Фотоприемник и способ управления его чувствительностью

 

.. Фотоприемник, включающий p-i-n-структуру на основе GaAs, iобласть которой легирована примесью с энергией активации Е, сравнимой с шириной запрещенной зоны, а толва1на i-области не превышает обратную величину козффиодента поглощения света в примесной области, о т л и ч а .ю щ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в спектральном интервале 1-14 мкм при сохранении быстродействия, i-область легирована донорной примесью, симметрии Fg , сечение фотоионизации которой для процесса с переходом электрона из валентной зоны на примесный уровень по крайней мере на порядок больше величины сечения фотоионизации для процесса с переходом электрона с примесного уровня в зону проводимости , энергия активации гфимеси НА, отличающаяся от значения полуширины запре11енной зоны не более чем на 3 кТ, связана с положением уровня Ферми Ег в i-области соотношением: E +21i:T E E +6kT где k - постоянная Кольцмана; Т - температура, град Кельвина; а толщина i-области di превьш1ает длину ионизации примеси электронами. II III

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (511 4 01 L 31/00 31/06 г

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3466573/18-25 (22) 01.06.82 (46) 23.11.87. Бюл, М 43, (71) Физико-технический институт им. А.Ф.Hohhe (72) Вилиам Бенч, Франтишек Дубецки, Карол Межински, Мариан Морвиц (С$), Н.M.Êoë÷àíoâà, M.Ï.Ìèõàéëosa и И.Н.Яссиевич (811) (53) 621.382(088.8) (56) Зи С.M. Физика полупроводниковых приборов, М., Энергия, 1973, с. 524525.

Selway B.P. Tranus J. "А GaAs

infra-red sensitive diode made by

diffusion of chromium", Brit Ю Арр1.

Phys /,T Р1туз DJ Her 2, v. 1, 1968, рр. 25-28. (54) ФОТОПРИЕМНИК И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬИ (57).1. Фотоприемник, включающий р-i-n-структуру на основе GaAs, область которой легирована примесью с энергией активации Е, сравнимой с шириной запрещенной зоны, а толщина

i-области не превьппает обратную величину коэдйициента поглощения света в примесной области, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности в спектральном интервале 1-14 мкм при сохранении быстродействия,. i-область легирована донорной примесью, симметрии

Г, сечение фотоионизации которой для процесса с переходом электрона из валентной зоны на примесный уровень по крайней мере на порядок больше величины сечения фотоионизации для процесса с переходом электрона с примесного уровня в зону проводимости, энергия активации фимеси E Я отличающаяся от значения полуширини запрещенной зоны не более чем на

3 кТ, связана с положением уровня

Ферми Е в i-области соотношением:

E<+2kTcE< cEt +6kT где k — постоянная Больцмана;

Т вЂ” температура, град Кельвина; а толщина i-области dl превышает длину ионизации примеси электронами.

11024

2. Способ управления чувствительностью фотоприемника, включающий освещение i-области светом иэ спектрального интервала 1-1,4 мкм при одновременном приложении электрического напряжения н прямом направлении, о т л и ч а в шийся тем, что, с целью повышения чувствительности в

38 спектральном диапазоне 1-1,4 мкм при сохранении быстродейстния, создают ударную иониэацив примеси путем приложения напряжения U, удовлетворяющего соотношению

10 с - -,а 4 10

3 U

Настоящее изобретение относится к области полупроводниковых фотоэлект-: рических приборов и может быть испо-, льзовано в- оптоэлектронике, систеб мах оптической связи и т.д.

Известен фотоприемник на основе р-i-и структуры, например, Si, работающий в спектральном диапазоне 0,51,0 мкм. Известное устройство содержит -область, выполненную путем перекомпенсации мелкой акцепторной примеси. Способ использования таких фотоприемников заключается в освещении структуры через р-область светом из области собственного поглощения при одновременном приложении электрического напряжения в обратном направФ ленин.

2О

Недостатком его является неработоспособность в спектральном диапазоне

1-1,4 мкм. Быстродействие его состав1О ляет с = 10 с.

Наиболее близким техническим реше- 25 нием является фотоприемник, включающий р-i-n структуру на основе GaAs, i-область которой легиронана примесью с энергией активации Е, сравнимой с е шириной запрещенной зоны, а.толщина

i-области не превышает обратной величины коэффициента поглощения света в примесной области. В этой структуре

i-область создана диффузией глубокой примеси Cr в и-материал с концентрацией носителей тока 10 -10 см !

6 7 з

Наиболее близким техническим решением в части способа является способ управления чувствительностью фотоприемника, включающий освещение

i-области светом из спектрального ин- 4О тервала 1-1 4 мкм при одновременном приложении электрического нагряжения в прямом направлении.

Недостатком таких фотоприемников и способа использования их является то, что чувствительность в примесной области 1-1,4 мкм ниже чувствительности н собственной области вблизи

0,85 мкм, а быстродействие, определяемое длиной диффузионного смещения неосновных носителей тока, составляет с =10 -10 с. При изменении электрического напряжения чувстнительность в диапазоне 1-1,4 мкм мала и изменяется слабо . В то же время задачи оптоэлектроники и волоконно-оптической связи требуют создания быстродействующих высокочувствительных фотоприемников, в особенности для спектрального диапазона 1-1,4 мкм.

Целью настоящего изобретения является повьппение чувствительности в спектральном интервале 1-1,4 мкм с сохранением быстродействия прибора.

Поставленная цель достигается тем, что н фотоприемнике, включающем р-i-n структуру.на основе GaAs область которой легиронана примесью с энергией активации Е, сравнимой с шириной запрещенной зоны, а толщина i-области не превьппает обратной величины коэффициента поглощения света в примесной области, -область легирована донорной примесью, симметрии 1 > сечение фотоионизации которой для процесса с переходом электрона из валентной зоны на примесный уронень по крайней мере на порядок больше величины сечения фотоионизации для процесса с переходом электрона спримесного уровня в зону проводимости, энергия активации примеси Е, отличающаяся от значений полуширины запрещенной зоны не более чем на 3 кТ, связана с положением

02438 4 энергия ее активации Еь=Е1/2 3 кТ.

Это важно для того, чтобы свет из области примесного поглощения переводил электроны как из валентной зоны на примесный уровень так и с примесного уровня в зону проводимости. Если примесь будет лежать ближе к одной из зон; чем этого требует заданное условие, то, во-первых, уходим

10 иэ интересующего нас спектрального диапазона, во-вторых, чувствительность падает из-за нарушения равновесия между переходами электронов и дырок.

Концентрация носителей заряда в области связана с положением уровня ферми и может быть задана условием

10 - U 10

U ъ

Сущность изобретения заключается в следующем. Экспериментально установлен неочевидный факт, что в фото- 25 приемнике на основе GaAs p-i-n ñòðóêтуры, где. 1-область легирована глубокой примесью, можно значительно повысить чувствительность за .счет монополярной ионизации этой примеси, gg если выполнить следующие условия.

Примесь в i-области должна быть донорного типа с симметрией Г . Это условие означает, что примесь является уровнем 1-с типа и связана с зоной проводимости, а не с валентной зоной. Выполнение условия для сечений фотоионизации: ае„ вЂ сечение для перехода электрона из валентной зоны на примесный уровень по крайней ме40 ре на порядок больше, чем ь — сечение для перехода электрона с примеси в зону проводимости означает; что процесс перехода электронов из валентной зоны на примесь, т.е. ее заполнение, идет более быстро, чем опустошение примеси. На примесном уровне все время существуют электроны, которые могут принимать участие в процессе ударной ионизации.,В случае обратного соотношения между сечениями все имеющиеся на примеси электроны. быстро будут переведены светом в soну проводимости, примесь опустошается, и стационарный процесс ударной ионизации, приводящий к повьппению чувствительности, прекращается.

Примесь выбрана лежащей вблизи середины запрещенной зоны, а именно, уровня ферми Е в i-области соотно f шением:

1 .< +2kT

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления чувствительностью фотоприемника, включающем освещение i-области светом из спектрального интервала 1-1,4 мкм при одновременном приложении электрического напряжения в прямом направлении, создают ударную иониэацию примеси путем приложения напряжения удовлетворяющего соотношению:

+21 ТсЕ Z +6kT, t означающим, что примесь при рабочей температуре не полностью занята электронами (H<).

Толщина i-области должна быть больше длины ионизации примеси элек. тронами для того, чтобы могла идти заметная ударная ионизация примеси, приводящая и,увеличению фоточувствительноати.

Если фотоприемник, выполненный при соблюдении указанных вьппе условий, осветить светом из спектрального интервала 1-1,4 мкм и.приложить электрическое напряжение в прямом направлении, величина которого удо3 U влетворяет условию 10 В/смi - c 4x

d.l

xl0 В/см, то за счет монополярной ударной ионизации глубокой примеси достигается увеличение чувствительности в укаэанном спектральном интервале при сохранении быстродействия.

В отличие от известных лавинных фотодиодов, работающих в режиме межзонной ударной ионизации при приложении обратного напряжения, предложенный фотоприемник на основе CrAs р-i-и структуры работает при прямом смещении при этом все электрическое напряжение фактически приложено к

i-области, в которой происходит приб месная ударная ионизация. Поля, меньшие 10 В/см, недостаточны для заз метной ионизации примеси, и чувствительность при этом падает. В полях

В 4, 10 — может иметь место явdz см ление двойной инжекции, которая бу1102438

30 дет накладываться на монополярную ударную иониэацию и приведет к силь-1 ному увеличению уровня шумов, а

> следовательно, к снижению положительного эффекта.

В указанном фотоприемнике быстродействие, определяемое временем пролета носителей в i-области, сохраняется не хуже, чем в прототипе, и

„„, di в оптимальном режиме ь, = -,— — —

-to ! реп

=10 с, где!! =3 10 см /В, сцрейфовая скорость электронов; ф

30 мкм — толщина i-области.

Отметим, что процесс примесной ударной ионизации в заявляемом фотоприемнике является монополярным.

Это дает возможность создать фотоприемник с низким уровнем избыточных шумов и получить высокое усиление

20 фототока при достаточно малых значениях напряжения на i-области (U

1О В).

Фотоприемник H способ управ пения его фоточувствительностью представлены на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показаны схематическое изображение конструкции фотоприемника и способ его использования. На фиг. 2 показано спектральное распределение фоточувствительности GaAs p-i-n структуры при двух значениях электрического напряжения.

Фотоприемник на фиг. включает

t р -область 1, i-область 2 толщиной З5

Ж, п -область 3, контактная система 4, батарея 5 постоянного тока напряжением U

Устройство работает следующим образом. При освещении i-области 2 . 40 шириной di светом из спектрального интервала 1-1,4 мкм и при приложении электрического напряжения U из интервала !2>В 11 3 В, так, чтобы (-) батареи 5 постоянного тока был подан 45 на 3, а (+) на 1, используя контактную систему 4, электроны с примесного уровня переводятся в зону проводимости, где разгоняются электрическим полем до энергий, достаточных для 50 ионизации электрона с глубокого примесного уровня, что приводит к увеличению количества электронов в зоне проводимости, следствием чего является повьцпение фоточувствительности в рассматриваемой области спектра при сохранении быстродействия, которое определяется временем пролета электроном i-области. Повьппение фоточувствительности при изменении электрического поля от l В до 10 В проиллюстрировано на фиг. 2.

На фиг. 2 кривая 6 соответствует

U=l В (Е=310 В/см), кривая 7 — U=

=10 В (K=310 В/см). Експериментальные кривые спектральной фоточувствительности были получены при исследовании фотоприемника на основе

GaAs p-i-и структуры, содержащей

i-область, полученную легированием комплексами хрома. При этом создавался глубокий примесный уровень донорного типа с симметрией !, что .было установлено из сопоставления характера экспериментально измеренной спектральной фоточувствительности с теоретической. Отношение сечений фотоионизации е„ /,е составляло 12> что удовлетворяет условию, приведенl ному в формуле. Положительный эффект — повьппение фоточувствительности в спектральном интервале 1-1 4 мкм был получен на примеси с энергией активации F --0,75 эВ, что соответствовало условии расположения ее в запрещенной зоне, указанному в формуле. Концентрация свободных носителей в ч -з в i-области составляла 10 -10 см, что соответствовало положении уровня

Ферми, толщина i-области составляла

6=30 мкм, при этом длина иониэации в электрических полях, приведенных в формуле, была 1; = 1 мкм.

Структура освещалась светом из спектральной области 1-1,4 мкм. Способ управления чувствительностью устройства был осуществлен при включении структуры в прямом направлении при приложении напряжения U-=10 В так, что процесс ударной ионизация примесного центра производился при электрическом напряжении. U=10 В (Е=З »

«10 В/см). При этом в спектральной

5 области 1- l 4 мкм происходило повышение фоточувствительности на 3 порядка (М=10 ) по сравнению с фотоответом при,малом электрическом поле

U=1 В (Е=З 10 В/см).Быстродействие при.этом составляло 10" с.

Таким образом, в данном фотоприемнике и способе управления его чувствительностью, представляющими собой единый изобретательский замысел, достигнут новый положительный эффект" повьппение фоточувствительности в спектральном интервале 1-1,4 мкм на.

1102438 %

Q 10

tO 15

Фиа2

gu ду,яб

Редактор Н,Сильнягина Техред А Кравчук

Корректор О. Кравцова

Тираж 697 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретениЯ и открытий о

113035, Москва, Ж-35, Раупская наб., д. 4/5

Заказ 5910

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

3 порядка при сохранении быстродействия °

У

Кроме того, достоинствами такого ,фотоприемника по сравнению с уже существующими приемниками с внутренним усилением (например, Ge лавинный фотодиод) является низкий коэффициент избыточного пума, достигнутый за счет ударной ионизации носите-,10 !

-лями заряда одного знака,1 а также возможность получения больших усилений при небольших рабочих напряжениях.

Поскольку в настоящее время весьма актуальная задача создания быстродействующих малошумящих фотоприемников для систем волоконнооптической связи на спектральный диапазон

l-l3 мкм, предложенный фотоприемник и способ его использования позволяют решить задачу создания таких приборов.