Технология и строение фотоприемников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 8. Фотоприемники. Ч.3

Фототранзисторы, фототиристоры. Разновидности. Конструкции. Многоэлементные фотоприемники. Технология фотоприемников Оптический приемный модуль

8.1 Фототранзисторы, фототиристоры. Разновидности. Конструкции

фотоприемник технология оптический модуль

Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода в области базы с транзистором. Следовательно, характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам фотодиодов, масштаб по оси токов которых увеличен.

Фототранзистор имеет эмиттерный и коллекторный p-n. переходы. Последний смещен в запорном направлении. Свет, поглощаясь в области базы, генерирует электронно-дырочные пары. При этом неосновные носители вытягиваются из области базы в эмиттерную и коллекторную области, что изменяет их потенциал по отношению к базе. Так как эмиттерный переход смещен в прямом направлении, всякое изменение его потенциала вызывает относительно большие изменения тока коллектора. Следовательно, режим фототранзистора приводится к режиму обычного транзистора и тогда

где i_Ф - составляющая фототока коллекторной цепи фототранзистора; б- коэффициент передачи по току; i_Ф0(В)- ток фотодиода, входящего в структуру фототранзистора.

Коэффициент усиления по фототоку найдется как отношение

(8.1)

Поскольку б близко к единице, величина Сф составит (1-3)10² .

Как правило, это структура типа n-p-n.Ее отличительной особенностью является наличие фотоприемного окна, через которое свет, пройдя тонкий эмиттерный слой, попадет в базу (рис.1.18).

При включении по схеме с общим эмиттером усиление базового фототока дает на выходе

.

Если считать, что для эквивалентного фотодиода база - эмиттер справедливо

,

то для фототранзистора

.

Значение S_об обычно в несколько раз меньше, чем у подобного, но оптимально сконструированного фотодиода, однако большое внутреннее усиление (типично В_ст 50...200) перекрывает эти потери, так что, в конечном счете, чувствительность фототранзистора значительно больше, чем у фотодиода.

Еще большее усиление (В_ст=10³…10⁴) может быть получено в составном фототранзисторе. Кроме высокой чувствительности, фототранзисторы характеризуются схемотехническим удобством и гибкостью, полной электрической и технологической совместимостью с ИМС.

Однако с ростом фоточувствительности ухудшается быстродействие фотоприборов, что вызвано увеличением толщины базовой области и времени жизни неравновесных носителей заряда.

Выходом из этого противоречия является раздельное изготовление фотодиода и транзистора в едином технологическом цикле и на одном кристалле. При этом можно получить малоинерционный фотодиод и высококачественный транзистор. Еще более перспективны интегральные фотоприемники, где транзистор заменяется целой схемой: операционным усилителем, вентилем, пороговой схемой и т.д.

Кроме фототранзистора, в качестве фотоприемников могут быть использованы полевые фототранзисторы. Они отличаются высокой фоточувствительностью (от десятков до сотен ампер на люмен), широкой полосой пропускания (10⁶ ... 10⁷ Гц), значительной мощностью рассеивания (порядка сотен милливатт), возможностью работы при больших уровнях сигналов.

В канальных фототранзисторах затвор отделен от канала p-n переходом. Переход затвор - канал можно рассматривать как фотодиод, фототок которого приводит к модуляции потенциала затвора, а следовательно, к модуляции тока стока.

Фототиристоры имеют ключевую пороговую характеристику (рис.1.19) Засветка базовой области и генерация избыточных носителей заряда могут привести к переключению четырехслойной структуры из запертого состояния в открытое. При этом световая мощность должна превышать порог отпирания Р_отп

Основное преимущество фототиристоров - способность коммутации значительных токов и напряжений, что особенно важно для бесконтактного управления устройствами большой мощности. При малых уровнях сигналов фототиристоры обладают встроенной памятью: прибор остается включенным после прекращения светового воздействия.

8.2 Многоэлементные фотоприемники

Эти приборы относятся к числу наиболее быстро развивающихся. Сочетая в себе успехи физики дискретных фотоприемников и новейшие технологические достижения в производстве БИС, многоэлементные фотоприемники вооружают нас твердотельным «глазом», способным реагировать не только на яркостно-временные, но и на пространственно-временные характеристики объекта, т.е. воспринимать его полный зрительный образ. Другими словами, это видеокамера, использующая твердотельную матрицу.(2, с.78-87).

8.3 Технология фотоприемников

Одним из методов получения p-n переходов источников и приемников излучения на основе GaAs и Al_xGa_1-xAs - диффузия из газовой среды. Из донорных и акцепторных примесей для этой цели практически пригодны только цинк и кадмий, дающие мелкие акцепторные уровни. Обычно предпочтение отдается цинку, так как он имеет большой коэффициент диффузии и высокую предельную растворимость в твердой фазе -I0¹⁹ ...-10²⁰см^-3. Коэффициент диффузии цинка, профиль его распределения и поверхностная концентрация в сильной степени зависят от условий проведения процесса (в частности, от вида диффузии, температурно-временного режима процесса, уровня противодавления в ампуле и т.д.) и существенным образом влияют на квантовый выход излучения или фотоответа и стабильность излучателей при долговременной работе.

Процесс диффузии несколько усложняется тем, что из-за высокого парциального давления мышьяка при температуре диффузии 973...1173 К, приводящего к диссоциации подложки из арсеница галлия, необходимо вакуумировать рабочие ампулы.

Жидкостная эпитаксия GaAs и Al_xGa_1-xAs из растворов - расплавов как метод получения р-n переходив широко применяется в технологии полупроводниковых лазеров и фотоприборов.

При выращивании структур арсенида галлия и многослойных структур на основе Al_xGa_1-xAs методом жидкофазной эпитакции наиболее удобен вариант принудительного охлаждения растворов - расплавов, когда растворителем служит галлий. Как правило, процесс проводится в графитовых контейнерах в проточной системе в атмосфере осушенного и очищенного водорода. В некоторых случаях для повышения качества и производительности процессов конструируются загрузочные шлюзовые камеры и контейнеры для подачи подложек.

Основные осложнения при эпитаксиальной технологии связаны с легким окислением поверхности расплава и возможностью возникновения дефектов, неоднородностей на гетерограницах вследствие смены расплавов при многослойном выращивании. Кроме того, при данном методе трудно обеспечить высокую производительность и малый расход дефицитных исходных материалов.

Наибольшее распространение получили два способа: с погружением подложек и со сдвигом.

Для выращивания однослойных эпитаксиальных структур с высокой производительностью наиболее удобен вариант "погружения". В одном из его разновидностей выращивание слоев проводится одновременно на большом числе подложек с использованием центрифуги, которая поднимает расплав к подложкам. По окончании процесса и остановки центрифуги расплав стекает с подложек. Для получения многослойных структур при "погружении" используют секционный тигли, содержащие расплавы разного состава.

В "сдвиговом" варианте, широко применяемом при многослойном выращивании, используют различные модификации пенальных контейнеров, Для высокого совершенства гетерограниц предложен способ принудительного вытеснения отработанного расплава продавливанием последующей порции в устройстве.

В излучателях широко применяются р-- n. структуры арсенида галлия, легированного кремнием, при выращивании которых изменение температурно-временных режимов и содержания кремния в расплаве позволяет регулировать геометрию и свойства получаемых слоев. Обычно технология получения таких структур однорасплавная. Для легирования слоев гетероструктур твердых растворов Al_xGa_1-xAs в качестве однородных примесей чаще всего используют теллур и олово, в акцепторных - цинк и германий, а иногда кремний. Так как для оптронов длина волны излучения источников составляет примерно 800 нм, содержание алюминия в твердом растворе узкозонной активной области должно быть не более нескольких процентов, а в широкозонной - не более 20...30%.

Выращивание структур на основе Al_xGa_1-xAs проводится, как правило, по многорасплавной технологии, причем относительное постоянство составов слоев достигается за счет низких скоростей охлаждения, составляющих 0,0027...0,0064 К/с.

Омические контакты к структурам на основе GaAs и твердых растворов Al_xGa_1-xAs должны удовлетворять всем требованиям, характерным для контактов полупроводниковых приборов, и прежде всего не оказывать существенного влияния на вид вольтамперной характеристики и сохранять стабильность и механическую прочность в рабочем диапазоне токов и температур. Как правило, основу лучших материалов составляет золото. Для n- GaAs наиболее надежными контактными материалами являются сплавы Au-Ge и Au-Te. Для p-GaAs контакты целесообразно изготовлять из сплава Au-Zn вследствие высокого коэффициента диффузии цинка. Хороший омический контакт n- и p- GaAs, обладающий наименьшим сопротивлением, получают вплавлелием индия. К твердым растворам Al_xGa_1-xAs , особенно прямозонных составов, можно использовать те же контактные материалы, что и к GaAs. В этом случае характеристика омического контакта очень чувствительна к концентрации алюминия, который может с твердым раствором образовывать выпрямляющий контакт.

Основные контактные материалы к GaAS и Ga_1-xAs приведены в табл.1.7. Обычно для получения омических контактов материал наносят на сильно легированную подконтактную область полупроводниковой пластины, которую получают перекристаллизацией из расплава, диффузией легирующей примеси из контактного материала, дополнительным эпитаксиальным выращиванием, предварительной неглубокой диффузией или ионной имплантацией.

Для соединения GaAs и Al_xGa_1-xAs ионная имплантация не получила широкого применения из-за трудности реализации высоких концентраций (10¹⁹см^-3) электрически активной примеси.

Дополнительное эпитаксиальное выращивание используется в некоторых случаях для получения на контактной площадке более узкозонного полупроводника, например, GaAs на Al_xGa_1-xAs. При перекристаллизации из расплава предварительно нанесенный металл растворяет некоторое количество полупроводника. Охлаждение поверхности пластины приводит к кристаллизации области с высоким содержанием металла, например, золота или его сплава с германием в n- GaAs сплава золота с цинком в p- GaAs. В последнем случае при этом происходит также диффузия цинка в GaAs или Al_xGa_1-xAs

Технологический процесс изготовления омических контактов состоит обычно из двух операций, нанесения металла или смеси металлов (иногда с добавкой легирующей примеси) на хорошо подготовленную очищенную поверхность полупроводника и вжигания в вакууме или в атмосфере инертных газов. Иногда эти операции совмещают. В полупроводниковой технологии металлические слои наносят испарением, распылением, гальваническим и химическим осаждением, пайкой, сплавленной и ионной имплантацией.

В случае GaAs и Al_xGa_1-xAs распыление и испарение с успехом применяются для нанесения многокомпонентных контактных материалов, например, Au-Ge,Au-Ge-Ni. Ионная имплантация употребляется редко из-за низкой скорости осаждения слоев, но она может использоваться для направленного формирования дефектов на поверхности полупроводника в целях повышения адгезии.

Соединения на основе арсенида галлия обычно плохо смачиваются при вжигании контакта. Для улучшения смачиваемости отдельно или совместно с основным металлом наносят слой металла, не образующего эвтектику с материалом контакта, например, Ni,Pt или Au, а также используют флюсы или легируют вплавляемый проводник небольшим количеством примесей, уменьшающих поверхностное натяжение.

Для получения барьеров Шоттки применяют те же методы, что и при формировании омических контактов.

При разработке технологического процесса изготовления приборов на основе GaAs и Al_xGa_1-xAs необходимо также учитывать быстрое окисление открытой поверхности этих материалов. Поэтому непосредственно перед нанесением контактных материалов должна проводиться операция удаления окисной пленки. В настоящее время фотоприемники изготовляются на основе традиционной технологии кремниевых приборов. Однако создание р-n переходов, например, в структуре SnSb легче осуществлять ионной имплантацией. Наиболее хорошие результаты дает имплантация легких элементов (бериллия, магния).

Планарные n⁺-p и n-p⁺ фотоприемники на основе антимонида индия изготовляются имплантацией ионов серы (150 кэВ) и бериллия (100 кэВ) с дозой от 5*10¹³ до 5*10¹⁴ см при температурах 500...623 и 300 К соответственно. Маской служит слой фоторезиста. Для защиты во время отжига в среде очищенного азота при температурах 523...673 К наносят пироэлектрический оксид толщиной 120 мм.

При создании слоев p типа необходимо стравливать материал имплантированной области толщиной 200 мм во избежание появления избыточных токов утечки, вызванных остаточными нарушениями. Для слоев n типа такая операция не нужна, поскольку имплантационные нарушения создают именно эту проводимость. Контакты к имплантированным слоям формируют напылением индия с последующим вплавлением при температуре 353 К.

При этом внешняя квантовая эффективность составляет 40…60% для всех фотоприемников.

Фотодиоды на основе эпитаксиального теллура свинца реализуются с помощью имплантации ионов сурьмы в эпитаксиальные пленки толщиной 5...12 мкм Р типа с концентрацией дырок при 77 К порядка 5*10¹⁶…1*10¹⁷ см^-3 и подвижностью 8*10³…1,8*10⁴см²/(В*с). При той же температуре сопротивление сформированных p-n переходов составляет примерно I МОм.

8.5 Оптический приемный модуль

Оптический приемный модуль содержит фотодетектор (p-i-n фотодиод или лавинный фотодиод) и малошумящий предварительный усилитель. Принципиально возможны два варианта построения оптических приемных модулей: схема "прямой линии" с подключением фотодетектора и усилителя (рис.1.22,а) и схеме с трансимпендальным усилителем , охваченным цепью обратной связи через сопротивление R_j (рис.1.22 б )

При использовании лавинного фотодиода в качестве фотодетектора изменением направления смещения можно регулировать его коэффициент усиления. Это расширяет динамический диапазон модуля, но требует применения блока АРУ.

Если применяется p-i-n диод, электронная схема представляет собой двойной амплитудный детектор, схему сравнения и фильтр. Однако при этом достигается меньший динамический диапазон.

"Мгновенное значение тока фотодетектора

где R - чувствительность фотодетектора ;

p(t) - мгновенное значение мощности пучка света, падающего на фотодетектор.

Величина R характеризует эффективность процесса преобразования фотонов и генерации фототока и определяется соотношением

где з - квантовый выход;

<G> - коэффициент усиления фотодиода.

Для p-i-n фотодиода при л=1 мкм R=0.5 А/Вт, для лавинного фотодиода при коэффициенте лавинного умножения (усиления) 100, R=50 А/Вт.

При приеме аналоговых сигналов с модуляцией интенсивности света

где Р_r. - мощность, принимаемая оптическим модулем;

m - глубина модуляции, %;

- частота.

Тогда

,

где -

,

- среднее значение постоянного тока;

I_сигн - переменная составляющая тока сигнала,

В оптических системах наблюдаются шум, вносимый сигналом, и шум в фотоприемнике.

В первом случае мы имеем дело с квантовым шумом

где е - заряд электрона;

F - шум, обусловленный внутренним процессом лавинного умножения в лавинном фотодиоде;

в - ширина полосы пропускания.

Шум в фотоприемнике в основном определяется тепловыми и флуктуационным шумами в усилителе. Совокупность всех видов шума обозначим <J_шум>-величина, определяемая значением энергетического эквивалента шума NEP[Вт*Гц^-1/2]. Значение этой величины для фотоприемника с p-i-n фотодиодом составляет примерно 10^-12 Вт*Гц^-1/2, а с лавинным фотодиодом 10^-14 Вт*Гц^-1/2.

Поскольку шумы не коррелированы, их влияние определяется суммой