FOTODIODOS: Principio de funcionamiento, características y tecnología Pedro Castrillo Romón Departamento de E. y Electrónica. Universidad de Valladolid

Necesidad de fotodetectores Receptores: comunicación por fibra óptica mandos a distancia Lectores ópticos: CD, DVD códigos de barras Sensores: presencia, ángulo, composición química, ... Monitores de luz: control de láseres Cámaras: vídeo, visión nocturna REQUERIMIENTOS Rapidez Sensibilidad  adecuada Linealidad Fiabilidad Pequeño tamaño Instrumentación sencilla Matrices 2D

Tipos de fotodetectores dispositivos de vacío fotoeléctricos fotoconductores semiconductores TIPOS térmicos fotodiodos Térmicos: luz  calor  T  para todas las   muy lentos, muy poca sensibilidad Dispositivos de vacío (fotomultiplicadores): efecto fotoeléctrico  enorme sensibilidad  Vcc , caros, gran tamaño, difícil  > 1 m Fotoconductores: luz  n    R  baratos, pequeños, fácil de acondicionar  lentos, poca sensibilidad

¿ Por qué fotodiodos? Vph + -   iph P N Células fotovoltaicas Fotodiodos: luz  n  Iph y/o Vph Vph + -   iph P N Como batería... Como detector:   iph Células fotovoltaicas Fotodiodos i·v < 0  rápidos, sensibles, IR-UV, muy lineales, baratos, pequeños, fiables, muy fáciles de acondicionar, posible matrices, tecnología electrónica

Fotodiodos 1. Principio de funcionamiento Características 2. Eficiencia y respuesta espectral 3. Características eléctricas 4. Relación señal-ruido 5. Respuesta en frecuencia 6. Diseño y fabricación Otros fotodiodos 7. Fotodiodos Schottky 8. Fotodiodos de avalancha 9. Fototransistores 10. Mejoras para ultra-alta frecuencia

Absorción banda a banda Fotocorriente en uniones PN Estructuras de fotodiodos 1. Principio de funcionamiento Absorción banda a banda Fotogeneración de portadores n   Otros procesos de absorción: excitónica, por impurezas intrabanda, fonones ... Atenuación de la luz d/dx = -  (x) = (0)·exp(-x)  = coef. de absorción 1/ = long. de penetración

 = cte (h - Eg)1/2 Coeficiente de absorción () (h) conservación de E + conservación de k semicond. directos semicond. indirectos rab()   ·() · fv (E1) ·[1 - fc (E2)] 1 (h) semicond. directos  = cte (h - Eg)1/2 r (h )2

Coeficiente de absorción 10-2 1 102 Longitud de penetración (m) Semic. directos: borde de absorción abrupto Semic. indirectos: variación gradual de 1/() Importantes: Silicio y GaInAs (con a=a(InP))

Fotogeneración en una unión PN Popt (1-R) P(x) = Popt(1-R)e-x G(x) = ·(Popt(x)/ h)/A ZCE: G arrastre n : G difusión arrastre p : G difusión arrastre recomb. x I(V;) = I(V;0) - Iph

Características I(V) Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico i = i0(exp(V/nVT)-1) - iph (con VT = kBT y n =1-2 ) Modo Fotoconductivo Modo Fotovoltaico v=0  i = - iph Popt i=0  v  vT·ln(iph/i0) Polarización inversa Fotoconductor I V =0 >0 i = - (i0 + iph)

Estructura de fotodiodo PN Vbi - Vapl Estructura p+-n-n+ Difusión desde la zona n W  [ ·(VR + Vbi )]½

Estructura de fotodiodo PIN (+) alta eficiencia (+) predominio del arrastre  rapidez (–)  Id ( W)

Fotodiodos de heterounión AlGaAs/GaAs GaInAs/InP (+) « fuera de la ZCE (+) (iluminación por detrás) en el caso de que Eg > h (+) sólo arrastre  rapidez (+) no recomb. superficial OJO: ajuste parámetros de red

Fotodiodos 1. Principio de funcionamiento Características  Análisis de la eficiencia y de la responsividad  Optimización de la respuesta espectral  Ejemplos de respuesta espectral  Otros parámetros relacionados 1. Principio de funcionamiento Características 2. Eficiencia y respuesta espectral 3. Características eléctricas 4. Relación señal-ruido 5. Respuesta en frecuencia 6. Diseño y fabricación Otros fotodiodos 7. Fotodiodos Schottky 8. Fotodiodos de avalancha 9. Fototransistores 10. Mejoras para ultra-alta frecuencia

Eficiencia cuántica y sensibilidad _________________________________________________ nº de fotones incidentes nº de pares e-h fotogenerados que contribuyen a la corriente  =   (1 - R)·[1- exp (-d)]·  Sensibilidad o “responsividad”  = fotocorriente / potencia óptica   [A/W  = · (m)/ 1.24 i ph = e··( P/ h )  [dB= 20 log  [A/W  _______ 1 [A/W 

Análisis de la eficiencia cuántica difusión en la zona n arrastre en la ZCE nph x-W

Análisis de la eficiencia cuántica (II) Optimización de  para  largas (PIN) (1 - e-W ) > 85%  W  2/ PD de silicio: (m) Wmin(m) rojo 0.66m  5m IRED 0.9m  40m YAG 1.064m  2000m (Si hay reflexión basta con Wmin/2)  W Para P+N : W( , VR)

Optimización de  : capas antirreflejantes * Reflectividad:   1-R perturbación del emisor Pérdidas de retorno óptico: ORL(dB) = 10 log(Pin /Prefl) = -10 log R * Intercara semiconductor-aire: R =  31 %   < 70% n(Si) = 3.5 n-1 n+1 2  Necesidad de capas antirreflejantes

Capas antirreflejantes * Interferencia destructiva: n2 d2 = m /4 con m=1, 3, 5,... * Óptimo para: n2 = n1 n3 d adecuado a  Silicio  Si3 N4 (n2 =1.95) R < 1% Opcional: inclinación de 6º evitar retorno a fibra

Optimización para  cortas PD de silicio     absorción cerca de la superficie 1/ (UV)  100 nm  recomb. no radiativa    exp(- xp) Solución: NA creciente hacia la superficie ( barrera de difusión)  1  2 3 3  2  1 PD de GaInAs/InP InP P GaInAs I InP N

Ejemplos de respuesta espectral   · directos vs. indirectos límites  cortas  de interés: GaAs-IRED:0.9m Si visible: 0.4-0.78 m Nd:YAG: 1.064 m FO: 1.3, 1.55m  GaInAs IR térmico: 3 - 5 , 8 -14 m  otros: InAs, HgCdTe ...

Respuesta angular rel( ) A veces se representa: ( )·cos  [ A·cm2 / W ]  iph/ densidad de potencia óptica ; ya que Aef= A · cos 

Características eléctricas  Parámetros relevantes  Circuito equivalente  Relación señal-ruido Características eléctricas Parámetros relevantes intensidad voltaje Id 1/Rsh 1/Rs Corriente en oscuridad (Id) Id = Id-GR+Id-dif +Id-surf ; Id-GR  A·W·ni /GR Id-dif  A·ni2 , Id-surf  A1/2 ·W ·ni /surf Id exp(-Eg/n KBT) T=25ºC Id(Si)×10 Id(Si)‹‹Id(Ge) Rsh=(dI/dV)-1|V=0 RshnKBT/qId CjA·[(VR+0.6)]-1/2 Rserie y Rsh parásitas RL (típ.) = 50  - 1 K Circuito equivalente parásita

Análisis del circuito equivalente: Linealidad Para Iph·Req<VF+VR   IoIph= ·Popt  lineal Para Iph·Req VF+VR  saturación de la linealidad Voc (nKBT/q)·ln(Iph/Is)

Relación señal-ruido Ruido “shot” : fotogeneración + fondo + oscuridad iNsh 2 = 2q·I·f Ruido térmico : iNth 2 = (4kT/Req)·f iN 2 = iNsh 2 + iNth 2 + iNd 2 + iNb 2 Relación señal ruido: SNRi = Iph /iN

Optimizar SNR:  Req:  RL  Rsh  Id:  T  f : detección síncrona

Respuesta temporal y respuesta en frecuencia  Fenomenología  Casos en que domina RC  Casos en que domina  -trans.  Optimización Respuesta en frecuencia Respuesta temporal y respuesta en frecuencia tiempo de carga RC = RLC tiempo de tránsito trans = (W/ 2) / v componente de difusión 2 = RC2 + trans2 + dif2 tr (tiempo de subida 10%  90% ) = 2.2· (f3dB)=(100KHz)/2 f3dB = (2·)-1

Competencia con la difusión  RL  domina RC  RL  domina difusión  VR   W·   difusión

Optimización de f3dB * = 1- exp(-W) W < vsat / (·f3dB) A < W / (2··RL·f3dB) A y * óptimos para: RC= trans = (22 ·f3dB)-1

Fabricación de PD de silicio Ej: PD Epitaxial (Anillo de guarda p+) Capa pasiv. y antireflectante “Stopper” n+ Contacto frontal (Al) Dopado p del área activa Contacto posterior

Fabricación de PD de GaInAs Poca dependencia f3dB () 1para 0.92   1.65 m Interesantes: 1.3 y 1.55 m  (RC)=trans y dif = 0 Estructuras Cparas Ifugas Id 

Estructuras tipo mesa (cont.) Ataque húmedo y limpieza óxidos Pasivación: polyimida Vía de contacto (RIE)

Estructuras tipo mesa Substrato n+ Epitaxia “buffer layer”: SL capa activa: GaInAs capa recubridora p+ Adelgazar substrato Contactos: Ni/AuGe/Au y Ti/Pt/Au Capa antirreflectante

Tecnología de hibridación Deposición y grabado de los pads de soldadura Contacto Tecnología flip-chip:  C y L parásitas iluminación por detrás  area libre

Fotodiodos 1. Principio de funcionamiento Características 2. Eficiencia y respuesta espectral 3. Características eléctricas 4. Relación señal-ruido 5. Respuesta en frecuencia 6. Diseño y fabricación Otros fotodiodos 7. Fotodiodos Schottky 8. Fotodiodos de avalancha 9. Fototransistores 10. Mejoras para ultra-alta frecuencia

PD Schottky: principio de funcionamiento Diodo Shottky: unión metal-semiconductor rectificadora bajo dopado y/o Eg pequeño Id mayor y VF menor que en diodos P-N Mecanismos responsables de la fotocorriente: generación banda a banda h > Eg Fotoemisión de electrones h > qb (  MIR)  Id (  ruido) pero alta velocidad (¡ record mundial ! : 60 GHz )

PD Schottky: estructuras Iluminación por delante: No pérdidas por recombinación en la superficie  ()  T() Capas AR/metal/semiconductor Iluminación por detrás (GaInAs /InP): capa metal gruesa  espejo (espesor óptico x 2)   Rs

Respuesta en frecuencia PD Schottky: características Respuesta en frecuencia Respuesta espectral Respuesta temporal

Fotodiodos de avalancha  Multiplicación por avalancha Características Estructuras Fotodiodos de avalancha Multiplicación por avalancha Coef. de ionización: e , h , h= h /e Conviene h>>1 o h<<1 Ganancia (M) para h<<1 M=exp( e W) e,h ()

Conveniencia de APD señal: Iph = M·Iph(M=1) ruido: iN,shot = M·iN,shot(M=1)·F1/2 F = <M2>/ M2 = 1 + M2/ M2 F = hM+ (1-h)(2- 1/M)  mejoran la SNR cuando domina el ruido del circuito  SNR óptima para: iN,shot(Mopt) = iN,thermal

APDs de Silicio e >>h M=100-1000 Vop 100 volts Estructuras SAM (Multiplicación y Absorción Separada)

APDs de GaInAs

Fototransistores C (B) E

Otros dispositivos: Fotodiodos en guía de ondas Estructura de guía Iluminación lateral + Integración con otros dispositivos + Disociación entre  y   posible mejora de ·f3dB (para iluminación por superficie ·f3dB  20 GHz)

Ejemplo de PD integrado en guía de onda Integración monolítica con guía de onda pasiva Acoplamiento de campo evanescente Optimización separada del acoplamiento fibra-chip  = 1.55 m f3dB=45 GHz =0.22 A/W

Hemos visto ... interacción luz-semiconductores y heteroestructuras análisis como dispositivo electrónico características como circuito respuestas en frecuencia: hasta  50 GHz tecnología Si y III - V´s cómo mejorar velocidad y conseguir ganancia Falta por ver ... circuitos, sistemas y aplicaciones