ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 1996 года по МПК H01L31/101 

Фотоприемное устройство ФПУ относится к электронной технике, в частности к фотоприемникам, обладающим чувствительностью в ИК-диапазоне спектра, многоэлементным или одноэлементным с примесной фотопроводимостью.

ФПУ для ИК-области спектра обычно используется в режиме импульсного опроса. Фотоэлектрические параметры ФПУ определяются свойствами электрического контакта к компенсированному полупроводнику. При включении импульса напряжения к ФПУ из контакта инжектируются основные носители тока и часть их захватывается на ловушки. За время паузы между импульсами происходит освобождение захваченных носителей тепловой или фотогенерацией. Величина фототока определяется током дозарядки уровней ловушек.

Известно фотоприемное устройство (В. Г. Иванов. ФТП, 1979, вып. 9, т. 13, с. 1838 1841), которое содержит полупроводниковую фоточувствительную подложку, в которую введена компенсирующая примесь, энергия активации которой Е_a меньше половины ширины запрещенной зоны материала подложки. Примесь является многозарядной с дважды отрицательно заряженным уровнем для основных носителей. ФПУ имеет внешние слои-шины, выполненные из материала образующего омический контакт с материалом подложки и прозрачные для проектируемого излучения. Фотоприемное устройство имеет ряд существенных недостатков: нестабильность электрических свойств получаемого контакта внешнего слоя с подложкой, влияние свойств поверхности подложки и свойств внешнего слоя на фотоэлектрические параметры ФПУ, плохая воспроизводимость технологического процесса при изготовлении омического контакта.

Известна инфракрасная детекторная матрица (патент GB N 2125217), содержащая подложку из кремния, легированного бором и компенсированного контролируемой дивакансией, на обеих сторонах которой сформированы проводящие взаимно перпендикулярные шины из Au, которые в свою очередь состоят из приконтактного слоя, представляющего собой область обогащения и пленки металла, нанесенной на приконтактный слой. Такой контакт при низких температурах образует переход типа n⁺-n(p⁺-p), которые формируется близко от поверхности, что приводит к зависимости свойств самого перехода от состояния поверхности и от свойств металла, что приводит к нестабильности контакта, а также не реализуются свойства инжектирующего контакта, возможность увеличения фоточувствительности.

Основной задачей предлагаемого изобретения является, во-первых, увеличение фоточувствительности ФПУ в импульсном режиме опроса, а, во-вторых, повышение однородности распределения фоточувствительности по полю ФПУ и получение стабильных воспроизводимых фотоэлектрических параметров ФПУ.

Положительный эффект от использования изобретения создание стабильного инжектирующего контакта к компенсированному полупроводнику, не зависящего от свойств поверхности и металла, нанесенного на поверхность и увеличение фоточувствительности ФПУ в импульсном режиме по сравнению со стационарным режимом.

Этот эффект достигается тем, что в предлагаемом ФПУ для ИК области спектра, содержащем подложку из полупроводника, легированного мелкой донорной примесью и точно компенсированного глубокой многозарядной акцепторной примесью, создающей дважды отрицательно заряженные уровни, на обеих сторонах которой созданы проводящие шины, состоящие из созданного в подложке приконтактного слоя, обогащенного специально введенной мелкой примесью того же типа проводимости что и подложка, и нанесенной на него пленки металла, создающего электрический контакт с ним, приконтактный слой состоит из первой области, контактирующей с металлом с максимальной концентрацией примеси равной

при условии L₁≥L диф. где D коэффициент диффузии основных носителей: L_диф. длина диффузии основных носителей; γ коэффициент рекомбинации носителей заряда; L₁ толщина первой области, и следующей за ней второй области с концентрацией примеси на 1 2 выше концентрации мелкой донорной примеси подложки, причем их толщины соотносятся следующим образом:

где L₂ толщина второй области; для улучшения омических свойств металла используется пленка никеля.

Таким образом, в предлагаемом ФПУ приконтактный слой при комнатной температуре состоит по крайней мере из 2 областей: первая область обогащения N⁺⁺(p⁺⁺); вторая область обогащения с меньшей концентрацией n⁺(p⁺). При охлаждении в таком контакте появляется третья область перехода однотипного n⁺ n (p⁺ p), высота потенциального барьера которого равна разности между уровнями Ферми в области 2 и в объеме подложки. В переходе n⁺ n (p⁺ p) существует плоскость, в которой примеси точно компенсированы. Инжектированные носители, захваченные на ловушки являются неравновесными и создают дополнительный объемный заряд, который экранирует инжектирующий контакт. Максимальная ширина области экранирования должна быть в плоскости с точной компенсацией и равна

где N_t n_o темновая концентрация носителей тока в зоне проводимости при точной компенсации примесей; ΔΦ высота потенциального барьера (n⁺-n) перехода.

Ширина области 2 должна быть больше или равна максимальной длине экранирования в переходе n⁺ n(p⁺ p), которая определяется по формуле (2) и условие запишем

Концентрация инжектированных, захваченных носителей заряда при напряжении предельного заполнения ловушек равна концентрации пустых мест на акцепторном уровне в подложке. Толщина первой области должна быть больше или равна диффузионной длине основных носителей тока, которая определяется по формуле

где D коэффициент диффузии мелкой примеси в 1 области; γ -коэффициент рекомбинации основных носителей, N_макс максимальная концентрация примеси в 1 области.

Для того, чтобы выполнить условие L₁≥L_диф, необходимо ввести в область 1 примеси с концентрацией
N_макс.≥ D/L2диф.

γ
В контакте металла и области 1 образуется область пространственного заряда с высотой потенциального барьера Φ_o и максимальной напряженностью электрического поля Е_макс. на глубине, равной отношению Φ_o/E_макс. Область 1 должна быть больше глубины проникновения электрического поля контакта металл-подложка. Каждая область такого контакта выполняет свои функции: первая область функцию омического (инжектирующего) контакта металл обогащенный слой N⁺⁺, вторая область при низких температурах инжектирующего контакта N⁺ области и подложки ФПУ, т. е. образует непосредственно инжектирующий переход n⁺ -n (p⁺ p). Распределение концентрации носителей заряда в таком контакте изображено на фиг. 1. Далеее будет показано, каким образом увеличивается чувствительность в предлагаемом ФПУ. Концентрация носителей тока инжектированных из контакта определяется свойствами инжектирующего контакта, напряжением и размерами элементов ФПУ. В импульсном режиме опроса ФПУ наблюдается значительное увеличение фоточувствительности по сравнению со стационарным режимом. В первый момент при подаче импульса напряжения течет инжекционный безловушечный ток, пиковое значение которого

ε диэлектрическая постоянная; m подвижность носителей тока; V - напряжение питания; L расстояние между электродами; S площадь элемента. Величину тока в стационарном режиме через этот же элемент выражается

где Δn_ст. концентрация фотоносителей в зоне проводимости в стационарном режиме. Увеличение фоточувствительности зависит от исходной степени компенсации объема компенсированной подложки, от длительности импульса и паузы между ними, от уровня фоновой облученности. Амплитуда импульса фототока дается выражением
(6)
где τ_захв время захвата носителей тока на примесный уровень;
t_имп. длительность импульса; τ_паузы длительность паузы; С - параметр, зависящий от свойств инжектирующего контакта.

Увеличение фоточувствительности представляется, как отношение токов

В ФПУ прототипе поверхности подложки наносится пленка золота. Золото в германии создает акцепторные уровни.

Однако технологически воспроизводимого контакта получить не удается, так как золото при напылении и последующем отжиге диффундировало в германий на глубину больше, чем ширина обогащенной области 1, поэтому создавался сильно перекомпенсированный тонкий слой Ge(Au,Sb), который при низких температурах становится более высокоомным, чем переход n⁺ n и все напряжение падает на этом слое, приводя к потере инжектирующих свойств контакта и соответственно фоточувствительности.

В предлагаемом ФПУ при нанесении никеля также происходит его диффузия, однако область 2 намного больше, чем длина, на которой успевает продиффундировать никель, и поэтому сохраняется переход n n, расположенный на глубине ≈1,5 мкм от поверхности, много большей, чем L дифNi
Таким образом, сохраняются инжектирующие свойства n⁺ n (p⁺ p) перехода и преимущества такого контакта.

На фиг. 1 показано распределение концентрации носителей тока в ФПУ; на фиг. 2 ФПУ на основе структуры матричного типа: 1 подложка; 2 область обогащения N⁺⁺=10¹⁹ см^-3; 3 область обогащения N⁺=10¹⁵ см^-3; 4 пленка металла; 5 переход n⁺ - n (p⁺ p).

Пример конкретного исполнения. ФПУ может быть одноэлементным либо многоэлементным матричного или линейного типов. Предлагаемое ФПУ изображено на фиг. 2, ФПУ состоит из подложки германия, легированного сурьмой и компенсированного серебром (1), области обогащения (2), в которой максимальная концентрация примеси обогащения ≈10¹⁹ см^-3, область обогащения (3) с концентрацией ≈10¹⁵ см^-3, области (5), проявляющейся при низких температурах и образующей переход n⁺ n (p⁺ p), и пленки металла (4), нанесенной на подложку. Концентрация в области (5) изменяется от ≈10¹⁵ см^-3 до концентрации носителей заряда в подложке n_o.

ФПУ матричного типа, на одни шины которого подаются импульсы напряжения, к другим шинам подключается усилитель. В стационарном состоянии подложка при комнатной температуре низкоомная и приконтактный слой состоит из 2-х областей: обогащенной области и области перехода n⁺ n, которая явно не проявляется. При охлаждении до Т≈40 К подложка становится высокоомной и область 2 трансформируется в две области, где одна из них низкоомная с концентрацией больше на (1 2) чем концентрация мелкой донорной примеси в подложке, вторая области перехода n±n (p⁺ p). Высота потенциального барьера перехода определяется по формуле

N N⁺⁺ В прототипе
N=N⁺ в нашем случае
Ширина перехода n⁺ n определяется по формуле

При включении импульса напряжения носителя инжектируются из контакта, продиффундировав область 1 и 2, носители рекомбинируют. Инжектированные носители частично захватываются в области перехода и в подложке, создавая неравновесный связанный заряд. Этот заряд экранирует контакт, длина экранирования носителей заряда определяется по формуле при точной степени компенсации

Изменение фоточувствительности ФПУ определяется нестационарными процессами, проходящими в переходе, поэтому создание области 2 позволяет сформировать переход, ширина которого определяется длиной экранирования носителей тока на глубине ≈Lэкр. В прототипе переход образуется близко от поверхности подложки и свойства его зависят от состояния поверхности.

Темновая концентрация носителей заряда в подложке (n_o) зависит от степени компенсации примесей. Серебро в германии имеет три акцепторных уровня с энергиями ионизации E_v+0,14 эв, E_c-0,28 эв, E_c-0,09 эВ. Если два уровня полностью заполнены, а верхний частично заполнен, то n_o определяется по формуле

Концентрация фотоносителей определяется по формуле

где N_Sb концентрация сурьмы в подложке; N_cм3 - эффективная плотность состояний, приведенная к верхнему уровню серебра; 3η=N_Ag/N_Sb степень компенсации примесей в подложке, g_ф сечение фотоионизации верхнего уровня серебра; g коэффициент рекомбинации; I интенсивность облучения, m_o концентрация электронов на верхнем уровне серебра.

В табл.1 приведены параметры областей ФПУ.

Теоретически оцененное увеличение чувствительности в импульсном режиме по сравнению со стационарным режимом, для разных степеней компенсации подложки, которое может быть получено, приведено в табл. 2. Практически прототип имеет ≈10 выхода годных, предлагаемое решение ≈30 Расчет проведен по формуле

где γ 10^-12 см^-3 • с^-1; g_ф=10^-17 см²; I 5•10¹² кван/см²с; V 1B; e 16 • 8,85 • 10^-14 ф•см^-1; L 3•10^-2 см.

Как видно из таблицы 2, увеличение фототока можно получить на подложке с перекомпенсированными примесями, при точной компенсации примесей увеличение фоточувствительности не наблюдается по сравнению со стационарным режимом. Разброс степени компенсации по подложке в основном задается распределением сурьмы в германии при радиальном распределении 2 (3η≠ 1,0 1,02), что приводит к изменению фоточувствительности в стационарном режиме при 40KΔn₁/Δn₃ 4,1 • 10¹²/8 • 10⁷ 5 • 10⁴ раз, в импульсном режиме это соотношение будет 4,1•10¹²/8•10⁷125= 4•10² раза, т. е. фототок увеличивается в 5•10⁴/4•10²
10² раз.

При распределении 0,5 % Δn₁/Δn₂= 4,1•10¹²/3 • 10⁸ 10³, в импульсном режиме 4,1•10¹²/3•10⁸•31=30, т.е. фототок увеличивается в 30 раз.

Так как увеличение фототока в перекомпенсированных участках подложки больше, чем в участках с точной компенсацией, то при импульсном режиме опроса уменьшается неоднородность распределения фоточувствительности по рабочему полю ФПУ. При степенях компенсации 3η = 1,0; 3η = 1,02 разброс фототока составляет ≈5• 10⁴ раз в стационарном режиме, в импульсном режиме ≈4 • 10² раза.

Таким образом, при создании переходной области 2 с толщиной происходит разделение функций инжектирующего контакта к компенсированной подложке на две: первую функцию омического контакта выполняет контакт металла и поверхности обогащенной области N⁺⁺, вторую функцию именно инжектирующего контакта выполняет переход от области 2 к объему подложки. Ширина области 2 должна быть ≥Lэкр, n⁺-n перехода при точной компенсации примесей. Это позволяет получить технологически воспроизводимый контакт, уменьшение неоднородности распределения фоточувствительности, увеличения фоточувствительности в импульсном режиме опроса при низких температурах, исключается влияние поверхности на инжектирующий контакт.

2. По сравнению с золотом, нанесенным на подложку был получен более стабильный омический контакт на компенсированном германии.

В табл. 3 представлены ФПУ с разными пленками металла.

Использование: ФПУ относится к электронной технике, в частности к фотоприемникам, обладающим чувствительностью в ИК диапазоне спектра, многоэлементным или одноэлементным с примесной фотопроводимостью. Сущность изобретения: ФПУ содержит подложку из полупроводника, компенсированного глубокой многозарядной примесью, создающей дважды отрицательно заряженные уровни. На обеих сторонах ФПУ созданы проводящие шины, состоящие из приконтактного слоя в подложке и нанесенного металла, создающего электрический контакт с подложкой. Приконтактный слой в отличие от прототипа формируется из двух областей при 300 К с разной концентрацией примеси, обогащающей этот слой. Первая область с максимальной концентрацией, обеспечивающей ширину области больше или равной длине диффузии основных носителей. Вторая область с концентрацией примеси обогащена на (1 - 2) % выше концентрации мелкой примеси в подложке. Ширина этой области должна быть больше длины экранирования носителей при точной компенсации примесей. При охлаждении ФПУ в приконтактной области проявляется область перехода n⁺ - n (p⁺ - p) обладающая инжектирующими свойствами. В этом переходе существует плоскость с точной компенсацией примесей, обладающей максимальной длиной экранирования носителей, инжектированных из контакта. Наличие второй области позволяет электрический контакт к компенсированному полупроводнику разделить на два контакта с разными функциями: контакт пленки никеля и обогащенной области подложки, являющейся омическим; контакт второй области и подложки, являющимся инжектирующим контактом. 1 з. п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Фотоприемное устройство для ИК-области спектра, содержащее подложку из полупроводника, легированного мелкой донорной примесью и точно компенсированного глубокой многозарядной акцепторной примесью, создающей дважды отрицательно заряженные уровни, на обеих сторонах которой созданы проводящие шины, состоящие из созданного в подложке приконтактного слоя, обогащенного специально введенной мелкой примесью того же типа проводимости, что и подложка, и нанесенной на него пленки металла, создающего электрический контакт с ним, отличающееся тем, что приконтактный слой состоит из первой области, контактирующей с металлом, с максимальной концентрацией примеси, определяемой по формуле

при условии L₁≥L_диф,
где D коэффициент диффузии основных носителей;
L_диф диффузионная длина;
γ коэффициент рекомбинации носителей тока;
L₁ толщина первой области и следующей за ней второй области с концентрацией примеси на 1 2% выше концентрации мелкой донорной примеси подложки, причем их толщины соотносятся следующим образом:

где L₂ толщина второй области;
ε диэлектрическая постоянная;
Dv высота потенциального барьера n⁺ n- либо p⁺ p- перехода;
e заряд электрона;
N_t концентрация ловушек на уровнях акцепторной примеси при точной компенсации примесей, равная темновой концентрации носителей тока;
E_макс максимальное поле области пространственного заряда контакта металл подложка;
v_o высота потенциального барьера контакта металл подложка. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве пленки металла используется никель.