Широкое развитие лазерной техники вызвало необходимость создания быстродействующих фотодетекторов, которые имеют высокую чувствительность к свету с определенной длиной волны и имеют свойства вутришнього усиление. Лавинные фотодиоды (ЛФД) широко используются для регистрации и измерения в разных системах обработки оптической информации, выявление слабых излучений, звездной ориентации и навигации и др. Наиболее широко развитое применение ЛФД в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛЗ). ЛФД на основе кремния имеют внутреннее усиление до 103, высокую чувствительность ( до 100 А/Вт) на длине волны
=0,9 мкм, малую инерционность (~0,5 нс), низкий порог ( до 10-15 Вт∙Гц-1/2).
Эффекты лавинного умножения в полупроводниках.
В обычном фотодиоде при поглощении света возникают електронно-диркови пары, причем при поглощении одного фотона образуется одна електронно-диркова пара. Неосновные носители этих пар или рекомбинируют, или протекают через p-n-переход, порождая фототок. В ЛФД носители, которые проходят через p-n-переход, получают в сильном поле переходе энергию, достаточную для ударной ионизации атомов решетки, и создают на своем пути повторные пары. В результате токовый сигнал за счет лавинного умножения увеличивается. Для развития лавины необходимое выполнение двух условий: толщина обедневшей области p-n-перехода, в которой сосредоточенное внутреннее электрическое поле, должна превышать длину свободного пробега неосновных носителей заряда; энергия, которая скапливается неосновными носителями в области перехода, должна быть достаточной для возбуждения валентных электронов полупроводника, то есть превышать порог ударной ионизации:
qui = (2…3)Eg. (2.1)
2.3. Структура ЛФД (а), распределение электрического поля (б).
При выполнении этих условий создаются повторные пары носителей, которые разделяются полем перехода. Толщина области объемного заряда перехода и напряженность внутреннего электрического поля в ней при данном сдвиге зависят от структуры диода и от удельного сопротивления полупроводника (рис. 2.3).Поэтому напряжение лавинного пробоя связанная с удельным сопротивлением материала
Uл.г = b
( для Ge b = 85,
= 0,62). (2.2 )
Лавинное усиление фототока, который проходит через освещенный p-n-переход, используется в ЛФД, которые работают в передпробийному режиме. Зависимость коэффициента лавинного усиления от напряжения на фотодиоде выражается приближенным соотношением Миллера
M = [1 - (U / Uл.г)n]-1, (2.3)
где n – коэффициент, который зависит от ионизационных возможностей электронов и дырок, от длины волны принятого излучения, а также от материала и конструкции ЛФД. Для кремниевых фотодиодов n = 3,4 … 4,0, если генерация носителей происходит в p-области и лавина образуется в результате ударной ионизации, произведенной электронами; n = l,2 … 2,0, если ударная ионизация ведется дырками, которые генерируются в n-области.
Очень резкая зависимость коэффициента лавинного умножения (рис. 2.3) от приложенного напряжения существенным образом усложняет возможность практического использования ЛФД с высокими коэффициентами усиления через очень жесткое требование к точности поддержки на диоде рабочего напряжения. Сильная зависимость напряжения лавинного пробоя от температуры приводит к проблемы термостабилизациї. Все эти факторы ограничивают применение лавинных диодов в аппаратуре.
2.4. Зависимость коэффициентов ионизации
электронов и дырок от напряженности поля в
кремнии при комнатной температуре.
Сильная зависимость коэффициента от напряженности поля в области умножения возникает через две основных причины: существует положительная обратная связь между коэффициентом умножения и напряженностью поля через наличие двух типов носителей, которые могут ионизировать; скорость ионизации експоненциально возрастает с ростом напряженности поля.
Рассмотрим влияние положительной обратной связи. Если в область умножения инжектується чисто электронный ток, то сначала первичные электроны генерируют повторные пары. Повторные электроны становятся неотличные от первичных. Повторные дырки двигаются в противоположном направлении и во время следования генерируют новые пары. Коэффициент умножения Мn для инжектованого электронного тока зависит от ионизирующих возможностей носителей обеих типов
Mn =
, (2.4)
где an – скорость ионизации электронов (среднее ионизирующих соударений электронов на единицу длины пути в направлении поля);
р – скорость ионизации дырок; d – ширина области обеднения.
Аналогичное выражение имеет коэффициент умножения и для инжектованого диркового тока. Обратная связь между коэффициентом умножения и приложенной напругою, обусловленная присутствием носителей двух типов, приводит к нелинейному росту коэффициента умножения при увеличении напряжения. Для уменьшения обратной связи надо, чтобы фототок составлялся из носителей с большой скоростью ионизации. Итак, желательно иметь материал, для которого отношения скоростей ионизации электронов и дырок большое на всем интервале ионизирующих полей. В таких материалах будет меньшим и время нарастания лавины.
На данное время широкое применение в диапазоне длин волн 1,0…1,6 мкм получили германиєви лавинные фотодиоды, которые имеют высокий квантовый выход, который слабо зависит от температуры. Их основным недостатком есть большие темнови тока, которые сильно возрастают с ростом температуры. Это не позволяет реализовать в схемах коэффициента усиления больше 10. Кроме того, коэффициенты ионизации электронов и дирок близкие между собой: (/( = 2. Упомянутые причины приводят в реальных схемах к нестабильности и большим дополнительным шумам.
Темновий ток, образованный объемной тепловой генерацией носителей, можно снижать выбором материала с большому объемным временем жизни. Снижение тока поверхностных "отливов" достигается пасивациєю поверхности. Существенного уменьшения темнових струмив, можно добиться снижением рабочих температур, например с помощью термоэлектрических охладителей, но это усложняет конструкцию изделия.
Кремний значительно лучший полупроводниковый материал для создания лавинных фотодиодов.
Особенности технологии изготовления ЛФД.
В режиме лавинного пробоя через повышение плотности тока в отдельных участках структуры диода могут образовываться небольшие центры разряда, названные микроплазмами. Поэтому решающим фактором для работы ЛФД есть однородность лавинного процесса, реализовать которую возможно только в сделанных електронно-диркових переходах. В диоде существует три области, где могут образовываться локальные микроплазми:
– края p-n-переходив в планарних структурах, где специфическая форма диффузной области на периферии перехода (цилиндрическая или сферическая) приводит к повышенной напряженности электрического поля в сравнении с центральной плоской частью;
– поверхности в мезаструктурах, где к локальному усилению напряженности электрического поля приводят загрязнение или любые дефекты в местах сечения p-n-перехода и поверхности, которые вызывают резкое искажение зон близ границы p-n-перехода;
– участки с несовершенной кристаллической структурой исходного материала и с дефектами p-n-перехода, где локальный пробой (внутренняя микроплазма) обусловленный или локальной неоднородностью в легировании исходного материала, или металлическими включениями, или другими структурными дефектами в области объемного заряда p-n-перехода.
Микроплазми генерируют нерегулярные "броски токов", что приводят к раннему пробою или к повышению уровня шума прибора. Для предотвращения шумов, связанных с флюктуацией плотности легирования p-области, необходимая однородность легирования точнее 0,1%. Для снижения избыточного шума лавина должна быть вызвана чисто электронной инжекцией в широкой области умножения. Это вытекает с высокого отношения коэффициентов ионизации электронов и дырок в кремнии, который в правильно сконструированных детекторах должно лежать в пределах 0,02…0,08. Чтобы достичь наименьших шумов, необходимое внедрение излучения в n-область через p-контакт. В этом случае толщина кристаллу должна составлять 50…70 мкм, что усложняет технологическое выполнение прибора.
Наиболее доступные для изготовления ЛФД на епитаксиальний структуре типа p-n+ с хорошо контролируемым профилем p-области. В этом случае излучения падает со стороны n+-прослойки. На рис. 2.5 изображенный разрез епитаксиального лавинного фотодиода для ВОЛЗ.
2.5. Разрез епитаксального ЛФД из n+-p-π-p+-структурой:
1 – покрытие, которые уменьшает отражение, (Si3Ni4);
2 – епитаксиальна π-область(ρ >> 300 Ом∙см);
3 – p+-подкладка.
2.6. Зависимость коэффициента умножения от напряжения на диоде при
разных температурах.
Основные физические характеристики.
Постоянная времени ЛФД i-p-типа определяется временами развития лавины в области умножения Mt
(где t1 -время пролета носителем области умножения) и временами пролета носителей от области умножения к контакту tдр
tлдф = Mt1 + tдр, (2.5)
причем
Mt1 = MNл.м
,
Где υеф = υnυp / (υn + υp ); υn, υp – скорости электронов и области умножения; dл.м –ширина "лавинной" области; N л.м– константа, обусловленная соотношениям коэффициентов ионизации электронов и дырок, которая меняется от 1/3 при их равенству до 2 при коэффициенте умножения существенным образом меньшему для дырок, чем для электронов. Как правило, первый доданок. (2.5 ) существенным образом меньше второго, то есть инерционность ЛФД определяется не процессами умножения, а прохождением носителей через область относительно слабого поля к контакту.
Поскольку ЛФД работают в области больших обратных сдвигов, то их емкость не оказывается и не ограничивает быстродействию.
Шум-фактор F ЛФД возрастает с ростом отношения коэффициентов ионизации дырок и электронов: kеф = βpαn. В ЛФД при инжекции только электронов
Fn = kефMn + (2 - 1/Mn)(1 - kеф).
Шум-фактор меньше, если начальное умножение начинается электронами, то есть носителями с большим коэффициентом ионизации. Поэтому лучше изготовлять ЛФД из полупроводника p-типа проводимости.
Спектральная плотность шумового тока Iш, может быть определенная с соотношения
= 2q(IтM2F + I).
Рабочее напряжение, как уже отмечалось, должна поддерживаться постоянной с высокой точностью. Для снижения требований к напряжения питания для ЛФД используют структуру n-p-i-p-типа. Введение области с собственной проводимостью приводит к перераспределению приложенного напряжения между ней и областью лавинного умножения. Поскольку падение напряжения на области с собственной проводимостью связано линейным законом с преходящим током, то ее наличие содействует стабилизации тока ЛФД и снижает требования к стабильности напряжения сдвига. Однако делать эту область слишком протяжной нельзя, потому что это сильно увеличивает работу напряжения и повышает инерционность. Например, для структуры с размерами области лавинного умножения несколько микрон в обычном ЛФД необходимо поддерживать напряжение сдвига с точностью 0,2% для обеспечения коэффициента умножения, равного 50. Введение i-области толщиной порядка 50 мкм обеспечивает тот же коэффициент умножения при стабилизации питания 10%.
Для оптимального порогу ЛФД в широком диапазоне температур желательно использовать систему регулирования сдвига, который обеспечивает постоянство значения М.