2,6 мкм, обусловленный использованием материала широкозонного «окна»;

- относительно худшее быстродействие таких фотодиодов, что объясняется высокими значениями емкости фотодиодов, обусловленными высокими значениями концентраций носителей в активном слое фотодиода;

- сложность конструкции, связанная дороговизной и сложностью эпитаксиальной (MOCVD) технологии, требующая выращивания толстых переходных буферных слоев, для снятия несоответствия параметров решеток подложки и активного слоя. Высокая цена коммерческих фотодиодов.

Известны полупроводниковые фотодиоды (ФД) изготовленные методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на основе гетероструктур GaSb/GaInAsSb/AlGaAsSb, с диапазоном спектральной чувствительности 1,10-2,4 мкм, использующие в активной области твердые растворы Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y (х=0.22, Eg=0.53 eV) и широкозонным «окном» из Ga_0.66Al_0.34As_0.025Sb_0.975. Эти фотодиоды наиболее близкие к нашей полезной модели по совокупности существенных признаков, приняты за прототип (1). Для обеспечения заданного диапазона длин волн 1,10-2,4 мкм в ФД, в качестве активной области, используются полупроводниковые материалы изопериодные к подложкам GaSb - четырехкомпонентные твердые растворы GaIn_XAsSb (x=0.22, Eg=0.53 eV), поскольку ширина запрещенной зоны материала определяет границу чувствительности фотодиода по уровню 50% и 10%, как длину волны 2,32 мкм и 2,4 мкм, соответственно. Оптическое «окно», прозрачное для квантов из области собственного поглощения активного слоя, в фотодиодных гетероструктурах изготавливается из широкозонных четверных твердых растворов AlGaAsSb с большим содержанием алюминия, изопериодных к подложке GaSb. Эпитаксиальный рост происходит при температуре Т_ЭП=600С на подложках GaSb с ориентацией (100). Преднамеренно нелегированный слой Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y растет р-типа проводимости р~10¹⁷ см^-3. Для получения необходимого уровня легирования слои легируются Те. Степень компенсации примесей в слое высокая, что приводит к увеличению количества комплексов и примесных центров, и обуславливает высокие значения обратных темновых токов и низкие подвижности носителей в слоях (отсюда значительно худшее быстродействие по сравнению с фотодиодами на основе чистых материалов с малым количеством собственных дефектов и примесных центров в слоях.

Преимущество данной гетероструктуры в том, что она позволяет снизить поверхностную рекомбинацию, и, следовательно, повысить квантовую эффективность преобразования фотодиода.

Известное устройство-прототип не обеспечивает необходимого диапазона спектральной чувствительности 0,9-2,55 мкм. Легирование Те хотя и допускает получение практически любой концентрации носителей в слоях, приводит к образованию комлексов из примесей и собственных дефектов, а также и глубоких центров, через которые протекают значительные обратные темновые токи. В результате значение обнаружительной способности на длинах волн вблизи 2 мкм составляет D*(λ_max, 1000,1)=(4-6)×10¹⁰ Вт^-1 × см × Гц^1/2. Наличие комплексов и дефектов обуславливает малую подвижность носителей в активном слое и, как следствие, меньшее быстродействие фотодиода (500-1000 пс).

Задачей заявляемой полезной модели является расширение спектрального диапазона чувствительности фотоприемника до 0,9-2,55 мкм, повышение его обнаружительной способности (через снижение обратных темновых токов) и улучшение быстродействия.

Указанная задача решается тем, что фотоприемник выращивается методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложке антимонида галлия с ориентацией (111) В из содержащих свинец растворов-расплавов (температура эпитаксии Т_ЭП=560-600С, мольная доля Рb в жидкой фазе Х_Pb ¹=0.079-0.175). Выбрав такую ориентацию подложки и такой режим роста активного слоя из свинцовых растворов - расплавов, при прочих равных (неизменных) условиях, получаем структуру с активной областью из твердого раствора Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y с максимальным содержанием индия в твердой фазе х=0.24 (в прототипе при тех же условиях роста и ориентации подложки GaSb(100) x=0.22) и широкозонным «окном» из твердого раствора Ga_0.50Al_0.50As_0.04Sb_0.96. Такой состав твердых растворов обеспечивает фоточувствительность в области 0,9-2,55 мкм. Концентрация носителей в активной области без преднамеренного легирования снижается на порядок до величины

n(р)~(1-2)×10¹⁶ см^-3. Свинец, находящийся в растворе-расплаве не входит в кристаллическую фазу, но при этом воздействует на процесс таким образом, что твердые растворы растут с образованием меньшего количества собственных дефектов. Роль свинца в процессе эпитаксии подробно рассматривается, например, в работе [3].

Концентрация носителей в слое и его толщина удовлетворяет определенным соотношениям. Узкозонный активный четверной твердый раствор Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y выращивается толщиной d (при этом выполняется соотношение α×d≫1, d=W, W - ширина слоя пространственного заряда и α - коэффициент поглощения излучения на рабочей длине волны) и имеет концентрацию n(р)=(1-2)×10¹⁶ см^-3.

Типичный гетерофотодиод типа p-i-n состоит из трех областей с различной концентрацией носителей и типом проводимости: i-слой с концентрацией, близкой к собственной, и сильно легированные р- и n-слои. При приложении обратного смещения U_обр в i-слое формируется область пространственного заряда (обедненный слой) шириной W со встроенным полем напряженностью Е(х). В рабочем режиме напряжение выбирается достаточным для истощения i-слоя, чтобы обеспечить W=d, где d - толщина i-слоя. При освещении фотодиода светом с энергией кванта большей E_g материала активной области, происходит поглощение фотона и образование электронно-дырочных пар. Для обеспечения максимальной квантовой эффективности область пространственного заряда (ОПЗ) должна быть достаточно широкой и удовлетворять следующему условию:

где α - коэффициент поглощения материала, W - ширина области ОПЗ.

В прямозонных полупроводниках, каковым является твердый раствор GaInAsSb, для излучения с энергией кванта, большей E_g материала, коэффициент поглощения а превышает 10⁴ см^-1. Тогда для полного поглощения падающего света W должна быть порядка нескольких микрон. Поэтому в нашем случае выбор толщины активной области порядка 2.2-3 мкм обеспечивает практически-полное поглощение света.

Концентрация в активном слое n(р)=(1-2)×10¹⁶ см^-3 обеспечивает ширину слоя объемного заряда W=1-2 мкм при нулевом смещении и 2-3 мкм при обратном смещении гетерофотодиода U=-(1-2) В. Квантовая эффективность достигает 60-70%, что является замечательным результатом поскольку мы не использовали антиотражающих покрытий и до 30% падающего излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух. На длинах волн 2-2.2 мкм в максимуме спектральной чувствительности мы получили на опытных образцах токовую монохроматическую чувствительность в 1-1.2 А/Вт. Поскольку процесс образования электронно-дырочных пар происходит в слое объемного заряда, то носители созданные светом разделяются в сильном электрическом поле и за счет дрейфа время пролета активной области носителей при отсутствии рассеяния на собственных дефектах материала составляет величину 40-70 пс, что обуславливает высокое быстродействие фотодиода. Снижение количества дефектов обуславливает и снижение величины обратного темнового тока в 5-10 раз и соответственно повышение обнаружительной срособности в 2-3 раза. Были получены значения обнаружительной способности до D*(λ_max, 1000, 1)=(8-11)×l0¹⁰ Вт^-1 × см × Гц^1/2

Заявляемая конструкция фотодиода на основе гетероструктуры GaSb/ GaInAsSb/ AlGaAsSb иллюстрируется рисунком 1. Были изготовлены опытные образцы заявляемого фотоприемника. Сравнение основных характеристик фотодиода на основе предложенной конструкции и нового способа его получения с характеристиками указанными в описании прототипа, подтвердило улучшение данных параметров:

- Диапазон спектральной чувствительности расширился с 1.0-2.4 мкм до 0.9-2.55 мкм;

- применение нейтрального растворителя Рb позволило получить преднамеренно нелегированный Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y с концентрацией n(p)=(1-2)×10¹⁶ cм^-3;

- получив низкую концентрацию за счет снижения количества собственных структурных дефектов в слое, удалось снизить обратный темновой ток в 5-10 раз, повысив обнаружительную способность фотоприемника в 2-3 раза. Были получены значения обнаружительной способности D*(λ_max, 1000, 1)=(8-11)×l0¹⁰ Вт^-1 × см × Гц^1/2;

- зафиксировано быстродействие фотодиодов 40-70 пс при диаметре чувствительной площадки 100 мкм.

Применение нового метода получения активного слоя фотоприемника (выращивание из свинцовых растворов-расплавов и использование подложки с ориентацией (111) В) и новая его конструкция позволит существенно улучшить параметры фотоприемников ближнего и среднего инфракрасного диапазона.

ЛИТЕРАТУРА

1.1. A.Andreev, M.A.Afrailov, А.N.Baranov, V.G.Danil'chenko, M.A.Mirsagatov, M.Р.Mikhailova, and Yu.P.Yakovlev «GaInAsSb/GaAlAsSb solid-solution photodiodes» Sov. Tech. Phys. Lett. 12, 542 (1986).

2. E.V.Kunitsyna, I.A.Andreev, M.P.Mikhalova, and Yu.P.Yakovlev Fabrication details of GaInAsSb-based photodiode heterostructures Proceedings of SPIE - Vol.4340, 16th International Conference on Photoelectronics and Night Vision Devices, Anatoly M.Filachev, Alexander I.Dirochka, Editors, November 2000, pp.244-253

3. I.A.Andreev, E.V.Kunitsyna, Yu.V.Solov'ev and Yu.P.Yakovlev Use of lead as a neutral solvent for obtaining solid GaInAsSb solutions Tech. Phys. Lett. 25, 792 (1999)

Claims (4)

1. Полупроводниковый приемник инфракрасного оптического излучения, включающий подложку антимонида галлия, область поглощения (активная область) из изопериодного с подложкой узкозонного четверного твердого раствора Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y и широкозонного твердого раствора Ga_0,50Al_0,50As_0,04Sb_0,96, прозрачного для принимаемого излучения (широкозонного окна), отличающийся тем, что выращивание активных слоев твердых растворов осуществляется методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из содержащих свинец растворов - расплавов.

2. Приемник по п.1 отличающийся тем, что ЖФЭ производится при температуре Т_Э=560-600С°, мольная доля Pb в жидкой фазе, Х_Pb ¹ составляет величину 0,079-0,175.

3. Приемник по п.1 отличающийся тем, что подложка антимонида галлия выбирается с ориентацией (111)В.

4. Приемник по п.1 отличающийся тем, что узкозонный четверной твердый раствор Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y выращивается толщиной d (при этом выполняется соотношение α×d>>1, d=W, W - ширина слоя объемного заряда и α - коэффициент поглощения излучения на рабочей длине волны) и имеет концентрации n(р)=(1-2)·10¹⁶ см^-3.