InGaAs光検出器の構造

InGaAs光検出器の構造

約1300nm~1550nmで動作するInGaAs/InP PINウェハ上に製造された光検出器の需要が大幅に増加しています。 これは、次のような半導体ウェーハファウンドリにとって朗報です。パム-アモイは、電子デバイスおよびパワーデバイス製造用の半導体基板とエピタキシャルウェーハを提供しています。 PIN 光検出器用の InGaAs ウェーハは、PAM-XIAMEN の重要なエピタキシーウェーハの 1 つです。 以下の InGaAs 光検出器の特定のエピタキシャル構造を例に挙げます。

InGaAs光検出器ウェハ

1. InGaAs/InP光検出器のエピタキシー構造

No.1 InGaAs/InPヘテロ構造

材料 X 厚さ(nm) ドーパント ドーピング濃度
InP   1000 N(硫黄) 3e16
In(x)GaAs 0.53 3000 U / D 5e14
InP   500 N(硫黄) 3e16
基板     SI(Fe)  

 

No.2 InGaAs光検出器ウェハ

PAM200624-INGAAS

材料 ドーピング (cm-3) 厚さ(nm)
P++InGaAs 100
P+InGaAs
i-InGaAs
n+インプ 5 * 1018(シ)
i-InGaAs ドーピングなし
i-InP
半絶縁体InP 基板

リマーク:

1) この構造は 1550nm の波長検出器 (PD) として使用できます。

2) P + InGaAs に Zn をドープしたものを使用する方が良いです。これにより PD 特性が向上し、InP 層を P + InGaAs の下に追加する必要があります。 元の設計を維持したい場合は、元の設計に基づいて P + InGaAs の下に P AlInAs の層を追加することをお勧めします。これにより、PD 特性も改善できます。

3) 接触式検出器の構造は図のようになります。

InGaAs光検出器の構造

No.3 単一光子光検出器用の InP 基板上の InGaAs

PAMP20345-INGAAS

リン化インジウム基板上に InGaAs に基づく吸収領域を備えた単一光子光検出器のヘテロ構造

製造技術 –MOCVD

直径 – 50.8 mm

基板材料 – InP

基板の厚さ – 350+/-25um

いいえ ドーピングの種類 材料 厚さ、nm ドーピング、cm-3 注意
1 n InP 500±25
2 n InGaAs
3 インガアルアス Inは0.53、Alのモル分率は0.01、Gaのモル分率は0.46、ドーピングなし。
4 n+++ InAlGaAs 1E15
5 p InP
6 InP 3700

 

SEMI-EJ を図に示します。

InGaAs受光素子ウェハのSEMI-EJ

マーク:

この構造のPL波長は-1.55um、波長範囲は-1.0~1.7umです。

濃度許容範囲は +/-15% である必要があります。

導波路光検出器を作製するための No.4 PIN ウェハ

PAM200519 – イングアス

InP基板に基づく:

n-InP: 250nm Nc>~

In0.55Ga0.45As: ~nm Nc~

p-InP: ~nm Nc>10^18

エピ層の粗さ、Ra<0.5nm

片面研磨

2. 光検出器用の InGaAs エピタキシャル構造

PIN 用の No.1 1550nm InGaAs エピ構造について詳しく説明します。 材料構造はInP/InGaAs/InPダブルヘテロ接合であり、pin構造はエピタキシャル技術により成長されています。 InGaAs吸収層の上のInP層はバンドギャップの広い材料で、1.31umと1.55umの波長の光を透過し、光生成キャリアはInGaAs材料でのみ生成され、生成と拡散が回避されます。光生成少数キャリアの。

この構造は、量子効率と周波数応答の点で、単一ヘテロ接合検出器に比べて明らかな利点があります。 エピタキシャル構造の設計において最も重要なことは吸収層の設計である。 高い応答性と小さな接合容量を確保するには十分な厚さが必要ですが、InGaAs光検出器の応答帯域幅を向上させるためにキャリア走行時間を短縮するにはできるだけ薄くする必要があるため、吸収層の厚さは妥協点として選択する必要があります。

半導体材料の波長による吸収係数の変化を図に示します。 InGaAs 材料の場合、波長 1310nm での吸収係数は 1.15um です。-1、波長 1550nm での吸収係数は 0.67um です。-1.

半導体材料の波長による吸収係数の変化

エピタキシャルスタックを成長させるときは、InP基板N 型や半絶縁性などのコンタクト デザインを使用してエピタキシャル層を成長させることができます。 バッファおよびコンタクト層が InP 基板上に成長し、次に InGaAs 吸収層が成長します。 バッファ層、コンタクト層、吸収層のドーピング レベルと厚さは、動作波長に合わせて最適化されています。 必要な InGaAs 光検出器の特性とカットオフ波長の選択に応じて、エピ層は追加のスタック (空間電荷領域、界面、キャップ) で構成できます。 これらの層は、ドリフト、拡散、キャリアの再結合を制御し、表面電流の漏れを防ぐために成長します。

3. InGaAsの波長と屈折率の関係

次の図は、InGaAs 材料の波長が長くなるほど、屈折率が小さくなることを示しています。 パラメータの詳細については、こちらまで電子メールでお問い合わせください。tech@powerwaywafer.com.

InGaAsの波長と屈折率の関係

4. PIN光検出器用In​​GaAs/InP材料

天然半導体材料の中で、光ファイバー通信の長波長(1.3~1.6μm)帯域で使用される光検出器の製造に使用できるのは、Ge(バンドギャップ0.66eV、1.88μmの吸収端に相当)だけです。 ただし、Ge のバンドギャップは比較的小さいため、製造されたデバイスは室温以上で動作するとノイズが高くなります。 1.31um~1.55umの長波長で動作する光検出器には、一般にInGaAs/InP材料が使用されます。 InGaAs材料のバンドギャップは0.75eVで、その吸収スペクトルは石英ファイバの1.3um低分散窓と1.55um低損失窓を含む1.00~1.65umの光ファイバ通信帯域をカバーできます。 その結果、InGaAs は光通信帯域の光検出器にとって理想的な材料となります。

InGaAs は InP 材料と完全な格子整合を達成できるため、InP 基板上に高品質のエピタキシャル層を成長させることができ、InGaAs 材料の電子移動度は非常に高くなります。 これらの特性により、InGaAs PIN 光検出器は応答速度が非常に速く、暗電流が小さいことが特徴です。

InGaAs PINフォトダイオードの開発成功により、Geフォトダイオードの大きな暗電流と劣悪な温度特性という欠点が克服され、光通信の長距離中継伝送や多波長伝送技術に高品質のキーデバイスが提供されます。

5. InGaAs光検出器の光入射方向

InGaAs/InP エピウェーハをベースとした PIN 光検出器の光入射方向には 2 つの方法があります。1 つは裏面光入射、つまり N 型 InP 基板から光を入射する方法です。 もう一つは前面光入射型、つまりP型から光を入射するタイプです。 裏面光注入装置の場合、InP基板(Eg=1.35eV)は長波長の光透過層であり、表面反射係数が小さい。 材料パラメータが適切に制御されていれば、光生成キャリアを空乏層内で直接生成できます。 この構造には、量子効率が高く、接合容量が小さいという利点があります。

しかし、この構造では入射光がPN接合から遠く離れており、光の発散により超高速InGaAs光検出器の側壁で吸収が生じ、周波数特性に影響を与えます。 さらに、デバイスの量子効率と暗電流は材料の成長によって大きく制限され、再現性が低く、製造プロセスがより複雑になります。 背面側光注入装置と比較して、前面側光注入装置はプロセスが単純であり、入射光がPN接合に非常に近く、結合効果が良好です。 拡散接合深さの制御や大きな接合容量などの欠点は、InGaAs 光検出器ウェハアレイの合理的なパラメータ設計といくつかの特殊なプロセス技術によって克服できます。

詳細については、メールでお問い合わせください。victorchan@powerwaywafer.compowerwaymaterial@gmail.com.

この投稿を共有