Фотодиод

 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в высокоскоростных волоконно-оптических линиях передачи в качестве фотоприемного устройства. Цель изобретения - повышение квантовой эффективности фотодиодов с толщиной поглощающего слоя, значительно меньшей 2/α, где α - коэффициент поглощения поглащающего материала. Фотодиод содержит подложку, на которой последовательно размещены 2N<SB POS="POST">1</SB> четвертьволновых слоя из непоглощающих материалов с чередующимися высоким N<SB POS="POST">1</SB> и низким N<SB POS="POST">2</SB> показателями преломления, поглощающий слой и 2N<SB POS="POST">2</SB> четвертьволновых слоя из непоглощающих материалов с чередующимися низким N<SB POS="POST">3</SB> и высоким N<SB POS="POST">4</SB> показателями преломления. Количество групп двойных слоев N<SB POS="POST">2</SB> выбирается ближайшим к значению LN (Α<SP POS="POST">.</SP>N<SB POS="POST">0</SB><SP POS="POST">.</SP>D/2)//2LN(N<SB POS="POST">3</SB>/N<SB POS="POST">4</SB>), а N<SB POS="POST">1</SB> определяется из соотношения (N<SB POS="POST">1</SB>/N<SB POS="POST">2</SB>)<SP POS="POST">2N1</SP> *98 N<SB POS="POST">N</SB> N<SB POS="POST">и</SB>/N<SB POS="POST">3</SB>) <SP POS="POST">2N2</SP>, где D - толщина слоя поглощающего материала

N<SB POS="POST">п</SB> - показатель преломления материала подложки

N<SB POS="POST">0</SB> - показатель преломления поглощающего материала. Такая конструкция приводит к тому, что группы N<SB POS="POST">1</SB> и N<SB POS="POST">2</SB> диэлектрических слоев препятствуют выходу излучения из поглощающего слоя и практически вся падающая на фотодиод мощность участвует в генерации фотоносителей. 1 ил.

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСИИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

flPH ГКНТ СССР

1 (21) 4425477/25-25 (22) 18.04.88 (46) 30.11.89. Бюл. У 44 (72) И.В,Матвеев (53) 621,382(088.8) (56) Зи С. Физика полупроводниковых приборов. M.: Мир, .1984, кн. 2, с. 351-367.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1292075, кл. Н 01 L 31/06, 1987.

t . (54) .ФОТОДИОй (57) Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в высокоскоростных волоконнооптических линиях передачи в качестве фотоприемного устройства. Цель изобретения †. повышение квантовой эффективности фотодиодов с толщиной поглощающего слоя, значительно мень шей 2/o(, где d- коэффициент погло- щения поглошающего материала. Фото-, диод содержит подложку, на которой

Изобретение;отнооится к оптоэлектронике и может быть использовано для обнаружения и измерения монохро» матичеекого электромагнитного излучения при высокой частоте повторения импульсов, в частности в волоконнооптических системах передачи с высокой скоростью передачи информации..

Целью изобретения яВляется повышение квантовой эффективности фото-. диодов с толщиной поглощающего слоя, значительно меньшей 2/d, где о коэффициент поглощения.

„„SU„„1525752 А1 (51)4 Н 01 Ь 31/04

2 последовательно. размещены 2Ч чет1 вертьволновых слоя из непоглошающих материалов с чередуЮщимися высоким и и низким и показателями прелом1 1 ления, поглошающий слой н 2N четвертьволновых слоя из непоглощающих материалов с чередующимнся низким и > и высоким .и+ показателями преломления. Количество групп двойных слоев Nq выбирается ближайшим к значению 1и(d и, d/2)/21ï(ï /и4), а 11, ; определяется из соотношения (и /и ) >) ид(и,,/и ), где 4— толшийа слоя поглощающего материала; и „ — показатель преломления материала подложки, ne — показатель преломления поглошающего материала. Такая конструкция приводит к тому, что группы И1 и N диэлектрических слоев препятствуют выходу излучения из поглошающего слоя н практически вся падающая на фотодиод мощность участвует в генерации фотоносителей. 1 ил.

Изобретение поясняется чертежом.

Фотодиод содержит подложку 1, на которой последовательно размещены группы 2 из 2N- слоев с показателяf ми преломления и„ и n, слой 3 поглощающего.материала, в котором выполнен р-и-переход (на чертеже не показан, как и токоподводяшие контакты), и группа 4 из 25m слоев с показателями преломления n > и и

Размещенные на подложке Н, групп слоев содержат в каждой группе два четвертьволновых слоя из непоглоща1525752

1n<-- — ) по с1

21п п

2,05 1 ()>>1

46

50 юших материалов с соответственно высоким п и низким и показателями г преломления. Слой поглощающего материала имеет толщину, кратную

3,/2п,, где Э, — длины волны излу- чения в вакууме, а n0 — показатель преломления поглощающего материала, с выполненным в нем р-п-переходом.

На слое поглощающего материала размешены N< групп слоев, каждая из которых содержит два четвертьволновых слоя из непоглошаюших материалов с соответственно низким пэ и высоким и< показателями преломления, причем

N< выбрано ближайши к значению

1п(2dn 6)

21n — з и где с — коэффициент поглошения поглошающего материала;

d, — — толшина слоя поглощающего материала, при этом группы слоев N u N связа1 ны соотношением и и " (-- ) )) n„(— ) и

Ъ где n„ -показатель преломления материала подложки.

Фотодиод работает следующим образом.

Излучение падает на фотодиод со стороны, противоположной подложке 1, проходит через группу 3 из 2Б диэлектрических слоев и практически полностью поглошается в поглощающем слое З.,При этом в обедненной области поглощающего слоя 3 (не показана) генерируются электронно-дырочные пары, которые вызывают появление фототока в цепи фотодиода. Группы

2 и 4 диэлектрических слоев препятствуют выходу излучения из поглошаюшего слоя 3.

В качестве примера рассчитаем . параметры кремниевого р-i-и фотодиода для волоконных линий связи на длину волны излучения. Л0 = 0,85 мкм.

На этой длине волны коэффициент поглощения кремния a = 0,06 мкм, а показатель преломления и = 3,65.

В качестве материалов для четвертьволновых слоев выберем SiO (n = — 1,46) и Б 11 (n, = 2,05.) . .Для упрощения расчета примем n = n z =

= 1,46 и и, = n = 2,.05. В качестве подложки выберем стекло с n = 1,5.

Если быстродействие кремниевого фотодиода определяется в основном временем пролета фотогенерированных носителей через i-область, что может быть обеспечено соответствуюшим выбором диаметра р-п-перехода, то быстродействие фотодиода составляет

10 пс на микрометр толшины i-области.

Если требуется быстродействие порядка 25 пс, то толщина обедненной . области должна быть порядка 2,5 мкм..

Глубина поглощения излучения в кремнии на длине волны 0,85 мкм составляет величину 1/o(= 17 мкм, Для того, чтобы полностью поглотить все падающее излучение, толщина обедненной области должна быть порядка (2-2,5)/с, т.е. 35-.40 мкм. Использование прототипа позволит уменьшить толшину -области до величичы порядка 2/o(n, 9,5 мкм, .что почти в четыре раза больше требуемой, поэтому получить требуемое быстродействие при сохранении высокой квантовой эффективности конструкция прототипа не позволит (при толшине обедненной области, равной 2,5 мкм, квантовая эффективность прототипа будет порядка 35X). Существенно повысить ква. товую эффективность можно путем использования фотодиода предлагаемой конструкции. Выбирая толшину поглощающего слоя кратной /2 и» получим и = 2,503 мкм. Определим число групп слоев К, наноси 9 мых на слой кремния:

Число групп слоев N = 2.

Число слоев 2N определяется из соотношения

Это соотношение хорошо выполняется при N> = 7:

05 г <7-1) (" --) 2 = 32»1 5

1,46 ф Ф

Таким образом, фотодиод имеет следующую структуру: на подложке с

n„ = 1,5 последовательно p;:слоложе5 l5 ны 14 четвертьволновых слоев с чередующимся показателем преломления и = 2,05 и п = 1,46, слой монокристаллического кремния толщиной

2,503 мкм и четыре четвертьволновых слоя с чередующимися показателями преломления пд = ),46 и п = 2,05.

Определяя для такой структуры коэффициенты характеристической матрицы М, получим значение коэффициента отражения R = 0,003 и коэффициента пропускания T = 0,045. Тогда R + T =

= 0,048 = 0,05 н Kz = 0,95, т.е. квантовая эффективность фо тодиода

K порядка 95Х.

Таким образом, использование изобретения позволит говысить квантовую эффективность фотодиодов с толщиной поглощающего слоя, значительно меньшей 2/d.

Формула изобретения

Фотодиод, включающий подложку, на которой последовательно размещены N групп слоев, каждая иэ которых содержит два четвертьволновых слоя из непоглошаюших материалов с соответственно высоким п, и низким и< показателями преломления, и слой поглощающего материала толщиной, кратной Л,/2п, где Л, — длина вол25752 с пой

1n(— — — ) 2

21п(- ) п4 где o(— коэффициент поглощения по25 глощаюшего материала;

d — толщина слоя поглошаюшего материала, при этом М, и И связаны соотношением (и )

rn q2 z

>> и„ iь где n „ — показатель преломления материала подложки. ны излучения в вакууме, а n — показатель преломления поглошающего материала, в котором выполнен р-и5 переход, о т л и ч,а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения квантовой эффективности фотодиода при толшине слоя поглошающего материала, значительно меньшей глубины поглощения излучения в этом материале, на слое поглощающего материала дополнительно размещены Ид групп слоев, каждая нз которых содержит два четвертьволновых слоя нз непоглошающих материалов с соответственно нп-.— ким и и высоким п, показателями преломления, причем Иz выбрано ближайшим к значению ф