RU2469438C1 - Semiconductor photodiode for infrared radiation - Google Patents
Semiconductor photodiode for infrared radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2469438C1 RU2469438C1 RU2011124578/28A RU2011124578A RU2469438C1 RU 2469438 C1 RU2469438 C1 RU 2469438C1 RU 2011124578/28 A RU2011124578/28 A RU 2011124578/28A RU 2011124578 A RU2011124578 A RU 2011124578A RU 2469438 C1 RU2469438 C1 RU 2469438C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodiode
- contact
- bridge
- substrate
- area
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000010407 anodic oxide Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 21
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 17
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 14
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 10
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 7
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 6
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 5
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 229910015369 AuTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052689 Holmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000001307 laser spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым фоточувствительным приборам, предназначенным для детектирования инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре. Данные полупроводниковые ИК фотодиоды могут применяться в различных областях науки и техники, в промышленности: в диодно-лазерной спектроскопии, в медицине, в системах дальнометрии и локации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах, в оптических системах связи и передачи информации, в том числе, по открытому воздушному каналу.The invention relates to optoelectronic technology, namely to semiconductor photosensitive devices for detecting infrared (IR) radiation at room temperature. These semiconductor IR photodiodes can be used in various fields of science and technology, in industry: in diode-laser spectroscopy, in medicine, in ranging and location systems, in optical superfast computing and switching systems, in optical communication and information transmission systems, including , through the open air channel.
В настоящее время возникла острая потребность в фотодиодах для регистрации коротких лазерных импульсов в ИК-диапазоне спектра. Для данного спектрального диапазона разработаны различные типы лазеров: полупроводниковые лазеры на основе GaSb и его твердых растворов - квантово-каскадные, с резонатором Фабри-Перо и с дисковым резонатором, работающие при комнатной температуре, а также мощные компактные твердотельные лазеры на основе кристаллов YAG и Nd-KGW, легированных ионами Но, Tm и Er. Однако проблема создания высокоэффективных быстродействующих приемников для детектирования излучения таких лазеров не решена.Currently, there is an urgent need for photodiodes for detecting short laser pulses in the infrared spectrum. Various types of lasers have been developed for this spectral range: semiconductor lasers based on GaSb and its solid solutions - quantum cascade, with a Fabry-Perot resonator and with a disk resonator operating at room temperature, as well as powerful compact solid-state lasers based on YAG and Nd crystals -KGW doped with ions of Ho, Tm and Er. However, the problem of creating highly efficient high-speed receivers for detecting radiation from such lasers has not been solved.
Например, существуют быстродействующие фотодиоды на основе Ge для спектрального диапазона 1.0-1.7 мкм. Тем не менее, приемники с быстродействием выше 100 пс в диапазоне длин волн 1.7-5.0 мкм отсутствуют. Это препятствует созданию такой медицинской аппаратуры, как новый вид оптического томографа, задерживает разработку оптических линии связи в открытом пространстве (Free-Space Optics Communication), не требующих прокладки дорогостоящих каналов волоконно-оптической связи (ВОЛС). Современные фотодиоды спектрального диапазона 1.7-5.0 мкм имеют ряд существенных недостатков. В результате интенсивных исследований, как в России, так и за рубежом к настоящему времени созданы фотодиоды на основе полупроводников A3B5 - на основе как бинарных соединений (InAs, InSb, GaSb), так и многокомпонентных твердых растворов (GalnAsSb/GaAlAsSb, InAs(Sb)/InAsSbP). Одним из основных недостатков InAs, InSb и InAs/InAs(Sb)/InAsSbP фотодиодов является невозможность обеспечить высокую эффективность без глубокого охлаждения, и такие фотодиоды демонстрируют приемлемые для работы характеристики только при криогенных температурах (-196°С).For example, there are high-speed Ge-based photodiodes for the spectral range of 1.0-1.7 μm. However, receivers with a speed above 100 ps in the wavelength range 1.7–5.0 μm are absent. This prevents the creation of medical equipment such as a new type of optical tomograph, delays the development of optical communication lines in open space (Free-Space Optics Communication), which do not require the laying of expensive fiber-optic communication channels (FOCL). Modern photodiodes of the spectral range 1.7–5.0 μm have a number of significant drawbacks. As a result of intensive research, both in Russia and abroad, photodiodes based on A 3 B 5 semiconductors have been created to date, based on both binary compounds (InAs, InSb, GaSb) and multicomponent solid solutions (GalnAsSb / GaAlAsSb, InAs (Sb) / InAsSbP). One of the main drawbacks of InAs, InSb, and InAs / InAs (Sb) / InAsSbP photodiodes is the inability to provide high efficiency without deep cooling, and such photodiodes demonstrate acceptable performance only at cryogenic temperatures (-196 ° C).
Задача создания высокоэффективных быстродействующих ИК-приемников, работающих при комнатной температуре, заставляет искать новые альтернативные подходы к принципам работы и конструкции приборов. Увеличение эффективности фотодиодов возможно повышением обнаружительной способности и повышением быстродействия. Обнаружительная способность D* фотодиода определяется по следующей формуле [Jones R.C. Performance of Detectors for Visible and Infrared Radiation in book Advances in Electronics, Academic, New York, 5, 1 (1953)]:The task of creating high-performance high-speed infrared receivers operating at room temperature makes us look for new alternative approaches to the principles of operation and design of devices. An increase in the efficiency of photodiodes is possible by increasing the detection ability and increasing speed. The detectability of a D * photodiode is determined by the following formula [Jones R.C. Performance of Detectors for Visible and Infrared Radiation in book Advances in Electronics, Academic, New York, 5, 1 (1953)]:
где Ri - токовая монохроматическая чувствительность, А/Вт, S - площадь чувствительной площадки, см2; in - величина шумового тока, А.where R i is the current monochromatic sensitivity, A / W, S is the area of the sensitive area, cm 2 ; i n - noise current value, A.
Из формулы (1) следует, что для повышения обнаружительной способности фотодиода необходимо снижать величину шумового тока, который связан следующим образом с величиной обратного темнового тока:From formula (1) it follows that to increase the detecting ability of the photodiode, it is necessary to reduce the value of the noise current, which is associated as follows with the value of the inverse dark current:
где id - величина обратного темнового тока, A; q - заряд электрона, Кл.where i d is the value of the inverse dark current, A; q is the electron charge, C
С другой стороны, для повышения D* фотодиода необходимо увеличивать площадь чувствительной площадки S, что ведет к увеличению собственной емкости и, следовательно, снижению быстродействия фотодиода.On the other hand, to increase the D * of the photodiode, it is necessary to increase the area of the sensitive area S, which leads to an increase in the intrinsic capacitance and, consequently, a decrease in the speed of the photodiode.
Таким образом, задача увеличения эффективности фотодиода для ИК-излучения на основе полупроводников A3B5 за счет одновременного увеличения его обнаружительной способности и быстродействия не решена.Thus, the task of increasing the efficiency of the photodiode for infrared radiation based on A 3 B 5 semiconductors due to a simultaneous increase in its detecting ability and speed has not been solved.
Одним из недостатков существующих фотодиодов для ИК-излучения на основе полупроводников A3B5 является снижение их эффективности из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом. Площадь чувствительной площадки S уменьшается на величину площади контакта на ее поверхности, при этом уменьшается D* фотодиода. В формуле (1) под S понимается эффективная площадь чувствительной площадки, а именно площадь чувствительной к ИК-излучению поверхности, не занятой контактами.One of the drawbacks of existing photodiodes for infrared radiation based on A 3 B 5 semiconductors is a decrease in their efficiency due to shadowing of the sensitive area by a metal front contact located on its surface. The area of the sensitive area S decreases by the size of the contact area on its surface, while the D * of the photodiode decreases. In formula (1), S is the effective area of the sensitive area, namely, the area of the surface sensitive to infrared radiation, not occupied by contacts.
Для таких типов полупроводниковых приборов как транзисторы [LI Xian-Jie, CAI Dao-Min, ZENG Qing-Ming, LIU Shi-Yong, LIANG Chun-Guanng, Self-Aligned InP/InGaAs single heterojunction bipolar transistor with novel micro-airbrige structure and quasi-coplanar contacts, Chin. Phys. Lett. 20 (2), 311 (2003)], диоды Шоттки [А.Notargiacomo, R.Bagni, E.Giovine, V.Foglietti, S.Carta, M.Pea, L. Di Gaspare, G.Capellini, F.Evangelisti, Fabrication of air-bridge Schottky diodes on germanium for high speed IR detectors, Microelectron. Eng. (2011), doi: 10.1016/j.mee.2010.11.046] известны мостиковые контакты.For semiconductor device types such as transistors [LI Xian-Jie, CAI Dao-Min, ZENG Qing-Ming, LIU Shi-Yong, LIANG Chun-Guanng, Self-Aligned InP / InGaAs single heterojunction bipolar transistor with novel micro-airbrige structure and quasi-coplanar contacts, Chin. Phys. Lett. 20 (2), 311 (2003)], Schottky diodes [A.Notargiacomo, R. Bagni, E. Giovine, V. Foglietti, S. Carta, M. Pea, L. Di Gaspare, G. Capellini, F. Evangelisti , Fabrication of air-bridge Schottky diodes on germanium for high speed IR detectors, Microelectron. Eng. (2011), doi: 10.1016 / j.mee.2010.11.046] bridge contacts are known.
Известен p-i-n фотодиод для ИК-излучения на основе InAsSb для спектрального диапазона 2.5-4.9 мкм [В.В.Шерстнев, Д.Старостенко, И.А.Андреев, Г.Г.Коновалов, Н.Д.Ильинская, О.Ю.Серебренникова, Ю.П.Яковлев, Письма в ЖТФ 37 (1), 11-17 (2011)], взятый за аналог. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированную на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-InAs состоит из широкозонного слоя InAsSbP, активной области InAs0.88Sb0.12 и широкозонного окна InAsSbP. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 300 мкм. Фронтальный контакт к слою p-InAsSbP является точечным с диаметром 30 мкм и контактная площадка располагается на поверхности чувствительной площадки фотодиода. Тыльный контакт к подложке n-InAs является сплошным. Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигает 4.9 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляет 2.5 мкм. Токовая монохроматическая чувствительность фотодиодов в максимуме спектра (λmax=4.0-4.6 мкм) имеет значение Ri=0.6-0.8 A/W, что соответствует квантовой эффективности 15-20%. Значение плотности обратных темновых токов фотодиода составляет (1.3-7.5)×10-2 А/см2 при напряжении обратного смещения U=-0.2 В. Быстродействие фотодиода является типичным для приборов на основе A3B5 и составляет 1-5 нс. Обнаружительная способность фотодиодов в максимуме спектральной чувствительности с учетом токовой монохроматической чувствительности и величины шумов, определяемых дробовыми шумами сопротивления в 200-500 Ом, достигает значений D*=(5-8)×108W-1×cm×Hz1/2.Known pin photodiode for infrared radiation based on InAsSb for the spectral range of 2.5-4.9 μm [V.V. Sherstnev, D. Starostenko, I.A. Andreev, G. G. Konovalov, N. D. Ilyinskaya, O. Yu. Serebrennikova, Yu.P. Yakovlev, Letters in ZhTF 37 (1), 11-17 (2011)], taken as an analogue. The photodiode includes a mesa with a sensitive area formed on the surface of a semiconductor heterostructure, ohmic contacts. The heterostructure on the n-InAs substrate consists of a wide-band InAsSbP layer, an active region of InAs 0.88 Sb 0.12, and a wide-gap InAsSbP window. The diameter of the sensitive area of the photodiode is 300 microns. The frontal contact to the p-InAsSbP layer is point with a diameter of 30 μm and the contact area is located on the surface of the sensitive area of the photodiode. The back contact to the n-InAs substrate is continuous. The long-wavelength boundary of the spectral sensitivity of the photodiode reaches 4.9 μm at T = 300 K. The short-wavelength boundary of the spectral sensitivity of the photodiode is 2.5 μm. The current monochromatic sensitivity of the photodiodes at the maximum of the spectrum (λ max = 4.0–4.6 μm) has a value of R i = 0.6–0.8 A / W, which corresponds to a quantum efficiency of 15–20%. The density value of the reverse dark currents of the photodiode is (1.3-7.5) × 10 -2 A / cm 2 at a reverse bias voltage of U = -0.2 V. The speed of the photodiode is typical for devices based on A 3 B 5 and is 1-5 ns. The detecting ability of photodiodes at the maximum spectral sensitivity, taking into account the current monochromatic sensitivity and the magnitude of the noise determined by shot noise of resistance of 200-500 Ohms, reaches D * = (5-8) × 10 8 W -1 × cm × Hz 1/2 .
К достоинствам данного фотодиода можно отнести возможность работы при комнатной температуре в длинноволновом диапазоне 2.5-4.9 мкм.The advantages of this photodiode include the ability to work at room temperature in the long wavelength range of 2.5-4.9 microns.
Основным недостатком устройства-аналога являются невысокая эффективность за счет низких обнаружительной способности и быстродействия фотодиода. Обнаружительная способность D* фотодиода снижена из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом. Кроме того, в данной конструкции уменьшение площади чувствительной площадки, позволяющее снизить собственную емкость и, соответственно, повысить быстродействие фотодиода, приведет к дальнейшему снижению обнаружительной способности.The main disadvantage of the analog device is the low efficiency due to the low detection ability and speed of the photodiode. The detecting ability of the D * photodiode is reduced due to the shadowing of the sensitive area by a metal frontal contact located on its surface. In addition, in this design, a decrease in the area of the sensitive area, which allows to reduce its own capacitance and, accordingly, increase the speed of the photodiode, will lead to a further decrease in the detection ability.
Известен p-i-n фотодиод для ИК-излучения на основе GaInAsSb для спектрального диапазона 0.9-2.4 мкм [И.А.Андреев, О.Ю.Серебренникова, Г.С.Соколовский, Е.В.Куницына, В.В.Дюделев, И.М. Гаджиев, А.Г.Дерягин, Е.А.Гребенщикова, Г.Г.Коновалов, М.П.Михайлова, Н.Д.Ильинская, В.И.Кучинский, Ю.П.Яковлев, Письма в ЖТФ 36 (9), (2010)], взятый за аналог. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированную на поверхности полупроводниковой гетероструктуры, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-GaSb состоит из активной области n-Ga0.78In0.22As0.18Sb0.82 и широкозонного окна p-Ga0.66Al0.34Sb0.025As0.975. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 100 мкм. Фронтальный контакт к слою p-GaAlAsSb является точечным с диаметром 30 мкм и контактная площадка располагается на поверхности чувствительной площадки фотодиода. Тыльный контакт к подложке n-GaSb является сплошным. Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигает 2.4 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляет 0.9 мкм. При нулевом смещении фотодиоды имели собственную емкость 2.0-3.0 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода имеет величину 0.9-1.2 пФ. Токовая монохроматическая чувствительность на длине волны λ=2.1 мкм достигает Ri=0.9-1.1 A/W, что соответствует квантовой эффективности 0.6-0.7 без антиотражающего покрытия. Величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода составляет (500-1000) нА при обратном напряжении U=-(0.5-3.0) В. Обнаружительная способность фотодиодов, определенная по формуле [1], в максимуме спектра имеет значение D*=9.0×1010 W-1×cm×Hz1/2. Быстродействие фотодиода, определяемое по времени нарастания импульса фотоотклика на уровне 0.1-0.9, составляет величину (130-150) пс. Полоса пропускания фотодиодов достигает значения 2 HGz.Known pin photodiode for infrared radiation based on GaInAsSb for the spectral range of 0.9-2.4 μm [I.A. Andreev, O. Yu.Serebrennikova, G.S.Sokolovsky, E.V. Kunitsyna, V.V. Dudelev, I. M. Gadzhiev, A.G. Deryagin, E.A. Grebenshchikova, G.G. Konovalov, M.P. Mikhailov, N.D. Ilyinskaya, V.I. Kuchinsky, Yu.P. Yakovlev, Letters in ZhTF 36 (9 ), (2010)], taken as an analog. The photodiode includes a mesa with a sensitive area formed on the surface of a semiconductor heterostructure, ohmic contacts. The heterostructure on the n-GaSb substrate consists of the active region of n-Ga 0.78 In 0.22 As 0.18 Sb 0.82 and the wide-gap p-Ga 0.66 Al 0.34 Sb 0.025 As 0.975 window . The diameter of the sensitive area of the photodiode is 100 μm. The frontal contact to the p-GaAlAsSb layer is point with a diameter of 30 μm and the contact area is located on the surface of the sensitive area of the photodiode. The back contact to the n-GaSb substrate is continuous. The long-wavelength boundary of the spectral sensitivity of the photodiode reaches 2.4 μm at T = 300 K. The short-wavelength boundary of the spectral sensitivity of the photodiode is 0.9 μm. At zero bias, the photodiodes had their own capacitance of 2.0-3.0 pF. At a reverse bias of 3.0 V, the capacitance of the photodiode is 0.9–1.2 pF. The monochromatic current sensitivity at a wavelength of λ = 2.1 μm reaches R i = 0.9-1.1 A / W, which corresponds to a quantum efficiency of 0.6-0.7 without antireflection coating. The inverse dark current for the best photodiode samples is (500-1000) nA at a reverse voltage U = - (0.5-3.0) V. The detecting ability of photodiodes, determined by the formula [1], at the maximum of the spectrum has the value D * = 9.0 × 10 10 W -1 × cm × Hz 1/2 . The speed of the photodiode, determined by the rise time of the photoresponse pulse at the level of 0.1-0.9, is (130-150) ps. The passband of photodiodes reaches a value of 2 HGz.
К достоинствам данного фотодиода можно отнести достаточно высокое быстродействие для приемников ИК-излучения в спектральном диапазоне 0.9-2.4 мкм при высоком значении обнаружительной способности, т.е. довольно высокую эффективность при комнатной температуре.The advantages of this photodiode include a fairly high speed for infrared detectors in the spectral range of 0.9-2.4 μm with a high detection ability, i.e. quite high efficiency at room temperature.
Основными недостатками устройства-аналога являются снижение эффективности из-за затенения чувствительной площадки расположенным на ее поверхности металлическим фронтальным контактом, приводящего к уменьшению эффективной площади чувствительной площадки и, таким образом, к уменьшению D* фотодиода, а также невозможность дальнейшего снижения собственной емкости фотодиода, и, следовательно, повышения его быстродействия при сохранении/повышении обнаружительной способности за счет уменьшения площади чувствительной площадки.The main disadvantages of the analog device are a decrease in efficiency due to shading of the sensitive area by a metal frontal contact located on its surface, which leads to a decrease in the effective area of the sensitive area and, thus, to a decrease in the D * of the photodiode, as well as the impossibility of further reducing the intrinsic capacity of the photodiode, therefore, increasing its speed while maintaining / increasing the detection ability by reducing the area of the sensitive area.
Известен быстродействующий p-i-n фотодиод на основе InGaAs для селективного перестраиваемого приемного устройства - фильтра, работающего на длине волны 1.55 мкм с диапазоном перестройки 44 нм [C.Dhanavantri, H.Halbritter, O.P.Daga, J.P.Pachauh, F.Riemenschneider, P.Meissner, and B.R.Singh, Fabrication of PIN diodes for WDM tunable and wavelength selective receivers, in Proc. 7th Conference on Optoelectronics, Fiber Optics & Photonics (Photonics), Cochin, Indien, Dezember 2004, p.340], взятый за прототип. Фотодиод включает мезу с чувствительной площадкой, сформированной на поверхности полупроводниковой гетероструктуры на основе A3B5, омические контакты. Гетероструктура на подложке n-lnP состоит из буферных слоев In0.52Al0.48As и In0.53Ga0.47As, общей толщиной 65 nm, легированных n+-слоев In0.52Al0.48As, In0.53Ga0.47As и In0.52Al0.48As, толщиной 200 nm, 50 nm and 500 nm, соответственно; нелегированной активной области In0.53Ga0.47As; верхних р+-слоев In0.52Al0.48As и In0.53Ga0.47As, толщиной 200 nm and 50 nm. На структуру со стороны подложки InP нанесено диэлектрическое Брэгговское зеркало из 7 пар SiOs/Ta2O5, необходимое для применения фотодиода в качестве селективного перестраиваемого фильтра. Для создания мезы использовалось мокрое травление. На первой стадии с фронтальной поверхности гетероструктуры вокруг чувствительной площадки мезы удалялись все слои до контактного n+-In0.53Ga0.47As слоя. На второй стадии ступенчатого травления с одной стороны от мезы удалялись все слои до подложки InP. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составляет 100 мкм. Омические контакты р+ и n+ выполнены фронтальными, поскольку с тыльной стороны подложки нанесено Брэгговское зеркало. С противоположных сторон мезы на фронтальной поверхности сформированы две контактные площадки: n+-Ti/Pt/Au - на контактном n+-In0.53Ga-As слое, p+-Pd/AuGe/Au - на поверхности подложки InP. Омический контакт p+-Pd/AuGe/Au, усиленный электролитическим золотом толщиной 2.5 мкм, выполнен в мостиковой конфигурации. Один конец мостика в виде кольца с диаметром, близким к диаметру мезы, лежит на чувствительной площадке. Другой конец мостика соединен с контактной р+ площадкой на поверхности подложки InP.Known fast-acting pin photodiode based on InGaAs for a selective tunable receiving device - a filter operating at a wavelength of 1.55 μm with a tuning range of 44 nm [C. Dhanavantri, H. Halbritter, OPDaga, JP Pachauh, F. Riemenschneider, P. Meissner, and BRSingh, Fabrication of PIN diodes for WDM tunable and wavelength selective receivers, in Proc. 7th Conference on Optoelectronics, Fiber Optics & Photonics (Photonics), Cochin, Indien, Dezember 2004, p. 340], taken as a prototype. The photodiode includes a mesa with a sensitive area formed on the surface of a semiconductor heterostructure based on A 3 B 5 , ohmic contacts. The heterostructure on the n-lnP substrate consists of buffer layers of In 0.52 Al 0.48 As and In 0.53 Ga 0.47 As, with a total thickness of 65 nm, doped n + layers of In 0.52 Al 0.48 As, In 0.53 Ga 0.47 As and In 0.52 Al 0.48 As, 200 nm thick, 50 nm and 500 nm, respectively; undoped active region In 0.53 Ga 0.47 As; the upper p + layers In 0.52 Al 0.48 As and In 0.53 Ga 0.47 As, 200 nm and 50 nm thick. A Bragg dielectric mirror of 7 SiO s / Ta 2 O 5 pairs is applied to the structure from the InP substrate side, which is necessary for using the photodiode as a selective tunable filter. Wet etching was used to create the mesa. At the first stage, all layers to the contact n + -In 0.53 Ga 0.47 As layer were removed from the front surface of the heterostructure around the sensitive Mesa site. In the second stage of step etching, on one side of the mesa, all layers were removed to the InP substrate. The diameter of the sensitive area of the photodiode is 100 μm. The ohmic contacts p + and n + are made frontal, since a Bragg mirror is deposited on the back side of the substrate. Two contact pads are formed on opposite sides of the Mesa on the frontal surface: n + -Ti / Pt / Au - on the contact n + -In 0.53 Ga-As layer, p + -Pd / AuGe / Au - on the surface of the InP substrate. The ohmic contact p + -Pd / AuGe / Au, reinforced with electrolytic gold 2.5 microns thick, is made in a bridge configuration. One end of the bridge in the form of a ring with a diameter close to the diameter of the mesa lies on a sensitive area. The other end of the bridge is connected to the contact p + platform on the surface of the InP substrate.
Пик спектральной чувствительности фотодиодов на основе InGaAs, выращенных на подложке InP, лежит на длине волны 1.55 мкм. Диапазон спектральной чувствительности фотодиодов является узким - полуширина пика на полувысоте составляет 0.2 нм и диапазон перестройки пика 44 нм. Фотодиоды с диаметром мезы 100 мкм имеют собственную емкость при нулевом смещении ~2.5 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода падает до ~1.0 пФ. Плотность емкости меняется от 7.7 мкФ×см-2 до 9.7 мкФ×см-2 при изменении диаметра мезы от 500 мкм до 60 мкм. Плотность обратного темнового тока фотодиодов 100 мкм составляет ~10 нА при обратном напряжении U=-3.0 В. Ширина полосы пропускания InGaAs/InAlAs/InP фотодиодов достигает 2.5 ГГц.The peak spectral sensitivity of InGaAs-based photodiodes grown on an InP substrate lies at a wavelength of 1.55 μm. The spectral sensitivity range of the photodiodes is narrow — the half-width of the peak at half maximum is 0.2 nm and the peak tuning range is 44 nm. Photodiodes with a Mesa diameter of 100 μm have their own capacitance at a zero bias of ~ 2.5 pF. At a reverse bias of 3.0 V, the capacitance of the photodiode drops to ~ 1.0 pF. The capacitance density varies from 7.7 μF × cm -2 to 9.7 μF × cm -2 with a change in mesa diameter from 500 μm to 60 μm. The reverse dark current density of 100 μm photodiodes is ~ 10 nA at a reverse voltage of U = -3.0 V. The bandwidth of the InGaAs / InAlAs / InP photodiodes reaches 2.5 GHz.
Данная конструкция фотодиода с мостиковым контактом позволяет минимизировать паразитную емкость. А именно, при включении фотодиода в схему в качестве селективного фильтра контактные провода, подводимые к n+ и p+ контактным площадкам, не находятся над рабочей мезой прибора, и паразитная емкость, возникающая между контактным проводом и проводящими слоями рабочей мезы, отсутствует. Однако из-за расположения p+ контактной площадки непосредственно на подложке InP возникает дополнительная емкость, снижающия быстродействие фотодиода. Поскольку один конец контактного мостика лежит на чувствительной площадке, а другой соединен с контактной площадкой на поверхности подложки InP, мостик расположен в разных плоскостях и претерпевает двойной изгиб. Такой изгиб приводит к возникновению механических напряжений и снижению надежности конструкции, что, в свою очередь, требует создания достаточно толстого мостика и кольца большой площади на его конце, соединенном с чувствительной площадкой. Данное кольцо затеняет чувствительную площадку, эффективная площадь фотодиода уменьшается, и обнаружительная способность прибора падает.This bridge photodiode design minimizes stray capacitance. Namely, when the photodiode is included in the circuit as a selective filter, the contact wires supplied to the n + and p + contact pads are not located above the working mesa of the device, and the stray capacitance arising between the contact wire and the conducting layers of the working mesa is absent. However, due to the location of the p + contact pad directly on the InP substrate, an additional capacitance appears, which reduces the speed of the photodiode. Since one end of the contact bridge lies on the sensitive area and the other is connected to the contact area on the surface of the InP substrate, the bridge is located in different planes and undergoes double bending. Such a bend leads to mechanical stresses and a decrease in the reliability of the structure, which, in turn, requires the creation of a sufficiently thick bridge and a large area ring at its end connected to the sensitive area. This ring obscures the sensitive area, the effective area of the photodiode decreases, and the detection ability of the device decreases.
Создателям устройства-прототипа удалось минимизировать паразитную емкость, однако собственная емкость InGaAs/InAlAs/lnP фотодиода уменьшена не до предельных значений для данного материала. Так полоса пропускания данного фотодиода в 20 раз меньше известных фотодиодов на основе Ge, работающих в том же спектральном диапазоне 1.55-1.7 мкм [Klinger, M. Berroth, M.Kaschel, M.Oehme, E. Kasper, Photonics Technology Letters, IEEE 21 (13), 920 (2009)].The creators of the prototype device managed to minimize parasitic capacitance, but the intrinsic capacitance of the InGaAs / InAlAs / lnP photodiode was not reduced to the limiting values for this material. Thus, the passband of this photodiode is 20 times smaller than the known Ge-based photodiodes operating in the same spectral range of 1.55-1.7 μm [Klinger, M. Berroth, M. Kaschel, M. Oehme, E. Kasper, Photonics Technology Letters, IEEE 21 (13), 920 (2009)].
К достоинствам данного фотодиода можно отнести повышение его эффективности, а именно повышение быстродействия за счет снижения паразитной емкости благодаря мостиковому фронтальному контакту.The advantages of this photodiode include an increase in its efficiency, namely, an increase in speed due to a decrease in stray capacitance due to the bridge front contact.
Основными недостатками фотодиода-прототипа являются низкая надежность и недостаточная эффективность. Надежность конструкции фотодиода снижается при механических напряжениях, возникающих из-за изгиба мостикового фронтального контакта. Потери в обнаружительной способности происходят за счет значительного затенения чувствительной площадки кольцевой частью мостикового контакта, а в быстродействии - из-за высокой собственной емкости для фотодиода на основе данных материалов и возникновения дополнительной емкости при расположении контактной площадки на подложке.The main disadvantages of the prototype photodiode are low reliability and lack of efficiency. The reliability of the design of the photodiode decreases with mechanical stresses arising due to the bending of the bridge frontal contact. Losses in detecting ability occur due to significant shading of the sensitive area by the annular part of the bridge contact, and in speed due to the high intrinsic capacitance for the photodiode based on these materials and the occurrence of additional capacitance when the contact area is located on the substrate.
Задачей, решаемой изобретением, является увеличение эффективности полупроводникового фотодиода для ИК-излучения на основе гетероструктур A3B5.The problem solved by the invention is to increase the efficiency of a semiconductor photodiode for infrared radiation based on A 3 B 5 heterostructures.
Задача решается полупроводниковым фотодиодом для инфракрасного излучения, включающим гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений A3B5 на подложке A3B5 с двумя сформированными мезами, тыльным и фронтальным омическими контактами к гетерострукгуре, тыльный контакт выполнен сплошным и нанесен на подложку, а фронтальный выполнен в виде соединяющего мезы мостика, продольная ось которого сориентирована под углом от 40° до 50° к кристаллическому направлению {110} подложки A3B5, электрически изолированного от одной из мез слоем анодного окисла с нанесенным на этот слой по меньшей мере одним слоем диэлектрика.The problem is solved semiconductor photodiode for infrared radiation, comprising a heterostructure based on semiconductor compounds A 3 B 5 on the substrate A 3 B 5 with two formed mezami, the rear and front ohmic contacts to geterostrukgure, the back contact is formed to be continuous and applied to the substrate, and the front is made in as a bridge connecting the mesa of the bridge, the longitudinal axis of which is oriented at an angle from 40 ° to 50 ° to the crystalline direction {110} of the substrate A 3 B 5 , which is electrically isolated from one of the mesas by the anode layer oxide with at least one dielectric layer deposited on this layer.
Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является увеличение эффективности фотодиода за счет одновременного увеличения быстродействия и обнаружительной способности прибора.The technical result when using the present invention is to increase the efficiency of the photodiode by simultaneously increasing the speed and detecting ability of the device.
В таком фотодиоде, как выявили авторы, формирование двух мез позволяет вынести за пределы чувствительной площадки на поверхности одной мезы большую часть фронтального контакта и расположить ее на поверхности (контактной площадке) другой мезы. В отличие от прототипа, имеющего одну мезу и, как следствие, претерпевающий изгиб в двух местах металлический контактный мостик, в предлагаемом фотодиоде контактный мостик располагается в одной плоскости и не требует для увеличения механической прочности контактного кольца большой площади на его конце, соединенном с чувствительной площадкой. Фронтальный контакт в виде мостика не затеняет чувствительной площадки, за счет чего повышается обнаружительная способность D* прибора. Авторами обнаружено, что в отличие от прототипа в фотодиоде с двумя мезами возможно независимо от площади фронтального контакта уменьшать площадь чувствительной площадки. И если в прототипе быстродействие увеличивается незначительно, только за счет уменьшения паразитной емкости при создании мостикового контакта, то в предлагаемом фотодиоде быстродействие возрастает как за счет уменьшения паразитной емкости, так и, более значительно, за счет снижения собственной емкости прибора. Ориентирование мостикового контакта в нужном кристаллическом направлении позволяет получить гладкий (без ступенек) профиль травления гетероструктуры под контактом, что приводит к снижению величины обратных темновых токов фотодиода, следовательно, уровня шумов и, как результат, к увеличению обнаружительной способности.In such a photodiode, as the authors revealed, the formation of two meshes allows one to remove most of the frontal contact outside the sensitive area on the surface of one mesa and place it on the surface (contact area) of another mesa. Unlike a prototype having one mesa and, as a result, a metal contact bridge bending in two places, the contact bridge in the proposed photodiode is located in the same plane and does not require a large area of the contact ring to increase the mechanical strength of the contact ring at its end connected to the sensitive area . The frontal contact in the form of a bridge does not obscure the sensitive area, thereby increasing the detection ability D * of the device. The authors found that, unlike the prototype, in a photodiode with two mesas, it is possible to reduce the area of the sensitive area regardless of the frontal contact area. And if in the prototype the performance increases slightly, only by reducing the parasitic capacitance when creating a bridge contact, then in the proposed photodiode the speed increases both by reducing the parasitic capacitance and, more significantly, by reducing the device’s own capacitance. Orientation of the bridge contact in the desired crystalline direction allows one to obtain a smooth (without steps) etching profile of the heterostructure under the contact, which leads to a decrease in the reverse dark currents of the photodiode, therefore, the noise level and, as a result, to an increase in the detection ability.
Быстродействие полупроводникового фотодиода с p-n переходом определяется тремя факторами - временем диффузии созданных ИК-излучением носителей до области пространственного заряда, временем пролета области пространственного заряда носителями и постоянной времени RC. Предлагаемый фотодиод (как и прототип) имеет широкозонное окно, прозрачное для принимаемого излучения в спектральном ИК-диапазоне. Такая конструкция позволяет подавить поверхностную рекомбинацию и обеспечить генерацию носителей в области пространственного заряда, исключив, таким образом, вклад диффузионной составляющей, определяемой временем диффузии носителей до области пространственного заряда. Так как время пролета носителями области пространственного заряда p-n перехода, толщина которой для полупроводников в гетероструктурах на основе A3B5 равна 2-3 мкм, по оценкам авторов составляет менее 10 пс (τ=10-11-10-12 с), определяющим быстродействие фактором является собственная емкость фотодиода. Таким образом, увеличение быстродействия фотодиода может быть достигнуто за счет снижения собственной емкости прибора. В свою очередь, собственная емкость полупроводникового фотодиода определяется концентрацией носителей в активной области и площадью чувствительной площадки. Концентрация носителей в эпитаксиальных слоях A3B5 может быть снижена до такого низкого уровня, как 1014-1015 cm-3 при высоком структурном совершенстве слоя и низкой плотности дислокации несоответствия (<104 cm-2) на гетерограницах, что следует отнести к преимуществам фотодиодов на основе гетероструктур A3B5. Дальнейшее же уменьшение площади чувствительной площадки в фотодиоде-прототипе практически невозможно, т.к. мостиковый фронтальный контакт, располагающийся в разных плоскостях и претерпевающий двойной изгиб, для повышения надежности конструкции соединен с чувствительной площадкой металлическим кольцом большой площади. Уменьшение площади чувствительной площадки при такой конструкции приведет к снижению обнаружительной способности фотодиода из-за значительного затенения чувствительной площадки кольцевой частью фронтального контакта. В предлагаемом фотодиоде в отличие от прототипа сформированы две мезы, что дает возможность независимо уменьшать площадь чувствительной площадки одной из них и увеличивать площадь контактной площадки другой. Чувствительная и контактная площадки мез соединены фронтальным омическим контактом, выполненным в виде металлического мостика, изолированного от подконтактной площадки анодным окислом и нанесенным на него по меньшей мере еще одним слоем диэлектрика. При такой конструкции фотодиода травление слоев гетероструктуры под мостиковым контактом осуществляется одновременно с травлением мез. Глубина травления должна быть достаточной для протравливания слоев под металлическим мостиком и, тем самым, формирования двух мез. Кроме того, травление должно обеспечивать гладкий (без ступенек) профиль травления. В противном случае, каждая из ступенек и неоднородностей будет приводить к возрастанию токов утечки фотодиода, вносящих, как обнаружено авторами, подавляющий вклад в величину обратного темнового тока фотодиодов с малыми диаметрами чувствительной площадки (<300 мкм). Как результат, будет возрастать уровень шумов и падать обнаружительная способность фотодиода. Для решения данной проблемы авторы предлагают ориентировать определенным образом металлический мостик относительно кристаллографических направлений в материале, учитывая различие скоростей травления в различных направлениях. Предлагаемый фотодиод создан на основе полупроводников A3B5. Для всех соединений A3B5 скорости растворения зависят от ориентации следующим образом: V{111}B>V{110}>V{100}>>V{111}A. Авторы обнаружили, что если продольная ось контактного мостика сориентирована под углом (40-50)° к кристаллографическому направлению {110}, то, например, мокрое травление позволяет получить гладкий (без ступенек) профиль под контактом. Это приводит к снижению величины обратных темновых токов фотодиода и, следовательно, уровня шумов и, в конечном итоге, к увеличению обнаружительной способности. Данное утверждение справедливо для всех кристаллических полупроводников A3B5.The performance of a semiconductor photodiode with a pn junction is determined by three factors - the diffusion time of carriers created by infrared radiation to the space charge region, the time of flight of the space charge region of the carriers, and the RC time constant. The proposed photodiode (like the prototype) has a wide-gap window that is transparent to the received radiation in the infrared spectral range. Such a design makes it possible to suppress surface recombination and ensure carrier generation in the space charge region, thus eliminating the contribution of the diffusion component determined by the carrier diffusion time to the space charge region. Since the time of flight by carriers of the space charge region of the pn junction, whose thickness for semiconductors in heterostructures based on A 3 B 5 is 2-3 μm, the authors estimate that it is less than 10 ps (τ = 10 -11 -10 -12 s), which determines speed factor is the inherent capacitance of the photodiode. Thus, an increase in the speed of the photodiode can be achieved by reducing the intrinsic capacity of the device. In turn, the intrinsic capacitance of a semiconductor photodiode is determined by the concentration of carriers in the active region and the area of the sensitive area. The concentration of carriers in the epitaxial layers of A 3 B 5 can be reduced to such a low level as 10 14 -10 15 cm -3 with high structural perfection of the layer and low density of misfit dislocation (<10 4 cm -2 ) at the heteroboundaries, which should be attributed to the advantages of photodiodes based on A 3 B 5 heterostructures. Further reduction of the area of the sensitive area in the prototype photodiode is practically impossible, because a bridge frontal contact located in different planes and undergoing double bending is connected to a sensitive area with a large-area metal ring to increase the reliability of the structure. A decrease in the area of the sensitive area with this design will lead to a decrease in the detection ability of the photodiode due to the significant shadowing of the sensitive area by the annular part of the frontal contact. In contrast to the prototype, the proposed photodiode has two mesas formed, which makes it possible to independently reduce the sensitive area of one of them and increase the area of the contact area of the other. The sensitive and contact pads are connected by a frontal ohmic contact made in the form of a metal bridge isolated from the contact pads with anode oxide and deposited on it with at least one more dielectric layer. With this design of the photodiode, the layers of the heterostructure under the bridge contact are etched simultaneously with the etching of the mes. The etching depth should be sufficient to etch the layers under the metal bridge and, thus, the formation of two mesas. In addition, the etching should provide a smooth (without steps) etching profile. Otherwise, each of the steps and inhomogeneities will lead to an increase in the leakage currents of the photodiode, making, as found by the authors, the suppressing contribution to the magnitude of the inverse dark current of photodiodes with small diameters of the sensitive area (<300 μm). As a result, the noise level will increase and the detection ability of the photodiode will drop. To solve this problem, the authors propose to orient in a certain way a metal bridge relative to the crystallographic directions in the material, taking into account the difference in etching rates in different directions. The proposed photodiode is based on semiconductors A 3 B 5 . For all A 3 B 5 compounds, dissolution rates depend on the orientation as follows: V {111} B> V {110}> V {100} >> V {111} A. The authors found that if the longitudinal axis of the contact bridge is oriented at an angle of (40-50) ° to the crystallographic direction {110}, then, for example, wet etching makes it possible to obtain a smooth (without steps) profile under the contact. This leads to a decrease in the value of the reverse dark currents of the photodiode and, consequently, the noise level and, ultimately, to an increase in the detection ability. This statement is valid for all crystalline semiconductors A 3 B 5 .
Чтобы электрически изолировать металлический мостиковый контакт от контактной площадки и, тем самым, контактную площадку от чувствительной, используется диэлектрик. Авторами обнаружено, что использование многослойного диэлектрика, состоящего из анодного окисла и других диэлектрических слоев, одновременно позволяет:To electrically isolate the metal bridge contact from the contact pad, and thereby the contact pad from the sensitive one, a dielectric is used. The authors found that the use of a multilayer dielectric consisting of anode oxide and other dielectric layers simultaneously allows:
- получить достаточно толстый слой диэлектрика, толщиной не менее 0.3 мкм, обеспечивающий надежную электрическую изоляцию мостикового контакта от материала гетероструктуры A3B5;- get a sufficiently thick dielectric layer with a thickness of at least 0.3 μm, providing reliable electrical isolation of the bridge contact from the material of the heterostructure A 3 B 5 ;
- уменьшить высоту ступеньки диэлектрика за счет особенностей процесса анодного окисления.- reduce the height of the step of the dielectric due to the characteristics of the anodic oxidation process.
Известно, что наличие резких ступеней диэлектрика является нежелательным при производстве приборов из-за возникновения трещин при термическом осаждении металла, а также из-за возможного брака при проведении фотолитографических процессов, связанных с неоднородностью нанесения и экспонирования фоторезиста на топологических ступенях. Особенностью же химических свойств рассматриваемых материалов A3B5 определяется необходимость создавать топологический рисунок только методом взрывной фотолитографии, в результате чего априори получается резкий край ступени диэлектрика. Анодный окисел на поверхности гетероструктуры A3B6 формируется вглубь материала. Это позволяет получить общую толщину диэлектрика не менее 0.3 мкм при снижении высоты диэлектрической ступени на 2/3 величины по сравнению с высотой диэлектрической ступени, образующейся при отсутствии анодного окисла.It is known that the presence of sharp steps of the dielectric is undesirable in the manufacture of devices due to the occurrence of cracks during thermal deposition of the metal, as well as due to possible defects during photolithographic processes associated with the heterogeneity of the deposition and exposure of the photoresist on the topological steps. A feature of the chemical properties of the materials A 3 B 5 under consideration determines the need to create a topological pattern only by explosive photolithography, as a result of which a sharp edge of the dielectric step is obtained a priori. Anodic oxide on the surface of the A 3 B 6 heterostructure is formed deep into the material. This makes it possible to obtain a total dielectric thickness of not less than 0.3 μm with a decrease in the height of the dielectric step by 2/3 of the magnitude compared to the height of the dielectric step formed in the absence of anode oxide.
Изобретение поясняется Фиг.1 и Фиг.2.The invention is illustrated in figure 1 and figure 2.
На Фиг.1 схематически изображен предложенный полупроводниковый фотодиод для ИК-диапазона спектра, гдеFigure 1 schematically shows the proposed semiconductor photodiode for the infrared spectrum, where
1 - подложка;1 - substrate;
2 - меза с чувствительной площадкой;2 - a mesa with a sensitive area;
3 - меза с контактной площадкой;3 - a mesa with a contact pad;
4 - спои диэлектриков;4 - spoilers of dielectrics;
5 - тыльный омический контакт;5 - rear ohmic contact;
6 - фронтальный омический контакт в виде мостика.6 - front ohmic contact in the form of a bridge.
На Фиг.2 схематически изображен вид сверху полупроводникового фотодиода для ИК-диапазона спектра, гдеFigure 2 schematically shows a top view of a semiconductor photodiode for the infrared spectrum, where
2 - меза с чувствительной площадкой;2 - a mesa with a sensitive area;
3 - меза с контактной площадкой;3 - a mesa with a contact pad;
6 - фронтальный омический контакт в виде мостика.6 - front ohmic contact in the form of a bridge.
Фотодиод работает следующим образом. При попадании фотона ИК излучения на поверхность мезы с чувствительной площадкой 2 он проходит через широкозонное окно и поглощается в области пространственного заряда p-n перехода между широкозонным окном и активной областью. При поглощении фотона образуется электронно-дырочная пара, которая разделяется электрическим полем объемного заряда. Электроны доходят до тыльного омического контакта 5 и дырки - до фронтального омического контакта 6 и образуют фототок во внешней цепи. Фототок, проходя во внешней цепи, образует на нагрузочном сопротивлении напряжение, которое пропорционально фототоку. Это напряжение измеряется во внешней цепи осциллографом либо вольтметром.Photodiode operates as follows. When a photon of infrared radiation hits a mesa surface with a
Пример 1.Example 1
Созданный полупроводниковый фотодиод включал гетероструктуру на основе полупроводниковых соединений A3B5 на подложке 1 GaSb, две сформированные на поверхности гетероструктуры мезы 2 и 3, тыльный 5 и фронтальный 6 омические контакты. Гетероструктура на подложке 1 из n-GaSb состояла из активной области (n-Gao0.78In0.22As0.18Sb0.82) толщиной 1-3 мкм и широкозонного окна (p-Ga0.66Al0.34Sb0.025As0.975) толщиной 0.5-2.5 мкм. На основе гетероструктуры изготавливался полупроводниковый фотодиод для ИК-излучения с двумя мезами. Поверхность одной мезы 2 являлась чувствительной площадкой, а поверхность другой мезы 3 - контактной. Чувствительная площадка была выполнена в форме круга диаметром 50 мкм, контактная площадка - в форме прямоугольника размерами 50×70 мкм. Тыльный AuTe/Au омический контакт 5 был нанесен на подложку n-GaSb и выполнен сплошным. Фронтальный омический контакт 6 был сформирован к слою p-GaAlAsSb и представлял собой мостик шириной 20 мкм и длиной 85 мкм. Мостик формировался напылением Cr-Au толщиной 2200 Å, и нанесением гальванического Au толщиной 3-6 мкм. Для обеспечения контакта одной стороной мостик заходил на чувствительную площадку 2 на 10 мкм, а другой стороной - на контактную площадку 3, покрытую диэлектриком 4. Со стороны контактной площадки мостик заканчивался прямоугольной частью размером 60×40 мкм. Продольная ось мостика была сориентирована под углом 45° к кристаллическому направлению {110} подложки. Мезы формировались мокрым травлением после нанесения контактов. Мостиковый контакт 6 изолирован от контактной площадки 3 и, следовательно, полупроводникового материала гетероструктуры двухслойным диэлектриком 4 толщиной 0.3 мкм, состоящим из слоя анодного окисла толщиной 0.2 мкм и слоя Si3N4 толщиной 0.1 мкм.The created semiconductor photodiode included a heterostructure based on A 3 B 5 semiconductor compounds on a GaSb substrate 1, two
Длинноволновая граница спектральной чувствительности фотодиода достигала 2.4 мкм при Т=300 К. Коротковолновая граница спектральной чувствительности фотодиода составляла 0.9 мкм. Для снижения концентрации основных носителей в активной области в качестве легирующей примеси использовался теллур. Исследование вольт-емкостных характеристик показало, что распределение примеси в гетероструктуре было резким, а концентрация носителей в активной области составила (0.7-2)1015 cm-3. При нулевом смещении фотодиоды имели собственную емкость 1.0-2.0 пФ. При обратном смещении 3.0 В емкость фотодиода составляла величину 0.5-1.9 пФ. Токовая монохроматическая чувствительность на длине волны λ=2.1 мкм составила Ri=0.9-1.1 A/W, что соответствует квантовой эффективности 0.6-0.7 без антиотражающего покрытия. Величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода составила 200-500 нА при обратном напряжении U=-(0.5-3.0) В. Обнаружительная способность фотодиодов, оцененная по формуле (1), в максимуме спектра имеет значение D*=1.2×1011 W-1×cm×Hz1/2. Быстродействие фотодиода, определяемое по времени нарастания импульса фотоотклика на уровне 0.1-0.9, составило величину 50-100 пс. Полоса пропускания фотодиодов достигает величины 5 HGz.The long-wavelength limit of the spectral sensitivity of the photodiode reached 2.4 μm at T = 300 K. The short-wavelength limit of the spectral sensitivity of the photodiode was 0.9 μm. To reduce the concentration of the main carriers in the active region, tellurium was used as a dopant. The study of the capacitance-voltage characteristics showed that the impurity distribution in the heterostructure was sharp, and the carrier concentration in the active region was (0.7–2) 10 15 cm –3 . At zero bias, the photodiodes had their own capacitance of 1.0-2.0 pF. At a reverse bias of 3.0 V, the photodiode capacitance was 0.5–1.9 pF. The monochromatic current sensitivity at a wavelength of λ = 2.1 μm was R i = 0.9-1.1 A / W, which corresponds to a quantum efficiency of 0.6-0.7 without antireflection coating. The inverse dark current for the best photodiode samples was 200-500 nA at a reverse voltage U = - (0.5-3.0) V. The detecting ability of photodiodes, estimated by formula (1), at the maximum of the spectrum has the value D * = 1.2 × 10 11 W -1 × cm × Hz 1/2 . The speed of the photodiode, determined by the rise time of the photoresponse pulse at the level of 0.1-0.9, amounted to 50-100 ps. The passband of photodiodes reaches 5 HGz.
Данный фотодиод для ИК-излучения имеет высокую эффективность за счет рекордных в данном спектральном диапазоне до 2.4 мкм обнаружительной способности и быстродействия. В отличие от прототипа в данном фотодиоде фронтальный мостиковый контакт незначительно заходит на чувствительную площадку и затеняет менее 1/10 ее площади, что позволяет получить высокое значение обнаружительной способности. В устройстве-прототипе быстродействие было увеличено за счет снижения паразитной емкости, в то время как в предлагаемом фотодиоде быстродействие увеличено за счет снижения как паразитной, так и собственной емкости прибора. В отличие от прототипа наличие двух мез позволяет независимо от площади контактной площадки уменьшать площадь чувствительной площадки, снижая собственную емкость. Кроме того, в прототипе расположение контактной площадки на подложке приводит к возникновению дополнительной емкости. В предлагаемом приборе контактной площадкой является поверхность одной из мез, что позволяет избежать дополнительной емкости.This infrared photodiode has high efficiency due to its record-breaking detectability and speed in this spectral range up to 2.4 microns. Unlike the prototype, in this photodiode, the frontal bridge contact slightly approaches the sensitive area and obscures less than 1/10 of its area, which makes it possible to obtain a high value of detection ability. In the prototype device, the speed was increased by reducing the parasitic capacitance, while in the proposed photodiode, the speed was increased by reducing both the parasitic and the device’s own capacitance. In contrast to the prototype, the presence of two meshes allows, regardless of the area of the contact pad, to reduce the area of the sensitive pad, reducing its own capacity. In addition, in the prototype, the location of the contact area on the substrate leads to the appearance of additional capacity. In the proposed device, the contact pad is the surface of one of the mesas, which avoids additional capacity.
Сравнение с прототипом возможно провести только по конструкции. Сравнение параметров разработанного фотодиода и прототипа затруднительно, поскольку значения параметров, в том числе спектральный диапазон работы прибора, зависят от выбранного материала. Однако новые конструктивные решения, описанные в формуле изобретения, позволяют для фотодиода на основе любых полупроводниковых соединений A3B5 получить повышение эффективности за счет одновременного увеличения его обнаружительной способности и быстродействия. Также по сравнению прототипом надежность конструкции разработанного фотодиода выше, так как мостиковый фронтальный контакт располагается в одной плоскости и не претерпевает изгибов.Comparison with the prototype is possible only by design. Comparison of the parameters of the developed photodiode and prototype is difficult, since the parameter values, including the spectral range of the device, depend on the selected material. However, the new design solutions described in the claims allow for a photodiode based on any A 3 B 5 semiconductor compounds to obtain an increase in efficiency due to a simultaneous increase in its detecting ability and speed. Also, in comparison with the prototype, the reliability of the design of the developed photodiode is higher, since the bridge frontal contact is located in the same plane and does not undergo bends.
Пример 2.Example 2
То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 40° к кристаллическому направлению {110} подложки. В результате величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода незначительно увеличилась по сравнению с фотодиодом в Примере 1 и составила 300-600 нА, что привело к незначительному снижению обнаружительной способности фотодиодов до D*=1.0×1011 W-1×cm×Hz1/2 и не оказало влияния на значения остальных параметров фотодиода. Показано, что по сравнению с прототипом фотодиод имеет такие же преимущества, как фотодиод в Примере 1.The same as in Example 1, but the longitudinal axis of the bridge was oriented at an angle of 40 ° to the crystalline direction {110} of the substrate. As a result, the inverse dark current for the best photodiode samples increased slightly compared to the photodiode in Example 1 and amounted to 300-600 nA, which led to a slight decrease in the detection ability of photodiodes to D * = 1.0 × 10 11 W -1 × cm × Hz 1 / 2 and did not affect the values of the remaining parameters of the photodiode. It is shown that, in comparison with the prototype, the photodiode has the same advantages as the photodiode in Example 1.
Пример 3.Example 3
То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 50° к кристаллическому направлению {110} подложки. В результате величина обратного темнового тока для лучших образцов фотодиода незначительно увеличилась по сравнению с фотодиодом в Примере 1 и составила 300-600 нА, что привело к незначительному снижению обнаружительной способности фотодиодов до D*=1.0×1011 W-1×cm×Hz1/2 и не оказало влияния на значения остальных параметров фотодиода. Показано, что по сравнению с прототипом фотодиод имеет такие же преимущества, как фотодиод в Примере 1.The same as in Example 1, but the longitudinal axis of the bridge was oriented at an angle of 50 ° to the crystalline direction {110} of the substrate. As a result, the inverse dark current for the best photodiode samples increased slightly compared to the photodiode in Example 1 and amounted to 300-600 nA, which led to a slight decrease in the detection ability of photodiodes to D * = 1.0 × 10 11 W -1 × cm × Hz 1 / 2 and did not affect the values of the remaining parameters of the photodiode. It is shown that, in comparison with the prototype, the photodiode has the same advantages as the photodiode in Example 1.
Пример 4.Example 4
То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 35° к кристаллическому направлению {110} подложки. За время формирования мез с заданным шаблоном размером протравливания под металлическим фронтальным контактом в виде мостика не произошло, и две сформированные мезы не были изолированы друг от друга. Дальнейшее травление привело к искажению формы боковых стенок мез.The same as in Example 1, but the longitudinal axis of the bridge was oriented at an angle of 35 ° to the crystalline direction {110} of the substrate. During the formation of mesas with a given pattern, etching under a metal frontal contact in the form of a bridge did not occur, and two formed mesas were not isolated from each other. Further etching led to a distortion of the shape of the side walls of the mes.
Пример 5.Example 5
То же, что и в Примере 1, но продольная ось мостика была сориентирована под углом 55° к кристаллическому направлению {110} подложки. За время формирования мез с заданным шаблоном размером протравливание под металлическим фронтальным контактом в виде мостика было неполным и форма боковых стенок мез в районе мостика была сильно искажена.The same as in Example 1, but the longitudinal axis of the bridge was oriented at an angle of 55 ° to the crystalline direction {110} of the substrate. During the formation of mesas with a given size pattern, etching under the metal frontal contact in the form of a bridge was incomplete and the shape of the side walls of the mesas in the region of the bridge was strongly distorted.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011124578/28A RU2469438C1 (en) | 2011-06-16 | 2011-06-16 | Semiconductor photodiode for infrared radiation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011124578/28A RU2469438C1 (en) | 2011-06-16 | 2011-06-16 | Semiconductor photodiode for infrared radiation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2469438C1 true RU2469438C1 (en) | 2012-12-10 |
Family
ID=49255892
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011124578/28A RU2469438C1 (en) | 2011-06-16 | 2011-06-16 | Semiconductor photodiode for infrared radiation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2469438C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2647978C2 (en) * | 2015-01-27 | 2018-03-21 | Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" | Method for making diodes for middle-wave ir range of spectrum |
RU2675408C1 (en) * | 2018-02-05 | 2018-12-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method of manufacturing photo detectors of powerful optical fiber microwave module |
RU199226U1 (en) * | 2019-11-19 | 2020-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" | TWO-SPECTRAL PHOTODIODE FOR MEDIUM WAVE INFRARED RADIATION |
RU203297U1 (en) * | 2020-07-07 | 2021-03-31 | Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" | TWO WAVE PHOTODIODE FOR MEDIUM WAVE INFRARED RADIATION |
RU2790061C1 (en) * | 2022-06-08 | 2023-02-14 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Method for manufacturing a two-spectrum photosensitive element based on a schottky barrier |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5696002A (en) * | 1995-03-01 | 1997-12-09 | Texas Instruments Incorporated | Method for forming electrical contact to the optical coating of an infrared detector from the backside of the detector |
US5737818A (en) * | 1995-03-01 | 1998-04-14 | Texas Instrument Incorporated | Method for forming electrical contact to the optical coating of an infrared detector |
US20040238843A1 (en) * | 2003-05-27 | 2004-12-02 | Sawdai Donald James | Double HBT base metal micro-bridge |
RU80995U1 (en) * | 2008-07-18 | 2009-02-27 | Закрытое акционерное общество "Медико-биологический Союз" | BOLOMETRIC RECEIVER TAKING INTO ACCOUNT CHANGES IN THE EXTERNAL TEMPERATURE |
-
2011
- 2011-06-16 RU RU2011124578/28A patent/RU2469438C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5696002A (en) * | 1995-03-01 | 1997-12-09 | Texas Instruments Incorporated | Method for forming electrical contact to the optical coating of an infrared detector from the backside of the detector |
US5737818A (en) * | 1995-03-01 | 1998-04-14 | Texas Instrument Incorporated | Method for forming electrical contact to the optical coating of an infrared detector |
US20040238843A1 (en) * | 2003-05-27 | 2004-12-02 | Sawdai Donald James | Double HBT base metal micro-bridge |
RU80995U1 (en) * | 2008-07-18 | 2009-02-27 | Закрытое акционерное общество "Медико-биологический Союз" | BOLOMETRIC RECEIVER TAKING INTO ACCOUNT CHANGES IN THE EXTERNAL TEMPERATURE |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
C.Dhanavantri, et al, Fabrication of PIN diodes for WDM tunable and wavelength selective receivers, in Proc. 7th Conference on Optoelectronics, Fiber Optics & Photonics (Photonics), Cochin, Indien, Dezember 2004, p.340. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2647978C2 (en) * | 2015-01-27 | 2018-03-21 | Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" | Method for making diodes for middle-wave ir range of spectrum |
RU2675408C1 (en) * | 2018-02-05 | 2018-12-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method of manufacturing photo detectors of powerful optical fiber microwave module |
RU199226U1 (en) * | 2019-11-19 | 2020-08-24 | Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" | TWO-SPECTRAL PHOTODIODE FOR MEDIUM WAVE INFRARED RADIATION |
RU203297U1 (en) * | 2020-07-07 | 2021-03-31 | Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" | TWO WAVE PHOTODIODE FOR MEDIUM WAVE INFRARED RADIATION |
RU2790061C1 (en) * | 2022-06-08 | 2023-02-14 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Method for manufacturing a two-spectrum photosensitive element based on a schottky barrier |
RU223273U1 (en) * | 2023-12-01 | 2024-02-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" | HETEROSTRUCTURE OF A SINGLE-PHOTON AVALANCHE PHOTODIODE |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9496435B2 (en) | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices | |
US6465803B1 (en) | Semiconductor hetero-interface photodetector | |
KR101891150B1 (en) | Low voltage photodetectors | |
US10199525B2 (en) | Light-receiving element and optical integrated circuit | |
Dong et al. | Germanium-tin on Si avalanche photodiode: device design and technology demonstration | |
US9755090B2 (en) | Quantum detection element with low noise and method for manufacturing such a photodetection element | |
US6326654B1 (en) | Hybrid ultraviolet detector | |
US20220102563A1 (en) | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices | |
JP2013080728A (en) | Avalanche photodiode and receiver using the same | |
US20190019903A1 (en) | SILICON WAVEGUIDE INTEGRATED WITH SILICON-GERMANIUM (Si-Ge) AVALANCHE PHOTODIODE DETECTOR | |
JP2010278406A (en) | Avalanche photodiode and optical receiver module using the same | |
RU2469438C1 (en) | Semiconductor photodiode for infrared radiation | |
Li et al. | High bandwidth surface-illuminated InGaAs/InP uni-travelling-carrier photodetector | |
Zhu et al. | Sputtering-grown undoped GeSn/Ge multiple quantum wells on n-Ge for low-cost visible/shortwave infrared dual-band photodetection | |
US20140217540A1 (en) | Fully depleted diode passivation active passivation architecture | |
EP3680941B1 (en) | Avalanche photodiode and method for manufacturing same | |
JP2000323746A (en) | Avalanche photodiode and its manufacture | |
US7115910B2 (en) | Multicolor photodiode array and method of manufacturing thereof | |
Zumuukhorol et al. | Effect of a SiO 2 Anti-reflection Layer on the Optoelectronic Properties of Germanium Metal-semiconductor-metal Photodetectors | |
CN218769537U (en) | Photon integrated gain detector structure | |
US20240363787A1 (en) | Metal-semiconductor-metal photodetectors | |
KR100654014B1 (en) | Photodiode with electrode structure for large diameter light receiver | |
Wang et al. | A study of low-bias photocurrent gradient of avalanche photodiodes | |
WO2024128976A1 (en) | Method of forming an integrated avalanche photodiode | |
Jishen | Integrated InGaAs/InAlAs Avalanche Photodiodes and Single-Photon Avalanche Diodes on Silicon Substrate for Short-wave Infrared Detection |