RU2676188C1 - Uhf photodetector of laser radiation - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to semiconductor devices used in electronics. Microwave photodetector of laser radiation consists of a substrate 1 made of n-GaAs, and consecutively besieged: the rear potential barrier layer 2 n-AlGaAs, a base layer made of n-GaAs 3, with a thickness of 50–100 nm, a non-conductive i-GaAs 4 layer with a thickness of 1 mcm and a p-GaAs 5 emitter layer with a thickness of 900–1,000 nm with an increase in the level of doping with a fine acceptor impurity from the boundary with the nonconducting layer to the opposite boundary, the sum of the thicknesses of the base, nonconducting, and emitter layers being from 1.95 to 2.1 mcm.EFFECT: invention provides the possibility of creating a microwave photodetector of laser radiation with high speed and absorption of at least 80 % of photons with a wavelength in the range of 800–860 nm.3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, применяемым в электронике. На его основе возможно создание фотоприемников (ФП) лазерного излучения (ЛИ).The invention relates to semiconductor devices used in electronics. Based on it, it is possible to create photodetectors (FP) of laser radiation (LI).

В настоящее время все большее распространение получают волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), основанные на лазерных диодах и быстродействующих ФП, которые обеспечивают гальваническую развязку между источником сигнала и приемником. При этом достигнут значительный прогресс в создании ФП, обеспечивающих прием сигнала в СВЧ системах, работающих на частотах, достигающих десятков гигагерц, и в ряде случаев достигающих терагерцового диапазона. В качестве оптоволокна в системах ВОЛС используется кварцевое волокно с окнами прозрачности: 0,85 мкм (первое окно), 1,3 мкм (второе окно) и 1,55 мкм (третье окно).At present, fiber-optic communication lines (FOCLs) based on laser diodes and high-speed FPs, which provide galvanic isolation between the signal source and receiver, are becoming more widespread. At the same time, significant progress has been achieved in the creation of phase transitions providing signal reception in microwave systems operating at frequencies reaching tens of gigahertz, and in some cases reaching the terahertz range. As optical fiber, fiber optic systems use quartz fiber with transparency windows: 0.85 μm (first window), 1.3 μm (second window) and 1.55 μm (third window).

Как показывают теоретические данные, эффективность преобразования монохроматического (в частности лазерного) излучения в диапазоне длин волн 0,8-0,86 мкм для фотопреобразователей на основе GaAs может достигать 85-87% при мощности падающего излучения 100 Вт/см². Таким образом, задача улучшения характеристик ФП лазерного излучения, таких как, квантовый выход и быстродействие являются весьма актуальной для современной электроники и фотоники.As theoretical data show, the conversion efficiency of monochromatic (in particular laser) radiation in the wavelength range of 0.8-0.86 μm for GaAs-based photoconverters can reach 85-87% with an incident radiation power of 100 W / cm ² . Thus, the task of improving the characteristics of the phase transition of laser radiation, such as quantum yield and speed, is very important for modern electronics and photonics.

Известен фотоприемник лазерного излучения на основе GaAs (см. Tiqiang Shan, Xinglin Qi, Design and optimization of GaAs photovoltaic converter for laser power beaming, 2015, м. 71, p. 144-150), включающий подложку из n-GaAs, слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs, базовый слой из n-GaAs толщиной 3,5 мкм, эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 0,5 мкм, слой широкозонного окна из p-GaInP, контактный подслой из p⁺-GaAs.A known GaAs-based laser photodetector (see Tiqiang Shan, Xinglin Qi, Design and optimization of GaAs photovoltaic converter for laser power beaming, 2015, p. 71, p. 144-150), including an n-GaAs substrate, a back layer of a potential barrier of n-AlGaAs, a base layer of n-GaAs with a thickness of 3.5 μm, an emitter layer of p-GaAs with a thickness of 0.5 μm, a layer of a wide-gap window of p-GaInP, a contact sublayer of p ⁺ -GaAs.

Недостатком известного фотоприемника является малое быстродействие из-за высокой барьерной емкости, а также большой постоянной времени разделения носителей заряда.A disadvantage of the known photodetector is low speed due to the high barrier capacitance, as well as the large time constant of separation of charge carriers.

Известен фотоприемник лазерного излучения на основе GaAs (см. E. Oliva, F. Dimroth and A.W. Bett. Converters for High Power Densities of Laser Illumination. - Prog. Photovolt: Res. Appl., 2008, 16: 289-295), содержащий подложку из n-GaAs, слой тыльного потенциального барьера из n⁺-GaInP, базовый слой из n-GaAs, эмиттерный слой из p-GaAs, слой широкозонного окна из p⁺-GaInP и контактный подслой из p⁺⁺-Al_0,5GaInAs.A known GaAs based laser photodetector (see E. Oliva, F. Dimroth and AW Bett. Converters for High Power Densities of Laser Illumination. - Prog. Photovolt: Res. Appl., 2008, 16: 289-295) containing n-GaAs substrate, n ⁺ -GaInP back potential barrier layer, n-GaAs base layer, p-GaAs emitter layer, p ⁺ -GaInP wide-gap window layer and p ⁺⁺ -Al _0.5 contact sublayer GaInAs.

К недостатку известного фотоприемника относится усложненная технология его изготовления (использование большого количества разных газов для выращивания слоев разного элементного состава, а, следовательно, повышенные требования к очистке реактора от нежелательных примесей). Кроме того, отсутствие нелегированной области вызывает повышение барьерной емкости.The disadvantage of the known photodetector is the complicated technology of its manufacture (the use of a large number of different gases for growing layers of different elemental composition, and, therefore, increased requirements for cleaning the reactor from undesirable impurities). In addition, the absence of an undoped region causes an increase in barrier capacity.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является фотоприемник лазерного излучения (см. патент RU 2547004, МПК H01L 31/18, опубликован 10.04.2015), принятый за прототип и включающий подложку из n-GaAs, базовый слой из n-GaAs толщиной 3-5 мкм, эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 1,5-2,0 мкм, слой из p-AlGaAs толщиной 3-30 мкм.The closest to this technical solution for the combination of essential features is a laser photodetector (see patent RU 2547004, IPC H01L 31/18, published 04/10/2015), adopted as a prototype and including an n-GaAs substrate, an n-GaAs base layer 3-5 microns thick, p-GaAs emitter layer 1.5-2.0 microns thick, p-AlGaAs layer 3-30 microns thick.

Недостатками известного фотоприемника лазерного излучения является неполное собирание фотогенерированных носителей из базового слоя, а также низкое быстродействие.The disadvantages of the known laser photodetector are incomplete collection of photogenerated carriers from the base layer, as well as low speed.

Задачей настоящего решения является создание такого СВЧ фотоприемника лазерного излучения, который обеспечивал, высокое быстродействие и поглощал бы не менее 80% фотонов с длиной волны в диапазоне 800-860 нм при близком к полному собиранию фотогенерированных носителей.The objective of this solution is to create such a microwave photodetector of laser radiation that provides high speed and would absorb at least 80% of photons with a wavelength in the range of 800-860 nm with close to complete collection of photogenerated carriers.

Поставленная задача достигается тем, что СВЧ фотоприемник лазерного излучения включает полупроводниковую подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно осажденные: слой тыльного потенциального барьера, выполненный из n-Al_0.2Ga_0.8As, базовый слой, выполненный из n-GaAs, непроводящий слой i-GaAs и эмиттерный слой p-GaAs с увеличением уровня легирования мелкой акцепторной примесью от границы с непроводящим слоем до противоположной границы, при этом сумма толщин базового, непроводящего и эмиттерного слоев составляет от 1,95 до 2,1 мкм.The problem is achieved in that the microwave laser photodetector includes a semiconductor substrate made of n-GaAs and sequentially deposited: a back potential barrier layer made of n-Al _0.2 Ga _0.8 As, a base layer made of n-GaAs, non-conductive layer i-GaAs and p-GaAs emitter layer with an increase in the doping level with a fine acceptor impurity from the boundary with the non-conductive layer to the opposite boundary, while the sum of the thicknesses of the base, non-conductive, and emitter layers is from 1.95 to 2.1 μm.

В СВЧ фотоприемнике лазерного излучения толщина базового слоя может находиться в диапазоне от 50 до 100 нм, толщина непроводящего слоя может составлять 1 мкм, а толщина эмиттерного слоя может находиться в диапазоне от 900 до 1000 нм.In a microwave laser photodetector, the thickness of the base layer can be in the range from 50 to 100 nm, the thickness of the non-conductive layer can be 1 μm, and the thickness of the emitter layer can be in the range from 900 to 1000 nm.

В СВЧ фотоприемнике лазерного излучения уровень легирования эмиттерного слоя p-GaAs мелкой акцепторной примесью у границы с непроводящим слоем i-GaAs может составлять от 1⋅10¹⁶ до 1⋅10¹⁷ см^-3 и увеличивается по экспоненциальному закону до величины от 1⋅10¹⁸ до 2⋅10¹⁸ см^-3 у противоположной границы эмиттерного слоя.In a microwave laser photodetector, the doping level of the p-GaAs emitter layer with a small acceptor impurity at the boundary with the non-conducting i-GaAs layer can be from 1 × 10 ¹⁶ to 1 × 10 ¹⁷ cm ^-3 and increases exponentially to a value from 1 × 10 ¹⁸ up to 2⋅10 ¹⁸ cm ^-3 at the opposite boundary of the emitter layer.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:This technical solution is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 представлено схематичное изображение поперечного сечения настоящего СВЧ фотоприемника лазерного излучения;in FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a true microwave laser radiation detector;

на фиг. 2 приведены доли непоглощенных фотонов лазерного излучения в ФП ЛИ на основе GaAs в зависимости от суммарной толщины базового непроводящего и эмиттерного слоев для длин волн в диапазоне 800-860 нм: кривая 6 - длина волны излучения 810 нм; кривая 7 - длина волны излучения 830 нм; кривая 8 - длина волны излучения 850 нм;in FIG. Figure 2 shows the fractions of unabsorbed photons of laser radiation in a PL of GaAs-based PLs depending on the total thickness of the base non-conducting and emitter layers for wavelengths in the range 800–860 nm: curve 6 — radiation wavelength 810 nm; curve 7 - radiation wavelength of 830 nm; curve 8 - radiation wavelength of 850 nm;

на фиг. 3 представлены вклады различных фотоактивных слоев в постоянную времени разделения фотогенерированных носителей в ФП ЛИ на основе GaAs в вентильном режиме при напряжении 1 В: кривая 9 - время диффузии неравновесных дырок из слоя n-GaAs; кривая 10 - время диффузии неравновесных электронов из слоя p-GaAs при отсутствии градиента легирования; кривая 11 - время диффузии неравновесных электронов из слоя p-GaAs при градиенте легирования мелкой акцепторной примесью от 1⋅10¹⁷ см^-3 у границы с непроводящим слоем до 2⋅10¹⁸ см^-3 у противоположной границы с изменением концентрации примеси по экспоненциальному закону; кривая 12 - время диффузии неравновесных электронов из слоя p-GaAs при градиенте легирования мелкой акцепторной примесью от 1⋅10¹⁶ см^-3 у границы с непроводящим слоем до 2⋅10¹⁸ см^-3 у противоположной границы с изменением концентрации примеси по экспоненциальному закону; кривая 13 - время разделения электрон-дырочных пар в i-GaAs; кривая 14 - время дрейфа неравновесных электронов через слой i-GaAs;in FIG. Figure 3 shows the contributions of various photoactive layers to the time constant of the separation of photogenerated carriers in the FP of GaAs based LP in the valve mode at a voltage of 1 V: curve 9 shows the diffusion time of nonequilibrium holes from the n-GaAs layer; curve 10 — diffusion time of nonequilibrium electrons from the p-GaAs layer in the absence of a doping gradient; curve 11 — diffusion time of nonequilibrium electrons from the p-GaAs layer with a doping gradient of a fine acceptor impurity from 1⋅10 ¹⁷ cm ^-3 at the boundary with a non-conductive layer to 2⋅10 ¹⁸ cm ^-3 at the opposite border with an impurity concentration changing exponentially; curve 12 is the diffusion time of nonequilibrium electrons from the p-GaAs layer with a doping gradient of a fine acceptor impurity from 1 × 10 ¹⁶ cm ^-3 at the boundary with a non-conducting layer to 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 at the opposite boundary with a change in the impurity concentration according to the exponential law; curve 13 is the separation time of electron-hole pairs in i-GaAs; curve 14 — drift time of nonequilibrium electrons through the i-GaAs layer;

на фиг. 4 показаны вклады различных фотоактивных слоев в удельную диффузионную емкость структуры ФД на основе GaAs в вентильном режиме при напряжении 1 В (кривые 15-19), а также барьерная емкость такого ФП ЛИ, в зависимости от толщины нелегированного слоя (кривая 20): кривая 15 - вклад слоя i-GaAs; кривая 16 - вклад слоя p-GaAs при отсутствии градиента легирования; кривая 17 - вклад слоя p-GaAs при градиенте легирования мелкой акцепторной примесью от 1⋅10¹⁶ см^-3 у границы с непроводящим слоем до 2⋅10¹⁸ см^-3 у противоположной границы с изменением концентрации примеси по экспоненциальному закону; кривая 18 - вклад слоя p-GaAs при градиенте легирования мелкой акцепторной примесью от 1⋅10¹⁶ см^-3 у границы с непроводящим слоем до 2⋅10¹⁸ см^-3 у противоположной границы с изменением концентрации примеси по экспоненциальному закону; кривая 19 - вклад слоя и-GaAs.in FIG. Figure 4 shows the contributions of various photoactive layers to the specific diffusion capacitance of a GaAs-based PD structure in the gate mode at a voltage of 1 V (curves 15-19), as well as the barrier capacitance of such an FP LI, depending on the thickness of the undoped layer (curve 20): curve 15 - contribution of the i-GaAs layer; curve 16 is the contribution of the p-GaAs layer in the absence of a doping gradient; curve 17 shows the contribution of the p-GaAs layer with a doping gradient of a shallow acceptor impurity from 1 × 10 ¹⁶ cm ^-3 at the boundary with a non-conducting layer to 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 at the opposite boundary with a change in the impurity concentration according to the exponential law; curve 18 shows the contribution of the p-GaAs layer with a doping gradient of a fine acceptor impurity from 1 × 10 ¹⁶ cm ^–3 at the boundary with a non-conducting layer to 2 × 10 ¹⁸ cm ^–3 at the opposite boundary with an exponential change in the impurity concentration; curve 19 is the contribution of the i-GaAs layer.

Настоящий СВЧ фотоприемник лазерного излучения показан на фиг. 1. Он включает полупроводниковую подложку 1, выполненную, например, из n-GaAs, и последовательно осажденные: слой тыльного потенциального барьера 2, выполненный, например, из n-Al_0.2Ga_0.8As, базовый слой 3, выполненный, например, из n-GaAs, с толщиной, например, 50-100 нм, непроводящий слой i-GaAs 4, толщиной, например, 1 мкм и эмиттерный слой p-GaAs 5 толщиной, например, 900-1000 нм с увеличением уровня легирования мелкой акцепторной примесью от границы с непроводящим слоем до противоположной границы, при этом сумма толщин базового, непроводящего и эмиттерного слоев составляет от 1,95 до 2,1 мкм.The present microwave laser photodetector is shown in FIG. 1. It includes a semiconductor substrate 1 made, for example, of n-GaAs, and sequentially deposited: a layer of the back potential barrier 2, made of, for example, n-Al _0.2 Ga _0.8 As, a base layer 3, made, for example, of n -GaAs, with a thickness of, for example, 50-100 nm, a non-conductive i-GaAs 4 layer, of a thickness of, for example, 1 μm and a p-GaAs 5 emitter layer of a thickness of, for example, 900-1000 nm, with an increase in doping with a fine acceptor impurity from the boundary with a non-conductive layer to the opposite boundary, with the sum of the thicknesses of the base, non-conductive and emitter layers of ranges from 1.95 to 2.1 microns.

С увеличением частоты все большее влияние на работу СВЧ приборов оказывают паразитные емкости, образуемые конструктивными элементами самих устройств. При этом модуль реактивного сопротивления емкостей уменьшается: шунтирующие емкости закорачивают соответствующие участки схемы. Поэтому на высоких частотах и особенно в СВЧ-диапазоне паразитные емкости, в первую очередь емкости p-n переходов в полупроводниковых приборах, должны быть сведены к минимуму.With increasing frequency, parasitic capacitances formed by the structural elements of the devices themselves have an increasing influence on the operation of microwave devices. In this case, the module of the reactance of the capacitance decreases: shunt capacitances short circuit the corresponding sections of the circuit. Therefore, at high frequencies, and especially in the microwave range, stray capacitances, primarily the capacitances of p-n junctions in semiconductor devices, should be minimized.

Общая емкость p-n перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной и диффузионной емкостей.The total capacitance of the pn junction is measured between the terminals of the crystal at a given constant voltage (bias) and the frequency of the harmonic voltage applied to the junction. It consists of barrier and diffusion containers.

При прямом напряжении на переходе и работе ФП в «вентильном» режиме общая емкость определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратном напряжении и работе ФП в режиме «ключа». - барьерной.With forward voltage at the transition and the operation of the FI in the "valve" mode, the total capacitance is determined mainly by the diffusion capacity, and with reverse voltage and the operation of the FI in the "key" mode. - barrier.

Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле перехода. При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд увеличиваются, причем это увеличение происходит непропорционально тем меньше, чем больше расстояние между атомами донорной и акцепторной примесей.The barrier (or charging) capacity is due to the uncompensated charge of ionized impurity atoms concentrated on both sides of the transition boundary. These space charges are motionless and do not participate in the flow of current. They create an electric field of transition. With increasing reverse voltage, the space charge region and the charge itself increase, and this increase occurs disproportionately the smaller, the greater the distance between the atoms of the donor and acceptor impurities.

Использование непроводящего i-слоя большей толщины позволяет расширить обедненную область между сильнолегированными эмиттерным и базовым слоями ФП, что позволяет уменьшить барьерную емкость структуры, которую можно оценить по формуле:The use of a non-conductive i-layer of greater thickness allows us to expand the depletion region between the heavily doped emitter and base layers of the phase transition, which allows us to reduce the barrier capacitance of the structure, which can be estimated by the formula:

где ε - диэлектрическая проницаемость i-слоя; ε₀ - электрическая постоянная; S - площадь ФП, d - ширина запрещенной зоны p-n перехода.where ε is the dielectric constant of the i-layer; ε ₀ is the electric constant; S is the area of the phase transition, d is the band gap of the pn junction.

Увеличение толщины непроводящего i-слоя приводит к возрастанию d, что понижает барьерную емкость.An increase in the thickness of the nonconducting i layer leads to an increase in d, which lowers the barrier capacitance.

При положительных смещениях существенной оказывается диффузионная емкость. Диффузионная емкость связана с нескомпенсированным зарядом в фотоактивных слоях: и обратно пропорциональна толщине i-слоя p-эмиттере, n-базе и нелегированном i-слое. Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и вследствие инжекции неосновных носителей в рассматриваемый слой. В результате, например, в n-базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов. Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный характер вольтамперной характеристики.With positive displacements, the diffusion capacity is significant. The diffusion capacitance is associated with an uncompensated charge in the photoactive layers: it is inversely proportional to the thickness of the i-layer of the p-emitter, the n-base and the undoped i-layer. The diffusion capacity is due to a change in the space charge caused by a change in the forward voltage and due to the injection of minority carriers into the layer under consideration. As a result, for example, a space charge of holes arises in the n base, which is almost instantly compensated by the charge of the intrinsic electrons approaching the holes. Diffusion capacitance is often expressed as a linear function of current, given the exponential nature of the current-voltage characteristics.

Для обеспечения высокого быстродействия ФП необходим компромисс в выборе толщины непроводящей области. При малой ее толщине поле в области ОПЗ будет достаточно для быстрого разделения носителей, однако, барьерная емкость структуры окажется большей, чем для толстого i-слоя.To ensure high-speed FP, a compromise is required in choosing the thickness of the non-conducting region. With a small thickness, the field in the SCR region will be sufficient for rapid separation of carriers, however, the barrier capacitance of the structure will be greater than for a thick i-layer.

Быстродействие p-i-n структур определяется постоянной времени, связанной со скоростью разделения электрон-дырочных пар в области пространственного заряда (ОПЗ), постоянной времени, определяемой скоростью диффузии неравновесных носителей заряда из эмиттера по направлению к ОПЗ, и постоянной времени, определяемой скоростью диффузии неравновесных носителей заряда из базы по направлению к ОПЗ и постоянной времени перезаряда емкостей, определяемой сопротивлением нагрузки ФП R_H и емкостью p-i-n структуры.The response time of pin structures is determined by the time constant associated with the separation rate of electron-hole pairs in the space charge region (SCR), the time constant determined by the diffusion rate of nonequilibrium charge carriers from the emitter toward the SCR, and the time constant determined by the diffusion rate of nonequilibrium charge carriers from base in the direction of the SCR and the time constant of the recharge of capacities, determined by the load resistance of the FP R _H and the capacity of the pin structure.

Скорость разделения электрон-дырочных пар в ОПЗ зависит от подвижности носителей заряда градиента поля в ОПЗ, определяемого контактной разницей потенциалов, напряжением на ФП и толщиной i-слоя d. Скорости диффузии в эмиттере и базе определяются толщинами этих слоев и коэффициентами диффузии неосновных носителей заряда.The separation rate of electron – hole pairs in the SCR depends on the mobility of the charge carriers of the field gradient in the SCR, determined by the contact potential difference, the voltage across the phase transition, and the thickness of the i-layer d. The diffusion rates in the emitter and base are determined by the thicknesses of these layers and the diffusion coefficients of minority charge carriers.

Суммарная толщина базового, эмиттерного и непроводящего слоев определяет коэффициент поглощения лазерного излучения в ФП. Для получения требуемого коэффициента поглощения необходимо обеспечение суммарной толщины базового, эмиттерного и непроводящего слоев порядка 2 мкм (фиг. 2, кривые 6-8). Толщины должны быть распределены таким образом, чтобы обеспечить близкое к полному собирание фотогенерированных носителей и, одновременно, приемлемые параметры быстродействия.The total thickness of the base, emitter and non-conductive layers determines the absorption coefficient of laser radiation in the phase transition. To obtain the required absorption coefficient, it is necessary to ensure the total thickness of the base, emitter and non-conductive layers of the order of 2 μm (Fig. 2, curves 6-8). The thicknesses should be distributed in such a way as to ensure close to complete collection of photogenerated carriers and, at the same time, acceptable performance parameters.

Результаты расчетов показывают, что для ФП, в целом, при выбранных толщинах и профилях легирования слоев обеспечивается время разделения фотогенерированных носителей на уровне 15-20 пс (фиг. 3).The calculation results show that for the phase transition, in general, at the selected thicknesses and doping profiles of the layers, the separation time of photogenerated carriers at the level of 15-20 ps is ensured (Fig. 3).

Толщина слоя n-GaAs выбиралась равной 50-100 нм для минимизации вклада базы в постоянную времени ФП (фиг. 3, кривая 9). Выбранная толщина позволила удержать постоянную на уровне менее 10 пс, при больших толщинах время собирания фотогенерированных носителей в p-i-n переход существенно возрастает. В то же самое время, такой толщины достаточно для создания необходимой контактной разности потенциалов на p-i-n переходе и сильного равномерного электрического поля в слое i-GaAs. Для обеспечения требуемых временных параметров диффузию неравновесных дырок в направлении подложки ограничивает слой тыльного потенциального барьера, выполненный из n-Al_0.2Ga_0.8As.The thickness of the n-GaAs layer was chosen equal to 50-100 nm to minimize the contribution of the base to the time constant of the phase transition (Fig. 3, curve 9). The chosen thickness made it possible to maintain a constant at a level of less than 10 ps; at large thicknesses, the time of collecting photogenerated carriers in the pin junction increases significantly. At the same time, such a thickness is sufficient to create the necessary contact potential difference at the pin junction and a strong uniform electric field in the i-GaAs layer. To ensure the required time parameters, diffusion of nonequilibrium holes in the direction of the substrate is limited by the back potential barrier layer made of n-Al _0.2 Ga _0.8 As.

При отсутствии тянущего поля время собирания неравновесных электронов из эмиттера (фиг. 3, кривая 10) превышает время разделения носителей в ОПЗ, начиная с толщины эмиттера в 400 нм. При толщине эмиттера в 900-1000 нм время разделения носителей составит 50 пс. Это существенно больше времени разделения электрон-дырочных пар в ОПЗ, составляющего 12 пс для толщины слоя i-GaAs в 1000 нм (фиг. 3, кривая 13). Внедрение тянущего поля при толщине эмиттера 900-1000 нм позволит сохранить постоянную времени в пределах от 15 до 20 пс в зависимости от величины градиента легирования (фиг. 3, кривые 11 и 12). Также тянущее поле обеспечивает близкое к полному собирание фотогенерированных носителей заряда. Экспоненциальный закон изменения концентрации мелкой акцепторной примеси позволяет получить постоянную напряженность тянущего поля по всей толщине эмиттера.In the absence of a pulling field, the time of collection of nonequilibrium electrons from the emitter (Fig. 3, curve 10) exceeds the time of separation of carriers in the SCR, starting with an emitter thickness of 400 nm. With an emitter thickness of 900-1000 nm, the carrier separation time will be 50 ps. This is significantly longer than the separation time of electron – hole pairs in the SCR, which is 12 ps for an i-GaAs layer thickness of 1000 nm (Fig. 3, curve 13). The introduction of a pulling field with an emitter thickness of 900-1000 nm will allow us to maintain a time constant in the range from 15 to 20 ps depending on the magnitude of the doping gradient (Fig. 3, curves 11 and 12). Also, the pulling field provides close to complete collection of photogenerated charge carriers. The exponential law of change in the concentration of fine acceptor impurities makes it possible to obtain a constant pulling field strength over the entire thickness of the emitter.

Время дрейфа электронов через слой i-GaAs при этом пренебрежимо мало, порядка 1 пс для толщины 1000 нм (фиг. 3, кривая 14). Время дрейфа дырок через слой i-GaAs несколько больше ввиду их меньшей подвижности, однако, ввиду малой толщины слоя n-GaAs (50-100 нм), из которого они инжектируются, а также расположения слоя с тыльной стороны, суммарный вклад этих носителей заряда в фототок в предложенной структуре не превышает 1%, что позволяет пренебрегать ими.In this case, the electron drift time through the i-GaAs layer is negligible, of the order of 1 ps for a thickness of 1000 nm (Fig. 3, curve 14). The drift time of holes through the i-GaAs layer is somewhat longer due to their lower mobility, however, due to the small thickness of the n-GaAs layer (50-100 nm) from which they are injected, as well as the location of the layer on the back side, the total contribution of these charge carriers to the photocurrent in the proposed structure does not exceed 1%, which allows us to neglect them.

Выбранные толщины эмиттерного, базового и непроводяшего слоев ФП помимо приемлемой постоянной времени разделения фотогенерированных носителей также отвечают условию баланса между барьерной и диффузионной емкостями в рабочих режимах (фиг. 4).In addition to an acceptable time constant for the separation of photogenerated carriers, the selected thicknesses of the emitter, base, and nonconducting layers of the phase transitions also correspond to the balance condition between the barrier and diffusion capacities in the operating modes (Fig. 4).

Основной вклад в диффузионную емкость обеспечивает слой i-GaAs (фиг. 4, кривая 15). Вклады эмиттерного и базового слоев, если нет градиента легирования, на несколько порядков меньше (фиг. 4, кривые 16 и 19). При рассмотрении временных параметров ФП необходимо учитывать, что наличие градиента легирования и области с более низким легированием приводит к росту вклада эмиттера в диффузионную емкость структуры. Однако, область, за счет которой будет расти диффузионная емкость, ограничена градиентом тянущего поля на участке ~kT. По этой причине, хотя внедрение поля будет сопровождаться увеличением вклада эмиттера в диффузионную емкость (фиг. 4, кривые 17 и 18), этот вклад будет незначителен и останется, как минимум, на 2 порядка ниже, чем вклад слоя i-GaAs (фиг. 4, кривая 15). Для выбранной толщины слоя i-GaAs диффузионная и барьерная емкость (фиг. 4, кривая 20) приблизительно равны.The main contribution to the diffusion capacitance is provided by the i-GaAs layer (Fig. 4, curve 15). The contributions of the emitter and base layers, if there is no doping gradient, are several orders of magnitude smaller (Fig. 4, curves 16 and 19). When considering the temporal parameters of the phase transition, it is necessary to take into account that the presence of a doping gradient and a region with lower doping leads to an increase in the emitter contribution to the diffusion capacity of the structure. However, the region due to which the diffusion capacity will grow is limited by the gradient of the pulling field in the ~ kT region. For this reason, although the introduction of the field will be accompanied by an increase in the emitter contribution to the diffusion capacitance (Fig. 4, curves 17 and 18), this contribution will be insignificant and will remain at least 2 orders of magnitude lower than the contribution of the i-GaAs layer (Fig. 4, curve 15). For the selected i-GaAs layer thickness, the diffusion and barrier capacitance (Fig. 4, curve 20) are approximately equal.

Claims (3)

1. СВЧ фотоприемник лазерного излучения, включающий полупроводниковую подложку, выполненную из n-GaAs, и последовательно осажденные: слой тыльного потенциального барьера, выполненный из n-Al_0.2Ga_0.8As, базовый слой, выполненный из n-GaAs, непроводящий слой i-GaAs и эмиттерный слой p-GaAs с увеличением уровня легирования мелкой акцепторной примесью от границы с непроводящим слоем до противоположной границы, при этом сумма толщин базового, непроводящего и эмиттерного слоев составляет от 1,95 до 2,1 мкм.1. A microwave laser photodetector including a semiconductor substrate made of n-GaAs and sequentially deposited: a back potential barrier layer made of n-Al _0.2 Ga _0.8 As, a base layer made of n-GaAs, a non-conductive i-GaAs layer and the p-GaAs emitter layer with an increase in the doping level with a fine acceptor impurity from the boundary with the non-conductive layer to the opposite boundary, while the sum of the thicknesses of the base, non-conductive, and emitter layers is from 1.95 to 2.1 μm. 2. СВЧ фотоприемник лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что толщина базового слоя находится в диапазоне от 50 до 100 нм, толщина непроводящего слоя составляет 1 мкм, а толщина эмиттерного слоя находится в диапазоне от 900 до 1000 нм.2. The microwave laser radiation detector according to claim 1, characterized in that the thickness of the base layer is in the range from 50 to 100 nm, the thickness of the non-conductive layer is 1 μm, and the thickness of the emitter layer is in the range from 900 to 1000 nm. 3. СВЧ фотоприемник лазерного излучения по п. 2, отличающийся тем, что уровень легирования эмиттерного слоя p-GaAs мелкой акцепторной примесью у границы с непроводящим слоем i-GaAs составляет от 1⋅10¹⁶ до 1⋅10¹⁷ см^-3 и увеличивается по экспоненциальному закону до величины от 1⋅10¹⁸ до 2⋅10¹⁸ см^-3 у противоположной границы эмиттерного слоя.3. The microwave laser photodetector according to claim 2, characterized in that the doping level of the p-GaAs emitter layer with a small acceptor impurity at the boundary with the non-conductive i-GaAs layer is from 1 × 10 ¹⁶ to 1 × 10 ¹⁷ cm ^-3 and increases by exponential law up to a value from 1⋅10 ¹⁸ to 2⋅10 ¹⁸ cm ^-3 at the opposite boundary of the emitter layer.

Images