13.2. УСТРОЙСТВО ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ

В лавинных диодах, как и в нелавинных приборах, необходимо добиться максимальной квантовой эффективности, и все высказанные в § 12.3 требования остаются существенными. Кроме того, важно, чтобы умножение носителей в сечении освещенной регистрируемым излучением площади оставалось однородным. Должны использоваться высококачественные материалы практически без дефектов и дислокаций, в противном случае образующиеся локальные повышения электрического поля приведут к образованию преждевременной лавины или микроплазмы. Образование микроплазмы может происходить даже и в

совершенном материале, когда напряженность однородного электрического поля приближается к пороговому значению. Поэтому простая -структура непригодна для лавинных фотодиодов. В области, где зарождается лавина, может образоваться и нестабильно развиваться отрицательное сопротивление. Поэтому область максимального поля, где развивается лавинное умножение, должна быть ограничена очень тонким слоем. Она должна быть отделена от области поглощения оптического излучения, толщина которой порядка глубины поглощения а электрическое поле должно быть достаточным для поддержания насыщения скорости дрейфа носителей. Структура сквозного воздействия (reach-through), показанная на рис. 13.3, удовлетворяет всем этим требованиям. Лавина должна начинаться носителями с высоким коэффициентом ионизации, в противном случае полоса лавинного фотодиода сужается, а шум-фактор растет. Поэтому для показанной -структуры наиболее подходит материал типа кремния, для которого . Фотоэлектроны вызывают лавину, а затем дырки способствуют дальнейшей генерации носителей.

Показанный на рис. 13.3 лавинный фотодиод может быть изготовлен диффузией или -примеси в образец -типа с высоким сопротивлением. Достоинством такого метода является то обстоятельство, что -переход, где поглощение максимально, может быть расположен очень близко к положительному контакту и теплоотводу. При этом достигается минимальный тепловой импеданс и улучшается тепловая стабильность детектора.

На рис. 13.4 показан другой вариант конструкции, который

Рис. 13.3. Идеальный лавинный фотодиод сквозного воздействия: а - сечение через активную область; б - распределение пространственного заряда при напряжении, достаточном для того, чтобы обедненный слой проник через и -области в -контактный слой; в — распределение электрического поля

Рис. 13.4. (см. скан) Планарный эпитаксиальный кремниевый лавинный фотодиод сквозного воздействия: а — поперечное сечение; зависимость коэффициента умножения от приложенного напряжения при разных температурах. Обращаем внимание на следующие особенности: А — толщина -слоя может быть уменьшена травлением; В — диффузионное защитное кольцо, увеличивающее периметр для пробойного напряжения; С - выступающий кольцевой контакт снаружи -слоя; канальный диффузионный ограничитель обедненного слоя

не обладает указанным достоинством, но такой прибор может быть изготовлен из высококачественного материала методом эпитаксиальной планарной технологии. На -подложке эпитаксиальным методом выращивают -слой; -слой должен быть тонким и очень однородным распределению примесей. При его изготовлении можно использовать диффузию или ионную имплантацию. Защитное кольцо из материала n-типа, -контактный слой и -канальный ограничитель также изготавливают методом диффузии. Чтобы обеспечить однородность лавинного умножения по сечению активной части прибора, требуется более сложная конструкция. При простой диффузии и -слоев, как показано на рис. 13.5, возможно возрастание электрического поля в углах. При этом лавинное умножение происходит только на периферии активной области, т. е. эффективность его невелика. Чтобы свести к минимуму электрические поля вокруг края -перехода, в показанной на рис. 13.4 конструкции введено две особенности — кольцевой защитный диффузионный слой и кольцевой контакт Защитное кольцо распространяет слой -типа снаружи -диффузионного слоя. Концентрация -примесей в нем

сравнительно невысока, благодаря чему образуется ступенчатый -переход, пробойное напряжение в котором значительно выше, чем в центральной части -перехода. Радиус кривизны -перехода возрастает и -слой проникает непосредственно в -слой. Контактное кольцо выступает над пассивированным слоем, таким образом, перекрывается -переход. Благодаря этому у поверхности расширяется обедненная область и снижается поверхностное поле. Этот эффект аналогичен обеднению типа МОП. Кремниевые лавинные фотодиоды, показанные на рис. 13.3 и 13.4, могут иметь коэффициент умножения до нескольких сотен, прежде чем разовьется микроплазма и, как следствие, резко возрастет избыточный шум. Квантовый выход на длине волны может превышать 0,9, а неумноженный темновой ток при комнатной температуре может быть снижен до уровня пикоампер.

В германиевых лавинных фотодиодах имеется ряд специфических проблем, из-за которых усиление не превышает 10—20 раз. Темновой ток значителен (микроамперы), поскольку высока скорость тепловой генерации носителей и велика поверхностная утечка. Кроме того, затруднено получение бездефектного материала для подложки и серьезную проблему представляет пассивирование. Большинство германиевых фотодиодов содержат ступенчатый изготовленный диффузией доноров в подложку -типа. Пример показан на рис. 13.6. Использование именно такого устройства обусловлено трудностями при диффузии примеси -типа в германий. Для германия поэтому приходится жертвовать полосой и шумом. Более современные -германиевые лавинные фотодиоды изготавливаются методом ионной имплантации. При снижении диаметра активной области до темновой ток составляет около емкость около квантовый выход 0,9 и коэффициент шума

Рис. 13.5. Простой вариант диффузионной структуры сквозного воздействия. Здесь показано, как возрастание поля на периферии диффузионного слоя может привести к преждевременному лавинному пробою в неактивной части прибора

Рис. 13.6. Пример мезатравленного -германиевого лавинного диода, имеющего пробивное напряжение 16 В и темповой ток менее

Ведутся интенсивные разработки гетероструктурных лавинных фотодиодов на основе полупроводниковых соединений для излучения с длиной волны более 1 мкм. Здесь также имеются серьезные трудности с пассивированием и качеством исходного материала. В результате этого удалось получить только невысокие значения коэффициента умножения. Кроме того, в этих материалах ионные и электронные коэффициенты ионизации имеют близкие значения, что, как было показано в § 13.3 и 13.4, затрудняет получение широкой полосы и низкого уровня шума. На рис. 13.7 показан конкретный пример гетероструктурного Лавинного фотодиода, изготовленно-

Рис. 13.7. Гетероструктурный лавинный фотодиод. В этом конкретном примере -переход формируется в гетероструктура между эпитаксиальными слоями и согласованной решеткой Излучение поглощается в узкозонном тройном материале. Толщина и степень легирования слоя регу лируются для обеспечения поля на гетероструктуре не выше при электрическом поле на -переходе около Такого поля достаточно, чтобы установилось насыщение дрейфовых скоростей носителей, но недостаточно для возникновения чрезмерной утечки через гетероструктуру

методом жидкофазной эпитаксии на -подложке. Обратим внимание на его характерные особенности. Буферный слой используется для изоляции активной области от дефектов и дислокаций подложки. За -nepexoдом, сформированным в эпитаксиальном расположена гетероструктура между и тройным соединением с согласованной решеткой. В этом диоде применено мезатравление для уменьшения собственной емкости и устранения трудностей, связанных с пассивированием. Падающее излучение проходит через подложку, которая прозрачна при длине волны более Поглощение происходит в тройном материале, при этом происходит фоторождение дырок, которые вызывают лавину. Толщина и концентрация примесей слоя тщательно подбирается, чтобы обеспечить проникновение обедненного слоя через тройной материал и в то же время гарантировать, что при начале лавинного процесса поле на гетероструктуре не превысит . В этой конкретной конструкции более высокие поля вызывают туннельный ток в гетероструктуре и приводят к чрезмерному темновому току.