VIII. M. Abolduyev, V. M. Vald-Perlov, V. V. Veitz,

A. M. Zubkov, V. M. Minnebaev SRI “Pulsar”

Okrugnoi pr., 27, Moscow 105187, Russia fax. 095-366-55-83, e-mail: roottcbpulsar.msk.su

Abstract Presented in this paper are the results of design and production of 10-W microwave power switch on the basis of GaAs p-i-n diodes. The switch operates within 33,5 34,5 GHz frequency band.

ШВИДКОДІЮЧИХ МПМ-фотодіод

Аверін С. В.

Інститут Радіотехніки та електроніки Російської академії наук Росія, Московська обл., 141190, Фрязіно, пл. Акад. Введенського, 1 Тел.: (095) 5269192, e-mail: sva278@ire216.msk.su Сашо Р.

Інститут квантової електроніки та фотоніки, СН-1015, Лозанна, Швейцарія


Анотація В рамках двовимірної моделі досліджуються процеси дрейфу фотогенерірованних носіїв заряду в активному обсязі швидкодіючих фотодіодів в системі випрямляючих контактів метал-полупроводнікметалл (МПМ). Аналізуються обмеження у відгуку планарного МПМ-діода, що виникають при послідовному зменшенням розмірів зустрічно-штирьовий системи контактів. Обговорюється можливість збільшення швидкості відгуку МПМ-діода. Показується, що модифікований діод з InP / GalnAs гетеробарьером і структура з утопленими контактами істотно збільшують швидкість відгуку фотодетектора.

I. Вступ

Швидкодіючі фотодетектори становлять велику важливість при створенні широкосмугових волоконно-оптічсекіх систем зв’язку. Останнім часом спостерігається значний дослідницький і практичний інтерес до фотодіодних структурам на основі випрямляючих контактів у системі металлполупроводнік-метал (МПМ) [1-3]. Зменшення відстані між зустрічно-штирьовими контактами при одночасному стисканні активної області діода до цих пір розглядалися як основний шлях збільшення швидкодії МПМ-детектора [1,2]. У міру розвитку технологічних методів межконтактний зазор МПМ-діода безперервно зменшувався, переходячи в область субмікронних і навіть нанометрових розмірів. В рамках двовимірної моделі досліджується імпульсний відгук планарного МПМ-діода і аналізуються обмеження, обумовлені зменшенням розмірів зустрічно-штирьовий системи контактів діода. Встановлено, що основною проблемою планарних структур є низька ефективна глибина проникнення електричного поля в активний обсяг діода. Ми показуємо, що наявність гетеробарьера в светопоглощающіе області сильно видозмінює транспорт фотогенерірованних носіїв і істотно збільшує швидкість відгуку InP / GalnAs МПМфотодіода. Також показується, що в структурі з утопленими контактами забезпечується однорідний розподіл електричного поля і досягається більшу швидкодію і ефективність фотодетектора.

II. Основна частина

Для аналізу руху фотогенерірованних носіїв заряду в МПМ-фотодіодних структурах використовується двовимірна модель [3]. При цьому: 1) досліджується розподіл фотогенерірованних носіїв заряду і проводиться послідовне самоузгоджене обчислення картини електричного поля в активній області МПМ-діода з урахуванням руху носіїв заряду, 2) фотострум на контактах, внаслідок руху зарядів обчислюється по теоремі Рамо, а зовнішній струм фотодіода визначається з урахуванням ємності зустрічно-штирьовий системи контактів, 3) вплив гетеробарьера враховується за допомогою поля, створюваного різницею потенціалів двох напівпровідникових шарів. Зв’язок швидкості руху електронів і дірок з напруженістю поля взята з літературних джерел [4].

Аналіз показує, що електричне поле, досить сильний в приповерхневій області планарного МПМ-діода з межконтактним зазором 0,5 мкм, швидко спадає при русі вглиб діода. Так, при напрузі зміщення 4 В електричне поле напруженістю 4 В / мкм знаходиться приблизно на глибині 0.2 мкм, в той час як на глибині 0.8 мкм напруженість поля вже в 10 раз менше. Різкий спад внутрішнього поля планарного МПМ-діода з малим зазором призводить до модифікації швидкості просторового поділу струмових носіїв дрейфові швидкості носіїв заряду залежать від величини напруженості електричного поля, причому більш «важкі» дірки рухаються повільніше електронів [4]. В результаті, електрони дуже швидко збираються на контактах, оскільки вони мають високу швидкість дрейфу як в області великої напруженості електричного поля, біля поверхні діодним структури, так і в області низьких значень поля, в глибині діода. У той же час, напруженість електричного поля в активному обсязі діода занадто мала для більшості дірок і вони рухаються при швидкостях значно менших швидкості насичення. Така поведінка обумовлено особливостями зонної структури GalnAs [4]. Моделювання показує, що навіть після 15 пс, коли всі електрони вже покинули активну область діода, досить багато дірок все ще залишається всередині діода, приводячи до довгого «хвоста» в сигналі імпульсного відгуку планарного МПМ-діода і зменшеною квантової ефективності. Таким чином, поряд зі складністю виготовлення МПМ-структур з субмікронних зазором і труднощами фокусування прийнятого випромінювання на малу світлочутливу область, основною проблемою таких структур є низька ефективна глибина проникнення електричного поля. В результаті імпульсний відгук детектора, незважаючи на дуже малий міжелектродний зазор, в значній мірі затягується через впливу повільної компоненти діркового струму. При цьому FWHM сигналу імпульсного відгуку діода одно 8.2 пс, а час спаду відгуку діода (90% -10%) становить 11 пс. Фур’є-перетворення сигналу відгуку діода дає ширину смуги пропускання 27 ГГц (-ЗдБ), внутрішня квантова ефективність дорівнює 0.37.

Ми досліджували можливість швидкодіючого детектування оптичного сигналу, яка полягає у використанні гетеробарьера для ефективного блокування носіїв заряду, фотогенерірованних в області слабкого поля. Модельні експерименти показують, що присутність гетеробарьера, його місце розташування, напруга зсуву, щільність оптичного збудження всі ці фактори значною мірою змінюють умови дрейфу фотогенерірованних носіїв заряду. Ми змоделювали імпульсний відгук МПМдіода з InP / GalnAs гетеробарьером. Вплив гетеробарьера проявляється в різкому стрибку електричного поля внаслідок відмінностей в зонної структурі InP і GalnAs. Гетеробарьер в значній мірі запобігає можливість збору повільних носіїв заряду, фотогенеріруемих в глибині GalnAs. На контактах діода збираються тільки носії, фотогенеріруемие у верхньому напівпровідниковому шарі, приводячи до дуже швидкого відгуку детектора: FWHM сигналу відгуку гетеробарьерной МПМструктури з шириною зазору 0,5 мкм і площею зустрічно-штирьовий системи контактів 20Х 20 мкм2 складає 1,6 пс. Це в п’ять разів коротше відгуку звичайного МПМ-детектора з такою ж геометрією. При такому підході вдається найбільш просто реалізувати малі дистанції дрейфу струмових носіїв, які в цьому випадку визначаються товщиною шару InP (ЮОнм).

На відміну від планарного МПМ-детектора, коли зустрічно-штирові контакти розташовані на поверхні напівпровідника, в МПМ-діод з поглибленими контактами вони формуються у вузьких, довгих канавках, витравлених в активному шарі напівпровідника. Це забезпечує досить сильне і однорідне електричне поле в активному обсязі МПМдіода навіть при невеликому напрузі зсуву. При цьому швидкості просторового поділу електронів і дірок близькі до насичення і приблизно рівні. У цьому випадку товщина активного шару може бути обрана тільки виходячи з глибини проникнення прийнятого світлового випромінювання в базу діода. Таким чином, режим “швидкого” відбору фотогенерірованних носіїв заряду і досить високу ефективність перетворення світлового випромінювання в електричний сигнал може бути реалізований в одному пристрої. «Хвіст» кривої відгуку, який обумовлений струмовими носіями зі збільшеним часом дрейфу, майже відсутній, приводячи, таким чином, до більшої ширини смуги пропускання фотодетектора. Детектор з поглибленими контактами також володіє меншою тривалістю сигналу відгуку, оскільки середня довжина пробігу носіїв заряду помітно менше в цьому пристрої. Обчислення дають FWHM = 7,4 пс і 90% -10% час спаду імпульсу 5 пс при зміщенні всього 1 В в порівнянні з 8,2 пс і 11 пс для звичайного планарного детектора при зміщенні 4В. Фур’є-перетворення кривої відгуку діода дає ширину смуги пропускання 40 ГГц (-ЗдБ), внутрішня квантова ефективність досягає 0,72.

III. Висновок

В роботі досліджені методи збільшення швидкодії МПМ-фотодіодних структур.

Робота виконана за підтримки РФФД (03-0100219).

IV. Список літератури

[1] Soole J. В. D., SchumacherН. IEEE J.Quant.Electron.,

1991, v. 27, No 3, p. 737.

[2] Chou S. У., Liu M. Y. IEEE J.Quant.Electron., 1992, v. 28,

No 10, p. 2358.

[3]  Averine S. V., Sachot R. IEE Proc. Optoelectron., 2000,

v. 147, No 3, p. 145.

[4]  Sze S. M. Physics of Semiconductor Devices,

New York:John Wiley &Sons, 1981.

HIGH-SPEED MSM-PHOTODETECTORS

Averin S. V.

Institute of Radioelectronics, RAS 1 Prospekt Vvedenskogo, Fryazino, Moscow Region,

Russia, 141190 phone +7 (95) 5269192, e-mail: sva278@ire216.msk.su Sachot R.

Institute of Quantum Electronics and Photonics, EPFL, CH-1015, Lausanne, Switzerland

Abstract We analyze the limitations imposed by reduced dimensions of planar photodiode structures. We show that a modified detector with heterobarrier and a diode structure with recessed contacts lead to reduced carrier sweep-out and better conversion efficiency.

I.  Introduction

High-speed photodetectors are of great importance in broad-bandwidth optical communications systems. The metalsemiconductor-metal photodetector (MSM-PD) has become an important device in modern optoelectronics [1-3]. We discuss a possibility of increasing the MSM-detector speed of response. We demonstrate that the InP/GalnAs heterobarrier structure greatly enhances the response speed of MSM-PDs. We show that a photodiode structure with recessed contacts strongly influences the movement of optically generated carriers and enhances both the response speed and efficiency of MSM-PDs.

II.  Main part

We have used a two-dimensional model [3] to obtain the accurate MSM-diode field distribution and detector impulse response. Modeling shows that the main drawback of the submicron planar MSM-PD is a low electric filed effective penetration depth, and to take full advantage of tiny finger spacing the collection of the carriers has to be restricted only to a surface region of high field.

We discuss the MSM-PD structure with an InP/GalnAs heterobarrier. The influence of the heterobarrier is revealed in a sharp change of the electric field due to the band offset between InP and GalnAs. The heterobarrier prevents to a great extent the slow carriers photogenerated deep in the GalnAs from being collected at the interdigitated contacts. We have chosen the thickness of 100nm for the InP layer. It absorbs 30% of the incident light radiation at a wavelength of 750nm and ensures a reasonable compromise between the speed of response and efficiency. The simulation shows that heterobarrier MSM-PDs are extremely fast photodetectors for photon energies above the bandgap of InP. For the InP/GalnAs heterobarrier MSM-structure with the finger width and gap equal to 0.5|jm and total interdigitated area of 20×20|jm2 we have calculated a detector response with FWHM=1,6ps, which is five times shorter than the response of a conventional MSM-detector of the same geometry.

Unlike a conventional planar MSM-diode, where interdigital electrodes are located on the top surface of the device, a detector with deepened or recessed contacts strongly resembles a parallel plate structure. In this case most of the carriers are traveling at a uniform electric field which is strong enough to ensure saturation drift velocities both for electrons and holes even at a low external bias. In this case the “tail” of the response curve, usually caused by the carriers with long transit times, has been almost completely eliminated. The device with recessed contacts demonstrates a smaller FWHM because the mean drift pass of the carriers is shortened in this structure. The FWHM of the MSM-diode with recessed contacts at a bias of 1V is 7.4ps, and the 90%-10% fall time is only 5ps as compared with 8.2ps and 11 ps for conventional MSM-PDs under the bias of 4V. Calculations show that the internal quantum efficiency could be as high as 0.72.

These concepts may be helpful in the development of highspeed and efficient optoelectronic devices.

III.  Conclusion

The work is concerned with a study of high-speed response of MSM-photodiodes of conventional planar structure and that of the ones with heterobarrier and recessed contacts.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.