5.6 Фотодиоды с гетероструктурой

Гетерофотодиодом называют прибор, имеющий переходной слой, образованный полупроводниковыми материалами с разной шириной запретной зоны.

Устройство и принцип действия этих приборов рассмотрим на примере гетероструктуры GaAs-GaAlAs (в соответствии с рис. 5.12).

На подложке арсенида галлия n⁺ типа (N_д 10^-18 см^-3) методом жидкофазной эпитаксии последовательно наращивают сна­чала слой чистого нелегированного арсенида галлия n типа (N_д 10¹⁵см^-3), а затем слой р⁺ типа твердого раствора Ga_1-xAl_xAs (N_д  10^-18см^--3) обеспечение в растворе зна­чения Х = 0,4 приводит к различию ширин запрещенной зоны по разные стороны гетероперехода  0,4 эВ.

Слой GaAlAs играет роль широкозонного окна, пропус­кающего излучение, поглощаемое в средней n области. Структу­ра зонной диаграммы (рис. 5.12, б) обеспечивает беспрепятственный перенос генерируемых в n области дырок в р область.

Толщина средней области выбирается так, чтобы обеспечить поглощение всей падающей мощности. При 0,85 мкм достаточно иметь h20 мкм. Высокая степень чистоты этой области обеспе­чивает малые рекомбинационные потери генерирумых светом но­сителей. Фоточувствительность гетерофотодиодов определяется эффективным временем жизни носителей в среднем слое, а время переключения – толщиной этого слоя и напряженностью электри­ческого поля. Применение совершенных гетероструктур (с низкой плотностью поверхностных состояний) открывает возможности создания фотодиодов с КПД, близким к 100% Сочетание малого времени рассасывания неравновесных носителей заряда и малого значения барьерной емкости обеспечивает высокое быстродейст­вие гетерофотодиодов. Такие приборы могут эффективно работать при малых обратных напряжениях. Подбирая пары полупроводнико­вых материалов можно получать фотодиоды, работающие в любой части оптического диапазона длин волн. Это преимущество обус­ловлено тем, что в гетерофотодиоде рабочая длина волны опре­деляется разницей ширин запрещенных зон и не связана со спект­ральной характеристикой глубины поглощения.

Рис. 5.12. Фотодиод с гетероструктурой:

а) структура; б) энергетическая диаграмма

Вследствие хоро­ших возможностей выбора материала базы достигаемое значение фотоЭДС у гетерофотодиодов составляет (0,8÷1,1) В, что в (2÷3) раза выше, чем у кремниевых фотодиодов. Основным недостат­ком гетерофотодиодов является присущая гетероструктурам слож­ность изготовления.

5.7 Лавинные фотодиоды

Одним из путей создания быстродействующих фотоприемников с высокой чувствительностью является использование лавинного пробоя, в частности создание лавинных фотодиодов. Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фотоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле превышает энергию образования электронно-дырочных пар, то начинается лавинообраз­ный процесс размножения носителей. Процесс размножения начинается с генерации носителей под действием излучения, т. е. имеем фотодиод с лавинным размножением носителей.

Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом лавинного размножения

K_i = I_ф / I_ф0, (5.31)

где I_ф – ток на выходе фотодиода с учетом размножения;

I_ф0 – ток при отсутствии размножения.

Таким образом, коэффициент лавинного размножения в лавинном фотодиоде является коэффициентом усиления, фототока.

Известно, что коэффициент размножения зависит от напряжения на переходе

K_i = 1 / [1 — (U / U_проб)^m], (5.32)

где U_проб – пробивное напряжение;

U – напряжение на р – n переходе;

m – коэффициент, учитывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (m=1,52 для кремния р – типа; m= 3,44 для кремния n – типа).

Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде

I_ф = I_ф0 / [1 — (U / U_проб)^m]. (5.33)

Лавинный процесс происходит очень быстро: инерционность лавинных фотодиодов характеризуется временем переключения (10^-8...10^-9) с, а произведение коэффициента усиления фототока K_i на полосу частот достигает рекордных значений: K_if_гр  10¹¹ Гц. Предельно реализуемое значение K_i, может быть тем больше, чем меньше тепловой обратный ток фотодиода, поэтому при использовании кремния и арсенида галлия достигну­то. K_i 10³...10⁴, а для германия его величина обычно не более 10². У кремниевых и арсенидгаллиевых приборов ниже уро­вень шумов.

Рис. 5.13. Лавинный фотодиод:

а) структура; б) распределение поля в структуре.

В режиме лавинного фотоумножения успешно опробованы практически все диодные структуры: р⁺ – n, р – i – n, n – р – i – р⁺ , барьер Шоттки.

Лавинные фотодиоды перспективны при обнаружении слабых оптических сигналов. Широкое применение лавинных фотодиодов связано со значительными трудностями. Это связано с тем, что в предпробойном режиме коэффициент усиления фототока K_i резко зависит от напряжения. Поэтому лавинные диоды нуждаются в жесткой стабилизации рабочего напряжения путем термостатирования. Лавинным фотодиодам присущ большой разброс параметров у отдельных образцов. Высокие рабочие напряжения, низкий КПД преобразования затрудняют их использование в микросхемах.

Основные данные ЛФД приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Параметры лавинных фотодиодов

№ п/п	Наименование	λ, мкм	S, А/вт	М	τб ,нс	Cф, нФ	Uобр, В	Применение
1	ФД-317Л	0,85	50	-	2-3,5	2	70-400	Si
2	ФД-322Л	1,3 1,55	10	-	0,2	1	40	Ge
3	ФД-323Л	1,3 1,55	8-10	-	0,22	1	30-50	Ge, термо-электрический холодильник, Рпот 0,5 Вт
4	ЛФД-150	1,06 1,3 1,55	7-108	-	0,5	-	30-40	Ge
5	ЛФД-200	1,06 1,3 1,55	67,57	-	1	-	30-40	Ge
6	ЛФД-300	1,06 1,3 1,55	343,5	-	0,07	-	30-40	Ge
7	ЛФДГ-70	1,06 1,3 1,55	5-20 25-35 22-35	-	-	0,6-0,7	30-40	Ge
8	ЛФДГ-70Т	1,06 1,3 1,55	40-45	-	-	0,8-0,9	30-40	Ge
9	ЛФДГ-70ТЛ	1,3 1,55	32-45	-	-	0,8-0,9	30-40	Ge