ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ФОТОПРИЕМНОЙ ЯЧЕЙКИ Российский патент 1995 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции фотоприемной ячейки на основе МДП-структуры.

Известны полупроводниковые гетероэпитаксиальные структуры для фотоприемных ячеек со слоями InGaAs или InAsSb на широкозонных подложках [1]
Недостатком известных структур является низкая обнаружительная способность, обусловленная высоким темпом генерации носителей заряда на границе раздела.

Наиболее близкой к предлагаемой является полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки, включающая подложку из арсенида галлия n-типа, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой арсенида индия n-типа [2]
Недостатком известной полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры для фотоприемной ячейки является генерация носителей в нарушенном слое на границе раздела с подложкой, следствием чего является низкая обнаружительная способность фотоприемной ячейки.

Целью изобретения является повышение обнаружительной способности.

Цель достигается тем, что известная полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки, включающая подложку из арсенида галлия n-типа, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой арсенида индия n-типа, содержит дополнительно два сильнолегированных слоя n⁺-типа, причем первый расположен на границе раздела с подложкой и имеет толщину, равную толщине нарушенного слоя, а второй n⁺-слой выполнен туннельно-непрозрачным для неосновных носителей и размещен на расстоянии, большем удвоенной длины экранирования Дебая от первого.

В качестве активного слоя могут использоваться гетероэпитаксиальные слои соединений А₃В₅, A₄B₆ и А₂В₆, а в качестве подложек-полупроводниковые и диэлектрические материалы, гетероэпитаксиальные структуры с буферными диэлектрическими и полупроводниковыми слоями.

На фиг. 1 представлена ячейка ФПУ, поперечное сечение; на фиг. 2 зонная диаграмма ячейки.

На подложке GaAs (100) 1 последовательно расположены n⁺-слой InAs 2 толщиной d₁, слой 3 слаболегированного InAs толщиной d₂, слой n⁺-InAs 4 толщиной d₃, активный слой InAs 5 толщиной b, слой 6 диэлектрика, например SiO₂ и металлический электрод 7.

На фиг. 2 изображена зонная диаграмма ячейки ФПУ с дополнительными сильно легированными слоями, где обозначено: E_c, E_v, E_f, E_g дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень Ферми и ширина запрещенной зоны соответственно, W ширина ОПЗ, Ф величина потенциального барьера для дырок.

Ячейка работает следующим образом.

При подаче отрицательного потенциала на металлический электрод в активном слое под затвором образуется область пространственного заряда (ОПЗ). При освещении активного слоя через широкозонную подложку в ОПЗ будут образовываться электронно-дырочные пары. Электроны будут выталкиваться из ОПЗ, а дырки скапливаться в ОПЗ, изменяя величину приложенного потенциала. Это изменение потенциала регистрируется внешним измерительным устройством. Дырки, возникающие за счет темновой генерации в дефектной области вблизи подложки из-за наличия потенциального барьера, не смогут попасть в ОПЗ и не будут влиять на работу ячейки.

Толщина первого n⁺-слоя InAs выбирается равной толщине нарушенного слоя, которая, если постоянная решеток материалов активного слоя и подложки различна (в гетеросистеме InAs/GaAs различие составляет 7%) определяется протяженностью области с высокой плотностью дислокаций. Плотность дислокаций на границе раздела равна N_d 10¹² см^-2, на толщинах 0,1-0,2 мкм уменьшается до N_d 10¹⁰ см^-2, а затем плавно уменьшается по гиперболическому закону до N_d 10⁷ см^-2 на толщинах 4-5 мкм. Время жизни τ_р также возрастает с увеличением толщины, а плотность генерационного тока I_vs, обусловленного дислокациями, падает. Для объемного арсенида индия τ_р 10^-7 с. Поэтому при толщинах слоя InAs 4-5 мкм и при отсутствии диффузионной составляющей генерационного тока от границы раздела к поверхности генерационный ток на поверхности слоя InAs такой толщины соответствовал бы его значению для объемного InAs.

Толщина второго n⁺-слоя InAs выбирается из условия отсутствия туннелирования дырок через потенциальный барьер Ф, образованный опусканием потолка валентной зоны при сильном легировании донорной примесью. Расстояние между двумя сильно легированными областями выбирается из условия достижения максимальной глубины потенциальной ямы для дырок вблизи потолка валентной зоны. Расчеты показывают, что при уменьшении расстояния между сильнолегированными областями глубина потенциальной ямы уменьшается за счет дебаевского экранирования, а оптимальные значения d₂ и d₃ могут быть выбраны одинаковыми и равными 0,1-0,2 мкм.

Таким образом, d₂ d₃ 0,2 мкм, а толщина слоя d₁ выбирается такой, чтобы генерация, обусловленная дислокациями при удалении от границы раздела на расстояние d₁, соответствовала плотности генерационного тока в объемном InAs.

Предлагаемая конструкция обладает следующими преимуществами:
1. Наличие сильнолегированной области (слой 2) приводит к снижению генерационного тока в дефектной области за счет увеличения концентрации электронов и смещению равновесного рекомбинационно-генерационного процесса. Несмотря на малые значения τ_р в нарушенной области, увеличение N_d приведет к снижению I_vs.

2. Наличие потенциальной ямы для дырок, двигающихся из дефектной области (слой 2) в сторону ОПЗ (слой 3) приведет к повышению их концентрации в этой области и усилению процесса рекомбинации. Оставшиеся дырки не смогут преодолеть барьер Ф и не достигнут ОПЗ (активной области). Величина барьера может быть оценена из сдвига Мосс-Бурштейна и составляет 0,1 эВ. При рабочих температурах Т 150 К концентрация дырок, преодолевших барьер и попавших в активную область (слой 4), равна
P₄ P₃ exp(-Ф/КТ) 5˙10^-4P₃
3. Наличие относительно тонкого (5 мкм) n⁺-слоя дает возможность избавиться от собственного поглощения света в этой области. Уширение зоны за счет сдвига Масс-Бурштейна на величину Ф 0,1 эВ делает эту область прозрачной. Поглощение на свободных носителях можно оценить по формуле
I I_oexp(- αd₁) 0,95I_o, где α- 10² см^-2 коэффициент поглощения на свободных носителях при n (3-5) ˙10¹⁸ см^-3.

Для сравнения поглощение в подложке с такой же концентрацией и толщиной 500 мкм составляет 98%
Поглощением света в тонких областях (слой 3 и 4) можно пренебречь, и основной поток света будет поглощен в активной области вблизи ОПЗ.

4. Величина n⁺-слоя позволяет создать низкоомный омический контакт на полуизолирующей подложке GaAs по всей площади многоэлементного ФПУ, сохранив высокую прозрачность подложки за счет отсутствия в ней поглощения на свободных носителях.

5. Наличие второго n⁺-слоя создает потенциальный барьер для световых дырок, возникающих в активном слое. В его отсутствие световые дырки, диффундируя в сторону подложки, могут рекомбинировать на границе пленка-подложка, снижая квантовую эффективность.

Таким образом, при увеличении времени жизни (снижении генерационного тока) в активной области возрастает обнаружительная способность МДП-фотоприемной ячейки.

В качестве материала для активного слоя может быть использован не только InAs, но и любой другой полупроводниковый материал, например InSb, InGaSb, InAsSb, соединения А₂В₆, А₄В₆ и др. которые могут быть получены методом гетероэпитаксиального наращивания на широкозонных подложках. В качестве подложек могут выступать диэлектрические и полупроводниковые материалы, прозрачные в необходимой спектральной области, на которых возможна гетероэпитаксия (CdTe, Si и др.).

Наиболее перспективным является использование подложек кремния с выращенным на нем буферным слоем фторидов бария и кальция: BaF₂/CaF₂/Si. Однако и в этом случае в фоточувствительных слоях возникает высокая плотность дефектов на границе раздела пленка-подложка.

Расчеты, проведенные для этих гетероэпитаксиальных систем, также показали высокую эффективность дополнительных сильнолегированных слоев, создающих потенциальный барьер для неосновных носителей.

Использование: изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции фотоприемной ячейки на основе МДП-структуры. Сущность изобретения: известная полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки, включающая подложку из арсенида галлия n-типа и размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой арсенида индия n-типа, содержит дополнительно два сильнолегированных слоя n⁺ типа, причем первый находится на границе раздела с подложкой и имеет толщину, равную толщине дефектного слоя, а второй n⁺ слой с толщиной, большей длины туннельной прозрачности для неосновных носителей, размещен на расстоянии от первого, большем удвоенной длины экранизирования Дебая. В качестве активного слоя могут использоваться гетероэпитаксиальные слои соединений A₃B₅, A₄B₆, A₂B₆, а в качестве подложки - полупроводниковые и диэлектрические материалы, гетероэпитаксиальные структуры с буферными диэлектрическими полупроводниковыми слоями. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ФОТОПРИЕМНОЙ ЯЧЕЙКИ, включающая подложку из арсенида галлия n-типа, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой арсенида индия n-типа с нарушенным слоем на границе раздела, отличающаяся тем, что гетероэпитаксиальный слой дополнительно содержит два сильнолегированных n⁺-слоя, причем первый толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, а второй выполнен туннельно-непрозрачным для основных носителей и размещен на расстоянии от первого, большем удвоенной длины экранирования Дебая. 2. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве активного слоя используются фоточувствительные полупроводниковые гетероэпитаксиальные слои соединений А₃В₅, А₄В₆, А₂В₆, а в качестве подложек полупроводниковые и диэлектрические материалы, гетероэпитаксиальные структуры с буферными диэлектрическими и полупроводниковыми слоями.