RU2676228C1 - Powerful pulse microwave photodetector - Google Patents

Powerful pulse microwave photodetector Download PDF

Info

Publication number
RU2676228C1
RU2676228C1 RU2018106016A RU2018106016A RU2676228C1 RU 2676228 C1 RU2676228 C1 RU 2676228C1 RU 2018106016 A RU2018106016 A RU 2018106016A RU 2018106016 A RU2018106016 A RU 2018106016A RU 2676228 C1 RU2676228 C1 RU 2676228C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
gaas
photodetector
growth
substrate
Prior art date
Application number
RU2018106016A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Михайлович Андреев
Александр Николаевич Паньчак
Павел Васильевич Покровский
Владимир Петрович Хвостиков
Ольга Анатольевна Хвостикова
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority to RU2018106016A priority Critical patent/RU2676228C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2676228C1 publication Critical patent/RU2676228C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

FIELD: instrument engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of development and manufacture of high-power photosensitive semiconductor devices based on GaAs, in particular to pulsed semiconductor super high frequency (UHF) photodetectors. Powerful pulsed microwave photodetector of laser radiation based on heterostructure contains substrate 2 from n-GaAs, layer 3 from n-AlGaAs with x=0.35–0.60 at the beginning of the layer growth at the boundary with the substrate to x=0.10–0.15 at the end of the layer growth and with parameter gradient "x" in the range of 25–60 cm, layer 4 of n-GaAs 0.5–2 microns thick with a carrier concentration (0.5–2.0)⋅10cm, layer 5 of p-AlGaAs with x=0.15–0.30 at the beginning of the layer growth to x=0.05–0.10 at the end of the layer growth, contact layer 6 of p-GaAs and solid ohmic contacts 1, 7.EFFECT: invention provides improved performance, reduced ohmic and heat losses, as well as reduced optical losses.8 cl, 2 dwg, 2 ex

Description

Настоящее изобретение относится к области разработки и изготовления мощных фоточувствительных полупроводниковых приборов на основе GaAs, в частности, к импульсным полупроводниковым сверхвысокочастотным (СВЧ) фотодетекторам (ФД).The present invention relates to the field of development and manufacture of high-power GaAs-based photosensitive semiconductor devices, in particular to pulsed semiconductor microwave (microwave) photodetectors (PD).

В настоящее время одним из перспективных стратегических направлений фотоэнергетики является создание информационного канала связи, работающего в оптическом диапазоне (например, фотонный тракт лазер-фотодетектор). Для преобразования мощного информационно-энергетического сигнала мощностью (~10 Вт) необходимо иметь мощные быстродействующие фотодетекторы.At present, one of the promising strategic directions of photovoltaics is the creation of an information communication channel operating in the optical range (for example, the photon path laser-photodetector). To convert a powerful information-energy signal with a power of (~ 10 W), it is necessary to have powerful high-speed photodetectors.

Известен фотодетектор (см. патент US 7259439, МПК H01L 31/00, опубликован 21.08.2007) на основе ступенчатой по высоте структуре (микрорельеф, сформирован последовательностью операций травления и роста) на полуизолирующей подложке из GaAs, включающий слой из n-GaAs толщиной 0,5-2,0 мкм, слой из i-GaAs толщиной 0,5-5,0 мкм, слой из p-GaAs толщиной 0,005-0,002 мкм, антиотражающее покрытие, диэлектрическое покрытие, закрывающее p-i-n интерфейсы структуры и омических контакты, сформированные на небольших по площади частях, к p-GaAs и n-GaAs слоям ФД.A known photodetector (see patent US 7259439, IPC H01L 31/00, published August 21, 2007) based on a stepwise height structure (microrelief formed by a series of etching and growth operations) on a semi-insulating GaAs substrate, including a 0-thick n-GaAs layer with a thickness of 0 , 5-2.0 μm, a layer of i-GaAs with a thickness of 0.5-5.0 μm, a layer of p-GaAs with a thickness of 0.005-0.002 μm, an antireflection coating, a dielectric coating that covers the pin interfaces of the structure and ohmic contacts formed on small parts, to p-GaAs and n-GaAs layers of PD.

Недостатком известной структуры ФД является отсутствие тыльного потенциального барьера и широкозонного окна, что приводит к значительным потерям в спектральной чувствительности и КПД приборов на основе такой структуры. Другим недостатком является малая площадь омических контактов к ФД, поскольку в случае преобразования мощного лазерного излучения требуется свести к минимуму омические потери в полупроводнике.A disadvantage of the known PD structure is the absence of a back potential barrier and a wide-gap window, which leads to significant losses in spectral sensitivity and efficiency of devices based on such a structure. Another disadvantage is the small area of ohmic contacts to the PD, since in the case of the conversion of high-power laser radiation, it is necessary to minimize the ohmic loss in the semiconductor.

Известен фотодетектор лазерного излучения (см. патент US 20120153417, МПК H01L 31/0232, опубликован 21.06.2012) на основе гетероструктуры, содержащий Брэгговское зеркало, стоп-слой на основе нелегированного i-AlAs толщиной 300 нм, буферный слой из нелегированного i-Al0.2Ga0.8As толщиной 1 мкм, слой из n-Al0,15Ga0,75As к n-части ФД толщиной 400 нм, слой из n- или i-Al0,15Ga0,75As толщиной 750 нм, в котором происходит транспорт носителей, слой потенциального барьера из i-AlxGa1-xAs с градиентом по ширине запрещенной зоны толщиной 20 нм, слой из i-GaAs толщиной 50 нм, поглощающий свет слой из p-GaAs с градиентом легирования примеси толщиной 400 нм, слой из p-Al0.2Ga0.8As потенциального барьера для электронов толщиной 20 нм, контактный слой из p-GaAs к p-части ФД, омические контакты и защитное покрытие на боковых поверхностях ФД для защиты p-i-n интерфейса. Внешний квантовый выход таких ФД составляет около 60% (0,41 А/Вт), а эффективность варьируется от 34% до 21% для длины волны падающего излучения 850 нм и рабочем напряжении 1 В и фототоке 0,2 мА (при диаметре светового пятна 20 мкм).A known laser photodetector (see patent US 20120153417, IPC H01L 31/0232, published June 21, 2012) based on a heterostructure containing a Bragg mirror, a stop layer based on undoped i-AlAs 300 nm thick, a buffer layer from undoped i-Al 0.2 Ga 0.8 As 1 μm thick, a layer of n-Al 0.15 Ga 0.75 As to the n-part of the PD 400 nm thick, a layer of n- or i-Al 0.15 Ga 0.75 As 750 nm thick, in which the transportation carriers, the potential barrier layer of i-Al x Ga 1-x As gradient across the width of the forbidden band 20 nm thick layer of i-GaAs 50 nm thick light absorbing layer of p-GaAs gradient doping impurities 400 nm thick layer of p-Al 0.2 Ga 0.8 As a potential barrier for the electrons of 20 nm thick, a contact layer of p-GaAs to p-part FD, ohmic contacts and the protective coating on the side surfaces of the PD protection pin interface. The external quantum yield of such PDs is about 60% (0.41 A / W), and the efficiency varies from 34% to 21% for the incident wavelength of 850 nm and an operating voltage of 1 V and a photocurrent of 0.2 mA (with a light spot diameter 20 μm).

Недостатком данной структуры фотодетектора является использование большого количества нелегированных слоев, что в случае использования мощного лазерного излучения может приводить к значительным омическим потерям в полупроводнике, другим недостатком известного ФД является недостаточно высокое значение квантовой эффективности и, как следствие, невысокое значение КПД прибора.The disadvantage of this photodetector structure is the use of a large number of undoped layers, which in the case of using high-power laser radiation can lead to significant ohmic losses in the semiconductor, another disadvantage of the known PD is the insufficiently high value of quantum efficiency and, as a result, the low value of the device efficiency.

Известен фотодетектор импульсов лазерного излучения, модулированного в диапазоне частот 100 кГц с интенсивностью излучения до 50 Вт/см2 (см. Tiqiang Shan, Xinglin Qi, Response of GaAs photovoltaic converters under pulsed laser illumination, WSEAS transactions on Circuits and Systems, vol. 14, 2015, pp. 19-23). Известный фотодетектор включает подложку из n-GaAs толщиной 350 мкм (Nn=5⋅1018 см-3), буферный слой из n-GaAs толщиной 1 мкм (Nn=5⋅1018 см-3), слой тыльного потенциального барьера из n-AlGaAs толщиной 0,05 мкм (Nn=5⋅1018 см-3), базовый слой из n-GaAs толщиной 3,5 мкм (Nn=5⋅1017 см-3), эмиттерный слой из p-GaAs толщиной 0,5 мкм (Nn=2⋅1018 см-3), слой широкозонного окна из р-GaInP толщиной 0,05 мкм (Nn=5⋅1018 см-3), контактный слой из р+-GaAs толщиной 0,5 мкм (Nn=5⋅1019 см-3), двухслойное антиотражающее покрытие TaOx/SiO2 для спектрального диапазона 810-840 нм, тыльный и лицевой омические контакты. Быстродействие фотодетектора составило 25 нс.A known photodetector of pulses of laser radiation modulated in the frequency range 100 kHz with a radiation intensity of up to 50 W / cm 2 (see Tiqiang Shan, Xinglin Qi, Response of GaAs photovoltaic converters under pulsed laser illumination, WSEAS transactions on Circuits and Systems, vol. 14 2015, pp. 19-23). Known photo detector comprises a substrate of n-GaAs of 350 micron thickness (N n = 5⋅10 18 cm -3), a buffer layer of n-GaAs 1 micron thickness (N n = 5⋅10 18 cm -3), the potential barrier layer rear of n-AlGaAs 0,05 micron thickness (N n = 5⋅10 18 cm -3), a base layer of n-GaAs 3,5 micron (N n = 5⋅10 17 cm -3), an emitter layer of p -GaAs with a thickness of 0.5 μm (N n = 2 см10 18 cm -3 ), a layer of wide-gap window of p-GaInP with a thickness of 0.05 μm (N n = 5⋅10 18 cm -3 ), a contact layer of p + -GaAs with a thickness of 0.5 μm (N n = 5⋅10 19 cm -3 ), a two-layer TaO x / SiO 2 antireflection coating for the spectral range 810-840 nm, rear and front ohmic contacts. The speed of the photodetector was 25 ns.

Недостатком известного ФД является недостаточно высокое быстродействие и ввод излучения перпендикулярно слоям фотодетектора, что может приводить к дополнительным оптическим и омическим потерям прибора и снижению эффективности и параметров быстродействия.A disadvantage of the known PD is the insufficiently high speed and input radiation perpendicular to the layers of the photodetector, which can lead to additional optical and ohmic losses of the device and a decrease in the efficiency and speed parameters.

Известен фотодетектор с «торцевым» вводом излучения в интегрированный волновод, основанный на отражении света от одной из его граней (см. US 5391869 А), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный фотодетектор включает в себя длинную волноводную структуру, которая принимает свет из входного конца ФД и ограничивает его в определенном пространственном оптическом режиме. Свет распространяется вдоль волновода (в слое Al0.21Ga0.79As) и претерпевает внутреннее отражение на противоположной границе, расположенной под углом. Таким образом, свет попадает в светопоглощающий (детекторный) слой фото детектора, создавая там электронно-дырочные пары. Поглощенный свет детектируется с помощью структуры металл-полупроводник-металл, выполненной в виде повторяющейся электродной структуры, расположенной на внешней поверхности слоя детектора. Для света с длиной волны 0,84 мкм детекторный слой выполнен из GaAs. В качестве альтернативы, для света с длиной волны 1,3-1,55 мкм детекторный слой выполнен из InGaAs.Known photodetector with "end" input of radiation into an integrated waveguide, based on the reflection of light from one of its faces (see US 5391869 A), coinciding with this technical solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. The known photodetector includes a long waveguide structure that receives light from the input end of the PD and limits it in a certain spatial optical mode. Light propagates along the waveguide (in the Al 0.21 Ga 0.79 As layer) and undergoes internal reflection at the opposite boundary, located at an angle. Thus, light enters the light-absorbing (detector) layer of the photo detector, creating electron-hole pairs there. The absorbed light is detected using a metal-semiconductor-metal structure made in the form of a repeating electrode structure located on the outer surface of the detector layer. For light with a wavelength of 0.84 μm, the detector layer is made of GaAs. Alternatively, for light with a wavelength of 1.3-1.55 μm, the detector layer is made of InGaAs.

Конструкция известного фото детектора включает в себя 500 мкм подложку GaAs, 7 мкм нижнее покрытие волновода Al0.25Ga0.75As, 0,7 мкм волновод Al0.21Ga0.79As, 1,5 мкм верхнее покрытие волновода Al0.25Ga0.75As, и 1,5 мкм фотодетектор GaAs или In0.53Ga0.47As.The design of the known photo detector includes a 500 μm GaAs substrate, 7 μm the lower coating of an Al 0.25 Ga 0.75 As waveguide, 0.7 μm Al 0.21 Ga 0.79 As, an 1.5 μm upper coating of an Al 0.25 Ga 0.75 As, and 1, 5 μm photodetector GaAs or In 0.53 Ga 0.47 As.

Недостатками известного ФД является сложность изготовления наклонной грани для внутреннего отражения излучения и дополнительные оптические потери при отражении света от наклонной грани.The disadvantages of the known PD is the difficulty of manufacturing an inclined face for internal reflection of radiation and additional optical losses when reflecting light from an inclined face.

Задачей настоящего изобретения является создание мощного импульсного фотодетектора с вводом по оптоволокну мощных лазерных импульсов через боковую «торцевую» поверхность структуры, который обеспечивает улучшение быстродействия, уменьшение омических и тепловых потерь, а также уменьшение оптических потерь.The objective of the present invention is to provide a powerful pulse photodetector with the input of high-power laser pulses through the fiber through the side "end" surface of the structure, which provides improved performance, reduced ohmic and thermal losses, as well as reduced optical losses.

Для улучшения параметров СВЧ ФД разработана конструкция с торцевым вводом излучения. В ФД с такой конструкцией верхний и нижний контакты сплошные, а свет вводится в структуру с торца. При плавном (градиентном) изменении состава полупроводниковой структуры изменяется ее показатель преломления. Градиентный показатель преломления позволяет изменять ход лучей света таким образом, что излучение, введенное в торец, ФД постепенно преломляется в сторону активной области.To improve the parameters of the microwave PD, a design with an end input of radiation was developed. In a PD with such a design, the upper and lower contacts are continuous, and light is introduced into the structure from the end. With a smooth (gradient) change in the composition of the semiconductor structure, its refractive index changes. The gradient refractive index allows you to change the path of the light rays in such a way that the radiation introduced into the end face of the PD gradually refracts toward the active region.

Технический результат поставленной задачи достигается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.The technical result of the task is achieved by a group of inventions, united by a single inventive concept.

Поставленная задача решается тем, что мощный импульсный фотодетектор лазерного излучения на основе гетероструктуры включает подложку из n-GaAs, слой из n-AlxGa1-xAs с х=0,35-0,60 в начале роста слоя на границе с подложкой и до х=0,10-0,15 в конце роста слоя и градиентом параметра «х» в интервале 25-60 см-1, активный слой из n0-GaAs толщиной 0,5-2,0 мкм с концентрацией носителей тока (0,5-2,0)⋅1016 см-3, слой из р-AlxGa1-xAs с х=0,15-0,30 в начале роста слоя до х=0,05-0,10 в конце роста слоя, контактный слой из р+-GaAs и первый и второй сплошные омические контакты, нанесенные соответственно на подложку и контактный слой, при этом длина фотодетектора вдоль p-n перехода равна 350-500 мкм.The problem is solved in that a powerful pulsed photodetector of laser radiation based on a heterostructure includes an n-GaAs substrate, an n-Al x Ga 1-x As layer with x = 0.35-0.60 at the beginning of layer growth at the boundary with the substrate and up to x = 0.10-0.15 at the end of the growth of the layer and the gradient of the parameter "x" in the range of 25-60 cm -1 , the active layer of n 0 -GaAs with a thickness of 0.5-2.0 microns with a concentration of current carriers (0.5-2.0) ⋅10 16 cm -3 , a layer of p-Al x Ga 1-x As with x = 0.15-0.30 at the beginning of the growth of the layer to x = 0.05-0, 10 at the end of the growth of the layer, the contact layer of p + -GaAs and the first and second solid ohmic contacts deposited correspondingly on the substrate and the contact layer; in this case, the length of the photodetector along the pn junction is 350–500 μm.

Подложка может иметь концентрацию носителей тока не менее 3⋅1018 см-3.The substrate may have a carrier concentration of at least 3 × 10 18 cm -3 .

Слой из n-AlxGa1-xAs может иметь концентрацию носителей тока (1-5)⋅1018 см-3.The n-Al x Ga 1-x As layer may have a current carrier concentration of (1-5) ⋅10 18 cm -3 .

Слой из n0-GaAs может иметь толщину 0,5-2,0 мкм и концентрацию носителей тока (0,5-2)⋅1016 см-3.A layer of n 0 -GaAs may have a thickness of 0.5-2.0 μm and a carrier concentration of (0.5-2) ⋅10 16 cm -3 .

Слой из р-AlxGa1-xAs может иметь толщину 1-2 мкм и концентрацию носителей тока (1-5)⋅1018 см-3.The p-Al x Ga 1-x As layer can have a thickness of 1-2 μm and a current carrier concentration of (1-5) ⋅ 10 18 cm -3 .

Контактный слой из р+-GaAs может иметь толщину 1-3 мкм и концентрацию носителей тока (1-3)⋅1019 см-3.The p + -GaAs contact layer may have a thickness of 1-3 μm and a current carrier concentration of (1-3) ⋅10 19 cm -3 .

На поверхность освещаемого торца фотодетектора может быть нанесено антиотражающее покрытие с минимумом отражения в спектральном интервале 810-860 нм.An antireflection coating with a minimum of reflection in the spectral range of 810-860 nm can be applied to the surface of the illuminated end face of the photodetector.

Новым в настоящем фотодетекторе является наличие в структуре слоя из n-AlxGa1-xAs с х=0,35-0,60 в начале роста слоя на границе с подложкой и до х=0,10-0,15 в конце роста слоя и градиентом параметра «х» в интервале 25-60 см-1, и слоя из n0-GaAs толщиной 0,5-2,0 мкм с концентрацией носителей тока (0,5-2,0)⋅1016 см-3, слоя из р-AlxGa1-xAs с х=0,15-0,30 в начале роста слоя до х=0,05-0,10 в конце роста слоя, а также длина фото детектора вдоль p-n перехода, равная 350-500 мкм.New in this photodetector is the presence in the structure of a layer of n-Al x Ga 1-x As with x = 0.35-0.60 at the beginning of layer growth at the boundary with the substrate and up to x = 0.10-0.15 at the end layer growth and the gradient of the parameter “x” in the range of 25-60 cm -1 , and a layer of n 0 -GaAs with a thickness of 0.5-2.0 μm with a concentration of current carriers (0.5-2.0) ⋅10 16 cm -3 , a layer of p-Al x Ga 1-x As with x = 0.15-0.30 at the beginning of layer growth to x = 0.05-0.10 at the end of layer growth, as well as the length of the photo detector along pn transition equal to 350-500 microns.

Настоящий способ поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид фотодетектора в аксонометрии (L - длина фотодетектора, D - линейный размер вертикальной оси светового пятна эллипса, d - линейный размер по горизонтальной оси светового пятна эллипса; α1 - угол наклона излучения лазера по отношении к нормали торцевой поверхности фотодетектора.The present method is illustrated in the drawing, where in FIG. Figure 1 shows a general view of the photodetector in axonometry (L is the photodetector length, D is the linear dimension of the vertical axis of the light spot of the ellipse, d is the linear size along the horizontal axis of the light spot of the ellipse; α 1 is the angle of inclination of the laser radiation relative to the normal to the end surface of the photodetector.

На фиг. 2 приведено поперечное сечение настоящего фотодетектора.In FIG. 2 shows a cross section of a real photodetector.

Импульсный фотодетектор (см. фиг. 1 - фиг. 2) выполняют в виде прямоугольного параллелепипеда, длина которого вдоль p-n перехода равна 350-500 мкм. Фото детектор содержит первый сплошной омический контакт 1, нанесенный на внешнюю сторону полупроводниковой подложки 2 из n-GaAs, на внутренней стороне которой выращены: слой 3 из n-AlxGa1-xAs с х=0,35-0,60 в начале роста слоя на границе с подложкой 2 и до х=0,10-0,15 в конце роста слоя и градиентом параметра «х» в интервале 25-60 см-1, активный слой 4 из n0-GaAs толщиной 0,5-2,0 мкм с концентрацией носителей тока (0,5-2,0)⋅1016 см-3, слой 5 p-AlxGa1-xAs толщиной, например, 1-2 мкм с х=0,15-0,30 в начале роста слоя до х=0,05-0,10 в конце роста слоя, контактный слой 6 из р+-GaAs и второй сплошной омический контакт 7. Лазерное излучение подают на торец 8 фотодетектора, на который может быть нанесено антиотражающее покрытие 9. Противоположный (тыльный) торец 10 фото детектора выполняет функцию отражателя лазерного излучения.The pulse photodetector (see Fig. 1 - Fig. 2) is made in the form of a rectangular parallelepiped, the length of which along the pn junction is 350-500 microns. The photo detector contains the first continuous ohmic contact 1, deposited on the outer side of the n-GaAs semiconductor substrate 2, on the inner side of which are grown: layer 3 of n-Al x Ga 1-x As with x = 0.35-0.60 in the beginning of the growth of the layer at the boundary with the substrate 2 and up to x = 0.10-0.15 at the end of the growth of the layer and the gradient of the parameter "x" in the range of 25-60 cm -1 , the active layer 4 of n 0 -GaAs with a thickness of 0.5 -2.0 μm with a concentration of current carriers (0.5-2.0) ⋅10 16 cm -3 , layer 5 p-Al x Ga 1-x As thick, for example, 1-2 μm with x = 0.15 -0.30 at the beginning of the growth of the layer to x = 0.05-0.10 at the end of the growth of the layer, the contact layer 6 of p + -GaAs and the second solid ohmic contact 7. Laser radiation is applied to the end face 8 of the photodetector, which can be coated with an antireflection coating 9. The opposite (back) end face 10 of the photo detector serves as a reflector of laser radiation.

При вводе лазерного излучения из оптоволокна в фотодетектор через торец 8 перпендикулярно поверхности торца 8 излучение будет отклоняться в сторону более оптически плотного слоя с меньшим содержанием AlAs, а часть излучения, прошедшего через слой 3 из n-AlxGa1-xAs, будет отражаться от противоположного торца 10 в сторону активного слоя 4 из n0-GaAs и поглощаться в нем, генерируя фототок. Расположение оптической оси оптоволокна под углом более 13° (учитывая расходимость ±13° лазерного пучка на торце оптоволокна) от нормали к поверхности торца 8 фотодетектора позволяет: во-первых, уменьшить длину фотодетектора, при которой все падающее излучение будет попадать в область активного слоя 4 из n0-GaAs, а, во-вторых, исключить попадание зеркально-отраженных лучей внутри угла захвата этих лучей оптоволокном, по которому подводят лазерное излучение. Таким образом, оптимальная длина фотодетектора напрямую зависит от диаметра используемого оптического волокна. Учитывая тот факт, что излучение заводят под углом к нормали поверхности торца 8, световое пятно будет иметь форму эллипса с линейным размером вертикальной оси D. Максимальную длину, равную 500 мкм, фотодетектор (при максимальной толщине слоя 3 из n-AlxGa1-xAs) будет иметь, когда вертикальный размер светового пятна будет равен толщине слоя 3 из n-AlxGa1-xAs. При использовании оптического волокна диаметром более 100 мкм используют оптические микросистемы для фокусировки светового пятна до размеров близким толщине слоя 3 из n-AlxGa1-xAs.When laser radiation from optical fiber is introduced into the photodetector through end 8 perpendicular to the surface of end 8, the radiation will deviate towards a more optically dense layer with a lower AlAs content, and part of the radiation transmitted through layer 3 of n-Al x Ga 1-x As will be reflected from the opposite end 10 towards the active layer 4 of n 0 -GaAs and absorbed in it, generating a photocurrent. The location of the optical axis of the optical fiber at an angle of more than 13 ° (taking into account the divergence of ± 13 ° of the laser beam at the end of the optical fiber) from the normal to the surface of the end face 8 of the photodetector allows: firstly, to reduce the length of the photodetector at which all incident radiation will fall into the region of the active layer 4 from n 0 -GaAs, and, secondly, to exclude the ingress of specularly reflected rays inside the angle of capture of these rays by an optical fiber through which laser radiation is supplied. Thus, the optimal length of the photodetector directly depends on the diameter of the optical fiber used. Given the fact that the radiation is started at an angle to the normal to the surface of the end face 8, the light spot will be in the form of an ellipse with a linear dimension of the vertical axis D. The maximum length is 500 μm, a photodetector (with a maximum layer thickness of 3 from n-Al x Ga 1- x As) will have when the vertical size of the light spot is equal to the thickness of layer 3 of n-Al x Ga 1-x As. When using an optical fiber with a diameter of more than 100 μm, optical microsystems are used to focus the light spot to sizes close to the thickness of layer 3 of n-Al x Ga 1-x As.

Зная градиент концентрации AlAs и показателя преломления в слое из n-AlxGa1-xAs и предварительно смоделировав траекторию прохождения крайнего луча на границе подложки и градиентного слоя из n-AlxGa1-xAs через ФД, можно установить минимальную длину фотодетектора, при которой исключается сквозное прохождение лучей и выход лучей из ФД. Лазерное излучение, распространяющееся в кристалле, при попадании на торец претерпевает полное внутреннее отражение при углах падения больших 16°. Была установлена связь углов ввода излучения со значениями минимальной длины ФД, при которой обеспечивается полное поглощение излучения. При длине ФД более 500 мкм (и значении «х» более 0,6) увеличивается емкость прибора, что снижает его быстродействие. При длине меньше 350 мкм (и значении «х» менее 0,35) часть лучей пройдут сквозь фотодетектор, что приводит к оптическим потерям ФД и снижает его КПД. Выбор оптимальных параметров ФД поясняется в Примере 1 и Примере 2.Knowing the gradient of the AlAs concentration and the refractive index in the n-Al x Ga 1-x As layer and having previously modeled the path of the extreme beam at the interface between the substrate and the n-Al x Ga 1-x As gradient layer through the PD, we can establish the minimum photodetector length in which the through passage of rays and the exit of rays from the PD are excluded. Laser radiation propagating in the crystal, when it hits the end face, undergoes total internal reflection at angles of incidence greater than 16 °. A connection was established between the angles of radiation input with the values of the minimum length of the photodiode, at which full absorption of radiation is ensured. When the length of the PD is more than 500 μm (and the value of "x" is more than 0.6), the capacity of the device increases, which reduces its speed. With a length of less than 350 microns (and an x value of less than 0.35), some of the rays will pass through the photodetector, which leads to optical losses of the PD and reduces its efficiency. The selection of the optimal parameters of the PD is illustrated in Example 1 and Example 2.

В структуре настоящего ФД все слои, включая подложку, кроме активного n0-слоя, должны иметь концентрацию носителей тока не менее 1018 см-3, что обеспечивает низкие омические потери в полупроводнике, верхний предел концентрации носителей тока для каждого слоя определяется качеством морфологии растущего слоя и для каждого слоя в зависимости от легирующей примеси установлен индивидуально. Низкая концентрация носителей тока (0,5-2,0)⋅1016 см-3 в слое из n0-GaAs обеспечивает снижение емкости фото детектора и увеличение его быстродействия.In the structure of this PD, all layers, including the substrate, except for the active n 0 -layer, must have a current carrier concentration of at least 10 18 cm -3 , which ensures low ohmic losses in the semiconductor, the upper limit of the current carrier concentration for each layer is determined by the quality of the growing morphology layer and for each layer, depending on the dopant, is set individually. The low concentration of current carriers (0.5-2.0) ⋅10 16 cm -3 in the n 0 -GaAs layer provides a decrease in the capacitance of the photo detector and an increase in its speed.

Наличие в структуре слоя 3 n-AlxGa1-xAs градиентного состава обеспечивает отклонение лучей лазера из области с большим содержанием AlAs (с меньшим показателем преломления) к активному слою из n0- GaAs (с большим показателем преломления).The presence of a gradient composition in the structure of layer 3 of n-Al x Ga 1-x As ensures the deviation of laser beams from the region with a high AlAs content (with a lower refractive index) to the active layer of n 0 - GaAs (with a high refractive index).

Выращивание на подложке из n-GaAs слоя 3 из n-AlxGa1-xAs с х=0,35-0,60 в начале слоя и с х=0,10-0,15 в конце слоя обеспечивает потенциальный барьер для генерированных в активном слое 4 неосновных носителей заряда. Такую же роль тыльного потенциального барьера для генерированных носителей тока в активном слое 4 играет верхний слой из р-AlxGa1-xAs с х=0,15-0,30 до х=0,05-0,10. Таким образом, наличие в структуре широкозонных слоев из AlxGa1-xAs способствует эффективному собиранию носителей из n-GaAs области (активный слой 4) к p-n-переходу.Growing on an n-GaAs substrate a layer 3 of n-Al x Ga 1-x As with x = 0.35-0.60 at the beginning of the layer and with x = 0.10-0.15 at the end of the layer provides a potential barrier to 4 minority charge carriers generated in the active layer. The same role of the back potential barrier for the generated current carriers in the active layer 4 is played by the upper layer of p-Al x Ga 1-x As with x = 0.15-0.30 to x = 0.05-0.10. Thus, the presence of wide-gap Al x Ga 1-x As layers in the structure facilitates the efficient collection of carriers from the n-GaAs region (active layer 4) to the pn junction.

Создание сплошных омических контактов к верхней и нижней поверхности структуры позволяет свести к минимуму постростовую обработку для получения фотодетектора (опускаются ряд операций: фотолитография по созданию рисунка лицевого контакта; фотолитография для разделительного травления структуры на приборы). При этом улучшается теплоотвод - при равной температуре p-n перехода возможна работа при мощностях излучения, по крайней мере, вдвое больших рабочих мощностей излучения аналогичных ФД с нормальным вводом излучения (перпендикулярно к плоскости p-n перехода). Наряду с этим на порядок снижаются омические потери в ФД: сплошные контакты уменьшают омические потери, поскольку на порядок увеличивается площадь токосъема по сравнению с площадью токосъемной сетки ФД с нормальным вводом излучения. Ввод излучения в поглощающую область под углом меньшим 90° к плоскости p-n перехода позволяет уменьшить толщину поглощающей области из-за увеличения оптического пути лучей света через нее. Для уменьшения оптических потерь размеры ФД установлены такими, чтобы все излучение, попавшее на входной торец ФД, достигало узкозонной поглощающей области ФД и поглощалось в ней. Для пояснения этих аспектов ниже приведены 2 примера.The creation of continuous ohmic contacts to the upper and lower surface of the structure allows to minimize post-growth processing to obtain a photodetector (a number of operations are omitted: photolithography to create a face contact pattern; photolithography for separating etching of the structure on devices). At the same time, the heat sink improves - at an equal temperature of the pn junction, it is possible to work with radiation powers of at least twice the working radiation powers of similar PDs with normal radiation input (perpendicular to the plane of the pn junction). Along with this, the ohmic losses in the PD decrease by an order of magnitude: solid contacts reduce the ohmic losses, since the current collector area increases by an order of magnitude compared to the area of the PD current collector grid with normal radiation input. The introduction of radiation into the absorbing region at an angle less than 90 ° to the plane of the pn junction allows one to reduce the thickness of the absorbing region due to an increase in the optical path of light rays through it. To reduce optical losses, the size of the photodiode is set so that all the radiation incident on the input end of the photodiode reaches the narrow-gap absorption region of the photodiode and is absorbed in it. To illustrate these aspects, 2 examples are provided below.

Пример 1. Для засветки ФД использовали лазерное излучение, подводимое через волокно диаметром 90 мкм, ось которого установлена под углом 13° к нормали торцевой поверхности. Максимальное расстояние по вертикальной оси светового пятна эллипса составляло ~100 мкм. Был изготовлен импульсный СВЧ ФД на основе структуры, содержащей подложку из n-GaAs, слой из n-AlxGa1-xAs толщиной 100 мкм при х=0,6 в начале роста слоя и х=0,10 в конце роста слоя, градиент параметра «х» в начале слоя установлен равным 40 см-1, а в конце слоя градиент параметра «х» установлен равным 25 см-1; активный слой из n0-GaAs толщиной 2 мкм и уровнем легирования 0,5⋅1016 см-3; слой из р-AlxGa1-xAs при х=0,30 в начале роста слоя и х=0,10 в конце роста слоя; контактный слой из p+-GaAs, а также сплошные лицевой и тыльный омические контакты. Минимальная длина ФД определялась траекторией крайнего луча на границе подложки и градиентного слоя из n-AlxGa1-xAs. В данном примере минимальная длина фото детектора составляет ~500 мкм, а ширина фотодетектора была установлена равной 250 мкм, так как размер светового пятна лазерного излучения составлял 240 мкм в плоскости торца ФД.Example 1. To illuminate the PD used laser radiation supplied through a fiber with a diameter of 90 μm, the axis of which is installed at an angle of 13 ° to the normal end surface. The maximum distance along the vertical axis of the light spot of the ellipse was ~ 100 μm. A pulsed microwave PD was fabricated based on a structure containing an n-GaAs substrate, an n-Al x Ga 1-x As layer 100 μm thick at x = 0.6 at the beginning of layer growth and x = 0.10 at the end of layer growth , the gradient of the parameter "x" at the beginning of the layer is set equal to 40 cm -1 , and at the end of the layer the gradient of the parameter "x" is set to 25 cm -1 ; an active layer of n 0 -GaAs with a thickness of 2 μm and a doping level of 0.5 × 10 16 cm -3 ; a layer of p-Al x Ga 1-x As at x = 0.30 at the beginning of layer growth and x = 0.10 at the end of layer growth; the contact layer of p + -GaAs, as well as solid front and rear ohmic contacts. The minimum PD length was determined by the trajectory of the extreme beam at the interface between the substrate and the n-Al x Ga 1-x As gradient layer. In this example, the minimum length of the photo detector is ~ 500 μm, and the width of the photodetector was set to 250 μm, since the size of the laser light spot was 240 μm in the plane of the end face of the photodiode.

Пример 2. Для засветки фотодетектора использовали параллельные лучи через световую апертуру 55 мкм, ось которой была установлена под углом 13° к нормали торцевой поверхности ФД, максимальное расстояние по вертикальной оси светового пятна эллипса составляло ~60 мкм. Был изготовлен импульсный СВЧ ФД на основе структуры, содержащей подложку из n-GaAs, слой из n-AlxGa1-xAs толщиной 60 мкм при х=0,35 в начале роста слоя и х=0,05 в конце роста слоя, градиент параметра «х» в начале слоя был установлен равным 60 см-1, а в конце слоя равным 30 см-1; активный слой из n0-GaAs; слой из р-AlxGa1-xAs, при х=0,15 в начале роста слоя и х=0,05 в конце роста слоя; контактный слой из р+- GaAs, а также сплошные первый и второй омические контакты. Минимальная длина фотодетектора определялась траекторией крайнего луча на границе подложки и градиентного слоя из n-AlxGa1-xAs. В данном примере минимальная длина фотодетектора составляла ~350 мкм, а ширина 150 мкм, так как размер светового пятна в данном примере составил 140 мкм в торцевой плоскости ФД.Example 2. To illuminate the photodetector, parallel rays were used through a 55 μm light aperture, the axis of which was set at an angle of 13 ° to the normal to the end face of the PD, the maximum distance along the vertical axis of the ellipse light spot was ~ 60 μm. A pulsed microwave PD was fabricated based on a structure containing an n-GaAs substrate, a 60 μm thick n-Al x Ga 1-x As layer at x = 0.35 at the beginning of layer growth and x = 0.05 at the end of layer growth , the gradient of the parameter “x” at the beginning of the layer was set equal to 60 cm -1 , and at the end of the layer equal to 30 cm -1 ; active layer of n 0 -GaAs; a layer of p-Al x Ga 1-x As, at x = 0.15 at the beginning of layer growth and x = 0.05 at the end of layer growth; a contact layer of p + - GaAs, as well as continuous first and second ohmic contacts. The minimum photodetector length was determined by the path of the extreme beam at the interface between the substrate and the n-Al x Ga 1-x As gradient layer. In this example, the minimum length of the photodetector was ~ 350 μm, and the width was 150 μm, since the size of the light spot in this example was 140 μm in the end plane of the PD.

Claims (8)

1. Мощный импульсный СВЧ фотодетектор лазерного излучения на основе гетероструктуры, содержащий подложку из n-GaAs, слой из n-AlxGa1-xAs с х=0,35-0,60 в начале роста слоя на границе с подложкой и до х=0,10-0,15 в конце роста слоя и градиентом параметра «х» в интервале 25-60 см-1, активный слой из n0-GaAs толщиной 0,5-2,0 мкм с концентрацией носителей тока (0,5-2,0)⋅1016 см-3, слой из p-AlxGa1-xAs с х=0,15-0,30 в начале роста слоя до х=0,05-0,10 в конце роста слоя, контактный слой из р+-GaAs и первый и второй сплошные омические контакты, нанесенные соответственно на подложку и контактный слой, при этом длина фотодетектора вдоль p-n перехода равна 350-500 мкм.1. Powerful pulsed microwave photodetector of laser radiation based on a heterostructure containing an n-GaAs substrate, an n-Al x Ga 1-x As layer with x = 0.35-0.60 at the beginning of layer growth at the boundary with the substrate and up to x = 0.10-0.15 at the end of the growth of the layer and the gradient of the parameter "x" in the range of 25-60 cm -1 , the active layer of n 0 -GaAs with a thickness of 0.5-2.0 μm with a concentration of current carriers (0 5-2.0) ⋅10 16 cm -3 , layer of p-Al x Ga 1-x As with x = 0.15-0.30 at the beginning of the growth of the layer to x = 0.05-0.10 V end of the growth layer, a contact layer of p + -GaAs, and first and second ohmic contacts solid deposited respectively on the substrate and contact loi, wherein the photodetector length along the pn transition is 350-500 microns. 2. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что концентрация носителей тока в подложке составляет не менее 3⋅1018 см-3.2. The photodetector according to claim 1, characterized in that the concentration of current carriers in the substrate is at least 3 × 10 18 cm -3 . 3. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что концентрация носителей тока в слое из n-AlxGa1-xAs слое составляет (1-5)⋅1018 см-3.3. The photodetector according to claim 1, characterized in that the concentration of current carriers in the n-Al x Ga 1-x As layer is (1-5) ⋅ 10 18 cm -3 . 4. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что концентрация носителей тока в слое из р-AlxGa1-xAs составляет (1-5)⋅1018.4. The photodetector according to claim 1, characterized in that the concentration of current carriers in the p-Al x Ga 1-x As layer is (1-5) ⋅ 10 18 . 5. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя из р-AlxGa1-xAs составляет 1-2 мкм.5. The photodetector according to claim 1, characterized in that the thickness of the p-Al x Ga 1-x As layer is 1-2 μm. 6. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что концентрация носителей тока в контактном слое составляет (1-3)⋅1019 см-3.6. The photodetector according to claim 1, characterized in that the concentration of current carriers in the contact layer is (1-3) ⋅ 10 19 cm -3 . 7. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что контактный слой из р+-GaAs имеет толщину 1-3 мкм.7. The photodetector according to claim 1, characterized in that the contact layer of p + -GaAs has a thickness of 1-3 μm. 8. Фотодетектор по п. 1, отличающийся тем, что на поверхность освещаемого торца фотодетектора нанесено антиотражающее покрытие с минимумом отражения в спектральном интервале 810-860 нм.8. The photodetector according to claim 1, characterized in that an antireflection coating is applied to the surface of the illuminated end face of the photodetector with a minimum of reflection in the spectral range of 810-860 nm.
RU2018106016A 2018-02-19 2018-02-19 Powerful pulse microwave photodetector RU2676228C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018106016A RU2676228C1 (en) 2018-02-19 2018-02-19 Powerful pulse microwave photodetector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018106016A RU2676228C1 (en) 2018-02-19 2018-02-19 Powerful pulse microwave photodetector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2676228C1 true RU2676228C1 (en) 2018-12-26

Family

ID=64753835

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018106016A RU2676228C1 (en) 2018-02-19 2018-02-19 Powerful pulse microwave photodetector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2676228C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2806342C1 (en) * 2023-03-13 2023-10-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Laser radiation photo detector

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5391869A (en) * 1993-03-29 1995-02-21 United Technologies Corporation Single-side growth reflection-based waveguide-integrated photodetector
EP1792150A1 (en) * 2004-09-23 2007-06-06 Vrije Universiteit Brussel Photovoltage detector
US7259439B2 (en) * 2001-12-27 2007-08-21 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor photodetector and its production method
JP4291521B2 (en) * 2001-03-23 2009-07-08 日本オプネクスト株式会社 Semiconductor light receiving element, semiconductor light receiving device, semiconductor device, optical module, and optical transmission device
US20110108081A1 (en) * 2006-12-20 2011-05-12 Jds Uniphase Corporation Photovoltaic Power Converter
US20120153417A1 (en) * 2010-12-16 2012-06-21 National Central University Laser Power Converter for Data Detection and Optical-to-Electrical Power Generation
RU170349U1 (en) * 2016-11-07 2017-04-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук GaAs-Based Photoconverter

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5391869A (en) * 1993-03-29 1995-02-21 United Technologies Corporation Single-side growth reflection-based waveguide-integrated photodetector
JP4291521B2 (en) * 2001-03-23 2009-07-08 日本オプネクスト株式会社 Semiconductor light receiving element, semiconductor light receiving device, semiconductor device, optical module, and optical transmission device
US7259439B2 (en) * 2001-12-27 2007-08-21 Hamamatsu Photonics K.K. Semiconductor photodetector and its production method
EP1792150A1 (en) * 2004-09-23 2007-06-06 Vrije Universiteit Brussel Photovoltage detector
US20110108081A1 (en) * 2006-12-20 2011-05-12 Jds Uniphase Corporation Photovoltaic Power Converter
US20120153417A1 (en) * 2010-12-16 2012-06-21 National Central University Laser Power Converter for Data Detection and Optical-to-Electrical Power Generation
RU170349U1 (en) * 2016-11-07 2017-04-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук GaAs-Based Photoconverter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2806342C1 (en) * 2023-03-13 2023-10-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Laser radiation photo detector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9525084B2 (en) Microstructure enhanced absorption photosensitive devices
US7728366B2 (en) Photodiode and method for fabricating same
US5838708A (en) Integration of surface emitting laser and photodiode for monitoring power output of surface emitting laser
Kuchibhotla et al. Low-voltage high-gain resonant-cavity avalanche photodiode
CN108091720A (en) Uniline carrier photodetector and preparation method thereof
US5045908A (en) Vertically and laterally illuminated p-i-n photodiode
EP1204148A2 (en) Planar resonant cavity enhanced photodetector
RU2676228C1 (en) Powerful pulse microwave photodetector
CN217740536U (en) Semiconductor device and packaging structure thereof
KR102307789B1 (en) Backside illuminated avalanche photodiode and manufacturing method thereof
JPS61229371A (en) Photo diode
JPH04342174A (en) Semiconductor photoelectric receiving element
JP5705859B2 (en) Avalanche type photodiode
JPS6269687A (en) Semiconductor photodetector
Tzeng et al. A GaAs Schottky-barrier photodiode with high quantum efficiency-bandwidth product using a multilayer reflector
JP2850985B2 (en) Semiconductor waveguide type photo detector
JPH09135049A (en) Integration of surface-luminescence-laser with photodiode for monitoring its power output
JP2001308368A (en) Optical resonator structure element
JP7060009B2 (en) Laser radar device
JPH02246380A (en) Photodiode
JPH0555619A (en) Semiconductor photodetector
JPH0373576A (en) Semiconductor photodetector
US20070041690A1 (en) Waveguide structure having ladder configuration
KR100512846B1 (en) Manufacturing method of photodetector
JPH0427171A (en) Semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210520

Effective date: 20210520