ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ФОТОПРИЕМНОЙ ЯЧЕЙКИ Российский патент 1996 года по МПК H01L21/20 

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 с подложкой.

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

Технический результат повышение обнаружительной способности - достигается тем, что известная полупроводниковая гетероэпитаксильная структура для фотоприемной ячейки, включающая подложку из арсенида галлия n-типа, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой InSb n-типа содержит дополнительно легированный слой n⁺-типа, расположенный на границе раздела с подложкой и имеющий толщину, равную толщине нарушенного слоя, сильно легированный слой p⁺-типа толщиной, равной удвоенной длине экранирования Дебая, расположенный над первым h⁺-слоем, второй n⁺-слой туннельно непрозрачный для неосновных носителей, расположенный над p⁺-слоем.

В качестве активного слоя могут использоваться гетероэпитаксиальные слои соединений A₃B₅, A₄B₆, A₂B₆, а в качестве подложек полупроводниковые и диэлектрические материалы, гетероэпитаксиальные структуры с буферными диэлектрическими слоями.

На фиг. 1 и 2 представлены поперечное сечение гетероэпитаксиальной структуры и ее зонная диаграмма.

На монокристаллической подложке 1 (фиг.1) последовательно расположены h⁺-слой 2 полупроводника толщиной d₁, слой 3 p⁺-типа толщиной D₂, слой 4 h⁺-типа толщиной D₃, активный слой 5 полупроводника. На фиг. 2 изображена зонная диаграмма гетероэпитаксиальной структуры с сильно легированными слоями. Обозначено: E_c, E_v, E_f, E_g дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень Ферми и ширина запрещенной зоны соответственно. Ф величина потенциального барьера для дырок.

Гетероэпитаксиальная структура работает следующим образом: при освещении активной области 5 гетероструктуры в ней образуются электронно-дырочные пары. В качестве ячеек ФПУ в активном слое полупроводника обычно используются МДП или диодные структуры, работающие на основе разделения основных и неосновных носителей заряда с накоплением или регистрацией последних. Дырки, возникающие за счет темновой генерации в дефектной области вблизи границы раздела, не смогут попасть в активную область 5 из-за наличия потенциальной ямы, образованной p⁺-областью, и не будут влиять на работу ячейки ФПУ, сформированной в активном слое.

Толщина первого n⁺-слоя полупроводника выбирается равной толщине нарушенного слоя, который определяется областью с высокой плотностью дислокаций Nd. Величина Nd на границе раздела достигает значений Nd 10¹² см^-2 для гетеросистемы InSl/GaSs, быстро уменьшается с ростом толщины до , а затем плавно спадает по гиперболическому закону. При этом время жизни (время генерации) неосновных носителей обратно пропорционально плотности дислокаций τ_d= Nd^-1 [с.]; при достаточном удалении от границы раздела Nd уменьшается настолько, что τ_d становится равным времени слиточного бездислокационного материала. Это происходит при толщинах d₁ 3-5 мкм.

Толщина второго n⁺-слоя выбирается из условия отсутствия туннелирования дырок через эту область. В этой области происходит интенсивная рекомбинация дырок, попавших в n⁺ p⁺-переход.

Толщина p⁺-слоя выбирается равной удвоенной длине дебаевского экранирования. Оптимальные значения d₃ и d₂ могут быть выбраны одинаковыми и равными d₃ d₂ 0,2 мкм, а толщина первого h⁺-слоя выбирается такой, чтобы генерация, обусловленная дислокациями при удалении от границы раздела на расстояние d^ соответствовала плотности генерационного тока в слиточном материале.

Предлагаемая конструкция обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом.

1. Наличие первого сильно легированного слоя n⁺ приводит к снижению генерационного тока в этой области за счет снижения генерационно-рекомбинационного процесса. Кроме того, этот слой n⁺ толщиной 5 мкм дает возможность избавиться от собственного поглощения света в этой области за счет сдвига Мосс-Бурштейна при засветке активной области через широкозонную подложку и обеспечивает омический контакт на полуизолирующих подложках GaAs или других диэлектрических подложках.

2. Наличие p⁺ области приводит к образованию потенциальной мы для дырок и потенциального барьера, образованного p⁺-областью и второй n⁺-областью величиной Φ = E₉+ ΔΦ, где E_g ширина запрещенной зоны полупроводника, а ΔΦ величина потенциального барьера, определяемая сдвигом Мосс-Бурштейна. Для большинства полупроводников в разумном диапазоне легирования Dv = 0,1-0,2 эВ. Концентрация дырок в области 5 определяется величиной p⁺ и величиной потенциального барьера Φ
(1)
Проведем численные оценки для узкозонного п/п InSb, для которого при Т 77 К ΔΦ = 0,2 эВ, и собственная концентрация дырок в бездефектном п/п см^-3.

а) В отсутствии дополнительных сильно легированных слоев концентрация дырок в активном слое может быть оценена по формуле
P₅(акт.) P_гр•exp(-d/L_p≈ 10¹⁵ см^-13, (2)
где Р_гр концентрация дырок на границе раздела, равная
(3)
τ_d "дислокационное" время жизни (генерации), τ_o время жизни бездислокационного материала, L_p диффузионная длина дырок, d - расстояние от границы раздела с подложкой до активного слоя. Видно, что концентрация дырок в активном слое существенно превышает собственную концентрацию P_i при любой температуре.

б) При наличии n⁺-p⁺-перехода концентрация дырок в активной области 5 будет равна

т. е. дырки из дефектной и p⁺-областей практически не будут попадать в активный слой 5, где их концентрация может считаться равной собственной, т. е. приблизительно 10¹⁰ см^-3.

Увеличение рабочей температуры с 77 до 200 К приводит к одновременному увеличению как собственной концентрации дырок в области 5, так и к их забросу в активную область из p⁺-области. Однако, поскольку собственна концентрация p_i растет с температурой как

а концентрация дырок, заброшенных через n⁺-p⁺-барьер величиной Φ, равной F = E₉+ ΔΦ как

то видно, что собственная концентрация дырок растет быстрее, чем концентрация дырок, попадающих из дефектной области (из p⁺-области).

3. Наличие второй n⁺-области приводит к дополнительному увеличению рекомбинационного процесса дырок, попадающих из p⁺-области; наличие резкого n⁺ p⁺ n⁺-перехода в узкозонных полупроводниках с малой эффективной массой приводит к низкоомным омическим характеристикам этого перехода, обусловленным туннельным прохождением тока; приводит к более эффективному сбору дырок в активной области 5 за счет наличия потенциального барьера ΔΦ, препятствующего выходу "световых" дырок из области 5 к подложке.

Таким образом использование n⁺ p⁺ n⁺-структуры приводит к значительному снижению генерационного тока, обусловленного структурными дефектами, возникающими при гетероэпитаксии, в активную область. Слабая зависимость от температуры позволяет существенно увеличить рабочие температуры ФПУ, так как в данной конструкции собственная концентрация, определяемая фундаментальными параметрами полупроводника растет быстрее, чем заброс дырок через потенциальный барьер.

4. Поскольку уравнения, описывающие генерационные, диффузионные и рекомбинационные процессы, одинаковы для всех типов полупроводников, а дислокации несоответствия возникают во всех без исключения гетеросистемах, то указанная конструкция будет работать во всех полупроводниковых слоях на любых подложках.

В качестве материала для активного слоя может быть использован не только InSb или InAs, но и любой другой фоточувствительный полупроводниковый материал, например, InGaAs, InGaSb, InAsSb, соединения A₂B₄, A₄B₆ и другие, которые могут быть получены методом гетероэпитаксиального наращивания на монокристаллических подложках. В качестве подложек могут выступать диэлектрические и полупроводниковые материалы, на которых возможен гетероэпитаксиальный рост: например GaAs, Si, Ge и др.

Наиболее перспективным является использование подложек кремния с выращенными на них буферными слоями фторидов бария, стронция или кальция. Во всех случаях плотность дислокаций несоответствия на границе пленка-подложка определяется величиной рассогласования постоянных решеток пленка-подложка. Соответственно толщина дефектного слоя будет изменяться в различных гетеросистемах. Однако, выбирая толщину первого сильно легированного n⁺-слоя равной толщине этого дефектного (дислокационного) слоя для конкретной гетеросистемы и оставляя неизменными другие критерии p⁺ и второго n⁺ слоя, достигается тот же положительный результат.

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

Использование: изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции гетероэпитаксиальной структуры. Сущность изобретения: полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки содержит монокристаллическую подложку, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой полупроводника n-типа с нарушенным слоем на границе раздела. Этот слой содержит два сильно легированных n⁺-слоя, первый с толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, а второй выполнен туннельно-непрозрачным для неосновных носителей и размещен на расстоянии, большем удвоенной длине экранирования Дебая от первого. В промежутке между первым и вторым n⁺-слоями сформирован p⁺-слой. 2 ил.

Полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки, включающая монокристаллическую подложку, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой фоточувствительного полупроводника n-типа с нарушенным слоем на границе раздела, отличающаяся тем, что гетероэпитаксиальный слой дополнительно содержит два сильнолегированных n⁺-слоя, первый толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, второй выполнен туннельно непрозрачным для неосновных носителей дырок и размещен на расстоянии, большем удвоенной длины экранирования Дебая от первого, а в промежутке между первым и вторым n⁺-слоями расположен р⁺-слой.