Мощный высокоскоростной фотодиод (варианты)

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МОЩНЫЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ФОТОДИОД (ВАРИАНТЫ)(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Малышев Сергей Александрович Чиж Александр Леонидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Мощный высокоскоростной фотодиод, содержащий мезаструктуру на основе перехода, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности полупроводниковых слоев легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа, нелегированного полупроводникового слоя, легированного полупроводникового слоя с проводимостью второго типа первый металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем с проводимостью первого типа второй металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем с проводимостью второго типа диэлектрический слой, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры, отличающийся тем, что первый и второй металлические электроды выполнены в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры. 2. Мощный высокоскоростной фотодиод, содержащий мезаструктуру на основе барьера Шоттки, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности легированного полупроводникового слоя и нелегированного полупроводникового слоя первый металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем второй металлический электрод, образующий барьер Шоттки с нелегированным полупроводниковым слоем диэлектрический 82202012.04.30 слой, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры, отличающийся тем, что первый и второй металлические электроды выполнены в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры. Полезная модель относится к области оптоэлектроники и может быть использована, в частности, при производстве мощных высокоскоростных фотодиодов для измерительной техники, волоконно-оптических систем связи и лазерной дальнометрии. Известен вертикально-освещаемый фотодиод на основе - перехода 1, состоящий из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности первого металлического электрода, образующего омический контакт, легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа, нелегированного полупроводникового слоя, легированного полупроводникового слоя с проводимостью второго типа и второго металлического электрода, образующего омический контакт и сформированного в виде металлического кольца, через которое вводится оптическое излучение. Данный вертикально-освещаемый фотодиод имеет низкую мощность насыщения СВЧ-сигнала, так как тепло, генерируемое в нелегированном полупроводниковом слое при протекании фототока, отводится только к первому металлическому электроду через легированный полупроводниковый слой с проводимостью первого типа, имеющий большое тепловое сопротивление. Наиболее близким техническим решением к заявляемому по варианту 1 является вертикально-освещаемый фотодиод на основе - перехода 2, состоящий из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности первого металлического электрода, образующего омический контакт, легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа, через который вводится оптическое излучение, нелегированного полупроводникового слоя, легированного полупроводникового слоя с проводимостью второго типа и второго металлического электрода, образующего омический контакт. Данный вертикально-освещаемый фотодиод не достигает высокого значения мощности насыщения СВЧ-сигнала из-за большого теплового сопротивления легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа. Наиболее близким техническим решением к заявляемому по варианту 2 является вертикально-освещаемый фотодиод на основе барьера Шоттки 3, состоящий из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности первого металлического электрода, образующего омический контакт, легированного полупроводникового слоя, через который вводится оптическое излучение, нелегированного полупроводникового слоя и второго металлического электрода, образующего барьер Шоттки. Данный вертикально-освещаемый фотодиод не достигает высокого значения мощности насыщения СВЧ-сигнала из-за большого теплового сопротивления легированного полупроводникового слоя. 2 82202012.04.30 Техническая задача полезной модели - увеличение мощности насыщения СВЧ-сигнала на выходе фотодиода путем снижения его теплового сопротивления. Вариант 1. Техническая задача решается тем, что в мощном высокоскоростном фотодиоде, содержащем мезаструктуру на основе - перехода, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности полупроводниковых слоев легированного полупроводникового слоя с проводимостью первого типа, нелегированного полупроводникового слоя, легированного полупроводникового слоя с проводимостью второго типа первый металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем с проводимостью первого типа второй металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем с проводимостью второго типа диэлектрический слой, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры, первый и второй металлические электроды выполнены в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры. Вариант 2. Техническая задача решается тем, что в мощном высокоскоростном фотодиоде, содержащем мезаструктуру на основе барьера Шоттки, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности легированного полупроводникового слоя и нелегированного полупроводникового слоя первый металлический электрод, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем второй металлический электрод, образующий барьер Шоттки с нелегированным полупроводниковым слоем диэлектрический слой, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры, первый и второй металлические электроды выполнены в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры. Совокупность указанных признаков приводит к увеличению мощности насыщения СВЧ-сигнала на выходе фотодиода вследствие снижения его теплового сопротивления,так как тепло, генерируемое в нелегированном полупроводниковом слое при протекании фототока, эффективно отводится как к первому, так и ко второму металлическим электродам, выполненным в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры. Сущность полезной модели по варианту 1 поясняется фиг. 1, на которой изображен поперечный разрез мощного высокоскоростного фотодиода. Мощный высокоскоростной фотодиод по варианту 1 содержит мезаструктуру 1 на основе - перехода, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности полупроводниковых слоев легированного полупроводникового слоя 2 с проводимостью первого типа, через который вводится оптическое излучение, нелегированного полупроводникового слоя 3 и легированного полупроводникового слоя 4 с проводимостью второго типа первый металлический электрод 5, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем 2 с проводимостью первого типа второй металлический электрод 6, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем 4 с проводимостью второго типа диэлектрический слой 7, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 1. При этом металлические электроды 5 и 6 выполнены в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям 2, 3, 4, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры 1. Мощный высокоскоростной фотодиод по варианту 2 содержит мезаструктуру 8 на основе барьера Шоттки, состоящую из последовательно расположенных и контактирующих между собой по всей поверхности легированного полупроводникового слоя 9, через который вводится оптическое излучение, и нелегированного полупроводникового слоя 10 первый металлический электрод 11, образующий омический контакт с легированным полупроводниковым слоем 9 второй металлический электрод 12, образующий барьер 3 82202012.04.30 Шоттки с нелегированным полупроводниковым слоем 10 диэлектрический слой 13, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 8. При этом металлические электроды 11 и 12 выполнены в виде балок, расположенных в плоскости, параллельной полупроводниковым слоям 9, 10, и изолированных от боковой поверхности мезаструктуры 8. Мощный высокоскоростной фотодиод по варианту 1 работает следующим образом. В рабочем режиме к фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения. Оптическое излучение подается через открытую поверхность легированного полупроводникового слоя 2 с проводимостью первого типа. При поглощении оптического излучения в полупроводниковых слоях происходит генерация электронно-дырочных пар. Электроны и дырки, генерированные оптическим излучением, разделяются в нелегированном полупроводниковом слое 3 электрическим полем, возникшим под воздействием приложенного напряжения смещения, и двигаются в разные стороны к металлическим электродам 5 и 6, в результате чего в фотодиоде протекает электрический ток. При протекании фототока происходит разогрев нелегированного полупроводникового слоя 3 джоулевым теплом (эффект саморазогрева), что в конечном итоге, при увеличении мощности падающего оптического излучения, приводит к насыщению мощности СВЧ-сигнала на выходе фотодиода. В рассматриваемой конструкции фотодиода его тепловое сопротивление уменьшается, так как тепло, генерируемое в нелегированном полупроводниковом слое 3 при протекании фототока, эффективно отводится как к первому 5, так и ко второму 6 металлическим электродам, выполненным в виде балок, что позволяет увеличить мощность насыщения СВЧ-сигнала на выходе фотодиода по сравнению с прототипом. Мощный высокоскоростной фотодиод по варианту 2 работает следующим образом. В рабочем режиме к фотодиоду прикладывается обратное напряжение смещения. Оптическое излучение подается через открытую поверхность легированного полупроводникового слоя 9. При поглощении оптического излучения в полупроводниковых слоях происходит генерация электронно-дырочных пар. Электроны и дырки, генерированные оптическим излучением, разделяются в нелегированном полупроводниковом слое 10 электрическим полем, возникшим под воздействием приложенного напряжения смещения, и двигаются в разные стороны к металлическим электродам 11 и 12, в результате чего в фотодиоде протекает электрический ток. При протекании фототока происходит разогрев нелегированного полупроводникового слоя 9 джоулевым теплом (эффект саморазогрева), что в конечном итоге, при увеличении мощности падающего оптического излучения, приводит к насыщению мощности СВЧ-сигнала на выходе фотодиода. В рассматриваемой конструкции фотодиода его тепловое сопротивление уменьшается, так как тепло, генерируемое в нелегированном полупроводниковом слое 9 при протекании фототока, эффективно отводится как к первому 11, так и ко второму 12 металлическим электродам, выполненным в виде балок, что позволяет увеличить мощность насыщения СВЧ-сигнала на выходе фотодиода по сравнению с прототипом. Пример конкретного выполнения мощного высокоскоростного фотодиода по варианту 1 с предельной частотой 30 ГГц, работающего в спектральном диапазоне от 1000 до 1650 нм. В качестве полупроводникового слоя 2 берется твердый раствор - толщиной 0,5 мкм с концентрацией донорной примеси 21018 см-3, который методом газофазной эпитаксии выращивается на подложке - с концентрацией донорной примеси 21018 см-3. На легированном полупроводниковом слое 2 последовательно выращиваются нелегированный полупроводниковый слой 3, в качестве которого берется нелегированный твердый раствор 0-0,530,47 толщиной 0,5 мкм с концентрацией остаточной донорной примеси 51014 см-3, и легированный полупроводниковый слой 4 с примесной проводимостью второго типа, в качестве которого берутся легированный твердый раствор -0,530,47 толщиной 0,1 мкм и легированный полупроводник - толщиной 0,5 мкм с концентрацией акцепторной примеси 9-1017 см-3. Методами фотолитографии, химического травления и 4 82202012.04.30 вакуумного напыления на полупроводниковом слое 4 формируется второй металлический электрод 6 диаметром 30 мкм из сплава -, образующий с полупроводниковым слоем 4 омический контакт. Затем методами фотолитографии, химического травления и химического осаждения формируется мезаструктура 1 глубиной 1,5 мкм и диаметром 40 мкм, на боковую поверхность которой наносится диэлектрический слой 7, в качестве которого берется полиимид толщиной 1,0 мкм, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 1 от металлических электродов 5 и 6. Методами фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления на полупроводниковом слое 2 формируется первый металлический электрод 5 из сплава , образующий с полупроводниковым слоем 2 омический контакт. Затем с помощью фотолитографии, вакуумного напыления и электрохимического осажденияметаллические электроды 5 и 6 формируются в виде балок, толщиной 5 мкм, шириной 100 мкм и длиной 500 мкм, после чего повторно наносится диэлектрический слой 7 из полиимида, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 1 от внешней среды, а подложка - удаляется с помощью селективного химического травления. Пример конкретного выполнения мощного высокоскоростного фотодиода по варианту 2 с предельной частотой 30 ГГц, работающего в спектральном диапазоне от 1000 до 1650 нм. В качестве легированного полупроводникового слоя 9 берется твердый раствор толщиной 0,5 мкм с концентрацией донорной примеси 21018 см-3, который методом газофазной эпитаксии выращивается на подложке - с концентрацией донорной примеси 21018 см-3. На легированном полупроводниковом слое 9 выращивается нелегированный полупроводниковый слой 10, в качестве которого берется нелегированный твердый раствор 0-0,530,47 толщиной 0,42 мкм, нелегированный плавный гетеропереход 00,530,47 / 0-0,520,48 толщиной 0,05 мкм и нелегированный твердый раствор 00,520,48 толщиной 0,03 мкм с концентрацией остаточной донорной примеси 21015 см-3. Методами фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления на полупроводниковом слое 10 формируется второй металлический электрод 12 диаметром 30 мкм из/, образующий с полупроводниковом слоем 10 барьер Шоттки. Затем методами фотолитографии, химического травления и химического осаждения формируется мезаструктура 8 глубиной 1,0 мкм и диаметром 40 мкм, на боковую поверхность которой наносится диэлектрический слой 13, в качестве которого берется полиимид толщиной 1,0 мкм, изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 8 от металлических электродов 11 и 12. Затем методами фотолитографии, химического травления и вакуумного напыления на полупроводниковом слое 9 формируется первый металлический электрод 11 из сплава -, образующий с полупроводниковым слоем 9 омический контакт. Затем с помощью фотолитографии, вакуумного напыления и электрохимического осажденияметаллические электроды 11 и 12 формируются в виде балок толщиной 5 мкм, шириной 100 мкм и длиной 500 мкм, после чего повторно наносится диэлектрический слой 13 из полиимида,изолирующий боковую поверхность мезаструктуры 8 от внешней среды, а подложка- удаляется с помощью селективного химического травления. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5