Мощный высокоскоростной фотодиод (варианты)

Авторы патента:

Полезная модель относится к области оптоэлектроники и может быть использована, в частности, при производстве мощных высокоскоростных фотодиодов для измерительной техники, волоконно-оптических систем связи и лазерной дальнометрии.

Техническая задача полезной модели - увеличение мощности насыщения СВЧ-сигнала на выходе фотодиода путем снижения его теплового сопротивления.

Вариант 1. Техническая задача решается тем, что в мощном высокоскоростном фотодиоде, содержащем мезаструктуру на основе p-n перехода, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности полупроводниковых слоев: легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа, нелегированного полупроводникового слоя, легированного полупроводникового слоя с проводимостью второго типа; первый металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем с проводимостью первого типа; второй металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем с проводимостью второго типа; диэлектрический слой, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры, первый и второй металлические электроды выполнены в виде балок, расположенных в плоскости параллельной полупроводниковым слоям и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры.

Вариант 2. Техническая задача решается тем, что в мощном высокоскоростном фотодиоде, содержащем мезаструктуру на основе барьера Шоттки, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности легированного полупроводникового слоя и нелегированного полупроводникового слоя; первый металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем; второй металлический электрод, образующий барьер Шоттки с нелегированным полупроводниковым слоем; диэлектрический слой, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры, первый и второй металлические электроды выполнены в виде балок, расположенных в плоскости параллельной полупроводниковым слоям и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры.

Совокупность указанных признаков приводит к увеличению мощности насыщения СВЧ-сигнала на выходе фотодиода вследствие снижения его теплового сопротивления, так как тепло, генерируемое в нелегированном полупроводниковом слое при протекании фототока, эффективно отводится как к первому, так и ко второму металлическим электродам, выполненных в виде балок, расположенных в плоскости параллельной полупроводниковым слоям и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры.

Известен вертикально-освещаемый фотодиод на основе p-n перехода [1], состоящий из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности первого металлического электрода, образующего омический контакт, легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа, нелегированного полупроводникового слоя, легированного полупроводникового слоя с проводимостью второго типа и второго металлического электрода, образующего омический контакт и сформированного в виде металлического кольца, через которое вводится оптическое излучение.

Данный вертикально-освещаемый фотодиод имеет низкую мощность насыщения СВЧ-сигнала, так как тепло, генерируемое в нелегированном полупроводниковом слое при протекании фототока, отводится только к первому металлическому электроду через легированный полупроводниковый слой с проводимостью первого типа, имеющий большое тепловое сопротивление.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по варианту 1 является вертикально-освещаемый фотодиод на основе p-n перехода [2], состоящий из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности первого металлического электрода, образующего омический контакт, легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа, через который вводится оптическое излучение, нелегированного полупроводникового слоя, легированного полупроводникового слоя с проводимостью второго типа и второго металлического электрода, образующего омический контакт.

Данный вертикально-освещаемый фотодиод не достигает высокого значения мощности насыщения СВЧ-сигнала из-за большого теплового сопротивления легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по варианту 2 является вертикально-освещаемый фотодиод на основе барьера Шоттки [3], состоящий из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности первого металлического электрода, образующего омический контакт, легированного полупроводникового слоя, через который вводится оптическое излучение, нелегированного полупроводникового слоя и второго металлического электрода, образующего барьер Шоттки.

Сущность полезной модели по варианту 1 поясняется Фиг.1, на которой изображен поперечный разрез мощного высокоскоростного фотодиод, где:

1 - мезаструктура;

2 - легированный полупроводниковый слой с проводимостью первого типа;

3 - нелегированный полупроводниковый слой;

4 - легированный полупроводниковый слой с проводимостью второго типа;

5 - первый металлический электрод;

6 - второй металлический электрод;

7 - диэлектрический слой.

Сущность полезной модели по варианту 2 поясняется Фиг.2, на которой изображен поперечный разрез мощного высокоскоростного фотодиода, где:

8 - мезаструктура;

9 - легированный полупроводниковый слой;

10 - нелегированный полупроводниковый слой;

11 - первый металлический электрод;

12 - второй металлический электрод;

13 - диэлектрический слой.

Мощный высокоскоростной фотодиод по варианту 1 содержит мезаструктуру 1 на основе p-n-перехода, состоящей из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности полупроводниковых слоев: легированного полупроводникового слоя 2 с проводимостью первого типа, через который вводится оптическое излучение, нелегированного полупроводникового слоя 3 и легированного полупроводникового слоя 4 с проводимостью второго типа; первый металлический электрод 5, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем 2 с проводимостью первого типа; второй металлический электрод 6, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем 4 с проводимостью второго типа; диэлектрический слой 7, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 1. При этом металлические электроды 5 и 6 выполнены в виде балок, расположенных в плоскости параллельной полупроводниковым слоям 2, 3, 4 и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры 1.

Мощный высокоскоростной фотодиод по варианту 2 содержит мезаструктуру 8 на основе барьера Шоттки, состоящей из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности легированного полупроводникового слоя 9, через который вводится оптическое излучение, и нелегированного полупроводникового слоя 10; первый металлический электрод 11, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем 9; второй металлический электрод 12, образующий барьер Шоттки с нелегированным полупроводниковым слоем 10; диэлектрический слой 13, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 8. При этом металлические электроды 11 и 12 выполнены в виде балок, расположенных в плоскости параллельной полупроводниковым слоям 9, 10 и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры 8.

Мощный высокоскоростной фотодиод по варианту 1 работает следующим образом. В рабочем режиме к фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения. Оптическое излучение подается через открытую поверхность легированного полупроводникового слоя 2 с проводимостью первого типа,. При поглощении оптического излучения в полупроводниковых слоях происходит генерация электронно-дырочных пар. Электроны и дырки, генерированные оптическим излучением, разделяются в нелегированном полупроводниковом слое 3 электрическим полем, возникшим под воздействием приложенного напряжения смещения, и двигаются в разные стороны к металлическим электродам 5 и 6, в результате чего в фотодиоде протекает электрический ток. При протекании фототока происходит разогрев нелегированного полупроводникового слоя 3 джоулевым теплом (эффект саморазогрева), что в конечном итоге, при увеличении мощности падающего оптического излучения, приводит к насыщению мощности СВЧ-сигнала на выходе фотодиода. В рассматриваемой конструкции фотодиода его тепловое сопротивление уменьшается, так как тепло, генерируемое в нелегированном полупроводниковом слое 3 при протекании фототока, эффективно отводится как к первому 5, так и ко второму 6 металлическим электродам, выполненных в виде балок, что позволяет увеличить мощность насыщения СВЧ-сигнала на выходе фотодиода по сравнению с прототипом.

Мощный высокоскоростной фотодиод по варианту 2 работает следующим образом. В рабочем режиме к фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения. Оптическое излучение подается через открытую поверхность легированного полупроводникового слоя 9. При поглощении оптического излучения в полупроводниковых слоях происходит генерация электронно-дырочных пар. Электроны и дырки, генерированные оптическим излучением, разделяются в нелегированном полупроводниковом слое 10 электрическим полем, возникшим под воздействием приложенного напряжения смещения, и двигаются в разные стороны к металлическим электродам 11 и 12, в результате чего в фотодиоде протекает электрический ток. При протекании фототока происходит разогрев нелегированного полупроводникового слоя 9 джоулевым теплом (эффект саморазогрева), что в конечном итоге, при увеличении мощности падающего оптического излучения, приводит к насыщению мощности СВЧ-сигнала на выходе фотодиода. В рассматриваемой конструкции фотодиода его тепловое сопротивление уменьшается, так как тепло, генерируемое в нелегированном полупроводниковом слое 9 при протекании фототока, эффективно отводится как к первому 11, так и ко второму 12 металлическим электродам, выполненных в виде балок, что позволяет увеличить мощность насыщения СВЧ-сигнала на выходе фотодиода по сравнению с прототипом.

Пример конкретного выполнения мощного высокоскоростного фотодиода по варианту 1 с предельной частотой 30 ГГц, работающего в спектральном диапазоне от 1000 до 1650 нм. В качестве полупроводникового слоя 2 берется n⁺ -InGaAsP толщиной 0,5 мкм с концентрацией донорной примеси 2·10¹⁸ см^-3, который методом газофазной эпитаксии выращивается на подложке n⁺-InP с концентрацией донорной примеси 2·10¹⁸ см^-3. На легированном полупроводниковом слое 2 последовательно выращивается нелегированный полупроводниковый слой 3, в качестве которого берется нелегированный n⁰-In_0.53Ga_0.47As слой толщиной 0,5 мкм с концентрацией остаточной донорной примеси 5·10¹⁴ см^-3, и легированный полупроводниковый слой 4 с примесной проводимостью второго типа, в качестве которого берется p⁺-InP слой толщиной 0,5 мкм с концентрацией акцепторной примеси 9·10¹⁷ см^-3. Методом фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления на полупроводниковом слое 4 формируется второй металлический электрод 6 диаметром 30 мкм из сплава Au-Zn, образующий с полупроводниковом слоем 4 омический контакт. Затем методом фотолитографии, химического травления и химического осаждения формируется мезаструктура 1 глубиной 1,5 мкм и диаметром 40 мкм, на боковую поверхность которой наносится диэлектрический слой 7, в качестве которого берется полиимид толщиной 1,0 мкм, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 1 от металлических электродов 5 и 6. Методом фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления на полупроводниковом слое 2 формируется первый металлический электрод 5 из сплава Au-Ge-Ni, образующий с полупроводниковым слоем 2 омический контакт. Затем с помощью фотолитографии, вакуумного напыления и электрохимического осаждения Аu металлические электроды 5 и 6 формируются в виде балок, толщиной 5 мкм, шириной 100 мкм и длиной 500 мкм, после чего повторно наносится диэлектрический слой 7 из полиимида, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 1 от внешней среды, а подложка n⁺-InP удаляется с помощью селективного химического травления.

Пример конкретного выполнения мощного высокоскоростного фотодиода по варианту 2 с предельной частотой 30 ГГц, работающего в спектральном диапазоне от 1000 до 1650 нм. В качестве легированного полупроводникового слоя 9 берется n⁺-InGaAsP толщиной 0,5 мкм с концентрацией донорной примеси 2·10¹⁸cм^-3, который методом газофазной эпитаксии выращивается на подложке n⁺ -InP с концентрацией донорной примеси 2·10¹⁸ см^-3. На легированном полупроводниковом слое 9 выращивается нелегированный полупроводниковый слой 10, в качестве которого берется плавный гетеропереход n⁰-In_0.53 Ga_0.47As/n⁰-In_0.52Al_0.48 As толщиной 0,5 мкм с концентрацией остаточной донорной примеси 2·10¹⁵ см^-3. Методом фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления на полупроводниковом слое 10 формируется второй металлический электрод 12 диаметром 30 мкм из Cr/Au, образующий с полупроводниковом слоем 10 барьер Шоттки. Затем методом фотолитографии, химического травления и химического осаждения формируется мезаструктура 8 глубиной 1,0 мкм и диаметром 40 мкм, на боковую поверхность которой наносится диэлектрический слой 13, в качестве которого берется полиимид толщиной 1,0 мкм, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 8 от металлических электродов 11 и 12. Затем методом фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления на полупроводниковом слое 9 формируется первый металлический электрод 11 из сплава Au-Ge-Ni, образующий с полупроводниковым слоем 9 омический контакт. Затем с помощью фотолитографии, вакуумного напыления и электрохимического осаждения Аu металлические электроды 11 и 12 формируются в виде балок, толщиной 5 мкм, шириной 100 мкм и длиной 500 мкм, после чего повторно наносится диэлектрический слой 13 из полиимида, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 8 от внешней среды, а подложка n⁺-InP удаляется с помощью селективного химического травления.

Источники информации:

[1] Highly-doped p-type contact for high-speed, front-side illuminated photodiode / S.Williamson, R.Sacks, J.Valdmanis, K.Hemyari // United States Patent 6,262,465 B1-Jul.17, 2001.

[2] High-current back-illuminated partially depleted-absorber p-i-n photodiode with depleted nonabsorbing region / K.Sakai, E.Ishimura, M.Nakaji, S.Itakura, Y.Hirano, and T.Aoyagi // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2010. - Vol.58, n.11. - P.3154-3160.

[3] Gigahertz InGaAs-based vertical Schottky diode optical detectors by substrate removal / Vaccaro K., Spaziani S.M., Martin E.A., Lorenzo J.P. // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1998. - Vol.34, n.6. - P.991-999.

1. Мощный высокоскоростной фотодиод, содержащий мезаструктуру на основе p-n перехода, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности полупроводниковых слоев: легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа, нелегированного полупроводникового слоя, легированного полупроводникового слоя с проводимостью второго типа; первый металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем с проводимостью первого типа; второй металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем с проводимостью второго типа; диэлектрический слой, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры, отличающийся тем, что первый и второй металлические электроды выполнены в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры.

2. Мощный высокоскоростной фотодиод, содержащий мезаструктуру на основе барьера Шоттки, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности легированного полупроводникового слоя и нелегированного полупроводникового слоя; первый металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем; второй металлический электрод, образующий барьер Шоттки с нелегированным полупроводниковым слоем; диэлектрический слой, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры, отличающийся тем, что первый и второй металлические электроды выполнены в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры.