Оптика фемтосекундных лазерных импульсов - Ахманов С.А.
ISBN 5-02-013838-Х
Скачать (прямая ссылка):
Поскольку ток сигнала растет пропорционально М, а шумовой ток — пропорционально MF^2, то каждому заданному отношению сигнал-шум соответствует пределенный оптимальный коэффициент умножения Мопт. Значение /И0Пт зависит от /т, k, скорости пе-
.156 редачи информации, допустимой вероятности ошибки и уровня шума предусилителя, соединенного с фотодетектором. Для InGaAs/InP-ЛФД при скорости передачи информации 1,3 Гбит/с, вероятности ошибки IO-9 бит, чувствительности 5 = 0,6 А/Вт, использовании высокоомного предусилителя на GaAs-полевых транзисторах (ПТ) теМНОВОМу TOKy /Т=Ю НА СООТВеТСТВуеТ AfonT-14 (k=\) и 24 (? = 0,3). При уменьшении It до 1 нА значения М0т возрастают до 15 и 27 соответственно.
Важной характеристикой фотодиода, показывающей его способность регистрировать слабые оптические сигналы при высокой скорости их передачи, является произведение коэффициента умножения на полосу пропускания MB. Кремниевые ЛФД характеризуются коэффициентом M?—100 ГГц. Наивысшее значение MB в области длин волн 1,3 и 1,5 мкм в настоящее время имеют InGaAs/InGaAsP/InP-ЛФД (рис. 6.11,а) [175]. В таких детекторах применяются слаболегированные (Nd, Na^: IO16 см-3) эпитаксиальные слои Ini-sGaxAsyPi-y, имеющие согласованные решетки с соседними слоями InP и InGaAs. Для устранения туннельной компоненты темнового тока в ЛФД используются гетеропереход-ные структуры с раздельными областями поглощения света и умножения фототока, поэтому первичный темновой ток у таких детекторов составляет единицы или даже доли наноампера. Благодаря использованию переходных слоев с промежуточной шириной запрещенной зоны или варизонных квантоворазмерных слоев уменьшено накопление зарядов на поверхностях разделов гетеропереходов и резко улучшена частотная характеристика — быст-
S, фот. /бит
-IZ
-ю
Рис. 6.II. Поперечное сечение InGaiAs/InGaAsP/InP-ЛФД (а), предельная чувствительность S высокоскоростных фотоприемников в зависимости от скорости передачи информации Rn (б) и поперечное сечение волноводного ИО-фотодетек-тора на основе барьера Шотки (в):
На рнс. 6.П,а,в: /, S — омические контакты; 2 — подложка р-1пР; 3 — р-InP (толщина 3 мкм; JVa=2-1018 см-»); 4 — Л-ІПР (0.5 мкм; 4,5-10'« см-3); S-Zi-In07Ga03As0 65P0 35 (0,15 мкм-. 2-10'« см-3); S-^-In0 58Ga0 42As083P007 (0,15 мкм; 2-Ю1« 'см-3)'; '-^--In0 53Ga0 47As (10 мкм; 8- IO'5 CM-3); 9 — подводящий контакт; 10 — подложка n+-GaAs; 11 — волноводный слой /I-GaAs; 12 — фоточувствнтельный слой IllGaAs- 13 — контакт Шоткн На рнс. 6.11.6: / —Ge-ЛФД; 2 — p—t—n-днод; 3 — InGaAs-ЛФД
.157 родействие выросло по крайней мере на 2 порядка. Высокая квантовая эффективность приемников (более 80%) достигается при использовании окна из широкозонного материала и просветляющего покрытия.
Лавинные фотодиоды на основе InGaAs/InGaAsP/InP позволяют получить длительность импульса фотоотклика менее 200 пс при умеренном коэффициенте умножения (JW^lO) и характеризуются произведением MB-15... 20 ГГц. Однако подобная структура с раздельными областями поглощения света и умножения фототока, в которой была уменьшена общая толщина обедненной области InGaAs (для уменьшения времени пролета свободных носителей), использована подложка с низким сопротивлением (для уменьшения постоянной времени RC), введен дополнительный переходный слой InGaAsP (для эффективного удаления дырок, захваченных на поверхностях раздела гетеропереходов) и увеличена концентрация носителей в области умножения InP (для уменьшения времени нарастания лавины), позволила создать высокоскоростной InGaAs/InGaAsP/InP-ЛФД с рекордно высоким значением MB (60 ГГц) [176].
Схема данного ЛФД показана на рис. 6.11,а. Использовалась подложка InP, ориентированная по плоскости (100) и легированная цинком (jVa^l-IO19 см^3). Слои наращивались методом жид-кофазной эпитакоии. Мезаструктура с освещением со стороны подложки монтировалась в корпус с низкой (<0,1 пФ) емкостью. Диаметр фоточувствительной площадки составил 50 мкм, квантовая эффективность 62%. Минимальная длительность импульса фототока равнялась 80 пс и определялась вкладами РС-постоян-ной (ДС—35 пс) и эффективного времени пролета, включающего время нарастания лавины (т«45 пс). Произведение Af? = 60 ГГц имело место при 8<А1<20. Все измерения проводились на длине волны излучения 1,3 мкм.
В настоящее время многие ЛФД изготавливаются в мезаструк-турной геометрии. Однако получение высоконадежных детекторов и расширение их области высокой спектральной чувствительности требует перехода к планарной геометрии [175]. Важной задачей при создании планарных структур является формирование охранного кольца, которое имеет значительно большее напряжение пробоя, чем у лавинного перехода. Охранные кольца удовлетворительного качества можно формировать в InP низкотемпературной диффузией Zn или Cd, диффузией Cd через пленку SiO2 или имплантацией ионов Bc1".
В планарной InGaAs/InGaAsP/InP-структуре ЛФД было достигнуто значение MB= 35 ГГц при времени установления лавины 4 пс [177]. На подложке ге+-1пР методом эпитаксии из газовой фазы были последовательно выращены слои: га-1пР (буферный), M--InGaAs (толщина 3...3,5 мкм, N= (3... 8) 1015 см-3), ra-InGaAsP (<0,1 мкм, <; IOie см-3), n-InP (1... 1,5 мкм, 2-Ю18 см-3) и re--InP (1,5...2 мкм, 3-Ю15 см-3). Защитное кольцо формировалось имплантацией ионов Be+ (с дозой 5-Ю13 см-2 158 и энергией 100 кэВ), а р+—га-переход для светочувствительной области — диффузией Cd. Для пассивации и просветления поверхности плазменным распылением наносился двойной слой SiN5JSiO2. Омические контакты к InP р+- и га+-типа формировались путем нанесения слоев Ti/Pt/Au и Au : Ge/Ni соответственно и последующим их вжиганием. Напряжение пробоя составляло 60 ... 70 В, усиленный темновой ток—1 ... 10 нА, коэффициент избыточного шума ґ = 5-.. 6 при М = 10, емкость перехода не превышала 0,5 пФ. Значение MB — 35 ГГц наблюдалось в полосе 0,8... 2 ГГц.
