Полупроводниковый диод средневолнового инфракрасного диапазона спектра

Полупроводниковый диод средневолнового инфракрасного диапазона спектра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для детектирования и испускания инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре. Имеется обширная область оптического приборостроения, где средневолновые источники спонтанного излучения и фотоприемники, например, имеющую рабочую полосу близи 3.4 мкм, могут оказаться незаменимыми для устройств, измеряющих характеристики сред, содержащих газообразные углеводороды, и для волоконно-оптических датчиков, измеряющих состав жидкости по методу исчезающей волны, для которых указанная полоса совпадает с максимумом фундаментального поглощения измеряемого компонента, например, спирта или нефтепродуктов. В работе [1] приводятся данные о создании достаточно простого, быстродействующего и малогабаритного дистанционного ИК анализатора на основе светоизлучающих диодов на основе гетероструктур InAs/InAsSbP с длиной волны излучения λ_max=3.3 мкм, шириной спектральной полосы излучения 0.4 мкм, и фотодиодов p⁺-InAsSbP/n-InAs с удельной обнаружительной способностью D^* _λmax=6·10⁹ см·Гц^1/2/Вт [2], снабженных микролинзой. Излучение СД с помощью сферического зеркала с рабочим диаметром 68 мм и фокусным расстоянием f=115 мм формировалось в почти параллельный пучок и через защитный светофильтр направлялось на трассу. Расчетная величина половины угла расходимости излучения СД составляла около 0.2 мрад при диаметре излучающей площадки СД 430 мкм. Излучение, прошедшее трассу и защитный светофильтр модуля приемника, фокусировалось сферическим зеркалом на двухэлементный фотодиод (ФД) или разделялось полупрозрачным зеркалом для подачи на два дискретных ФД. Для разделения по длине волны рабочего и опорного каналов в первой оптической схеме применялся составной многослойный интерференционный фильтр с рабочей длиной волны λ_раб=3.4 мкм, опорной длиной волны λ_оп=3.07 мкм. Во второй оптической схеме использовались два дискретных интерференционных фильтра с λ_раб=3.40 мкм и λ_оп=3.85 мкм. Предложенная авторами [1] конструкция анализатора позволяла получить максимальную измеряемую концентрацию суммарных углеводородов, имеющих полосу характерную поглощения вблизи 3.3 мкм, на уровне (5 НПВ·м), где НПВ - нижний предел воспламенения, для метана при длине трассы L≤100 м. При этом предел обнаружения метана с помощью анализатора ограничен собственными шумами ФД и составлял ~10^-3 НПВ·м.

Известен полупроводниковый диод для средневолнового инфракрасного диапазона спектра электромагнитного излучения, включающий p и n-области, разделенные p-n-переходом, токоподводящие контакты, расположенные на двух сторонах диода, неактивную и активную области, разделенные мезой травления и электрически связанные с p-n-переходом и контактами, при этом контакт к активной области выполнен точечным [3, 4, 5, 6, 7]. Диод изготовлен на основе двойной гетерострутуры p-InAsSbP/n-InAs/n-InAsSbP, смонтированной подложкой n-InAs на теплооотвод (корпус), с выводом излучения через поверхность p-типа проводимости. Точечный контакт к поверхности, через которую осуществляется вывод/ввод излучения из/в активной(ную) область является характерным конструктивным элементом и для большинства других типов «плоских» диодов, принимающих и испускающих излучение в средневолновом диапазоне электромагнитного излучения [8, 9].

Недостатком известного диода являешься то, что при больших плотностях рабочего тока эффективность преобразования существенно снижается по отношению к значению при малых токах. Примеры такого снижения можно найти в работах, посвященных светодиодам в виде плоской пластины с поперечным размером около 400 мкм [4, 5, 6, 7, 10, 11]. В работе [4] проведен расчет, показывающий локализацию протекания тока под контактом, а в работе [7] для аналогичных образцов при регистрации излучения тепловизором было экспериментально установлено 10-ти кратное уменьшение излучающей площади/фактора заполнения (от 100% до 10%) при возрастании плотности тока до j=110 А/см² см. Сгущение линий тока под контактом наблюдалось и анализировалось также в [12], рассматривающей «одностороннюю» гетероструктуру n⁺-InAs/n⁰-InAs/p-InAsSbP, смонтированную p-слоем на теплоотвод. Одно из очевидных следствий локализации токопротекания вблизи контакта и уменьшения фактора заполнения состоит в уменьшении доли выходящего излучения как из-за непрозрачности последнего, так и резкого уменьшения коэффициента преобразования из-за усиления безызлучательных Оже-процессов при высокой концентрации носителей.

Отметим также, что большое расстояние от p-n-перехода до корпуса (>100 мкм) в известном диоде создает невыгодные условия для отвода тепла; тепловое сопротивление в таких приборах согласно [7] достигает 75 К/Вт, а перегрев активной области по оценкам, сделанным в [13] составляет ΔТ=25-70 К. Еще большие значения перегрева активной области (ΔТ~100 К) при синусоидальном токе с амплитудой 300 мА приводятся в работе [14], рассматривающей близкие по конструктивным особенностям СД из InGaAs, излучающие на длине волны 3.3 мкм и имеющие форму параллелепипеда 800×800 мкм² с точечным контактом, занимающим 20% излучающей поверхности.

Джоулев разогрев также ведет к снижению коэффициента преобразования при увеличении длительности токового импульса в режиме большой скважности питания светодиода, имеющего место во всех без исключения СД с точечным контактом [4, 5, 6, 7, 10, 11]. Существенное уменьшение регистрируемой мощности (или коэффициента преобразования) составило около 3 раз при увеличении длительности импульса тока от 50 до 1000 мкс (I=0.6 A, f=500 Гц) [6]. Еще большее снижение эффективности имело место при переходе от импульсного режима (10 мкс, 1 кГц), к непрерывному, при котором коэффициент преобразования при токе 100 мА уменьшался с 0.9 мВт·см²·А^-1 до 0.17 мВт·см²·А^-1 5, 4].

Известен полупроводниковый диод для средневолнового инфракрасного диапазона спектра, включающий p- и n-области, разделенные p-n-переходом, токоподводящие контакты, расположенные на двух сторонах диода, электрически связанные с p-n-переходом и контактами [15], в котором токоподводящие контакты на световыводящей поверхности светодиода выполнены в виде квадратной сетки, состоящей из соединенных между собой металлических полосок шириной 25 мкм, расположенных с шагом 150 мкм. Благодаря использованию сетчатого контакта удалось увеличить мощность излучения СД на длине волны ~2 мкм в ~1.5 раза по сравнению с контрольными диодами, имевшими точечный контакт.

Недостатком известного диода является невысокая эффективность, связанная с концентрацией линий тока вблизи «полосковых» контактов и высокой скоростью Оже-рекомбинации в областях с повышенной плотностью тока.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является полупроводниковый диод для средневолнового инфракрасного диапазона спектра, включающий гетероструктуру, содержащую подложку и эпитаксиальные слои p- и n-типа проводимости, разделенные p-n-переходом, неактивную и активную области, электрически связанные с упомянутым p-n-переходом и разделенные мезой травления на эпитаксиальной поверхности, контакты, при этом контакт к активной области расположен на упомянутой поверхности. При этом контакт к неактивной области известного диода выполнен в виде «полумесяца» или «подковы», с трех сторон охватывающей активную область на основе гетероструктуры InAs/InAsSb; проекция активной области на плоскость p-n-перехода представляет собой круг или диск [16]. Высота мезы (это эквивалент понятию «глубина травления мезы») авторами [16] не указана, видимо из предположения о несущественности этого параметра для работы прибора. Мы полагаем, что высота мезы в известном диоде не более 10 мкм. Преимуществом известного полупроводникового диода, известного в литературе, как «флип-чип диод» [17, 18, 19, 20], является близость p-n-перехода к теплоотводу и возможность изготовления широкого отражающего контакта (анода), увеличивающего долю излучения, направленного к световыводящей поверхности; согласно [21] это увеличение в зависимости от расстояния между контактом и p-n-переходом может составить от 2 до 4 раз по сравнению с диодом без зеркального контакта.

Важным следствием широкого омического контакта, расположенного в непосредственной близости от p-n-перехода является также сохранение большой излучающей площади при больших токах. Это свойство является непременным условием получения максимальной мощности излучения, поскольку при больших плотностях тока, характерных для диодов с небольшой площадью контакта существенно вырастают скорости безызлучательных Оже-процессов [17].

Недостатком известного полупроводникового диода, принятого нами за прототип, является невысокая яркость излучения, связанная с невысоким коэффициентом вывода излучения. Этот недостаток происходит от большой удаленности мезы от краев гетероструктуры - в известном решении минимальное расстояние между проекциями края круглой мезы и краями прямоугольного диода на поверхность подложки L согласно чертежу составляет 250 мкм, при этом диаметр мезы составляет 280 мкм. Из-за большой удаленности мезы от граней (краев диода) последние не могут участвовать в перенаправлении излучения распространяющегося от активной части p-n-перехода под большими углами к поверхности. В результате, большая часть из них не выходит наружу, приводя к невысокой эффективности и низкой яркости излучения. Помимо этого, согласно утверждениям в работе [16], «к недостаткам флип-чип конструкции следует отнести негомогенное растекание токов по кристаллу».

Задачей заявляемого изобретения является разработка такого диода для среднего инфракрасного диапазона спектра, который бы имел повышенные эффективность и яркость излучения, в том числе за счет гомогенного растекания токов по кристаллу.

Поставленная задача решается тем, что в полупроводниковом диоде для средневолнового инфракрасного диапазона спектра, включающем гетероструктуру, содержащую подложку и эпитаксиальные слои p- и n-типа проводимости, разделенные p-n-переходом, неактивную и активную области, электрически связанные с упомянутым p-n-переходом и разделенные мезой травления на эпитаксиальной поверхности, и контакты, по крайней мере один из которых расположен на поверхности упомянутой мезы, а контакт к неактивной области расположен сбоку от активной области и имеет поперечный размер вдоль упомянутой поверхности в направлении, проходящем между контактом к неактивной областью и упомянутой мезой, соразмерный с максимальным размером мезы в том же направлении, а минимальное расстояние между проекциями краев мезы и диода на поверхность подложки L, по крайней мере, для двух ортогональных направлений вдоль поверхности подложки выбирают из интервала:

0.8*D≥L≥D/20,

где D - диаметр вписанной в проекцию мезы окружности.

В полупроводниковом диоде меза может иметь расширение в направлении от эпитаксиальной поверхности к подложке, а ее высота может составлять 20-80 мкм.

В полупроводниковом диоде проекция активной области на плоскость p-n-перехода может представлять собой фигуру, в которой, по крайней мере, две пары элементов расположены симметрично относительно центра контакта и являются частью прямоугольника или квадрата.

В полупроводниковом диоде проекция контакта к активной области на плоскость p-n-перехода может представлять собой фигуру, в которой, по крайней мере, две пары элементов расположены симметрично относительно центра контакта и являются частью прямоугольника или квадрата.

В полупроводниковом диоде проекция контакта к активной области на плоскость p-n-перехода имеет округления в вершинах прямоугольника или квадрата.

В полупроводниковом диоде активная область может содержать InAs или InAsSb или InAsSbP или InGaAsSb или InAsGaSbP. Указанные полупроводники могут быть как «плоскими» (например, в сверхрешетках или квантовых ямах), так и «трехмерными» (например, в квантовых точках).

Полупроводниковый диод может содержать гетеропереходы InAs/InAsSb или InAs/InAsSbP или InAs/InGaAsSb или InAs/InAsGaSbP или InAs/InGaAsSb, InAs/InGaAsSbAI. Указанные гетеропереходы могут быть как «плоскими» (например, в сверхрешетках или квантовых ямах), так и «трехмерными» (например, в квантовых точках).

Полупроводниковый диод может содержать гетеропереходы GaSb/InAsSb или GaSb/InAsSbP или GaSb/InGaAsSb или GaSb/InAsGaSbP или GaSb/InGaAsSb, GaSb/InGaAsSbAI. Указанные гетеропереходы могут быть как плоскими (например, в сверхрешетках или квантовых ямах), так и «трехмерными» (например, в квантовых точках).

В полупроводниковом диоде подложка может быть выполнена из арсенида индия или InGaAsSb с электронным типом проводимости и концентрацией электронов n, выбираемой из интервала 5·10¹⁷ см^-3>n>5·10¹⁸ см^-3

В полупроводниковом диоде один из контактов может граничить с подложкой арсенидом индия.

В полупроводниковом диоде контакт(ы) к p-области могут быть выполнен(ы) из последовательности металлических слоев Cr-Au_1-wZn_w-Ni-Au, в которой слой из Сr примыкает к поверхности p-области, a w=0.01-0.2.

В полупроводниковом диоде контакт(ы) к n-области могут быть выполнен(ы) из последовательности металлических слоев Cr-Au_1-vGe_v-Ni-Au, причем слой из Сr примыкает к поверхности n-области, a v=0-0.2.

В полупроводниковом диоде подложка может быть выполнена из InAsSbP с электронным типом проводимости

В полупроводниковом диоде подложка может быть выполнена с градиентом состава в направлении, перпендикулярном p-n-переходу.

В полупроводниковом диоде свободная от эпитаксиальных слоев поверхность подложки может иметь периодическую структуру в виде фотонного кристалла, по крайней мере, в области над активной частью p-n-перехода.

В полупроводниковом диоде свободная от эпитаксиальных слоев поверхность подложки может иметь хаотичную структуру, состоящую из остроконечных пирамид или ямок, по крайней мере, в области над активной частью p-n-перехода.

В полупроводниковом диоде свободная от эпитаксиальных слоев поверхность подложки может иметь выпуклую поверхность, по крайней мере, в области над активной частью p-n-перехода.

В отличие от полупроводникового диода - прототипа, в заявляемом диоде из-за невысокого значения минимального расстояния между проекциями края мезы и края диода на поверхность подложки L, по крайней мере, для двух ортогональных направлений вдоль поверхности подложки значительная часть излучения, распространяющегося от прямосмещенного p-n-перехода под большими углами, отражается от внутренней поверхности края диода и перенаправляется к излучающей поверхности; при этом возрастает доля вышедшего из полупроводника излучения и эффективность диода увеличивается. В несимметричном диоде, размеры которого определяются, в том числе, и факторами, обеспечивающими технологичность изделия, важно иметь хотя бы два ортогональных направления, в которых увеличена доля перенаправляемого излучения. Создание контакта к неактивной области сбоку от активной области с поперечным размером вдоль упомянутой поверхности в направлении, проходящем между контактом к неактивной областью и упомянутой мезой, соразмерным с максимальным размером упомянутой мезы в том же направлении, обеспечивает минимальное расстояние от края мезы для большинства ортогональных направлений на поверхности структуры из-за отсутствия необходимости резервировать участок структуры для создания на нем контакта при сохранении возможности электрического подсоединения к p-n-переходу. В оптимальном случае - чипа прямоугольной или квадратной формы - имеется три направления, где указанное расстояние минимально. Последнее достигается тем, что поперечным размер контакта соразмерен размеру мезы (т.е. равен ему или незначительно отличается от него), при этом достигается минимум значения последовательного (контактного) сопротивления при выбранных (например, исходя из экономических соображений) геометрических размерах чипа, а также сохраняется возможность проведения таких важных операций сборки, как разварка или распайка контактных проводников к чипу (к p- n-слоям).

При удаленности мезы от края диода (создание условий, при которых 0.8*D<L, где D - диаметр вписанной в проекцию мезы окружности) эффект отражения излучения от внутренних краев диода подавляется и эффективность диода падает. Существенное влияние удаленности мезы от края диода на характеристики излучения - это особенность диодов средневолнового диапазона спектра, в которых вероятность фотонного переноса носителей или изменения направления движения фотонов в результате процесса «фотон-»электронно-дырочная пара→фотон» пренебрежимо мала из-за невысокого значения внутреннего квантового выхода (ή<<1). Максимальное значение квантового выхода опубликованное для арсенида индия составляет ή~24% при низких уровнях концентрации неравновесных носителей. В рабочих условиях (т.е. при больших токах) значение квантового выхода существенно меньше указанной величины.

При чрезмерной близости края диода к мезе (т.е. при выполнении условия L<D/20) дефекты структуры, характерные для краев диода, полученных при разламывании или резке гетероструктуры на отдельные чипы (диоды), снижают эффективность диода, например, увеличивают величину обратного тока диода, работающего в фотодиодном режиме или увеличивают токи утечки в прямом направлении (режим СД).

Выполнение в полупроводниковом диоде расширения в направлении от эпитаксиальной поверхности к подложке с высотой мезы 20-80 мкм увеличивает эффективность свето(фото)диода, поскольку обеспечивает увеличенную долю отраженных и покидающих полупроводник(входящих в p-n-переход) лучей. Для плоских стенок оптимальный угол наклона стенок мезы к плоскости подложки составляет 45 град.; стенки мезы могут быть криволинейными, например, параболическими, при этом эффект увеличения эффективности за счет «внутреннего оптического концентратора» сохраняется. Форма «внутреннего оптического концентратора» может быть в виде конуса (круглая меза), в виде усеченной пирамиды (прямоугольная или квадратная меза) и др..

Отсутствие расширения в направлении вывода излучения или сужения в направлении ввода излучения ведет к невозможности эффективного перенаправления излучения; так, например, для параллельного пучка падающего нормально к поверхности диода вертикальность стенок не позволяет увеличить оптическую площадь сбора излучения за счет перенаправления пучков излучения, распространяющихся рядом с мезой. Для мелкой мезы, высотой менее 20 мкм, эффект перенаправления излучения несущественен; слишком высокие мезы (>80 мкм) также неэффективны, т.к. в них увеличивается доля поглощенного излучения из-за большой толщины преодолеваемых фотонами слоев.

Выполнение в полупроводниковом диоде активной области с проекцией на плоскость p-n-перехода в виде фигуры, в которой, по крайней мере, две пары элементов расположены симметрично относительно центра контакта и являются частью прямоугольника или квадрата обеспечивает максимальное заполнение/площадь в диоде прямоугольной или квадратной формы - наиболее распространенной формы чипов, используемой в условиях производства. Максимальное заполнение, т.е. получение максимально возможной при данных условиях площади активной области обеспечивает максимально возможный коэффициент преобразования для работы СД в прямом направлении поскольку скорость безызлучательной Оже-рекомбинации пропорциональна плотности тока в степени 3/2. Форма активной области может незначительно отличаться от квадрата или прямоугольника, например, за счет округления углов, происходящего при химическом вытравливании мезы. Отличие формы поверхности активной области (мезы) от квадрата или прямоугольника при химическом травлении тем больше, чем меньше поперечные размеры мезы и чем больше ее глубина.

В фотодиодном режиме использование предлагаемой квазипрямоугольной формы активной области также приводит к увеличению эффективности работы ФД, т.к. происходит увеличение эффективной площади сбора фотонов за счет приближения краев мезы к краям чипа. Поэтому выполнение в полупроводниковом диоде активной области с проекцией на плоскость p-n-перехода в виде фигуры, в которой, по крайней мере, две пары элементов расположены симметрично относительно центра контакта и являются частью прямоугольника или квадрата также повышает эффективность/чувствительность фотодиода поскольку создают условия для эффективной концентрации излучения.

Выполнение в полупроводниковом диоде контакта к активной области с проекцией на плоскость p-n-перехода в виде фигуры, в которой, по крайней мере, две пары элементов расположены симметрично относительно центра контакта и являются частью прямоугольника или квадрата обеспечивает максимальное заполнение поверхности мезы линиями тока или, другими словами, растекание тока по площади мезы в случаях, когда латеральное сопротивление сравнимо с сопротивлением p-n-перехода. Равномерное растекание тока ведет к минимально возможному при прочих равных условиях значению плотности тока, т.е. к максимально возможному значению эффективности преобразования.

Выполнение в полупроводниковом диоде контакта к активной области, имеющего округления в вершинах прямоугольника или квадрата увеличивает величину пробивного напряжения поскольку уменьшает напряженность электрического поля, максимальное значение которого имеет место в «углах» контакта. Создание округлений таким образом приводит к более предсказуемой работе диода и к большим значениям удельной обнаружительной способности при U<0, поскольку уменьшаются обратные токи в предпробойном режиме. Для светодиодного режима (U>0) округления также положительно сказываются на характеристиках, т.к. при их наличии уменьшаются утечки тока и связанные с ними локальные перегревы структуры. Отсутствие локальных перегревов в диодах со скругленными контактами формируют основу для его долговременной работы.

Выполнение в полупроводниковом диоде активной области из InAs или InAsSb или InAsSbP или InGaAsSb или InAsGaSbP обеспечивает возможность получения диодов, минимально поверженных влиянию влаги и/или химических реагентов. Альтернативные материалы, например, халькогениды свинца или материалы А2В6, не обладают указанной стойкостью и их использование не позволяет создавать диоды, долговременно работающие в жестких эксплуатационных условиях.

Выполнение в полупроводниковом диоде гетеропереходов вида InAs/InAsSb или InAs/InAsSbP или InAs/InGaAsSb или InAs/InAsGaSbP или InAs/InGaAsSb, InAs/InGaAsSbAl или GaSb/InAsSb или GaSb/InAsSbP или GaSb/InGaAsSb или GaSb/InAsGaSbP или GaSb/InGaAsSb, GaSb/InGaAsSbAI обеспечивает возможность получения диодов с наилучшей долговременной стабильностью свойств, поскольку указанные материалы обладают сильными химическими связями [22], обеспечивающими стабильность металлургических границ раздела, т.е. обеспечивают стабильность химического состава и фазы. Альтернативные гетеропереходы, например, на основе халькогенидов свинца или материалов А²В⁶, не обладают указанными свойствами. Помимо этого для структур из материалов А²В⁶ характерна пространственная неоднородность при больших размерах структур [23].

Выполнение в полупроводниковом диоде подложки из арсенида индия или InGaAsSb с электронным типом проводимости и концентрацией электронов n, выбираемой из интервала 5·10¹⁷ см^-3>n>5·10¹⁸ см^-3 обеспечивает одновременно хороший теплосъем за счет стыковки эпитаксиальной стороны чипа и держателя и высокую прозрачность для выводимого или вводимого в диод излучения для длин волн 2.5-3.6 мкм благодаря эффекту Мосса-Бурштейна. Твердый раствор InGaAsSb может иметь близкие к InAs ширину запрещенной зоны и период решетки, и является его аналогом, в том числе и в части появления прозрачности благодаря эффекту Мосса-Бурштейна. Существуют способы получения достаточно толстых сильно легированных слоев n-InGaAsSb (5·10¹⁷ см^-3>n>5·10¹⁸ см^-3) постоянного состава, которые можно использовать в качестве подложек [18]. При концентрациях электронов выше, чем n>5·10¹⁸ см^-3, поглощение на свободных носителях становится весьма заметным и увеличения прозрачности (и эффективности) не происходит. При концентрациях, меньших n<5·10¹⁷ см^-3, вырождение электронов в зоне проводимости несущественно и увеличения прозрачности/эффективности на длинах волн 2.5-3.6 мкм не происходит.

Выполнение в полупроводниковом диоде контакта, граничащего с подложкой арсенида индия с концентрацией электронов n, выбираемой из интервала 5·10¹⁷ см^-3>n>5·10¹⁸ см^-3, обеспечивает крайне низкие значения сопротивления контактов и сопротивления растекания в латеральном направлении. Этим обеспечивается с одной стороны минимальность Джоулевого разогрева контакта, а с другой - однородность растекания тока, следствием которых является высокая эффективность при больших токах. Создание контакта к другим областям, например к эпитаксиальным слоям n-типа проводимости, в которых нет вырождения электронов в зоне проводимости менее целесообразно, поскольку это увеличивает последовательное сопротивление и может привести к неоднородности токопрохождения (негомогенности растекания тока по кристаллу).

Выполнение в полупроводниковом диоде контакта(ов) к p-области из последовательности металлических слоев Cr-Au_1-wZn_w-Ni-Au, в которых слой из Сr примыкает к поверхности p-области, a w=0.01-0.2, обеспечивает с одной стороны низкое контактное сопротивление, хорошую адгезию к поверхности и механическую прочность контакта в целом, а с другой - обеспечивает высокую отражательную способность контакта для границы раздела металл/полупроводник (R≥60%), что важно для повышения эффективности излучения (режим СД) и эффективности фотопреобразования фотон→электронно-дырочная пара (режим ФД). Нам не известны опубликованные данные о коэффициенте отражения и механической прочности для других контактов в средневолновых диодах, для изученной нами системы Cr-Au_1-wZn_w-Ni-Au наилучшие значения эффективности достигаются при w=0.01-0.2.

Выполнение в полупроводниковом диоде контакта(ов) к n-области из последовательности металлических слоев Cr-Au_1-vGe_v-Ni-Au, в которых слой из Сr примыкает к поверхности n-области, a v=0-0.2, обеспечивает низкое контактное сопротивление, хорошую адгезию к поверхности и механическую прочность контакта в целом. Нам не известны опубликованные данные о свойствах других контактов в средневолновых диодах; для изученной нами системы Cr-Au_1-wGe_w-Ni-Au наилучшие значения эффективности достигаются при v=0-0.2.

Выполнение в полупроводниковом диоде подложки из InAsSbP с электронным типом проводимости обеспечивает возможность эффективного вывода излучения через нее, поскольку она прозрачна для составов твердого раствора InAsSbP, имеющих период решетки близкий к периоду решетки арсенида индия и твердых растворов, используемых для создания активных областей диодов средневолнового диапазона спектра.

Выполнение в полупроводниковом диоде подложки с градиентом состава в направлении, перпендикулярном p-n-переходу, обеспечивает уменьшение дефектности структуры в тех случаях, когда период решетки активного слоя существенно отличается от периодов решеток бинарных полупроводников, обычно используемых для начальных стадий роста или для отработки технологии - InAs или GaSb.

Формирование на свободной от эпитаксиальных слоев поверхности подложки полупроводникового диода периодической структуры в виде фотонного кристалла (ФК) позволяет наложить дифракционные условия на волновой вектор выходящих из оптически плотной среды (полупроводника) фотонов и увеличить тем самым эффективный угол полного внутреннего отражения, т.е. существенно (до 8 раз) повысить мощность излучения. Дополнительные преимущества возникают при фокусировке (сужении диаграммы направленности), обеспечиваемой некоторыми видами ФК.

Формирование на свободной от эпитаксиальных слоев поверхности подложки полупроводникового диода хаотичной структуры в виде остроконечных пирамид или ямок не позволяет получить сужение диаграммы направленности излучения, однако также приводит к повышению мощности излучения за счет уменьшения коэффициента отражения на границе полупроводник/воздух и за счет некоторого увеличения «эффективного угла» полного внутреннего отражения. Способы создания хаотичного рельефа более экономичны, чем способы создания ФК.

Выполнение в полупроводниковом диоде свободной от эпитаксиальных слоев поверхности подложки с выпуклой поверхностью, по крайней мере, в области над активной областью обеспечивает увеличение мощности излучения за счет уменьшения угла падания для многих лучей, исходящих из активной области и увеличивает чувствительность диода в фотодиодном режиме, поскольку, увеличивает площадь сбора излучения от удаленного источника (объекта).

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где:

на фиг.1 схематически изображен первый вариант воплощения заявляемого диода в продольном разрезе (вверху фиг.1) и сверху (внизу фиг.1), в котором меза имеет форму цилиндра; пунктирной стрелкой показаны лучи, выходящие из края полупроводникового кристалла;

на фиг.2 схематически изображен второй вариант воплощения заявляемого диода в продольном разрезе (вверху фиг.2) и сверху (внизу фиг.2), в котором меза имеет круглую (конусообразную) форму; меза расширяется в направлении вывода излучения.

на фиг.3 схематически изображен третий вариант воплощения заявляемого диода в продольном разрезе (вверху фиг.3) и сверху (внизу фиг.3), в котором меза имеет близкую к квадрату проекцию на плоскость p-n-перехода;

на фиг.4 и 5 схематически показаны четвертый и пятый варианты воплощения заявляемого диода в продольном разрезе (вверху фиг.4, 5) и сверху (внизу фиг.4, 5) в которых меза имеет близкую к квадрату проекцию на плоскость p-n-перехода и разноуровневые контакты;

Полупроводниковый диод для средневолнового диапазона спектра электромагнитного излучения (1), включает гетероструктуру, содержащую подложку (2) и эпитаксиальные p- и n-слои (3, 4), разделенными p-n-переходом (5), токоподводящие контакты (6, 7), расположенные со стороны эпитаксиальной поверхности, неактивную (8) и активную (9) области, разделенные мезой травления на эпитаксиальной поверхности (10) и электрически связанные с p-n-переходом (5) и контактами (6, 7), контакт к неактивной области (7), расположенный сбоку от активной области (9). На фиг.1-5 также показаны поперечный размер контакта к неактивной области вдоль эпитаксиальной поверхности в направлении, проходящем между контактом к неактивной областью и упомянутой мезой (11), максимальный размер мезы в том же направлении (12), минимальное расстояние между проекциями краев мезы высотой (17) и диода на поверхность подложки для двух ортогональных направлений вдоль поверхности подложки L (13), диаметр вписанной в проекцию мезы окружности D (14) и высота мезы (15). В первых трех вариантах (фиг.1, 2, 3) меза сформирована путем вытравливания канавки, разделяющей активную и неактивную области, при этом контакт к активной области и часть контакта к неактивной области находятся на одном уровне (на одном и том же полупроводниковом материале). Электрическое соединение с областью с проводимостью, имеющей противоположный знак по отношению к проводимости полупроводника, находящегося непосредственно под контактом в активной области, осуществляется за счет углубленной части контакта со сложной формой поверхности (7), расположенного вне p-n-перехода (технология «флип-чип», предполагающая монтаж диода на специализированную плату, изготовленную, например, из полуизолирующего кремния [16] - на фиг. не показана). Штриховыми стрелками показан ход лучей при подаче на p-n-переход прямого смещения (режим СД).

Четвертый вариант воплощения заявляемого полупроводникового диода для средневолнового инфракрасного диапазона спектра электромагнитного излучения 1 (см. фиг.4, 5) отличается от первых двух тем, что меза получена удалением (стравливанием) p-n-перехода вне мезы так, что меза «возвышается» над чипом, а контакты расположены на разных уровнях. При этом контакт (7) расположен на плоской поверхности и не имеет соприкосновения с p-n-переходом. Контакт (7) может быть плоским или иметь заметный объем, образующийся, например, при пайке индием или другим припоем. Штриховыми стрелками показан ход лучей при использовании диода в фотодиодном режиме, а жирными линиями показаны токопроводящие проводники к активной (16) и неактивной (17) областям. Токопроводящие проводники могут быть припаяны или приварены термокомпрессионной или ультразвуковой сваркой к контактным площадкам 6 и 7. На фиг.4, 5 показана меза со сложной формой поверхности, наклон стенок мезы изменяется с расстоянием до ее вершины.

Заявляемый полупроводниковый диод для средневолнового диапазона спектра электромагнитного излучения работает следующим образом. Внешний источник энергии, например, источник тока (напряжения), подключают непосредственно к токопроводящим контактам 6, 7 или через токоподводящие проводники 16, 17 и подают прямое электрическое смещение на p-n-переход, инициирующее инжекцию неравновесных носителей в активную область 9. Инжектированные носители рекомбинируют с выделением оптического излучения в средней ИК области спектра. Сформированные таким образом фотоны покидают области вблизи p-n-перехода и сам диод (см. штриховые стрелки на Фиг.1 и 2), создавая вовне поток неравновесного излучения средневолнового диапазона.

Во втором варианте работы заявляемого полупроводникового диода для средневолнового диапазона спектра электромагнитного излучения (фиг.4) к токопроводящим контактам 6, 7 через токоподводящие проводники 16, 17 подается напряжение отрицательной полярности. При этом p-n-переход 5 смещается в обратном направлении, и неосновные носители заряда вытягиваются из областей, прилегающих к p-n-переходу на расстоянии порядка диффузионной длины носителей. Из-за истощения носителями указанных областей нарушается термодинамическое равновесие, т.е. возникают условия, при которых n·p<(n_i)2, где n_i - собственная (равновесная) концентрация носителей заряда) и истощенные области вблизи от p-n-перехода 5 начинают поглощать излучение из внешней среды (см. штриховые стрелки на фиг.4) в большей степени, чем испускать его. Таким образом создается поток отрицательной люминесценции, т.е. понижение излучательной способности источника - излучающей поверхности диода - ниже равновесного для данной температуры уровня [24]. Диод с истощенными областями (т.е. включенный в обратном направлении) представляет собой также устройство с улучшенными характеристиками применительно к регистрации внешнего излучения, т.е. он работает как эффективный приемник излучения [25]. При этом источник излучает вовне отрицательное, а принимает положительное излучение от внешнего объекта. Для выделения полезного сигнала (сигнала от внешнего источника) необходимо подключить помимо источника смещения еще и схему регистрации фототока/напряжения.

В третьем варианте работы заявляемого полупроводникового диода для средневолнового диапазона спектра электромагнитного излучения (фиг.4) непосредственно к токопроводящим контактам 6, 7 или через токоподводящие проводники 16, 17, соединенные с контактами, подключается измеритель тока или напряжения или регистратор отклонения значений тока и напряжения от их равновесных значений. При этом при попадании в область вблизи от p-n-перехода 5 фотонов с энергией, соразмерной с шириной запрещенной зоны активной области (см. штриховые стрелки на фиг.4), p-n-переход при разомкнутой цепи смещается в обратном направлении, т.е. появляется ЭДС, значение которой зависит от величины потока неравновесного излучения. В короткозамкнутой цепи при попадании в область вблизи от p-n-перехода 5 квантов появляется фототок, величина которого пропорциональна количеству поглощенных квантов, т.е. пропорциональна количеству квантов, испущенных регистрируемым объектом.

Пример 1. Диод изготавливался в ООО «Иоффе ЛЕД» на основе двойных гетероструктур, которые выращивались методом ЖФЭ и состояли из нелегированной подложки n-InAs (111)A (n=1÷2·10¹⁶ см^-3)(2) и трех эпитаксиальных слоев: прилег