ДИОДНАЯ ФОТОПРИЕМНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ МАТРИЧНОГО ФПУ Российский патент 1997 года по МПК H01L31/10 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к конструкции фотоприемной ячейки на основе диодной структуры. Диодная фотоприемная ячейка является основным элементом при изготовлении матричных фотоприемных устройств ФПУ.

Известна конструкция двойной диодной структуры, которая состоит из двух последовательно включенных фотодиодов и используется в качестве фоточувствительного элемента в солнечных батареях [1] Ячейка имеет следующую конструкцию. На подложке из арсенида галия расположен слой узкозонного полупроводника InGaAs, в котором сформированы n- и p⁺-области, на ними находится слой широкозонного полупроводника AlGaAs, в котором сформирована вторая фотодиодная структура, состоящая из последовательно расположенных слоев n⁺-, n-, p⁺-типа проводимости.

Ячейка работает следующим образом. Световой поток с широким спектром излучения попадает на поверхность верхнего ФД сформированного в широкозонном материале. Коротковолновая часть спектра поглощается, вызывая появление фотоЭДС на первом ФД. У длинноволновая часть спектра проникает во второй ФД, сформированный в узкозонном материале и поглощается в нем, вызывая появление фотоЭДС. Результирующая фотоЭДС складывается, повышая эффективность преобразования солнечной энергии за счет использования двух диодов, включенных последовательно и расположенных друг над другом. Диоды работают в фотовольтаическом режиме, т.е. регистрируется фотоЭДС.

Недостатком известной конструкции является невозможность использования ее для приема монохроматического излучения в фотодиодном режиме.

Известна конструкция диодной фотоприемной ячейки, выбранная в качестве прототипа [2] которая состоит из подложки арсенида индия, на поверхности которой диффузией получена p⁺-область, а затем сформированы меза-структуры. Каждая меза-структуры представляет собой отдельную фотоприемную ячейку. При этом контакты формируются мостиковым способом.

Известная диодная ячейка работает следующим образом p⁺-n-переход, образованный p⁺ диффузионным слоем и n-подложкой смещается в обратном направлении. При отсутствии светового потока через ФД протекает темновой ток I_т. При наличии излучения ток через ФД возрастает. Его величина определяется количеством поглощенных квантов излучения и квантовой эффективностью. Величина фототока при слабой интенсивности падающего излучения мала, поэтому очень высоки требования к качестве p⁺-n-перехода: в нем должны быть малы темновые токи утечки и достаточно высокие поля пробоя p⁺-n-перехода:
Недостатком известной конструкции является высокая вероятность отказов, обусловленная низким сопротивление обратно-смещенного ФД, которая приводит к резкому увеличению темнового тока ФД, превышающего величину фототока. Отказы могут быть вызваны неоднородным пространственным распределением носителей точечными или структурными дефектами в области p⁺-n-перехода, поверхностными утечками или другими неконтролируемыми факторами. Высокий процент нерабочих диодных фотоприемных ячеек в фотоприемной матрице приводит к выходу из строя матрицы ФПУ в целом.

Технической задачей изобретения является увеличение выхода годных многоэлементных матриц ФПУ на основе диодных фотоприемных ячеек.

Поставленная техническая задача достигается тем, что известная диодная фотоприемная ячейка для матричного ФПУ, выполненная в виде мезаструктуры, включающая подложку арсенида индия n-типа, активный слой n-типа и расположенный над ним слой p⁺ типа содержит дополнительно последовательно расположенные над ними n⁺ слой толщиной W₊, второй слой n-типа толщиной W₂, второй слой p⁺-типа толщиной W₊, причем выполняется условие W₂= 0,7α^-1, а αW₊≪ 1, где α коэффициент поглощения в n-слое.

В качестве полупроводника, где формируется двойная диодная структура могут использоваться гетероэпитаксиальные слои соединений A₃B₅; A₂B₆; A₄B₆, а в качестве подложек полупроводниковые и диэлектрические подложки материалов с шириной запрещенной зоны, большей чем ширина з.з. эпитаксиального слоя, а также гетероэпитаксиальные структуры с буферными диэлектрическими и полупроводниковыми слоями.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием второй диодной структуры, расположенной над первой таким образом, чтобы оба фотодиода включены последовательно, а контакт между ними обеспечен низкоомной туннельной диодной структурой.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что двойные структуры диодных ячеек ФПУ известны [1] и используются в гетероструктурах. Однако введение дополнительного p⁺0-n-перехода в материале с той же шириной запрещенной зоны проявляет новые свойства, что приводит к повышению выхода годных при работе в фотодиодном режиме в узком спектральном диапазоне.

На фиг.1,2 представлены зонная структура и вольт-амперные характеристики ВАХ, поясняющие работу ячейки.

В полупроводниковой подложке InAs n-типа-1, последовательно расположены активный слой n-типа толщиной W₁-2, слой p⁺-типа толщиной W₊-3, слой n⁺-типа толщиной W₊-4, второй слой n-типа толщиной W₂-5, слой p⁺-типа толщиной W₊-6. Обозначено: E_c, E_v, E_f, E_g дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень ферми и ширина запрещенной зоны соответственно.

На фиг.2 изображены ВАХ одинарной и двойной фотодиодной структуры: кривые 1 и 2 темновая и световая ВАХ двойной диодной структуры, а 4 и 3 для одинарной диодной структуры соответственно.

Ячейка работает следующим образом.

При отсутствии светового потока, направленного на поверхность второго от подложки ФД2 через последовательно включенные p⁺-n-переходы течет темновой ток I_t, величина которого меньше каждого из токов насыщения I_s1 и I_s2, соответствующих первому и второму ФД соответственно. При наличии дефектного (полностью пробитого) p⁺-n-перехода (например, второго) ток темновой будет равен I_s1, т.е. определяется величиной обратного темнового тока первого ФД1.

Если вероятность пробоя одного p⁺-n-перехода обозначить P, то вероятность отказа сразу двух последовательно включенных ФД равна произведению их вероятностей P₁•P₂. Например: если вероятность случайного отказа ФД равна 20% (0,2), то вероятность отказа двойной диодной структуры составит 0,04.

Таким образом в фотодиодном режиме двойная диодная структура обеспечивает уменьшение темнового тока и резкое снижение вероятности катастрофического отказа ячейки ФПУ в матрице.

При облучении ФД световым потоком интенсивности I_о, часть его поглотителя в первом p⁺-n-переходе, а оставшаяся часть во втором. Если I_о Полностью поглотится в одном p-n-переходе, что увеличения фототока не произойдет, при исправном втором переходе, т.к. его сопротивление велико и ток через ячейку останется равным темновому току второго диода. Если второй диод не рабочий, то величина I_ф определяется числом неосновных носителей сгенерированных в первом переходе и при квантовой эффективности равной единице их число равно I_o/hν. Выход из строя второго перехода приведет к увеличению напряжения смещения на первом переходе, но в пределах рабочего участка характеристики это не приведет к изменению темнового или фототока (фиг.2. точки c' и d')
Для достижения максимальной эффективности необходимо, чтобы весь световой поток поровну поглотился в каждом из переходов I_o/2hν. В этом случае приращение фототока в каждом ФД будет одинаковым и общий ток через двойную диодную структуру также будет равен I_o/2hν. Таким образом величина фототока уменьшается в два раза по сравнению со случаем, когда используется одинаковая диодная структура с поглощением в ней полного светового потока.

Если один из переходов нерабочий, то величина фототока не изменится и также будет составлять 1/2 от фототока для одинарной диодной структуры.

Таким образом использование двойной диодной структуры для приема монохроматического (узкой спектральной области) излучения в режиме фотодиодном позволяет резко уменьшить вероятность отказов элементов матрицы ФПУ, при этом снижается величина темнового (I_t) тока большинства ячеек и всего в два раза уменьшается величина сигнала, определяемого фототоком.

Толщина первого n-слоя должна удовлетворять условию поглощения 50% интенсивности:
I/I_o= exp(-αW₂) = 0,5, или W₂= 0,7α^-1,
а толщины слоев P⁺ должны быть такими, чтобы поглощение в них было минимально:
exp(-αW₊) ≅ 1.
Это обусловлено тем, что в материалах p-типа часто величина внутризонного поглощения в p-области сравнима с собственным в том же оптическом диапазоне.

Использование: в микроэлектронике. Сущность: в активном слое полупроводника формируют последовательность включенные через туннельно прозрачную структуру два фотодиода, в каждом из которых поглощается половина падающего светового потока. 2 ил.

Диодная фотоприемная ячейка матричного ФПУ, выполненная в виде меза-структуры, включающая подложку арсенида индия n-типа, активный слой n-типа и расположенный над ним слой p⁺-типа, отличающаяся тем, что ячейка дополнительно содержит последовательно расположенные над ними n⁺-слой толщиной W+, второй n-слой толщиной W₂, второй слой p⁺-типа толщиной W₊, причем выполняется условие где α - коэффициент поглощения.