WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 6 01;06 Импульсный отклик МПМ фотодиода с гетеробарьером © С.В. Аверин Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязинское отделение, 141190 Фрязино, Московская область, Россия e-mail: sva278@ire216.msk.su (Поcтупило в Редакцию 14 июля 2003 г.) В рамках двумерной модели исследуются процессы дрейфа фотогенерированных носителей заряда в активном объеме быстродействующих фотодиодов в системе выпрямляющих контактов металл-полупроводник-металл (МПМ) обычной планарной структуры и структуры с гетеробарьером. Дается сравнение двух типов фотодиодных структур с точки зрения характеристик сигнала импульсного отклика детектора и квантовой эффективности. Анализируются ограничения в отклике планарного МПМ диода, возникающие при последовательном уменьшении размеров встречно-штыревой системы контактов. Обсуждается возможность увеличения скорости отклика МПМ диода. Показано, что структура с InP/GaInAs гетеробарьером сильно видоизменяет движение фотогенерированных носителей заряда и существенно увеличивает скорость отклика МПМ фотодиода.

Введение ствующего отклика детектора. Исследуется импульсный отклик планарного МПМ диода и анализируются ограВ последнее время наблюдается значительный ис- ничения, обусловленные уменьшением размеров встречследовательский и практический интерес к фотодиод- но-штыревой системы контактов диода. В отличие от ным структурам на основе выпрямляющих контактов в других моделей (см., например, [3–5]) в наших расчесистеме металл-полупроводник-металл (МПМ) [1–7].

тах учитывается неоднородность электрического поля в Структура таких диодов достаточно проста: встреч- активном объеме МПМ детектора вследствие двумерно-штыревые контакты методами фотолитографии фор- ного характера его пространственного распределения.

мируются на поверхности активного слоя полупровод- Программа моделирования ранее была успешно испольникового материала, выращенного на полуизолирующей зована для изучения характеристик сигнала импульсного подложке. Световое излучение, падающее на поверх- отклика фотодетекторов на GaInAs/GaAs сверхрешетность МПМ диода, в пределах глубины поглощения ках [6] и GaInAs МПМ фотодиодов [7]. В настоящей создает электронно-дырочные пары, которые разделяют- работе эта модель была развита для изучения процессов ся внутренним электрическим полем, создавая фототок электронно-дырочного транспорта в МПМ структурах во внешней цепи. Уменьшение расстояния между встреч- с гетеробарьером. Мы показываем, что наличие гетено-штыревыми контактами при одновременном сжатии робарьера в светопоглощающей области сильно видоактивной области диода рассматривается как основной изменяет транспорт фотогенерированных носителей и путь увеличения быстродействия МПМ детектора [1–5].

существенно увеличивает скорость отклика InP/GaInAs По мере развития технологических методов межкон- МПМ фотодиода.

тактный зазор МПМ диода непрерывно уменьшался, переходя в область субмикронных и даже нанометровых Моделирование сигнала импульсного размеров. МПМ детектор с наименьшими размерами контактов (ширина штыря и зазора 25 nm) был изго- отклика МПМ детектора товлен методами электронной литографии и описан в Для исследования сигнала отклика МПМ детектора на работе [4]. При этом для достижения сбалансированного воздействие короткого импульса оптического излучения влияния времени переноса носителей заряда и емкости МПМ диода с межконтактным зазором 25 nm его ак- мы использовали моделирование движения фотогенерированных носителей заряда в активной области МПМ тивная область уменьшена до 1 1 µm, что приводит к трудноразрешимой проблеме фокусирования прини- диода. Активная область диода определяется расстоянием между соседними встречно-штыревыми контактами и маемого излучения при использовании таких структур глубиной проникновения падающего на диод излучения.

в реальном эксперименте. Импульсный отклик такого диода не был измерен, а моделирование в рамках Уменьшение зазора между контактами в общем случае одномерной модели методом Монте-Карло дает ширину приводит к уменьшению времени переноса носителей.

полосы пропускания детектора (400 GHz) (-3dB) и Время переноса, однако, существенно зависит от дрейFWHM = 0.25 ps. В рамках двумерной модели мы по- фовой скорости носителей заряда и, таким образом, казываем, что следует весьма осторожно использовать от величины электрического поля в активной области методы простого уменьшения линейный размеров пла- диода. Для достижения быстродействующего сигнала нарной диодной структуры для достижения быстродей- отклика диода его активная область должна быть полно4 52 С.В. Аверин стью обеднена носителями, а величина поля в активной которые рассматриваются в данном анализе [10]. Фотообласти должна быть достаточной для обеспечения ток на контактах вследствие движения носителей заряда дрейфа носителей при скоростях, близких к скоростям вычисляется с помощью теоремы Рамо [11]. Анализ пронасыщения [1,8]. В этом случае время дрейфа носите- водится в предположении, что скорость максимальная лей к соответствующим встречно-штыревым контактам носителей заряда в GaInAs равна 2 · 107 cm/s, что являбудет определяться [9] ется несколько заниженным значением для МПМ диодов с зазором 100 nm между контактами вследствие явления t dr =, (1) всплеска дрейфовой скорости [5]. Строгое рассмотрение 2V процессов дрейфа носителей заряда в структурах с нагде нометровым зазором требует учета этого эффекта [5,12].

1 1 1 Между тем достаточно хорошее соответствие расчетных = +, (2) V 2 Ve4 Vh и экспериментальных значений быстродействия позволяt — зазор между встречно-штыревыми контактами; — ет судить о возможности применения данной модели для корректирующий коэффициент; V — средняя скорость анализа динамического поведения подобных структур.

дрейфа носителей; Ve, Vh — дрейфовая скорость насыщения для электронов и дырок соответственно.

Внутреннее поле и динамика Данный подход к анализу движения носителей заряда является одномерным и справедлив лишь в случае транспорта носителей заряда МПМ диодных структур с достаточно большим межконтактным зазором в несколько микрон. Это является В качестве примера на рис. 1 дается расчетное следствием того факта, что глубина проникновения распределение электрического поля в единичной ячейке излучения в GaAs на длине волны 750 nm, примерно МПМ фотодиода с величиной межэлектродного зазоравна 1 µm. Моделирование показывает, что, если зазор ра 0.1 µm. Моделирование показывает, что электримежду контактами превышает глубину проникновения ческое поле достаточно сильное в приповерхностной падающего на диод излучения, электрическое поле в области, но быстро спадает при движении в глубь диода.

активной области планарного МПМ диода достаточно Так, при напряжении смещения 1.5 V электрическое однородно и его величина достаточна для обеспечения поле с напряженностью 2 V/µm находится примерно условий дрейфа при скоростях, близких к скоростям нана глубине 0.1 µm, в то время как на глубине 0.3 µm сыщения для большинства фотогенерированных токовых напряженность поля уже в 20 раз меньше. Сильная неодносителей. Такой подход, однако, не является достаточно нородность внутреннего поля планарного МПМ диода корректным для структур, в которых межконтактный с малым зазором приводит к модификации скорости зазор меньше 1 µm. В этом случае весьма трудно пространственного разделения токовых носителей — обеспечить условия дрейфа большинства фотогенериродрейфовые скорости носителей заряда зависят от веливанных носителей при скоростях, близких к скоростям чины напряженности электрического поля, причем более насыщения, поэтому необходим двумерный анализ рас„тяжелые“ дырки движутся медленнее электронов [8].

пределения электрического поля и движения носителей В результате электроны весьма быстро собираются заряда в таких структурах. Наша модель подробно описана контактах, поскольку они имеют высокую скорость на в работах [6,7]. Моделирование является двумерным дрейфа как в области большой напряженности электрив том смысле, что оно рассматривает распределение ческого поля, около поверхности диодной структуры, так фотогенерированных носителей заряда, потенциала и электрического поля по координатам X и Y единичной ячейки (активной области) МПМ диода. Влияние гетеробарьера учитывается посредством поля, создаваемого разностью потенциалов двух полупроводниковых слоев.

На каждом шаге моделирования поле гетеробарьера добавляется к внутреннему полю, создаваемому разностью потенциалов на встречно-штыревых контактах и фотогенерированными носителями заряда. Двумерная модель позволила установить ограничения, связанные с уменьшением эффективности проникновения электрического поля в активный объем МПМ диода в случае субмикронных межэлектродных зазоров. Связь скорости дрейфа электронов и дырок с величиной электрического поля для GaInAs взята из литературных источников [8].

Предполагалось, что рекомбинационные эффекты как на Рис. 1. Распределение электрического поля (цифры у криповерхности, так и в объеме диода не являются опре- вых, V/µm) в единичной ячейке планарного GaInAs МПМ деляющими на таких коротких временных интервалах, диода. Напряжение смещения на контактах диода 1.5 V.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Импульсный отклик МПМ фотодиода с гетеробарьером и в области низких значений поля, в глубине диода.

В отличие от дырок, скорость дрейфа которых постоянно спадает при уменьшении поля, скорость дрейфа электронов достигает своей максимальной величины при сравнительно низких полях [8]. Такое поведение обусловлено особенностями зонной структуры GaInAs: междолинный переброс электронов из низлежащей долины зоны проводимости в энергетически более высокие L и X долины ведет к снижению их скорости дрейфа [8]. В то же время напряженность электрического поля в активном объеме диода слишком мала для большинства дырок и они движутся при скоростях, значительно меньших скорости насыщения. Между тем в области 0.5-1 µm при движении в глубь диода электрическое поле весьма слабое, в том числе и для электронов, скорость их дрейфа здесь также мала. Все же электроны уходят из активной области диода (определяемой глубиной проникновения излучения) гораздо быстрее дырок. Моделирование показывает, что даже после 3 ps, когда все электроны уже покинули активную область диода, довольно много дырок все еще Рис. 3. Распределение электронов/дырок в единичной ячейке GaInAs МПМ диода в первый момент после прибытия импульостается внутри диода, приводя к длинному „хвосту“ в са оптического возбуждения на длине волны 750 nm.

сигнале импульсного отклика планарного МПМ диода и уменьшенной квантовой эффективности (рис. 2). Таким образом, наряду с технологической сложностью изготовления МПМ структур с субмикронным зазором малый межэлектродный зазор, в значительной степени и трудностями фокусирования принимаемого излучения затягивается из-за влияния медленной компоненты дына малую светочувствительную площадку, основной рочного тока (рис. 2). При этом FWHM (полная ширина проблемой таких стурктур является низкая эффективная сигнала импульсного отклика, измеренная на половине глубина проникновения электрического поля в активего амплитуды) равна 2.8 ps, а время спада отклика диода ный объем фотодиода. Как результат скорости дрейфа (по уровню 90-10%) составляет 5.5 ps.

носителей заряда далеки от насыщения, непостоянны и Увеличение напряжения смещения приводит лишь к сильно зависят от местоположения носителей заряда.

незначительному улучшению рассматриваемой ситуаСледует также заметить, что в планарных МПМ ции. Хотя скорость дрейфа дырок растет при увеличении структурах с субмикронным и нанометровым зазором смещения, в то же время скорость электронов несколько дистанции дрейфа фотогенерированных носителей заряпадает относительно своего пикового значения [8]. Необда определяются не столько расстоянием между контакходимо приложить еще большее напряжение смещения, тами, сколько глубиной проникновения принимаемого чтобы компенсировать резкий спад напряженности поля излучения, и примерно равны зазору между контактав субмикронных структурах и достичь скоростей нами только для носителей, которые фотогенерированы сыщения для большинства токовых носителей. Однако непосредственно в приповерхностной области диода большое напряжение на обратно-смещенном барьере (рис. 3). Дистанция дрейфа других носителей заряда к Шоттки приводит к высоким значениям напряженности соответствующим контактам намного больше. В резульполя на концах встречно-штыревых контактов, что ветате импульсный отклик детектора, несмотря на очень дет к лавинному пробою перехода. По этим причинам для достижения всех преимуществ структур с малым (доли микрона) межконтактным зазором фотогенерация носителей тока должна быть ограничена только приповерхностной областью полупроводника, т. е. областью сильного поля.

МПМ диоды на основе многослойных полупроводниковых структур довольно широко используются в качестве детекторов оптического излучения на длинах волн 1.3... 1.6 µm [13–15]. Обычно тонкий слой широкозонного полупроводникового материала вводится между светопоглощающим GaInAs и металлом Шоттки контакРис. 2. Импульсный отклик планарного GaInAs МПМ диода та, чтобы уменьшить темновой ток МПМ диода вследна длине волны 750 nm. Ширина электрода и межэлектродный зазор 100 nm, напряжение смещения 1.5 V. ствие низкой высоты естественного барьера на GaInAs.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 54 С.В. Аверин их равными толщине InP слоя. Пространственное распределение электронов и дырок в активной области детектора по времени иллюстрирует эффект гетеробарьера (рис. 5). Моделирование показывает, что гетеробарьер в значительной степени предотвращает возможность сбора на контактах диода „медленных“ носителей заряда, фотогенерируемых в области слабого электрического поля. Видно, что спустя 3 ps после прибытия импульса оптического возбуждения почти все носители заряда уже Рис. 4. Разрез InP/GaInAs гетерофотодиодной структуры.

1 — встречно-штыревые контакты, 2 — 100 nm InP, 3 — 800 nm GaInAs, 4 — 300 nm InP (буфер), 5 — полуизолирующая подложка InP.

При этом добавочный слой не поглощает световое излучение в длинноволновой области, а образующийся гетеробарьер является вредным, поскольку препятствует эффективному приникновению электрического поля в активный GaInAs [14]. Мы исследовали возможность быстродействующего детектирования оптического сигнала, которая заключается в использовании InP/GaInAs гетеробарьера для эффективного блокирования носителей заряда, фотогенерированных в области слабого поля.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.