ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1994 года по МПК H01L31/62 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при конструировании полупроводниковых устройств.

Известно фотоэлектрическое устройство МДП-фотоварикап, представляющий собой МДП-конденсатор, в котором функцию переменной емкости выполняет область пространственного заряда (ОПЗ) базового полупроводника. Изменение толщины ОПЗ, приводящее к изменению емкости конденсатора, производится с помощью освещения, генерирующего в полупроводнике неравновесные носители заряда. Для этой цели затвор структуры изготавливают из полупрозрачных металлических пленок. Важной характеристикой МДП-фотоварикапов является коэффициент перекрытия емкости по свету, характеризующий фоточувствительность устройства и определяемый отношением емкости структуры при освещении С_св к ее емкости без освещения С_т. Наиболее широко распространенными в настоящее время являются МДП-фотоварикапы на основе Si-SiO₂ [1].

Недостатком данного устройства являются относительно небольшой коэффициент перекрытия емкости по свету и невысокая стабильность вольт-фарадной характеристики, связанная с нестабильностью заряда в окисле и на границе раздела полупроводник-диэлектрик.

Наиболее близким к описываемому является МДП-фотоварикап с улучшенными по сравнению с аналогом характеристиками. В качестве диэлектрика использовали слои SiO₂-Si₃N₄ [2]. Эта структура выполняется как элемент интегральной схемы и легко согласовывается с другими ее элементами.

Недостатком данного устройства является относительно невысокий коэффициент перекрытия емкости по свету.

Целью изобретения является увеличение коэффициента перекрытия емкости по свету, а также расширение области применения устройства.

Цель достигается тем, что в фоточувствительном элементе, содержащем полупрозрачный электрод, изолирующий слой, расположенный на полупроводниковом слое (например, на кремнии р-типа), и электрод к полупроводниковому слою, изолирующий слой выполнен туннельно-прозрачным из аморфного углеродсодержащего материала.

Достигаемый результат - увеличение коэффициента перекрытия емкости по свету - обусловлен возможностью получения на основе аморфных углеродсодержащих материалов тонких слоев с высокими пробивными напряжениями и малыми токами утечки, а также наличием в изолирующем слое большой плотности поверхностных и объемных состояний, приводящей к значительному увеличению отношения световой емкости С_св к темновой емкости С_т структуры. Большая плотность поверхностных состояний характерна, в частности, для гидрогенизированного или фторированного аморфного углерода а-С:Н или а-С:F, полученного ионно-плазменными методами, в результате чего образуется пленка, имеющая большое число оборванных связей, представляющиx собой локализованные дефекты, являющиеся ловушками для носителей заряда. Количество оборванных связей и их энергия активации зависят от различных условий формирования пленок и может изменяться в широком диапазоне.

В предлагаемой структуре коэффициент перекрытия емкости по свету может достигать величин 50-100 (в отличие от аналога, где коэффициент перекрытия емкости по свету составляет величину 2-10). При измерении световых и темновых ВФХ предлагаемой структуры в режиме линейного сканирования нет зависимости емкости от напряжения вследствие пиннинга уровня Ферми из-за большой плотности состояний. При измерении световых и темновых ВФХ этой структуры в импульсном режиме ВФХ имели симметричную относительно оси напряжений форму, что связано с захватом носителей одного знака на локализованные дефектные состояния на границе раздела диэлектрик-полупроводник. Для структуры Si-SiO₂-Ni ВФХ в режиме линейного сканирования и в импульсном режиме совпадают.

Расширение области применения предлагаемого устройства обусловлено тем, что использование туннельно-тонких слоев аморфного углеродсодержащего материала позволяет сочетать свойства, обусловленные большой плотностью ловушек для носителей одного знака (проявляющиеся в симметричной форме ВФХ), и туннельный механизм токопрохождения (проявляющийся в вольт-амперной характеристике). Темновой ток при обратном напряжении смещения U_см=-1 В меньше 10^-9 А, а фототок при U_см>-2 В практически отсутствует. Появление фототока при U_cм<-2 В можно объяснить туннельной и надбарьерной фотоэмиссией неравновесных носителей из р-Si. Сочетание описанных выше ВАХ и ВФХ предложенного устройства предоставляет возможность многофункционального использования элемента. Путем выбора рабочей точки (напряжения смещения) можно перевести устройство из функционирования в режиме фотоварикапа (параметрический режим) в фотодиодный режим. В первом режиме изменение освещения вызывает изменение емкости структуры без протекания фототока. Во втором случае освещение приводит к появлению фототока без изменения емкости.

На фиг. 1 изображена ВФХ структуры Si/SiO₂/Ni: кривая 1 - ВФХ без освещения; кривая 2 - ВФХ при освещении; на фиг. 2 изображена ВФХ структуры Si/a-C: H/Ni: кривые 1,3 - ВФХ без освещения; кривые 2, 4 - ВФХ при освещении; сплошные линии - режим линейного сканирования; пунктир - импульсный режим; на фиг. 3 - предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 4 изображена ВАХ структуры Si/a-C:H/Ni: кривая 1 - ВАХ без освещения; кривая 2 - ВАХ при освещении интенсивностью 5 ˙ 10^-7 Вт/см²; кривая 3 - ВАХ при освещении интенсивностью 10^-6 Вт/см².

Предложенный фоточувствительный элемент реализован в виде структуры, изображенной на фиг. 3, содержащей полупроводниковую подложку 1 из кремния с дырочной проводимостью, изолирующий слой 2 из аморфного гидрогенизированного углерода а-С:Н или аморфного фторированного углерода а-С:F, электрод 3 из термически осажденного Ni площадью 10^-2см² и омический контакт 4 из вожженного In. Слой аморфного углеродсодержащего материала может быть получен ионно-плазменным методом, например магнетронным осаждением в парах углеводорода или в смеси газов или паров углеводорода с инертным газом. Толщина пленки изменялась в интервале от 25 до 1000 . Наилучшие параметры были получены для структуры с пленкой а-С:Н толщиной 50 , нанесенной на кремниевую пластину р-типа КДБ-10. Напряжение пробоя превышало 2 ˙ 10⁷В/см², темновой ток при обратном напряжении смещения U_см=-1 В был меньше 10^-9 А, а фототок появлялся только при U_см<-2 В. Измерения в режиме фотодиода (при импульсном освещении и постоянно поддерживаемом напряжении смещения U_см ≈ 4 В) показали, что инерционность изготовленного фоточувствительного элемента совпадает с инерционностью кремниевых фотодиодов. Измерения в режиме фотоварикапа (при U_см ≈0 В) дали для изготовленной структуры коэффициент перекрытия емкости по свету К ≈ 50 при интенсивности освещения I ≈ 10^-6 Вт/см². Данный режим позволяет совместить в одном приборе преобразование световой энергии в электрический сигнал и возможность его параметрического усиления и, соответственно, обеспечивает низкий уровень собственных шумов из-за отсутствия дробовых флуктуаций тока_.
По сравнению с прототипом предлагаемый фоточувствительный элемент имеет больший коэффициент перекрытия емкости по свету и может работать в двух режимах: режиме фотоварикапа и режиме фотодиода.

Использование: изобретение относится к микроэлектронике и может быть применено при конструкции полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: в фоточувствительном элементе, содержащем полупрозрачный электрод, изолирующий слой, расположенный на полупроводниковой подложке, и электрод к полупроводниковому слою, изолирующий слой выполнен туннельно-прозрачным из аморфного углеродсодержащего материала. 4 ил.

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий полупрозрачный электрод, изолирующий слой, расположенный на полупроводниковой подложке, и электрод к полупроводниковому слою, отличающийся тем, что изолирующий слой выполнен туннельно-прозрачным из аморфного углеродсодержащего материала.