2.5.5.2. Фотодиод Шоттки

Структура и энергетическая диаграмма фотодиода Шоттки [2.41], изображенные на (рис. 2.хх) показывают, что в принципе такой приемник представляет собой плоский выпрямляющий металло-полупроводниковый контакт, находящийся под действием обратного напряжения. Излучение направляется в обедненный слой полупроводника (Si) через тонкий (~10 нм) оптически просветленный полупрозрачный слой металла (Pt, Au), имеющего термоэлектронную работу выхода . Поскольку в фотодиоде Шоттки ОПЗ толщиной 5…10 мкм располагается сразу за плоскостью контакта, то фотоны с энергией ≥E_g поглощаются и генерируют непосредственно в ОПЗ пары фотоносителей, которые при разделении сильным полем в ОПЗ могут двигаться с дрейфовой скоростью, близкой к , затрачивая на разделение время ~10^–10 с. Поэтому быстродействующие ФД Шоттки с малой площадью контакта 10^–5…10^–4 см² и соответственно малым временем схемной релаксации с могут характеризоваться инерционностью на уровне нескольких пикосекунд. В таких приемниках целесообразно использовать полупроводники с высокой подвижностью электронов (до 10⁴ см² В^–1с^–1 и более), например, GaAs, InAs или их твердые растворы вида GaInAs. Недостатком фотодиодов Шоттки является малая толщина ОПЗ, в которой поглощается излучение, и отсутствие удобного способа ее заметного увеличения.

2.5.5.3. Гетерофотодиод с p-n – переходом

Основой гетерофотодиода (ГФД) [2.35] с - переходом является полупроводниковый гетерогенный переход, сформированный на границе между двумя полупроводниками с различными химическими составами. На практике структура ГФД (рис. 2.хх, а) представляет собой последовательность из трех слоев различных полупроводниковых материалов, отличающихся значениями ширины запрещенной зоны и имеющих хорошо согласованные (не хуже 0,1 %) периоды кристаллических решеток. Последнее условие необходимо для получения совершенной гетерограницы, обеспечивающей низкую скорость рекомбинации [2.42, С. 243] и соответственно малые потери фотоносителей. Крайние слои гетероструктуры имеют ширину запрещенных зон эВ и эВ, которые больше ширины запрещенной зоны эВ среднего слоя (рис. 2.хх, б). При облучении перехода перпендикулярно его плоскости крайние слои ГФД играют роль широкозонных окон, не поглощающих фотонов с энергией (или ), но при , сильно поглощаемых в среднем узкозонном слое. Один из крайних слоев, например, слой 3 (n⁺-GaSb) (см. рис. 2.хх, а) является подложкой, на которой выращиваются эпитаксиальные слои структуры. Так как фотоэффект происходит только в среднем узкозонном слое, то длинноволновая граница чувствительности ГФД должна находиться на длине волны , а коротковолновая граница – определяться границей прозрачности широкозонных окон: при облучении через слой 1 , а при облучении через подложку 3 . Таким образом, ГФД является приемником, границы области чувствительности которого определяются выбором как фоточувствительного узкозонного слоя, так и контактирующих с ним широкозонных слоев и в приципе могут даже изменяться вариацией способа облучения приемника. Изображенные на рис. 2. ХХ.хх структура и диаграмма соответствуют реальному гетерофотодиоду для волоконо-оптических систем с инерционностью 0,5 нс [2.43].

Чувствительность и быстродействие ГФД существенно зависят от рационального выбора толщины и уровня легирования узкозонного слоя, т.е. слоя оптического поглощения. В соответствии с (2.61) высокая чувствительность должна достигаться при толщине слоя поглощения , обеспечивающей полное поглощение излучения, поступающего через входное окно. Наряду с этим высокое быстродействие может быть реализовано лишь при дрейфовом разделении фотоносителей, которые для этого должны генерироваться только в пределах ОПЗ, т.е. толщины перехода , зависящей от уровня легирования и приложенного к переходу обратного напряжения u. Таким образом, для одновременного получения высоких чувствительности и быстродействия ГФД необходимо соблюдать равенство . Естественно, что требование соблюдать условие , связывающее размеры и , которые определяют эффективность электрических и оптических процессов в приемнике, неизбежно ограничивает возможности реализации быстродействующих высокочувствительных ГФД.

2.5.5.4. p-i-n – фотодиод

Одновременное достижение фоточувствительности и быстродействия в гомо- и гетерофотодиодах, обусловленные сложностью согласования толщин ОПЗ и слоя оптического поглощения , устраняются в -фотодиодах. Структура -фотодиода отличается от -фотодиода тем, что содержит слой нелегированного (или -слой) слаболегированного) полупроводника, который находится между слоями сильнее легированных полупроводников с различными типами проводимости. Как и в рассмотренном ранее ГФД крайние широкозонные слои в -структуре являются прозрачными для измеряемого излучения окнами, в которых генерация фотоносителей не происходит.

На рис. 2.хх, а схематически изображена типичная гетеропереходная

-структура меза-ГФД. Толщина фоточувствительного (т.е. поглощающего) узкозонного слаболегированного слоя должна выбираться как из условия (см. (2.61), соответствующего практически полному поглощению поступающего в -слой излучения, так и исходя из требуемого времени дрейфа в нем фотоносителей . Таким образом, с точки зрения повышения чувствительности и быстродействия требования к толщине слоя как области одновременно и поглощающей излучение, и разделяющей фотоносители по-прежнему противоположны. Поскольку диффузия фотоносителей как основной рабочий процесс в -ГФД отсутствует, то при выполнении условия , время дрейфа фотоносителей будет основным фактором, ограничивающим быстродействие приемника. В -ГФД соблюсти неравенство по сравнению с -ФД заметно легче благодаря уменьшению барьерной емкости как путем увеличения толщины и приложенного к диоду напряжения u, так и посредством уменьшения площади перехода как, например, в диодах мезагеометрии (см. рис. 2.хх, а). Для установления дрейфа фотоносителей в пределах всей -области приложенное к фотодиоду напряжение u должно быть не меньше напряжения истощения -слоя, т.е. , где - концентрация примеси в -области.

Примером, подтверждающим рассмотренные закономерности, может служить быстродействующий гетеропереходный -ГФД в виде последовательной по ходу лучей трехслойной изопериодной структуры , сформированной методом жидкофазной эпитаксии. Основные параметры описанного в [2.44] -ГФД: приемная площадка - круг ∅ см², рабочее напряжение В, область фоточувствительности 1…2,4 мкм, максимальная токовая чувствительность ~ 1 А/Вт на длине волны 2,2 мкм, пороговый поток ~ 1 мкВт, скорость передачи ~ 1 Гбит/с.