патент
№ RU 2627146
МПК H01L31/101

Мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP

Авторы:
Яковлева Наталья Ивановна Болтарь Константин Олегович Седнев Михаил Васильевич
Все (9)
Номер заявки
2016139081
Дата подачи заявки
04.10.2016
Опубликовано
03.08.2017
Страна
RU
Дата приоритета
14.07.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Иллюстрации 
2
Реферат

Изобретение относится к матричным фотоприемным устройствам (ФПУ) на основе фотодиодов (ФД), изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп InGaAs/AlInAs/InP, преобразующих излучение в коротковолновой инфракрасной области спектра (0,9-1,7 мкм). Согласно изобретению в гетероэпитаксиальную структуру InGaAs/AlInAs/InP между слоем поглощения и барьерным слоем введен дополнительный слой с градиентным изменением состава для устранения разрыва в области валентной зоны структуры. По краям градиентного слоя формируются два дельта-легированных слоя для выравнивания энергетического уровня валентной зоны и повышения его однородности, что позволяет устранить барьер в валентной зоне и за счет этого увеличить квантовую эффективность, а как следствие и чувствительность в матричных ФПУ на основе соединений InGaAs/AlInAs/InP. 4 ил., 1 табл.

Формула изобретения

Мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP, изготовленный по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах InGaAs/AlInAs/InP, работающих в коротковолновой области спектра, содержащий:
- оптически прозрачную подложку InP n-типа;
- буферный слой InP n-типа проводимости, к которому формируется n-контакт;
- слой поглощения In0,53Ga0,47As n-типа с шириной запрещенной зоны, настроенной на заданный спектральный диапазон;
- барьерный слой In0,52Al0,48As р+-типа с шириной запрещенной зоны большей, чем ширина запрещенной зоны поглощающего слоя;
- контактный слой InGaAs p+-типа,
отличающийся тем,
что в структуру между барьерным слоем и контактным слоем добавлен слой AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны и двумя дельта-легированными слоями р- и n-типа проводимости, что обеспечивает достижение высокой квантовой эффективности и чувствительности при заданном времени считывания фотосигнала и минимальных темновых токах.

Описание

Изобретение относится к матричным фотоприемным устройствам (ФПУ) на основе фотодиодов (ФД), изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп InGaAs/AlInAs/InP, преобразующих излучение в коротковолновой инфракрасной области спектра (0,9-1,7 мкм).

Фотоприемные устройства на основе фотодиодов, изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп полупроводниковых соединений InGaAs/AlInAs/InP, широко используются в различных применениях, связанных с построением изображений объектов наблюдения, характеризующихся сверхмалым уровнем сигнала. Они обладают малыми темновыми токами и высокой обнаружительной способностью.

Имеются различные конструкции фотодиодов в матрице фоточувствительных элементов (МФЧЭ). По типу формирования чувствительных элементов различают планарные и мезаструктурные ФД. Во всех конструкциях у фотодиодов имеется обратно смещенный p-n или p-i-n переход, который формируется путем использования слоев p-, n- и i-типа проводимости. ФД функционирует таким образом, чтобы формируемые под воздействием падающего излучения инфракрасной области спектра носители заряда, электроны и дырки, разделялись полем p-n перехода и принимали участие в процессе фотопроводимости.

Для повышения эффективности работы современные фотодиоды имеют барьерные слои, которые создаются в единой гетероэпитаксиальной структуре с помощью прогрессивных методов выращивания, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и мосгидридная эпитаксия (МОСГЭ). Барьерные слои являются более широкозонными по сравнению с поглощающими узкозонными слоями и за счет этого зонная диграмма полупроводниковых соединений имеет ряд особенностей, влиящих на выходные фотоэлектрические параметры матричных ФПУ. В качестве поглощающего слоя в гетероструктурах InGaAs/AlInAs/InP выступает полупроводниковый слой с узкой шириной запрещенной зоны, например In0,53Ga0,47As, в то время как слой с более широкой запрещенной зоной Al0,48In0,52As, является барьерным. Размещение широкозонного слоя в области p-n перехода существенно уменьшает темновые токи диффузии, генерации-рекомбинации и туннелирования, и таким образом, увеличивает отношение сигнал/шум.

Известен многоэлементный фотоприемник на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP [Способ изготовления многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP, Болтарь К.О., Седнев М.В., Шаронов Ю.П., Смирнов Д.В., Киселева Л.В., Савостин А.В., патент на изобретение № RU 2530458 С1 от 23.04.2013, ОАО «НПО «Орион»], который формируется методом травления гетероструктуры InGaAs/InP на отдельные p-i-n фотодиоды с минимальным коэффициентом фотоэлектрической связи между ними. Изобретение обеспечивает формирование матриц фоточувствительных элементов с минимальными потерями светового потока, минимальным коэффициентом фотоэлектрической взаимосвязи и высоким быстродействием. Недостатком данного многоэлементного фотоприемника являются повышенные темновые токи p-i-n фотодиодов, поскольку мезаструктурное разделение элементов в матрицах, ограничивающее токи диффузии в боковых областях структуры, не обеспечивает ограничения других токовых составляющих темнового тока, таких как: токи диффузии, генерации-рекомбинации, туннелирования и утечки.

В качестве ближайшего аналога для представляемого изобретения выбран p-i-n фотодиод [Low dark current photodiode, Augusto Gutierrez-Aitken, Edward A. Rezek, Patent No: US 6 566 724 B1, Date of Patent 20.05.2003 г.], обеспечивающий существенное уменьшение темнового тока за счет использования широкозонного барьерного слоя в области p-n-перехода, который служит для подавления диффузионного тока электронов за счет использования барьера в зоне проводимости; тока генерации-рекомбинации за счет размещения области объемного заряда в широкозонном слое; туннельных токов и токов утечки за счет пассивации узкозонного поглощающего слоя широкозонным барьерным. Недостатком данного фотодиода с широкозонным барьерным слоем является дополнительный барьер и разрыв энергетического уровня в валентной зоне структуры, что приводит к снижению квантовой эффективности при рабочих напряжениях смещения.

Задачами настоящего изобретения являются устранение разрыва в валентной зоне, выравнивание энергетического уровня и как следствие увеличение квантовой эффективности и чувствительности в матричных мезаструктурных фотодиодах на основе полупроводниковых соединений InGaAs/AlInAs/InP с барьерными широкозонными слоями AlInAs при сохранении малых темновых токов и шумов.

Технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается тем, что мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP, изготовленный по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах InGaAs/AlInAs/InP, работающих в коротковолновой области спектра, содержит:

- оптически прозрачную подложку InP n-типа;

- буферный слой InP n-типа проводимости, к которому формируется n-контакт;

- слой поглощения In0,53Ga0,47As n-типа с шириной запрещенной зоны, настроенной на заданный спектральный диапазон;

- барьерный слой In0,52Al0,48As p+-типа с шириной запрещенной зоны большей, чем ширина запрещенной зоны поглощающего слоя;

- контактный слой InGaAs p+-типа;

- в структуру между барьерным слоем и контактным слоем добавлен слой AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны и двумя дельта-легированными слоями p- и n-типа проводимости, для достижения высокой квантовой эффективности и чувствительности при заданном времени считывания фотосигнала и минимальных темновых токах.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет введения в гетероэпитаксиальную структуру InGaAs/AlInAs/InP между слоем поглощения и барьерным слоем дополнительного слоя с градиентным изменением состава для устранения разрыва в области валентной зоны структуры. По краям градиентного слоя формируются два дельта-легированных слоя для выравнивания энергетического уровня валентной зоны и повышения его однородности, что позволяет устранить барьер в валентной зоне и за счет этого увеличить квантовую эффективность, а как следствие и чувствительность в матричных ФПУ на основе соединений InGaAs/AlInAs/InP.

На фиг. 1 показан мезаструктурный барьерный фотодиод p+-B-n-N+-типа на основе ГЭС InGaAs, он включает p-i-n-структуру, совмещенную с широкозонным барьерным слоем (В), использование которого в области p-n перехода позволяет эффективно подавлять ток диффузии электронов, токи генерации-рекомбинации, токи туннелирования и утечки, входящие в состав темнового тока.

Гетероэпитаксиальная структура p+-B-n-N+-типа, включает:

- высоколегированную оптически прозрачную подложку InP с антиотражающим покрытием нитрида кремния Si3N4 и концентрацией доноров в подложке InP ND=(1-2)⋅1018 см-3;

- высоколегированный буферный слой InP N+-типа проводимости толщиной ~0,3-1,0 мкм, используемый для согласования кристаллической решетки подложки со слоем поглощения и изготовления контактов к N+-области;

- активный поглощающий слой In0,53Ga0,47As n-типа проводимости толщиной 2,0-2,5 мкм с уровнем концентрации n=(1-2)⋅1016 см-3 и высоким значением подвижности носителей заряда;

- широкозонный барьерный слой In0,52Al0,48As (В) P-типа проводимости, толщина которого составляет 0,1-0,5 мкм с концентрацией акцепторов p=(1-2)⋅1015 см-3, пассивирующий поглощающий слой In0,53Ga0,47As (Eg=0,75 эВ) и уменьшающий токи поверхностной рекомбинации;

- контактный высоколегированный слой In0,53Ga0,47As p+-типа толщиной 0,1-0,5 мкм для создания омического контакта к p-области.

Параметры слоев, входящих в состав мезаструктурного фотодиода p+-B-n-N+-типа, сформированного на подложке InP, приведены в таблице 1.

На фиг. 2(а) схематично представлена область разрыва в зонной диаграмме между барьерным и поглощающим слоями p-In0.52Al0.48As/n-In0.53Ga0.47As.

Согласно модели Андерсона [Anderson, R. Experiments on Ge-GaAs heterojunctions / R. Anderson // Solid-State Electronics. - 1962. - Vol. 5. - P. 341] на гетерогранице различных по составу слоев расхождение энергии для зоны проводимости ЕС и валентной зоны EV описываются формулами

ΔEC12

ΔEV=ΔEg-ΔEC,

где Eg - ширина запрещенной зоны, EF - положение уровня Ферми, χ - энергия электронного сродства, которая определяется как энергия, необходимая для переноса электрона с состояния на краю зоны проводимости до энергетического уровня свободного электрона в вакууме.

На фиг. 2(б) показано примененное решение по устранению разрыва зонной диаграммы с помощью дополнительного четырехкомпонентного тонкого слоя AlInGaAs n- типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны для плавного перехода между кристаллическими структурами поглощающего (In0,53Ga0,47As) и барьерного (In0,52Al0,48As) слоев, что позволяет устранить разрыв между барьерным (p-In0.52Al0.48As) и поглощающим (n-In0.53Ga0.47As) слоями.

Необходимость дальнейшего выравнивания неоднородности энергетического уровня в валентной зоне (показано стрелочками на фиг. 2(б) приводит к необходимости введения в структуру двух сильно легированных тонких дельта-слоев n- и p-типа проводимости на границе слоя AlInGaAs с градиентным изменением ширины запрещенной зоны для устранения немонотонности энергетического уровня зонной структуры и беспрепятственного прохождения неосновных носителей заряда (дырок) к контакту при обратном напряжении смещения на структуре.

Подобные тонкие легированные слои можно математически описать с помощью дельта-функции Дирака, по названию которой данные слои получили обозначение дельта-легированных слоев. В идеале толщина дельта-слоев должна составлять один или насколько моноатомных слоев. На практике толщина данных слоев составляет 5-10 нм.

На фиг. 3 схематично представлена зонная диаграмма в области сопряжения барьерного и поглощающего слоев рассматриваемой полупроводниковой структуры p+-B-n-N+-типа с градиентным слоем и двумя дельта-легированными слоями при небольшом напряжении смещения. Введение в структуру дополнительного поля за счет использования двух дельта слоев n- и p-типа проводимости приводит к смещению и выравниванию уровня энергии валентной зоны. Показано полное устранение барьера в валентной зоне и выравнивание энергетического уровня.

Уменьшение наклона валентной зоны в градиентном слое можно оценить по формуле

откуда можно получить оценку концентрации дельта-слоя Ns, необходимой для выравнивания валентной зоны на потенциал, равный Δϕ=0.2 эВ.

Возможные параметры реализованного мезаструктурного фотодиода (концентрации слоев и их толщины) на основе гетероструктуры на основе четырехслойной архитектуры с тонким четырехкомпонентным слоем AlInGaAs переменного состава и дельта-слоями, приведены в таблице 2.

Гетероструктуры на основе четырехслойной архитектуры p+-B-n-N+-типа с варизонным четырехкомпонентным слоем AlInGaAs n-типа с градиентным изменением ширины запрещенной зоны и дельта-слоями выращивалась методом мосгидридной эпитаксии на согласованной с поглощающим слоем In0,53Ga0,47As по кристаллической структуре подложке InP n+-типа проводимости. Для формирования матрицы фотодиодов формата 320×256 элементов гетероструктура разделялась на мезаэлементы методом ионного и финишного жидкостного травления. Шаг элементов в матрице составлял 30 мкм, размеры ФЧЭ - 20×20 мкм2. Глубина травления мезаструктуры задавалась временем и скоростью травления ионами аргона до широкозонного барьерного слоя Al0.48In0.52As через маску фоторезиста, что позволяло формировать отдельные ФЧЭ, пассивируя узкозонный поглощающий слой. Затем формировались контактные слои к фотодиодам и подложке.

Проведены исследования параметров образцов ФПУ на основе четырехслойных ГЭС InGaAs с архитектурой n+-В-n-P+-типа с широкозонным барьерным слоем, градиентным четырехкомпонентным слоем и дельта-легированными слоями p- и n-типа. На фиг. 4(а, б) представлены (а) - диаграмма распределения темнового тока и (б) - ИК-изображение. Контроль темновых токов фотодиодов показал, что среднее по МФЧЭ значение темнового тока при напряжении обратного смещения (Vфчэ=-0,35 В) составило Iт=8,5 фА.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты