10-WATT TWO-CHANNEL SWITCH FOR 8-ММ BAND

June 19, 2012 by admin Комментировать »

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.

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ МПМ-ФОТОДИОДЫ

Аверин С. В.

Институт Радиотехники и электроники Российской Академии наук Россия, Московская обл., 141190, Фрязино, пл. Акад. Введенского, 1 Тел.: (095)5269192, e-mail: sva278@ire216.msk.su Сашо Р.

Институт квантовой электроники и фотоники, СН-1015, Лозанна, Швейцария


Аннотация В рамках двумерной модели исследуются процессы дрейфа фотогенерированных носителей заряда в активном объеме быстродействующих фотодиодов в системе выпрямляющих контактов металл-полупроводникметалл (МПМ). Анализируются ограничения в отклике планарного МПМ-диода, возникающие при последовательном уменьшением размеров встречно-штыревой системы контактов. Обсуждается возможность увеличения скорости отклика МПМ-диода. Показывается, что модифицированный диод с InP/GalnAs гетеробарьером и структура с утопленными контактами существенно увеличивают скорость отклика фотодетектора.

I.  Введение

Быстродействующие фотодетекторы представляют большую важность при создании широкополосных волоконно-оптичсеких систем связи. В последнее время наблюдается значительный исследовательский и практический интерес к фотодиодным структурам на основе выпрямляющих контактов в системе металлполупроводник-металл (МПМ) [1-3]. Уменьшение расстояния между встречно-штыревыми контактами при одновременном сжатии активной области диода до сих пор рассматривались как основной путь увеличения быстродействия МПМ-детектора [1,2]. По мере развития технологических методов межконтактный зазор МПМ-диода непрерывно уменьшался, переходя в область субмикронных и даже нанометровых размеров. В рамках двумерной модели исследуется импульсный отклик планарного МПМ-диода и анализируются ограничения, обусловленные уменьшением размеров встречно-штыревой системы контактов диода. Установлено, что основной проблемой планарных структур является низкая эффективная глубина проникновения электрического поля в активный объем диода. Мы показываем, что наличие гетеробарьера в светопоглощающей области сильно видоизменяет транспорт фотогенерированных носителей и существенно увеличивает скорость отклика InP/GalnAs МПМфотодиода. Также показывается, что в структуре с утопленными контактами обеспечивается однородное распределение электрического поля и достигается большее быстродействие и эффективность фотодетектора.

II.  Основная часть

Для анализа движения фотогенерированных носителей заряда в МПМ-фотодиодных структурах используется двумерная модель [3]. При этом: 1) исследуется распределение фотогенерированных носителей заряда и проводится последовательное самосогласованное вычисление картины электрического поля в активной области МПМ-диода с учетом движения носителей заряда, 2) фототок на контактах, вследствие движения зарядов вычисляется по теореме Рамо, а внешний ток фотодиода определяется с учетом емкости встречно-штыревой системы контактов, 3) влияние гетеробарьера учитывается посредством поля, создаваемого разностью потенциалов двух полупроводниковых слоев. Связь скорости движения электронов и дырок с напряженностью поля взята из литературных источников [4].

Анализ показывает, что электрическое поле, достаточно сильное в приповерхностной области планарного МПМ-диода с межконтактным зазором 0,5 мкм, быстро спадает при движении вглубь диода. Так, при напряжении смещения 4 В электрическое поле напряженностью 4 В/мкм находится примерно на глубине 0.2 мкм, в то время как на глубине 0.8 мкм напряженность поля уже в 10 раз меньше. Резкий спад внутреннего поля планарного МПМ-диода с малым зазором приводит к модификации скорости пространственного разделения токовых носителей дрейфовые скорости носителей заряда зависят от величины напряженности электрического поля, причем более «тяжелые» дырки движутся медленнее электронов [4]. В результате, электроны весьма быстро собираются на контактах, поскольку они имеют высокую скорость дрейфа как в области большой напряженности электрического поля, около поверхности диодной структуры, так и в области низких значений поля, в глубине диода. В то же время, напряженность электрического поля в активном объеме диода слишком мала для большинства дырок и они движутся при скоростях значительно меньших скорости насыщения. Такое поведение обусловлено особенностями зонной структуры GalnAs [4]. Моделирование показывает, что даже после 15 пс, когда все электроны уже покинули активную область диода, довольно много дырок все еще остается внутри диода, приводя к длинному «хвосту» в сигнале импульсного отклика планарного МПМ-диода и уменьшенной квантовой эффективности. Таким образом, наряду со сложностью изготовления МПМ-структур с субмикронным зазором и трудностями фокусирования принимаемого излучения на малую светочувствительную область, основной проблемой таких структур является низкая эффективная глубина проникновения электрического поля. В результате импульсный отклик детектора, несмотря на очень малый межэлектродный зазор, в значительной степени затягивается из-за влияния медленной компоненты дырочного тока. При этом FWHM сигнала импульсного отклика диода равно 8.2 пс, а время спада отклика диода (90%-10%) составляет 11 пс. Фурье-преобразование сигнала отклика диода дает ширину полосы пропускания 27 ГГц (-ЗдБ), внутренняя квантовая эффективность равна 0.37.

Мы исследовали возможность быстродействующего детектирования оптического сигнала, которая заключается в использовании гетеробарьера для эффективного блокирования носителей заряда, фотогенерированных в области слабого поля. Модельные эксперименты показывают, что присутствие гетеробарьера, его местоположение, напряжение смещения, плотность оптического возбуждения все эти факторы в значительной степени изменяют условия дрейфа фотогенерированных носителей заряда. Мы смоделировали импульсный отклик МПМдиода с InP/GalnAs гетеробарьером. Влияние гетеробарьера проявляется в резком скачке электрического поля вследствие различий в зонной структуре InP и GalnAs. Гетеробарьер в значительной степени предотвращает возможность сбора медленных носителей заряда, фотогенерируемых в глубине GalnAs. На контактах диода собираются только носители, фотогенерируемые в верхнем полупроводниковом слое, приводя к очень быстрому отклику детектора: FWHM сигнала отклика гетеробарьерной МПМструктуры с шириной зазора 0,5 мкм и площадью встречно-штыревой системы контактов 20Х 20 мкм2 составляет 1,6 пс. Это в пять раз короче отклика обычного МПМ-детектора с такой же геометрией. При таком подходе удается наиболее просто реализовать малые дистанции дрейфа токовых носителей, которые в этом случае определяются толщиной слоя InP (ЮОнм).

В отличие от планарного МПМ-детектора, когда встречно-штыревые контакты расположены на поверхности полупроводника, в МПМ-диоде с углубленными контактами они формируются в узких, длинных канавках, вытравленных в активном слое полупроводника. Это обеспечивает достаточно сильное и однородное электрическое поле в активном объеме МПМдиода даже при небольшом напряжении смещения. При этом скорости пространственного разделения электронов и дырок близки к насыщению и примерно равны. В этом случае толщина активного слоя может быть выбрана только исходя из глубины проникновения принимаемого светового излучения в базу диода. Таким образом, режим “быстрого” отбора фотогенерированных носителей заряда и достаточно высокой эффективности преобразования светового излучения в электрический сигнал может быть реализован в одном устройстве. «Хвост» кривой отклика, который обусловлен токовыми носителями с увеличенным временем дрейфа, почти отсутствует, приводя, таким образом, к большей ширине полосы пропускания фотодетектора. Детектор с углубленными контактами также обладает меньшей длительностью сигнала отклика, поскольку средняя длина пробега носителей заряда заметно меньше в этом устройстве. Вычисления дают FWHM=7,4 пс и 90%-10% время спада импульса 5 пс при смещении всего 1 В в сравнении с 8,2 пс и 11 пс для обычного планарного детектора при смещении 4В. Фурье-преобразование кривой отклика диода дает ширину полосы пропускания 40 ГГц (-ЗдБ), внутренняя квантовая эффективность достигает 0,72.

III.  Заключение

В работе исследованы методы увеличения быстродействия МПМ-фотодиодных структур.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (03-0100219).

IV. Список литературы

[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.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты