SU1083137A1

SU1083137A1 - Device for avalanche protodiode quality control

Info

Publication number: SU1083137A1
Application number: SU823404687A
Authority: SU
Inventors: Сергей Васильевич Свечников; Владимир Николаевич Шапарь; Александр Викторович Иевский; Валентин Александрович Афанасьев
Original assignee: Институт Полупроводников Ан Усср
Priority date: 1982-03-04
Filing date: 1982-03-04
Publication date: 1984-03-30

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ, содержащее генератор пилообразного напр жени и источник посто нного напр жени , соединенные выходами с первой шиной дл подключени испытуемого прибора, оптически св занного с высокочастотным светодиодом, который соединен с выходом генератора импульсных сигналов высокой частоты. присоединеные к второй шине дл подключени испытуемого прибора последовательно включенные фильтр верхних частот, аттенюатор и широкополосный усилитель, а также двухкоординатный регистратор, отличающеес тем, что, с целью повышени точности контрол , в него введены селективный детектор, логарифматор отношени , источник опорного напр жени и логарифматор напр жени , причем селективный детектор включен между выходом широкополосного усилител и первым входом логарифматора отношени , второй вход которого соединен с выходом источника опорного напр жени , а его выход - с входом вертикального отклонени двухкоординатного регистратора , подключенного входом горизонтального отклонени к выходу генеjparopa пилообразного напр жени через логари4матор напр жени . х 9 : к1A device for monitoring the quality of avalanche photodiodes containing a sawtooth generator and a constant voltage source connected by outputs to the first bus to connect a device under test that is optically connected to a high frequency LED that is connected to the output of a high frequency pulse signal generator. attached to the second bus for connecting the test instrument are a series-connected high-pass filter, an attenuator and a broadband amplifier, as well as a two-coordinate recorder, characterized in that, in order to improve the control accuracy, a selective detector, a logarithm ratio, a reference voltage source and a logarithmizer are introduced into it voltage, moreover, the selective detector is connected between the output of the wideband amplifier and the first input of the logarithm of the ratio, the second input of which is connected to the output of the source nick reference voltage, and its output - to the input of the vertical deflection XY recorder connected to the input of the horizontal deflection output genejparopa sawtooth voltage across logari4mator. x 9: k1

Description

Изобретение относитс к полупроводниковой , фотоэлектронике и может быть использовано дл контрол качества .лавинных фотодиодов в процессе их изготовлени и применени , а также при отработке изделий с дефектами, обуславливающими микроплазменный пробой, и дл измерени параметров и фотоэлектрических характеристик лавинных фотодиодов. Известно устройство дл измерени коэффициента умножени лавинног фотодиода, содержащее источник опорного напр жени , соединенный с клеммой дл подключени : первого вывода испытуемого лавинного фотоди ода, оптически св занного с источником излучени , лучистый.поток которого модулирован электромеханическим прерывателем и синхронный детектор, вход которого подключен к клемме дл соединени второго вывод лавинного фотодиода и сопротивлени нагрузки, а опорный канал синхронного детектора присоединен к сикхронизирующему вькоду электромеха нического прерывател lj . Известное устройство позвол ет измерить фототОк лавинного фотодиода (ЛФД) при заданном напр жении смещени . Из данных измерений фототока расчетным путем можно определить .один из основных показателей качества лавинного фотодиода - коэф фициент. М умножени фототока. Этот параметр существенно зависит от качества поверхности и объема струк туры лавинного фотодиода. В некачес венных приборах вследствие вли ни дефектов пробой р-п-переходов проис ходит не однородно по всей площади, а локализуетс в отдельных област х называемых микроплазмш и. Микроплазменные образцы, как неудовлетво р ющие основным параметрам и потенциально ненадежные должны быть отбракованы . Поэтому контроль качеств лавинного фотодиода прежде всего включает В себ контроль микроплазм Известное устройство позвол ет контролировать микроплазмы по виду кривой зависимости коэффициента умн жени от напр жени , которую Яожно построить по данным измерений фототока при различных смешгиощих напр жени х . Недостатком известного устройств вл етс низка точность контрол . 37 . 2 так как оно не дает .полной информации о зависимости коэффициента умножени от напр жени из-за дискретного характера измерений по точкам. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому вл етс устройство дл контрол качества лавинных фотодиодов, содержащее генератор пилообразного напр жени и источник посто нного напр жени , соединенные выходами с первой шиной дл подключений испытуемого прибора, оптически- св занного -с высокочастотHbiM светодиодом, который соединен с выходом генератора импульсных сигналов высокой частоты, присоединенные к второй шине дл подключени испь1туемого прибора последовательно включенные фильтр верхних частот, аттенюатор и широкополосный усилитель , а также двухкоординатный регистратор L2J . Данное устройство позвол ет получить на экране осциллографа, который используетс в качестве двухкоординатнога регистратора, непосредственно характеристику зависимости коэффициента умножени от напр жени и по ней судить о микроплазменном пробое и максимальном коэффициенту умножени лавинного фотодиода. Однако это устройство характеризуетс низкой точностью контрол качества лавинного фотодиода, обусловленной прежде всего самой методикой оп ределени дефектности прибора по виду кривой зависимости коэффициета умножени от напр жени , так как коэффициент умножени фототока вл етс сложной степенной функцией напр жени и на глаз нельз точно определить степень отклонени реальной характеристики от теоретической . Особенно низка точность, если напр жение зажигани микроплазмы незначительно отличаетс от напр жени однородного пробо , или если вклад фототока микроплазмь в общий фототок диода малый, а также, если неоднородность пробо р-п-перехода обусловлена не микроплазменными дефектами, и неоднородностью профил легировани , неоднородностью контактов и т.д. Цель изобретени - повьшение точности контрол качества лавинного фотодиода.The invention relates to semiconductor, photoelectronics, and can be used to control the quality of optical photodiodes during their manufacture and use, as well as to work out products with defects causing microplasma breakdown, and to measure the parameters and photoelectric characteristics of avalanche photodiodes. A device for measuring the multiplication factor of a avalanche photodiode is known, containing a voltage source connected to a terminal for connecting: the first output of a test avalanche photodiode optically coupled to a radiation source, the radiant flux of which is modulated by an electromechanical chopper and a synchronous detector whose input is connected to terminal to connect the second output of the avalanche photodiode and the load resistance, and the reference channel of the synchronous detector is connected to the synchronization element tromeha-ethnic chopper lj. The known device allows to measure the photocell of an avalanche photodiode (LFD) at a given bias voltage. From the measurement data of the photocurrent, it is possible to determine by calculation one. One of the main indicators of the quality of an avalanche photodiode is the coefficient. M multiply photocurrent. This parameter essentially depends on the quality of the surface and the volume of the structure of the avalanche photodiode. In non-carved devices, due to the influence of defects, breakdown of pn junctions does not occur uniformly over the entire area, but is localized in certain areas called microplasma and. Microplasma samples, as unsatisfied with the basic parameters and potentially unreliable, should be discarded. Therefore, the quality control of an avalanche photodiode first of all includes microplasma control. The known device allows microplasmas to be monitored by the shape of the voltage-to-voltage curve, which can be constructed from the photocurrent measurements at various mixed voltages. A disadvantage of the known devices is the low control accuracy. 37. 2 since it does not provide complete information on the dependence of the multiplication factor on voltage due to the discrete nature of the measurements by the points. The closest technical solution to the present invention is a device for monitoring the quality of avalanche photodiodes, containing a sawtooth generator and a source of constant voltage, connected by outputs to the first bus for connecting a test device optically connected to a high-frequency HbiM LED that is connected to the output a high-frequency pulse generator connected to a second bus for connecting the instrument being used in series with a high-pass filter, attenuator and bus okopolosny amplifier and two-coordinate recorder L2J. This device allows to obtain on the screen of an oscilloscope, which is used as a two-coordinate recorder, the characteristic of the dependence of the multiplication factor on the voltage directly and to judge about the microplasma breakdown and the maximum multiplication factor of the avalanche photodiode. However, this device is characterized by low accuracy of the quality control of the avalanche photodiode, primarily due to the very method of determining the defectiveness of the device by the shape of the voltage multiplier versus voltage curve, since the photocurrent multiplication factor is a complex power function of voltage and cannot be accurately determined by the degree of deviation real characteristics from theoretical. Accuracy is especially low if the ignition voltage of the microplasma is slightly different from the uniform breakdown voltage, or if the contribution of the photocurrent to the microplasma to the total photocurrent of the diode is small, as well as if the inhomogeneity of the pn-junction probe is not due to microplasma defects and the inhomogeneity of the doping profile contacts, etc. The purpose of the invention is to increase the accuracy of the quality control of the avalanche photodiode.

Поставленна цель достигаетс тем, что в устройство дл контрол качества лавинных фотодиодов, содержащее генератор пилообразного напр жени и источник посто нного напр жени , соединенные выходами с первой шиной дл подключени испытуемого прибора оптически св занного с высокочастотным светодиодом, который соединен с выходом генератора импульсных сигналов высокой частоты, присоединенные к второй шине дл подключени испытуемого прибора последовательно включенные фильтр верхних частот, аттенюатор и широкополосный усилитель, а также двухкоординатный регистратор, введены селективный детектор, логарифматор отношени , источник опорного напр жени и логарифматор напр жени , причем селективный детектор включен между выходом широкополосного усилител и первым входом логарифматора отношени , второй вход которого соединен с выходом источника опорного напр жени , а его выход т с входом вертикального отклонени двухкоординатного регистратора, подключенного входом горизонтального отклонени к выходу генератора пилообразного напр жени через логарифматор напр жени . ,The goal is achieved in that a device for monitoring the quality of avalanche photodiodes, containing a sawtooth generator and a source of constant voltage, connected to the output of the first bus to connect the test device optically connected to a high-frequency LED that is connected to the output of a high-voltage pulse generator frequencies connected to the second bus for connecting the device under test, a series-connected high-pass filter, an attenuator and a wideband amplifier, and t Also, a two-coordinate recorder, a selective detector, a ratio logarithm, a reference voltage source and a voltage logarithm are introduced, the selective detector being connected between the output of the wideband amplifier and the first input of the ratio logarithm, the second input of which is connected to the output of the reference voltage source, and its output the vertical deviation input of the two-coordinate recorder connected by the horizontal deviation input to the output of the sawtooth generator through a logarithmometer voltage stress. ,

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства на фиг. 2 - зарегистрированна характеристика дл безмйкроплазменного германиевого лавинного фотодиода на фиг. 3 - характеристик дл микроплазменного лавинного фотодиода , т.е. диода с дефектами.FIG. 1 is a block diagram of the device in FIG. 2 is a registered characteristic for the non-plasma plasma germanium avalanche photodiode in FIG. 3 - characteristics for microplasma avalanche photodiode, i.e. diode with defects.

Устройство содержит генератор 1 пилообразного напр жени , источник 2 посто нного напр жени , источник 3 излучени , выполненый в виде высокочастотного светодиода, генератор 4 импульсных сигналов высокой частоты, последовательно соединенные фильтр 5 верхних частот,, аттенюатор 6, широкополосный усилитель 7, селективный детектор 8, логарифматор 9 отношени второй вход которого подключен к источнику 10 опорного напр жени , а также логарифматор 11 напр жени . Выходы логарифматора 11 напр жени и логарифматора 9 отношени подключены к входам хну двухкоординатног регистратора 12 соответственно.The device contains a sawtooth voltage generator 1, a constant voltage source 2, a radiation source 3, made in the form of a high-frequency LED, a high-frequency pulse signal generator 4, a high-pass filter 5 in series, an attenuator 6, a broadband amplifier 7, a selective detector 8 , the logarithm 9 is the ratio of the second input of which is connected to the source 10 of the reference voltage, as well as the logarithmator 11 of the voltage. The outputs of the logarithm of the voltage 11 and the logarithm of the ratio 9 are connected to the henna inputs of the two-coordinate recorder 12, respectively.

В качестве двухкоординатного регистратора может быть использованAs a two-coordinate recorder can be used

осциллограф, либо самописец (дл более точной регистрации характеристик ) .Oscilloscope or recorder (for more accurate recording of characteristics).

Фильтр 5 верхних частот соединен с.шиной дл подключени второго -вывода испытуемого прибора 13, к шине дл подключени первого вывода которого подключены источник 2 посто нного напр жени и генератор 1 пилообразного ,напр жени . Фотодиод. 13 оптически св зан с источником излучени , соединенным с генератором 4 импульсных сигналов высокой частоты. Логарифматор 9 отношени выполнен, например, в виде двух логарифмических усилителей 14 и 13 и дифференциальной схемы 16 вычитани , инвертирующий и неинвертирующий входы которой соединены соответственно с выходами логарифмических усилителей 14 и 15.A high-pass filter 5 is connected with a bus to connect the second output of the test device 13, to the bus for connecting the first pin of which are connected a source 2 of constant voltage and a generator 1 sawtooth, voltage. Photodiode. 13 is optically coupled to a radiation source connected to a high frequency pulse signal generator 4. The relationship logarithm 9 is made, for example, in the form of two logarithmic amplifiers 14 and 13 and a differential subtraction circuit 16, the inverting and non-inverting inputs of which are connected respectively to the outputs of the logarithmic amplifiers 14 and 15.

Вход логарифмическогоусилител 1 через входной резистор 17 подключен к выходу селективного детектора 8 и через входной резистор 18 - к (ВЫХОДУ источника 10 опорного напр жени .The input of logarithmic amplifier 1 through the input resistor 17 is connected to the output of the selective detector 8 and through the input resistor 18 to the (OUTPUT of the source 10 of the reference voltage.

Вход логарифмического усилител 15 через входной резистор 19 подключен к выходу селективного детектора 8.The input of the logarithmic amplifier 15 through the input resistor 19 is connected to the output of the selective detector 8.

Устройство работает следующим обрзом .The device works as follows.

На испытуемый прибор 13 от источника 2 подаетс посто нное напр жени близкое к лавинному. Пилообразное напр жение низкой частоты (около 100 Гц) от генератора 1 переводит .фотодиод в лавинный, режим.The device under test 13 from source 2 is supplied with a constant voltage close to the avalanche voltage. A sawtooth voltage of low frequency (about 100 Hz) from generator 1 converts a photodiode into avalanche mode.

При подаче на высокочастотный . светодиод 3 от генератора 4 ,импульсных сигналов высокой частоты (свыше 100 кГц) на темновую вольтамперную характеристику фотодиода накладагоаютс высокочастотные импульсы фототока , несущие информацию с коэффициента умножени фотоносителей в лавинном режиме.When serving at high frequency. LED 3 from oscillator 4, high frequency pulsed signals (over 100 kHz) high-frequency photocurrent pulses carrying information from the multiplier of photocarriers in avalanche mode are applied to the dark current-voltage characteristic of the photodiode.

Общий токовый импульс с выхода фотодиода поступает на фильтр 5 верхних частот, который отфильтровывает низкочастотные импульсы темнового тока, и пропускает на вход аттенюатора 6 только высокочастотные импульсы фототока, которые затем .усиливаютс широкополосным усилителем 7 поступшот на вход быстродейств ( ощего селективного детектора 8, где происходит преобразование амапитуды импульсов ,в посто нное напр жение. С выхода селективного детектора 8 напр жение, пропорциональное фотото лавинного фотодиода, поступает чере входные резисторн 17 и 19 на входы логарифмических усилителей 14 и 15 соответственно, вход щих в схему логарифмического отношени . На вход логарифмического усилител 14 через входной резистор 18 подаетс , также напр жение UQ от источника 10 опорного напр жени . Сигнал Ig Цф, пропорциональный .амплитуде высокочастотных импульсов фототока с выхода логарифмического усилител 15, и сигнал Ig (Ujp-Hg), с выхода логарифмического усилител 14, подаютс соответственно на инвертирующий и неинвертирукнций входы дифференциальной схемы 16 вычитани на выходе которой возникает сигнал, пропорциональный Оф - U . Ig (). Этот сигнал можно сделать пропорциональным 1 Ig (1 - -((7) если опорное напр жение UQ источника опорного , напр жени установить равным выходному сигналу селективного детектора Uft П15и низком напр жении смещени лавинного фотодиода, когда-лавинный пробой еще не наступает. При абсолютном .равенстве выходного напр жени селективного детектора и напр жени от источника опорного напр же ни , выходной сигнал логарифматора отношени должен был бы стремитьс к минус бесконечности, что на практике невозможно. Поэтому напр жение источника опорного напр жени устанавливаетс близким к Цф, причем так, чтобы напр жение UQ по абсолют ной величине было меньше напр жени Dtp, что необходимо дл обеспечени нужной пол рности суммарного входного тока логари4 4атора отношени . Регулировка выходного напр жени источника опорного напр жени контролируетс по выходному напр жению логарифматора отношени . После запуска генератора пилообразных импульсов напр жени и перевода лавинного фотодиода в лавинный режим работы сигнал, снимаемый с выхода селективного детектора, будет увеличиватьс пропо)ционально увеличению коэффициента умножени , а выходное напр жение логарифматора отношени при этом будет измен тьс по закону по закону Ig (1 эквивалентно. Выходное напр жение логарифматора 9 отношени подаетс на вход у регистратора 12, а выходное напр жение логарифматора напр жени , представл ющее собой логарифм напр жени смещени диода Ig и, подаетс на вход X осциллографа. Нри этом на экране осциллографа будет наблюдатьс непосредственно характеристика зависимости вида 1 igCl- ju) fdg и). Дл лавинных фотодиодов с однородным пробоем по всей площади р-п-перехода эта характеристика вл етс пр мой линией с наклоном к оси напр жений, равным показателю п степенной зависимости коэффициента умножени от напр жени 1 и п 1-( -) Uflp Параметр не зависит от напр жени и дл данной длины волны света вл етс константой. Однако если пробой по площади р-п-перехода распределен неоднородно, например, из-за неравномерности градиента диффундирующей примеси, неоднородности контактов, неоднородности объемных параметров полупроводникового материала, из которого изготовлен лавинный фотодиод , параметр становитс функцией . напр жени и зависимость вида lg(1- jf) f(lg и) заметно отклон етс от пр молинейной. Микроплазмы про вл ютс цо данной зависимости в виде острых максимумов и размещаютс с высокой степенью достоверности . Напр жение пробо лавинного фотодиода определ етс непосредственно из графика данной зависимости как точка пересечени пр мой с осью напр жений . Причем, такой способ измерени лавинного пробо вл етс 7 1Ю наиболее точным по отношению ко всем другим известным способам, так как дает физическое значение , близкое к теоретическому (по определению под напр жением лавинного пробо понимаетс такое напр жение,, при ко торбм коэффициент умножени стремитс к бесконечности), При этом область напр жений Смещени диода остаетс ниже напр жени пробо , а коэффициенты умножени не об зательно должны иметь высокие значени . 7 Так как определ етс .оператором непосредственно в процессе испытани образца, устройство позвол ет проводить контроль качества лавинного фотодиода в таком режиме, при котором напр жение смещени , подаваемое на образец от генератора пилообразного напр жени не будет превьшать напр жение лавинньго пробо , что исключает разрушение приборов в процессе контрол .The common current pulse from the photodiode output is fed to a high-pass filter 5, which filters out low-frequency dark current pulses, and passes only high-frequency photocurrent pulses to the attenuator 6 input, which then are amplified by the broadband amplifier 7 and received at the speed input (feeling the selective detector 8, where the conversion of the pulse amplitude to a constant voltage. From the output of the selective detector 8, a voltage proportional to the photo avalanche photodiode enters the input resist 17 and 19 to the inputs of logarithmic amplifiers 14 and 15, respectively, included in the logarithmic ratio circuit. The input of logarithmic amplifier 14 is also fed through the input resistor 18 by the voltage UQ from the reference voltage source 10. The signal Ifff is proportional to the amplitude of the high-frequency the photocurrent pulses from the output of the logarithmic amplifier 15, and the signal Ig (Ujp-Hg), from the output of the logarithmic amplifier 14, are respectively fed to the inverting and non-inverting inputs of the output of the differential subtracting circuit 16 signal proportional to Of - U. Ig (). This signal can be made proportional to 1 Ig (1 - - ((7) if the reference voltage UQ of the reference source, voltage is set equal to the output signal of the selective detector Uft P15 and low avalanche photodiode bias voltage when avalanche breakdown does not occur yet. At absolute By the equality of the output voltage of the selective detector and the voltage from the source of the reference voltage, the output signal of the logarithm of the ratio would have to tend to minus infinity, which is impossible in practice. Therefore, the voltage of the reference source the voltage is set close to Zf, and so that the voltage UQ in absolute value is less than the voltage Dtp, which is necessary to ensure the desired polarity of the total input current of the ratio logar4. The output voltage of the reference voltage is controlled by the output voltage After starting the sawtooth pulse generator and converting the avalanche photodiode into an avalanche mode, the signal taken from the output of the selective detector will increase propyl) rata increase in the coefficient multiplying, and the output voltage logarifmatora ratio in this case will vary according to the law by law Ig (1 equivalent. The output voltage of the logarithm of the 9 ratio is applied to the input of the recorder 12, and the output voltage of the logarifmator of the voltage, which is the logarithm of the bias voltage of the diode Ig and is fed to the input X of the oscilloscope. In this case, a characteristic of the dependence of the form 1 igCl-ju (fdg and) will be observed on the oscilloscope screen. For avalanche photodiodes with uniform breakdown over the entire area of the pn junction, this characteristic is a straight line with a slope to the voltage axis equal to the exponent n of a power-law dependence of the multiplication factor on voltage 1 and n 1- (-) Uflp the voltage and for a given wavelength of light is constant. However, if the breakdown is distributed non-uniformly over the pn junction area, for example, due to the non-uniformity of the diffusing impurity gradient, the non-uniformity of the contacts, the non-uniformity of the volume parameters of the semiconductor material the avalanche photodiode is made of, the parameter becomes a function. voltage and the dependence of the form log (1- jf) f (lg and) noticeably deviates from the linear one. Microplasmas show this relationship in the form of sharp maxima and are placed with a high degree of confidence. The avalanche photodiode breakdown voltage is determined directly from the graph of this dependence as the point of intersection of the direct with the axis of the voltages. Moreover, such a method of measuring avalanche breakdown is 7 1U most accurate with respect to all other known methods, since it gives a physical value that is close to theoretical (by definition, the stress of avalanche breakdown means such a voltage, at which the multiplication factor to infinity), and the voltage range of the diode bias remains below the breakdown voltage, and the multiplication factors do not necessarily have to be high values. 7 Since it is determined by the operator directly during the test of the sample, the device allows quality control of the avalanche photodiode in such a mode that the bias voltage applied to the sample from the sawtooth generator does not exceed the avalanche breakdown voltage, which prevents destruction devices in the process of control.

Claims

DEVICE FOR QUALITY CONTROL OF AVALANCHE PHOTODIODES, comprising a sawtooth voltage generator and a DC voltage source connected to the outputs of the first bus for connecting the test device optically connected to a high-frequency LED, which is connected to the output of the high-frequency pulse signal generator, connected to the second bus for connecting the test the instrument has a high-pass filter, an attenuator and a broadband amplifier, as well as a two-axis recorder, connected in series, excellent which, in order to increase the control accuracy, a selective detector, a ratio logarithm, a voltage reference source, and a voltage logarithm are introduced into it, the selective detector being connected between the broadband amplifier output and the first input of the ratio logarithm, the second input of which is connected to the output of the reference source voltage, and its output - with the input of the vertical deviation of the two-coordinate recorder, connected by the input of the horizontal deviation to the output of the sawtooth voltage generator es logarifmator voltage.