ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК Российский патент 1996 года по МПК H01L31/05 

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам, а именно к фотоприемникам и может быть использовано для регистрации и измерения светового излучения.

Известен гетеропереходный фотоприемник (M. Persin and Ved Mitra. Electrical and Photovaltaic Properties of a Heterojunction between As-Fe-Ge Film and Crystalline silicon "Thin Solid Films", 1980, vol. 70, N 1, р. 85 - 90), выполненный в виде двухслойной структуры из стеклообразного халькогенида мышьяка и монокристаллического кремния. При этом слой стеклообразного халькогенида выполнен из пленки As-Te-Ge.

Недостатком известного гетеропереходного фотоприемника является сравнительно узкий спектральный диапазон чувствительности. Это обусловлено незначительным различием ширины запрещенных зон материалов, образующих гетеропереход, Eg(As-Te-Ge) 1,34 эВ, Eg(Si) 1,11 эВ, а также работой фотоприемника в вертикальном режиме, при котором область объемного заряда мала и общий уровень фотоответа снижен из-за недостаточно эффективного разделения носителей на границе раздела. Спектральный диапазон чувствительности этого фотоприемника 0,65^oC1,1 мкм.

Кроме того, недостатком известного фотоприемника является неравномерность спектральной чувствительности в измеряемом диапазоне.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является гетеропереходный фотоприемник (Андриеш А.М. и др. Стеклообразный сульфид мышьяка и его сплавы. Кишинев. Штиинца, 1981, с. 37), выполненный в виде двухслойной структуры из стеклообразного халькогенида мышьяка и монокристаллического кремния, причем слой стеклообразного халькогенида выполнен из трисульфида мышьяка (As₂S₃).

Выполнение слоя стеклообразного халькогенида из As₂S₃ оказывает влияние на расширение спектрального диапазона фоточувствительности. Это достигается вследствие значительного различия ширины запрещенных зон Еg материалов, образующих гетеропереход. Так, Еg(As₂S₃) 2,35 эВ и Еg(Si) 1,11 эВ. Так как вклад в фотопроводимость дают носители, возбуждаемые в обоих компонентах гетероперехода, область спектральной чувствительности складывается из областей спектральной чувствительности каждого из компонентов, как As₂S₃, так и Si и составляет 0,4^oC1,1 мкм.

Использование в качестве халькогенида трисульфида мышьяка As₂S₃ увеличивает фотоответ в высокоэнергетической области.

Недостатком известного гетеропереходного фотоприемника являются слабая фоточувствительность в области длин волн менее 0,42 мкм и высокая неравномерность (селективность) спектра фотопроводимости.

Задача изобретения расширение области спектральной чувствительности в сторону высокоэнергетической части спектра, а также получение равномерной спектральной характеристики.

Это достигается тем, что в гетеропереходном фотоприемнике, выполненном в виде двухслойной структуры из монокристаллического кремния и халькогенидного полупроводника в качестве последнего используют поликристаллический диморфит (As₄S₃). Это позволяет сделать вывод, что техническое решение соответствует критерию "новизна".

Увеличение фоточувствительности в высокоэнергетической области λ 0,25^oC0,42 мкм достигается вследствие того, что при вакуумном напылении предварительно синтезированного диморфита образуется матрица с мелкокристаллическими a и β фазами диморфита. В результате этого создаются крупномасштабные флуктуации потенциала и глубокие потенциальные ямы для возбужденных светом электронов. Поэтому, несмотря на то, что диморфит поглощает электромагнитные излучения из видимого диапазона длин волн, фотоотклик в этом диапазоне отсутствует. Возбужденные носители остаются в этих потенциальных ямах. Для получения фотоотклика энергия возбуждающего кванта должна быть выше стенок (барьеров) потенциальных ям. Но так как пространственное распределение и энергетический масштаб флуктуаций потенциала хаотичен, то энергия кванта возбуждения должна быть выше уровня протекания заряда.

В данном случае эта энергия выше 2,9 эВ, т.е. длина волны менее 0,42 мкм. Наличие глубоких потенциальных ям в слое диморфита приводит также к накоплению в нем вблизи границы раздела возбужденных носителей и укорачиванию длины экранирования. Вследствие того, приложенное внешнее поле распространяется, главным образом, в монокристалле кремния, что дает возможность управлять уровнем фотоотклика в спектральном диапазоне соответствующем поглощению света в кремнии путем подбора величины приложенного внешнего направления. В этой связи электрическое смещение фотоприемника задается из условия выравнивания уровня фотоотклика вследствие поглощения света в кремнии и диморфите, что обуславливает достижение неселективности в спектральном диапазоне фоточувствительности 0,4 1,0 мкм.

Таким образом, предложенный гетеропереходный фотоприемник обладает по сравнению с прототипом повышенной фоточувствительностью в области длин волн менее 0,42 мкм и селективной спектральной характеристикой в области длин волн 0,4 1,0 мкм.

Совокупность признаков, отличающих предлагаемый гетеропереходный фотоприемник от прототипа, является новой, поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена схема гетеропереходного фотоприемника; на фиг. 2
спектральные характеристики гетеропереходного фотоприемника и прототипа.

Фотоприемник состоит из подложки 1 монокристаллического кремния, на которую нанесен слой 2 диморфита (As₄S₃), контакта 3, нанесенного на слой 2 и контакта 4, нанесенного с противоположной стороны кремниевой подложки. Контакт 3 выполнен из алюминия, контакт 4 может быть выполнен из алюминия, хрома или теллура. Источник 5 электрического напряжения подключен своими полюсами к контактам 3 и 4 через сопротивление 6 нагрузки.

Кривые 1 и 2 (фиг. 2) показывают спектральное распределение чувствительности фотоприемника и прототипа соответственно. Кривая 1 показывает, что гетеропереходный фотоприемник обладает равномерной спектральной чувствительностью в диапазоне 0,4 1,0 мкм.

Гетеропереходный фотоприемник работает следующим образом. На контакты 3 и 4 фотоприемника (фиг. 1) подается электрическое напряжение (1 10 В) от источника 5. Если подложка 1 выполнена из кремния р-типа, то контакты 3 и 4 подключаются к полюсам источника 6, таким образом, чтобы подложка 1 обладала отрицательным потенциалом по отношению к слою 2; в случае выполнения подложки 1 из кремния n-типа подключение контактов 3 и 4 к полюсам источника 5 должно быть таким, чтобы подложка 1 обладала положительным потенциалом по отношению к слою 2. При освещении гетероперехода на границе раздела слоев 1 и 2 возникают неравновесные носители заряда, создающие в цепи фототок, пропорциональный освещенности. Электрический сигнал с сопротивления 6 нагрузки поступает на блок измерения.

Принцип действия фотоприемника основан на пространственном разделении неравновесных электронов и дырок потенциальным барьером неоднородной полупроводниковой структуры, представляющей собой контакт двух разных по химическому составу и топологической структуре полупроводниковых материалов: поликристаллического диморфита с шириной запрещенной зоны Eg(As₄S₃) 2,8 эВ и монокристаллического кремния n-типа или р-типа с шириной запрещенной зоны Eg(Si) 1,11 эВ. Неравновесные носители возникают при освещении полупроводника фотонами с энергией hν>Eg. Фотоны с энергией 1,11 эВ <hν< 2,8 эВ свободно проходят через слой As₄S₃ и почти полностью поглощаются на поверхности монокристаллического кремния в области пространственного заряда гетероперехода, образуя неравновесные носители заряда. Так как область генерации фотоносителей и область, где они разделяются (область пространственного заряда), совмещены, эффективность фотопреобразования высока и практически постоянна во всем интервале энергий 1,11 эВ <hν< 3,1 эВ. В интервале 2,8 эВ ≅hν ≅ 3,1 эВ фотоотклик падает из-за поглощения света в As₄S₃.

Фотоны с энергией hν< 1,11 эВ не поглощаются и соответственно не дают вклада в фотоответ, а фотоны с энергией 2,8 эВ < hν ≅ 3,1 эВ, поглощаясь в As₄S₃ частично (вследствие хаотичности потенциальных ям), застревают на дне потенциальных ям и вклад в фотоотклик также не максимален. Однако суммирование фотоотклика в Si и As₄S₃ в этом диапазоне энергий фотона пpиводит к повышению его уровня и обеспечению неселективности при заданном значении приложенного напряжения. Фотоны с энергией hν≥ 3,1 эВ поглощаются, вблизи поверхности слоя As₄S₃, не доходя до границы раздела, в результате чего в этой области фотоответ падает более существенно.

Таким образом, спектральная характеристика чувствительности гетеропереходного фотоприемника (фиг.2) имеет вид плато, ограниченного резким спадом чувствительности при энергиях 1,1 и 3,1 эВ.

Преимуществами предложенного гетеропереходного фотоприемника по сравнению с прототипом являются:
расширение спектрального диапазона применяемого излучения с 0,28 мкм - 1,1 мкм (прототип) с 0,42 1,1 мкм;
получение равномерной спектральной характеристики в диапазоне 0,4 1,0 мкм.

Эти преимущества являются следствием применения новой пары материалов для образования гетероперехода (монокристаллического кремния и поликристаллического диморфита As₄S₃), которые значительно различаются шириной запрещенной зоны (Eg(Si) 1,11 эВ; Eg (As₄S₃) 2,8 эВ) и топологической структурой. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".

Использование: для регистрации и измерения светового излучения. Сущность изобретения: гетеропереходный фотоприемник состоит из подложки из монокристаллического кремния, на которую нанесен слой поликристаллического As₄S₃ и двух контактов, алюминиевого контакта, нанесенного на слой As₄S₃, и контакта из алюминия, хрома или теллура, нанесенного с противоположной стороны кремниевой подложки. 2 ил.

Гетеропереходный фотоприемник, выполненный в виде двухслойной структуры из монокристаллического кремния и халькогенидного полупроводника, отличающийся тем, что в качестве халькогенидного полупроводника использован поликристаллический диморфит.