Чувствительность фотодиодов различного диаметра с поглощающим слоем InGaAs толщиной 640 нм составляет не менее 0.55 А/Вт. Для фотодиодов Шоттки с диаметром 15 мкм предельная частота равна 28 ГГц, максимальная выходная СВЧ-мощность на частоте 20 ГГц составила величину 58 мВт.
Ключевые слова: СВЧ-фотодиод, 1.55 мкм, InAlAs/InGaAs/InP, барьер Шоттки, ВАХ, чувствительность, СВЧ-мощность.
1. Введение
В аналоговых волоконно-оптических линиях и системах радиофотоники требуются мощные высокоскоростные фотодиоды, работающие в спектральном диапазоне длин волн 1.2-1.6 мкм [1, 2]. Перспективной реализацией такого СВЧ-фотодиода, имеющей ряд существенных преимуществ по сравнению с альтернативными фотодиодными структурами, является меза-фотодиод на основе гетеростуктуры InAlAs/InGaAs/InP с барьером Шоттки и микрополосковыми выводами, оптическое излучение на который подается со стороны подложки [3]. Данная конструкция фотодиода с барьером Шоттки (ФДШ) обладает низким тепловым сопротивлением, так как отвод тепла из области пространственного заряда фотодиода происходит через оба контакта [3]. В ФДШ барьерный контакт покрывает всю фоточувствительную область, поэтому такой фотодиод имеет меньшее контактное сопротивление по сравнению с фотодиодом с традиционным кольцевым контактом, имеющим отверстие по центру для ввода оптического излучения. Более того, в таком фотодиоде при его освещении со стороны контактного n+-слоя металлический контакт Шоттки представляет собой зеркало для падающего на фотодиод оптического излучения, что значительно увеличивает эффективную длину поглощения оптического излучения в СВЧ-фотодиоде, имеющем тонкий поглощающий слой.
В рамках данной работы разработана технология изготовления мощных СВЧ-ФДШ с различными предельными частотами (10-40 ГГц) на основе гетероэпитаксиальных слоев (ГЭС) InAlAs/InGaAs(0.6-1.5 мкм)/InP(001), представляющих собой меза-фотодиоды с Au/Ti/n-InAlAs контактом Шоттки различного диаметра и микрополосковыми выводами. Изучены темновые вольт-амперные характеристики (ВАХ), чувствительность и СВЧ-характеристики фотодиодов с толщиной поглощающего InGaAs слоя 640нм.
2. Технология изготовления СВЧ-ФДШ на основе InAlAs/InGaAs/InP гетероэпитаксиальных структур
Для выращивания ГЭС использовалась установка молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) Riber Compact-21t, оснащенная системами дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭО) и регистрации эволюции картин ДБЭО, обеспечившими возможность изучения реконструкции поверхности и атомных процессов на ростовых поверхностях подложки InP и эпитаксиальной пленки.
Синтез ГЭС проводился на полуизолирующих подложках InP(001). Перед выращиванием слоев для получения атомарно чистой поверхности подложки отжигались в потоке мышьяка. Рост слоев InAlAs осуществлялся при температурах 520 ºС, InGaAs – при температуре 480 ºС. Источники индия, галлия и алюминия калибровались по осцилляциям интенсивности зеркального рефлекса на картинах ДБЭО. Отработка и выбор условий выращивания и легирования слоев InAlAs и InGaAs проводилась на отдельных тестовых образцах, которые анализировались различными методами (атомно-силовая микроскопия, фотолюминесцентная спектроскопия, рентгеновская дефракометрия, метод ван дер Пау при 77 и 300 K) [4]. Конструкция синтезируемых ГЭС приведена в таблице 1. Тонкий поглощающий n+-InGaAs слой и варизонный InGaAlAs слой используются для устранения эффекта захвата носителей заряда на гетерограницах InAlAs/InGaAs, который может значительно увеличить время переноса фотоносителей и, следовательно, ограничить предельную рабочую частоту фотодиода. Широкозонный нелегированный InAlAs слой служит для увеличения высоты барьера Шоттки, а верхний InGaAs слой защищает барьерный слой от окисления во время технологических процессов, предшествующих процессу напыления контакта Шоттки.
Табл. 1 Структура гетероэпитаксиальных слоёв InAlAs/InGaAs/InP мощного СВЧ-фотодиода
Состав слоя |
Толщина слоя |
Описание слоя |
In0.53Ga0.47As |
30 нм |
Защитный слой |
In0.52Al0.48As |
30 нм |
Барьерный слой |
InGaAlAs |
50 нм |
Варизонный слой |
In0.53Ga0.47As |
600-1500 нм |
Нелегированный поглощающий слой |
In0.53Ga0.47As:Si 5´1018 см-3 |
50 нм |
Поглощающий n+ слой |
In0.52Al0.48As:Si 5´1018 см-3 |
300 нм |
Контактный слой |
InP (001) |
~ 400 мкм |
Подложка |
ФДШ изготавливались на основе InAlAs/InGaAs/InPГЭС по разработанной технологии. Меза-структуры формировались 2-х стадийным химическим травлением ГЭС в травителе H3PO4:Н2O2:Н2O=1:1:38. В качестве слоев металлизации омического контакта использовали Ge/Au/Ni/Au (20/40/20/200 нм), барьерного — Ti/Au (20/200 нм). Омический контакт вжигали в атмосфере водорода при темпертуре 385 ºС в течение 5 минут. Защитный диэлектрический слой SiO2 (800 нм) синтезировали в реакторе пониженного давления при температуре 250 ºС. Микрополосковые выводы толщиной 4.5-5 мкм формировались электрохимическим осаждением золота. Для придания структуре механической прочности формировалась пленка из светочувствительного полимера. Затем проводилось утонение подложки InP с помощью механического шлифования и химико-механического полирования для получения зеркально гладкой поверхности, на которую наносился слой просветляющего покрытия из оксида алюминия.
3. Характеристики СВЧ-фотодиодов
Темновые ВАХ СВЧ-ФДШ изучались с помощью анализатора полупроводниковых структур Agilent 1500Bи зондовой станции CascadeM150. Фототок диода измерялся при подаче лазерного излучения с длиной волны 1.55 мкм мощностью до 100 мВт через одномодовое оптическое волокно.
Изготовленные ФДШ с диаметрами 10, 15, 25 и 40 мкм демонстрируют типичные для барьеров Шоттки ВАХ с величиной обратного темнового тока не более 1´10-10 А при обратном смещении 2 В. Коэффициент идеальности и высота барьера при нулевом смещении, определенные из ВАХ, составляют 1.2 и 0.7 эВ, соответственно. Анализ зависимостей величины фототока от мощности падающего оптического излучения показал, что чувствительность фотодиодов различного диаметра с толщиной поглощающего InGaAs слоя 640нм составляет не менее 0.55 А/Вт.
Рис. 1. Зависимость мощности СВЧ-сигнала на выходе InGaAs/InAlAs СВЧ-фотодиода Шоттки с диаметром 15 мкм от входной оптической мощности на частоте 20 ГГц и различных напряжениях обратного смещения.
Для измерения СВЧ-характеристик ФДШ устанавливались в копланарную СВЧ-линию с волновым сопротивлением 50 Ом. Измерение частотной и энергетической характеристик проводилось с помощью векторного анализатора цепей. Один порт анализатора подключался к входному СВЧ-разъему волоконно-оптического лазерного модуля с внешним электрооптическим модулятором Маха-Цендера с предельной частотой 40 ГГц. Второй порт анализатора подключался к копланарной СВЧ-линии с фотодиодом с помощью коаксиального СВЧ-разъема. Модулированное по амплитуде оптическое излучение лазерного модуля на длине волны 1.55 мкм усиливалось оптическим усилителем на легированном эрбием волокне и подавалось с помощью одномодового оптического волокна на фоточувствительную область фотодиода.
Измерения СВЧ-характеристик показали, что предельная частота для ФДШ с диаметром 15 мкм и толщиной поглощающего слоя 640 нм равна 28 ГГц, а максимальная выходная СВЧ-мощность составила величину 58 мВт на частоте 20 ГГц при обратном смещении 3В (рис. 1).
4. Заключение
В рамках данной работы изучены темновые ВАХ, чувствительность и СВЧ-характеристики меза-фотодиодов с Au/Ti/n-InAlAs контактом Шоттки различного диаметра и микрополосковыми выводами на основе гетероэпитаксиальных слоев InAlAs/InGaAs/InP(001). Показано, что фотодиоды характеризуются низкими значениями темнового тока при значениях коэффициента идеальности 1.2 и высоте барьера ~0.7эВ, а чувствительность фотодиодов со слоем InGaAs 640нм составляет не менее 0.55А/Вт. Изучение СВЧ-характеристик показало, что разработанная технология позволяет изготавливать мощные СВЧ-ФДШ с различными предельными частотами (10-40 ГГц), работающих в спектральном диапазоне длин волн 1.2-1.6 мкм, для аналоговых волоконно-оптических линий с широким линейным динамическим диапазоном, а также для генерации СВЧ-сигналов оптическими методами в системах радиолокации, радиосвязи и измерительной СВЧ-техники.
Источники финансирования и выражение признательности
Доклад подготовлен по итогам исследования, проведенного при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00548.
Списоклитературы
[1]Seeds A.J., Williams K.J. Microwave photonics // J. Lightwave Technology. 2006. Т. 24. №12. С. 4628-4641.
[2] Малышев С.А., Чиж А.Л., Микитчук К.Б. Волоконно-оптические лазерные и фотодиодные модули СВЧ-диапазона и системы радиофотоники на их основе // Материалы 4-й Всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ». 2015. С. 10-18.
[3] Chizh A., Malyshev S., Mikitchuk K. High-speed high-power InAlAs/InGaAs/InP Schottky photodiode // IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP2015). 2015. С. 1-4.
[4] Чиж, А.Л. Мощный СВЧ-фотодиод Шоттки на основе двойной гетероструктуры InAlAs/InGaAs / А.Л. Чиж, С.А. Малышев, К.Б. Микитчук, К.С. Журавлев, Д.В. Дмитриев, А.И. Торопов, М.С. Аксенов, Н.А. Валишева, А.М. Гилинский, И.Б. Чистохин // Сборник статей 7-ой Всероссийской научной конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ». 2018. С. 120-124.
Чиатать/скачать статью из журнала «Электронные компоненты» №2-2019
Подписка на журналы «Электронные компоненты», «Электроника СВЧ» — Марина Панова, panovaid@yandex.ru