3.4.2. Різновиди фотодіодів. Конструкції

Основні типи фотодіодів:

• р-n-фотодіоди;

• р-і-n-структури;

• прилади з бар’єром Шотткі;

• гетерофотодіоди;

• лавинні фотодіоди.

Кремнієві р-і-п-фотодіоди усе активніше замінюють прилади з р-n-переходом. Р-i-п-структура (рис. 3.4, а) зазвичай створюється на пластині високоомного кремнію (р = 2...10 кОм. • см) епітаксій- ним вирощуванням низькоомного п -шару (ρ = 0,002 кОм • см) тов­щиною 40... 50 мкм.

Рис. 3.4. Кремнієвий р-і-п-діод (а), фотодіод з бар’єром Шотткі (б), позначення фотодіода на схемах (в)

Потім на другій стороні епітаксійно нарощують тонкий (2...4 мкм) р-шар і в результаті формується і-область. Можливо та­кож виготовлення «верхнього» р-шару методом іонної імплантації або методом дифузії. Близько 90 % поглиненої кристалом потуж­ності доводиться на частку і-області. Навіть при невеликих зворот­них зсувах в останній виникає сильне електричне поле, тому

генеровані світлом електрони й дірки швидко розсмоктуються. Це забезпечує малі рекомбінаційні втрати й високу швидкодію. Дрей­фовий перенос зарядів є більш ефективним у порівнянні з дифу­зійним (характерним для р-п-переходу), що чітко проявляється при порівнянні часу прольоту носіїв через базу:

, (3.6)

Таким чином, уже починаючи з > (0,05...0,2) В р-i-n-діоди мають перевагу. Крім того, зі співвідношення (3.6) видно, що при значеннях товщини бази 10... 20 мкм і = 5...10 В інерційність фотоприймача може бути менше 10^-9... 10^-10 с.

У цілому р-i-n-діоди мають такі основні переваги:

• сполучення високої фоточутливості (наприклад, на довжині хвилі λ = 0,9 мкм, S₀ = 0,7 А/Вт) і високої швидкодії;

• забезпечення високих значень S₀ у довгохвильовій області спектра, обумовлене можливістю використання широкої і-області;

• малу бар’єрну ємність;

• високу ефективність при малих зворотних напругах, що за­безпечує електричну сумісність із ІМС.

Фотодіодам з р-і-п-структурою властиві недоліки. Через високу чистоту матеріалу базової області має місце мала висота потен­ційного бар’єра. Тому фото-ЕРС у вентильному режимі не може бу­ти більше U_хх= 0,35... 0,45 В, з’являються підвищені струми втрат при високих температурах і послабляється стійкість до радіацій­них впливів.

Контакт метал — напівпровідник (бар’єр Шотткі) за фізикою процесорів близький до р-і-n-структури. Відомо, що при контак­туванні металів з напівпровідниками в приконтактній області останніх виникає область об’ємного заряду, збіднена рухливими носіями. Прикладена зовнішня напруга практично повністю дово­диться на цю область, напруженість електричного поля в ній вияв­ляється досить значною. Електрони й дірки, що генеруються, швидко витягаються цим полем, забезпечуючи протікання фото­струму в зовнішньому ланцюзі.

Структуру типового кремнієвого фотодіода з бар’єром Шотткі показано на рис. 3.4, б.

На підкладці сильнолегованого кремнію вирощується тонка епітаксіальна плівка високоомного кремнію. Потім методом дифузії в плівці створюється «охоронне» кільце p⁺ - типу для усу­нення крайових ефектів, зниження струмів витоку й підвищення пробивної напруги. Усередині кільця напилюється тонка (0,01 мкм) напівпрозора золота плівка, а поверх неї — антивідбивне покриття із сірчистого цинку.

Фотодіоди з бар’єром Шотткі з огляду їхнього застосування в оптоелектроніці характеризуються такими особливостями:

1. простотою створення випрямляючих фоточутливих структур на різноманітних напівпровідниках «оптоелектронного діапа­зону» спектра (Si, Ge, Cd, CdSe, GaAs, GaAs, GaAlAs, Ga, In), утому числі й такі, у яких не вдається створити р-n-переходи;

2. сполученням високої фоточутливості й швидкодії: коли все випромінювання поглинається в шарі об’ємного заряду, ці пара­метри досягають тих же значень, що й в р-і-n-фотодіодів;

3. широким вибором металів, що створюють випрямляючий контакт на кремнії (Au, А1, Ag, Pt, Си, Mo, Ni, In, Bi, Rh, V, W, Ті, Cd, Mg, Cr), що дає можливість варіювання висотою потенційного бар’єра φ_k ;

4. різким розходженням оптичних властивостей металу й напівпровідника, що дозволяє створювати ряд оригінальних фо­тоелектричних приладів;

5. простотою виготовлення бар’єрів Шотткі, заснованої на мето­дах нланарної технології;

6. технологічною й фізичною сумісністю фото діодів з бар’єром Шотткі з оптичними ІМС.

Фотодіоди з бар’єром Шотткі мають найменший рівень шумів у порівнянні з іншими й розробляються безпосередньо для систем інтегральної оптики.

Гетерофотодіоди являють собою один з класів оптоелектрон­них фотоприймачів, що найбільш інтенсивно розвиваються. їхнє улаштування можна проілюструвати на прикладі структури (рис. 3.5).

На підкладці арсеніду галію n⁺ -типу методом рідиниофазної епітаксії послідовно нарощують спочатку шар чистого нелегованого арсеніду галію n-типу, а потім шар твердого розчину Ga_1-x Al_x As p-типу. Забезпечення в розчині значення х = 0,3...0,4 приводить до розходження ширини забороненої зони на різні сторони гетеропе­реходу близько 0,4 еВ.

Рис. 3.5. Структура (а) і зонна діаграма (б) фотодіода з гетероструктурою

Шар Ga₁-_xAl_xAs відіграє роль широкозонного вікна, що пропус­кає випромінювання, яке поглинається в середній n-області GaAs. Структура зонної діаграми (рис. 3.5, б) забезпечує безперешкодне перенесення генерова­них в n-GаАs дірок в р⁺-GаА1Аs. Товщина середньої області оби­рається такою, щоб за­безпечити поглинання всієї падаючої потуж­ності. Практично при λ ~ 0,65 мкм досить мати товщину 20 мкм. Висо­кий ступінь чистоти цієї області забезпечує малі рекомбінаційні втрати генерованих світлом но­сіїв. Гетероструктура за фізикою поглинання світла, нагромадження й розсіювання генерованих носіїв заряду значною мірою подібна до розглянутої вище p-і-n-структури.

Фоточутливість визначається ефективним часом життя носіїв у середньому шарі, а час перемикання — товщиною цього шару й напруженістю електричного поля. Таким чином, до переваг фотоприймачів з гетеропроходами належать фоточутливість, висо­ка швидкодія, можливість ефективної роботи при малих зворот­них напругах.

Вибір матеріалу бази обумовлює й можливість досягнення висо­кої фото-ЕРС, зниження зворотних струмів, розширення темпера­турного робочого діапазону. У цей час лише за допомогою гетерофотодіодів можна одержати ККД, близький до 100 %.

Фотодіоди на основі GаАs і гетеропереходов в А1_xGа_1-x.Аs, поступаючись у вартості, істотно перевершують кремнієві по ККД перетворення випромінювання й можливості регулювання спект­ральної характеристики, а прилади на основі цих матеріалів з бар’єром Шотткі характеризуються найнижчим рівнем шумів. Вони найбільш придатні для створення пристроїв інтегральної оптоелектроніки.

Найважливіша перевага гетерофотодіодів — їхня технологічна сумісність із діелектричними хвилеводами оптичних ІМС. Основ­ним недоліком фотоприймачів цього типу є властива гетерострук- турам складність виготовлення, необхідність при виборі контакт­ної пари напівпровідників задоволення цілого ряду вимог (збіг постійних ґратки, коефіцієнтів лінійного розширення й ін.).

Лавинний фотодіод належить до фотоприймачів із внутрішнім посиленням. ЛФД працює при зворотній напрузі, близькій до пробивної, внаслідок чого утворені під дією світлового потоку носії прискорюються сильним електричним полем, здобуваючи достат­ню енергію для ударної іонізації напівпровідника. Виникаючі при зіткненні електрони й дірки у свою чергу продовжують процес іонізації. У результаті в області просторового заряду фотодіода відбувається лавинне множення носіїв струму з коефіцієнтом під­силення М:

де — струм ЛФД при робочій напрузі (з урахуванням лавинного множення); — струм ЛФД при малій напрузі (без лавинного множення).

Для реалізації лавинного множення необхідно виконати дві умови:

1. Електричне поле області просторового заряду повинне бути досить сильним, щоб на довжині вільного пробігу електрон набрав енергію, більшу, ніж ширина забороненої зони.

2. Ширина області просторового заряду повинна бути істотно більшою, ніж довжина вільного пробігу.

Значення коефіцієнта внутрішнього посилення М становить 10 ... 100, залежно від типу фотодіода.

У робочій області коефіцієнт підсилення збільшується від 1 (при малих зворотних напругах) до М (при напругах, близьких до про­бійної). Ще швидше зростають шуми лавинного фотодіода, основ­ним з яких є дробовий шум.

Напруга пробою залежить від матеріалу й конструкції фото­приймача і становить від декількох десятків до сотень вольт. Гра­нична частота досягає сотень мегагерц.

Недоліками лавинних фотодіодів є:

• необхідність високих напруг живлення при жорстких вимо­гах до їхньої стабільності (0,01...0,1 %), тому що навіть не­значні коливання приводять до значної зміни фотоструму;

• залежність напруги пробою від температури, а також розкид її значення від екземпляра до екземпляра;

• залежність посилення фотоструму від фонового засвітлення;

• низька ефективність.

Ці недоліки обмежують застосування ЛФД в оптронах і деяких інших пристроях некогерентної оптоелектроніки.

Лавинний фотодіод має найбільший у порівнянні з напівпро­відниковими фотоприймачами добуток смуги частот на коефіцієнт підсилення, що дозволяє ефективно використовувати ЛФД для прийому слабких оптичних сигналів (лінії зв’язку, лазерна лока­ція). При цьому на 2.. .3 порядка знижуються вимоги до шумів по­силювача.