ДАТЧИК Российский патент 1995 года по МПК H01L31/00 G01N27/27 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, фотоэлектронике.

В связи с решением проблем контроля газового состава среды в технологических процессах в промышленности, в том числе горнорудной и каменноугольной, экологии, технике безопасности в последние годы уделяется большое внимание разработке твердотельных датчиков газа. Значительное место среди них занимают разработчики датчиков на основе различных полупроводниковых диодных структур. С другой стороны, активно разрабатываются волоконно-оптические линии связи, в том числе и ИК-области спектра (1,3-1,6 мкм), причем за рубежом они уже получили практическое применение. В качестве фотодетектора в этих линиях используются различные диодные структуры на основе тройного полупроводникового соединения.

Известны датчики-фотодиоды на основе InGaAs [1] Эти датчики представляют собой p-n-переходы, выращенные на подложке фосфида индия (InP). На слой InP электронного типа проводимости с концентрацией электронов n 10¹⁵-10¹⁶ см^-3 методом жидкофазной эпитаксии наращивается слой n InGaAs толщиной 10 мкм, а затем слой дырочного типа проводимости p InGaAs толщиной 2 мкм. Эти датчики могут служить детекторами инфракрасного излучения в интервале 1,1-1,7 мкм, но не могут использоваться как датчики водорода и водородсодержащих газов.

Известны датчики (фотодетекторы) на основе InGaAs [2] Эти структуры создавались на подложке n⁺-InP методом молекулярно-лучевой эпитаксии. На подложку наращивался слой n-InGaAs толщиной 1,5 мкм и концентрацией донорных примесей n 3^.10¹⁵ см^-3, затем следовал промежуточный слой p⁺-InGaAs толщиной от 15 до 300 и p 5^.10¹⁶-10¹⁸см^-3 и, наконец, осаждался слой золота толщиной 100 создававший барьер Шоттки. Этот датчик выполняет функцию регистрации излучения в инфракрасной области 1,1-1,6 мкм, не может быть использован для задач детектирования водорода и водородсодержащих газов.

Наиболее близким к изобретению является полевой транзистор на основе диодной структуры металл-изолятор-полупроводник (MiSFEТ) [3] Диодная структура состоит из субстрата, в качестве которого служит полупроводниковый материал одного типа проводимости (например, р-типа), и областей истока и стока противоположного типа проводимости (например, n-типа), образованных на поверхности субстрата. Слой изолятора, служащий затвором, для создания которого используются такие типичные материалы, как двуокись кремния или смесь двуокиси кремния с нитридом кремния, осаждается на субстрат между областями истока и стока так, что он перекрывает канал исток-сток. Каталитически активная часть затвора осаждается на слой изолятора затвора. Особенностью конструкции является то, что каталитически активная часть затвора является композитным материалом. Она представляет собой смесь металла (пластины или палладия) с двуокисью кремния. Этот датчик может выполнять функцию детектирования водорода и водородсодержащих газов, но не может использоваться одновременно как эффективный фотодетектор вообще и, в частности, в волоконно-оптических линиях связи. Кроме того, относительное изменение порогового напряжения, служащее мерой оценки концентрации газа, невелико и составляет 30-40%
Задачей изобретения являются увеличение чувствительности датчика и расширение его функциональных возможностей для детектирования электромагнитного излучения в ближней ИК-области спектра.

Поставленная задача достигается тем, что датчик, содержащий последовательно расположенные полупроводниковую подложку, барьерный слой и слой каталитически активного материала, введен слой, выполненный из InGaAs и расположенный между полупроводниковой подложкой и барьерным слоем, причем барьерный слой выполнен из материала, ширина запрещенной зоны которого не меньше ширины запрещенной зоны InGaAs, а толщина барьерного слоя не превышает величины диффузионной длины неосновных носителей заряда InGaAs.

Введенный слой выполнен из тройного полупроводникового соединения InGaAs, которое благодаря своей малой ширине запрещенной зоны (0,75 эВ) обладает фоточувствительностью в ближней ИК-области спектра (0,5-1,7 мкм) и поднимает высоту барьера на границе с барьерным слоем, что увеличивает фотоЭДС, а следовательно, и чувствительность. Условие, что ширина запрещенной зоны барьерного слоя не меньше ширины запрещенной зоны InGaAs, обеспечивает поглощение света в полупроводнике IngaAs. Кроме того, повышается высота барьера и на границе с металлом, что расширяет чувствительность. Условие, что толщина барьерного слоя W не превышает величины диффузионной длины неосновных носителей заряда InGaAs (L_n,р), обеспечивает эффективное разделение созданных светом неравновесных фотоносителей. Невыполнение этого условия приводит к увеличению рекомбинации неравновесных электронно-дырочных пар в области объемного заряда полупроводника InGaAs и барьерном слое и снижению вероятности туннелирования неосновных носителей через барьерный слой.

На фиг.1 изображена технологическая схема структуры, где 1 подложка n⁺= InP, 2 слой InGaAs, 3 слой SiO₂, 4 слой палладия; на фиг.2 показаны вольт-амперные характеристики (ВАX) трехслойной структуры без дополнительного диэлектрика или полупроводника Pd= n=InGaAs=n⁺=InP (5,6) и с дополнительным слоем диэлектрика (7,8); на фиг.3 представлена спектральная характеристика фотоЭДС без газовой смеси с водородом (9) и в газовой смеси (10).

Практическая реализация датчика на основе тройного полупроводникового соединения InGaAs была осуществлена следующим образом.

На подложке n⁺= InP с концентрацией электронов n⁺=10¹⁸ см^-3 методом жидкофазной эпитаксии создавался слой n= In_0,53Ga_0,47As с концентрацией электронов n 10¹⁶ см^-3 и толщиной 2-3 мкм. Ширина запрещенной зоны этого состава Е_G0,75 эВ (Т 3000К), что соответствует граничной длине волны 1,6 мкм. Далее наносился слой диэлектрика SiO₂ путем распыления в вакууме 10^-5 мм рт. ст. его толщина ≈ 500 Наконец, также вакуумным распылением осаждался слой палладия толщиной 400-500 Омическим контактом к тыльной стороне структуры (подложке n⁺= InP) служил сплав Ag + 5% Sn, наносимый вакуумным распылением (фиг.1).

На фиг. 2 представлены ВАХ в логарифмическом масштабе структуры без введенного диэлектрика они, как видно, все омические (прямые 5,6). Потенциальный барьер отсутствует, и генерации фотоЭДС нет. Там же показаны ВАХ со слоем SiO₂. Неомический характер ВАХ очевиден. В данном конкретном случае они отражают эффект моно- или биполярной инжекции носителей тока в слой SiO₂. ВАХ аналитически имеет вид I α V₂ (прямые 7,8).

На фиг.3 даны спектральные кривые фотоЭДС, снятые в воздухе (9) и в газовой смеси воздух + 5% Н₂ (10). Видно, что изменение (уменьшение) фотоЭДС составляет более порядка величины. Выполненные измерения при освещении монохроматическим светом с длиной волны λ= 1,5 мкм и содержанием Н₂ примерно 50 ррm показали, что изменение фотоЭДС, служащее мерой оценки концентрации газа, составило 3-5 раз, что более чем в десять раз превосходит изменение порогового напряжения в известном устройстве.

Таким образом, предложенный датчик имеет широкие функциональные возможности и может использоваться не только для детектирования водорода и водородсодержащих газов (обладая более высокой чувствительностью), но и как фотодетектор для близкой ИК-области. Применение волоконной оптики существенно расширяет области применения такого датчика в специфических условиях (шахтах, рудниках и пр.).

Использование: в полупроводниковой электронике, в частности в фотоэлектронике в качестве фотодетектора, в волоконно-оптических линиях связи, а также в качестве детектора водорода и водородсодержащих газов. Сущность изобретения: датчик содержит последовательно расположенные полупроводниковую подложку, слой, выполненный из арсенида галлия-индия, барьерный слой и слой каталитически активного металла. Барьерный слой выполнен из материала, ширина запрещенной зоны которого не меньше ширины запрещенной зоны арсенида галлия-индия. Толщина барьерного слоя не превышает величины диффузионной длины неосновных носителей заряда арсенида галлия-индия. 3 ил.

ДАТЧИК, содержащий последовательно расположенные полупроводниковую подложку, барьерный слой и слой каталитически активного металла, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой, выполненный из JnGaAs и расположенный между полупроводниковой подложкой и барьерным слоем, причем барьерный слой выполнен из материала, ширина запрещенной зоны которого не меньше ширины запрещенной зоны JnGaAs, а толщина не превышает величины диффузионной длины неосновных носителей заряда JnGaAs.