|
| |
|
Слаботочка Книги SiO, p Область о5ъеи- i него заряЬа  фективность собирания носителей при значительной толщине базы, т. е. .при работе с ИК-излученибМ: на длине .волны Я>0,85... 0,90 мкм фоточувствительность р-/г-фотодио-да может оказаться на порядок ниже, чем у р-1-/г-структуры. Это обстоятельство привело к тому, что в основных для оптоэлектроники диапазонах р-и-фотодиоды все больше вытесняются p-i-n- и другими фото-приборами. Но р-/г-фотодиоды имеют и важные достоинства. Они проще в изготовлении, использование низкоомной однородной исходной полупроводниковой пластины обусловливает и повышенную однородность параметров Изготавливаемых структур. Это .становится особенно важным при создании многоэлементных, матричных фотоприемников. В соответствии с (6.11) малое удельное электрическое сопротивление базы обеспечивает более высокие предельные значения фото-ЭДС (до 0,7 ...0,8 В на кремнии), чгго в ряде случаев оказывается решающим фактором. В коротковолновой области спектра (Я<0,55 мкм), когда полное поглощение излучения происходит на глубине в неоколько микрометров, различия в собирании носителей между р-п- и р-1-/г-1структурами стираются. Основное и исключительно важное достоинство кремниевых р-/г-фо-тодиодов зключается в полной совместимости технологии их изготовления с технологией .интегральных микросхем: .практически фотодиодный элемент создается одновременно с базовой .диффузией. Это обстоятельство явилось исходной точкой раввития целого специфического .раздела оптоэлектронных фотоприемников - фоточувствительных интегральных схем (или интегральных фотоприемников). В первоначальном простейшем варианте такая схема состояла из р-п-фотодиода и расположенного .на том же .кристалле высокочастотного транзистора; в дальнейшем совместно с фотодиодом .изготавливались операционные и ключевые усилители, пороговые схемы и т. п. Использование возможностей микросхемотехники .позволяет в таком фотоприемни-  Рис. 6.11. Фотодиоды: о - с р-переходом; б - с барьером Шотки; е - с гетерострукт pofl {1 - широкозонное окно; 2 - активная область; 3 - подложка с переходным слоем); г -типа МДП (/- металл; 2 - диэлектрик; 3 - полупроводник) ке достигнуть высокой фоточувствительности и быстродействия, температуриой стабильности, исключительной функциональной широты. В то же время использование стандартных технологических процессов, малая площадь, занимаемая микроэлектровной частью на кристалле, обусловливает низкую стоимость фоточувствитель-ных микросхем, практически равную стоимости дискретного фотодиода. Интегральные фотоприе.мники - важнейший лрог.рессирую-щий элемент оптоэлектроники - о-кажутся неза.мепимымп и в «чисто микроэлектронных» устройствах, когда по мере повышения степени интеграции получит развитие оптическая .связь .между отдельными платами и кристаллами. Контакт металл - полупроводник, или барьер Шотки, является эквивалентом р-г-п-фотодиода в коротковолновой области спектра, когда все излучение поглощается в области пространственного заряда. Так, для практически важной Я~ 0,63 мкм (гелий-неоновый лазер) при быстродействии около 10"° с почти достигнут теоретический предел фоточувствительности (5ф?=0,5 А/Вт). При изготовлении фотодиода с барьером Шотки (рис. 6.11,6) на подложке сильнолегированного п+-кремния выращивается тонкая эпитаксиальная пленка высокоомного кремния. Затем после создания диффузионного охранного кольца р+-типа на тщательно очищенную поверхность кремния напыляется тончайшая (около 0,01 мкм) металлическая пленка (Au, Al, Mo и др.), а поверх нее - антиотражающее покрытие (SiO, ZnS и др.). Металлическая пленка обеспечивает значительно меньшее последовательное сопротивление, чем в случае очень мелкого р"-/г-нерехода;. паразитное же поглощение коротковолнового излучения в металлической пленке меньше, чем в р"-области из-за резкого различия толщин. В этом решающее преимущество фотодиода с барьером Шотки по сравнению с р-п (или p-t-n)-структурами в коротковолновой области спектра. Дополнительные достоинства этих приборов связаны с возможностью их простого изготовления методами низкотемпературной технологии на самых разнообразных полупроводниках (в том числе и таких, в которых не удается получить р-/г-переходы) п- и р-типов проводимости практически на всех материалах «оптоэлектронного диапазона» спектра: Si, Ge, CdS, CdSe, GaAs, GaAsP, GaAlAs, GaP, InP, AlSb, InAs, GaSb, InGaAs, PbS, PbSe, CdHgTe и др. Очень широк и выбор металлов для контакта с нолупроводником: Au, Al, Ag, Pt, Cu, Mo, Ni, In, Bi, Rh, V, W, Ti, Cd, Mg, Cr, Pb, Sn, Sb, Cs, В a, Zn. Иногда используются и хорошо проводящие пленки окислов металлов (типичны ЗпОг и ТпгОз). Все это открывает большие возможности по оптимизации оптико-физических свойств фотодиодов с барьером Шотки. Наконец, следует указать на технологическую и физическзю совместимость фотодиодов со структурами интегральной оптики. Контакт металл - полупроводник опробован и в т-1-/г+-струк-турах {т означает металл) и в ЛФД. В первом случае удается продвинуться в длинноволновую область, во втором - получить дополнительное усиление фототока; однако каких-либо преимуществ по сравнению с традиционными приборами барьер Шотки здесь не дает. Гетерофотодиоды (рис. 6.11,е) представляют собой одну из наиболее бурно развивающихся разновидностей оптоэлектронных фотоприемников. В конструкции любого гетерофотодиода выделяются прежде всего две области: «широкозонное окно» и активный фоточувствительный слой. Широкозонное окно без потерь пропускает излучение к активной области и в то же время является контактным слоем с малым последовательным сопротивлением. Процессы в активной области - поглощение излучения, накопление (собирание) генерируемых носителей заряда - в значительной степени протекают так же, как и в кремниевой p-t-n-структуре. Важное отличие заключается в том, что выбором подходящего полупроводникового соединения фоточувствительного слоя удается обеспечить •полное поглощение излучения (в том числе и в ИК-области) при толщине этого слоя порядка 1 мкм. Отсюда сочетание высокого быстродействия и высокой фоточувствительности при малых питающих напряжениях, что для 81-р-1-/г-структур в длинноволновой области принципиально недостижимо: для полного поглощения излучения с Я» 1,06 мкм толщина t-области должна составлять около 300 мкм, а рабочее напряжение - сотни вольт. Таким образом, гетерофотодиоды в некотором роде эквивалент кремниевых p-i-n-диодов в длинноволновой области, хотя их значимость этим не исчерпывается. Свобода выбора материала обусловливает и возможность достижения повышенных значений фото-ЭДС (например, [/хх = = 0,8... 1,1 В у GaAlAs-структур), высокого значения КПД преобразования (до 100%), меньших, чем у кремния, темновых токов п шумов, расширения температурного диапазона, повышения устойчивости к воздействию проникающей радиации. Важнейшим достоинством гетерофотодиодов является их физическая и технологическая совместимость с устройствами интегральной оптики. Несомненно полезным может оказаться то, что они могут быть изготовлены на одном кристалле с излучателем и микросхемой, т. е. открывается возможность создания универсальных монолитных оптоэлектронных элементов дуплексной связи. Гетерофотодиоды значительно сложнее в изготовлении, чем кремниевые, однако имеющиеся технологические трудности постепенно преодолеваются. Основные материалы гетерофотодиодов - GaAlAs для Х»0,85 мкм и InGaAsP, InGaAs для Я,= 1,3... 1,55 мкм. Гетерофотодиоды работают и в режиме лавинного умножения, причем бла-шодаря малой толщине активной области рабочее напряжение мо-Ж!Ет составлять десятки вольт. Препятствием на пути их развития является то обстоятельство, что практически для всех соединений АВ коэффициенты размножения электронов и дырок приблизительно одинаковы (а-»а+), а это ведет к повышенному уровню шумов. Исключение составляет GaSb, однако этот материал пока все еще характеризуется очень низким качеством. Поэтому широ- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 [63] 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |