ФОТОДЕТЕКТОР Российский патент 2000 года по МПК H01L31/119 

Настоящее изобретение относится к электронике, а более конкретно к полупроводниковым приборам (детекторам) излучения, предназначенным для одновременной регистрации интенсивности импульса излучения и энергии (дозы) падающего излучения.

Известен фоточувствительный элемент, содержащий полупрозрачный электрод, изолирующий слой, расположенный на полупроводниковой подложке, и электрод к полупроводниковому слою. Изолирующий слой выполнен туннельно-прозрачным из аморфного углеродсодержащего материала (см. патент РФ N 2022410 по кл. H 01 L 31/062, опубликован 30.10.94 г.).

Известный фоточувствительный элемент позволяет регистрировать только интенсивность излучения, но не его энергию.

Известен фотодетектор, содержащий изолирующий слой в виде газового диэлектрика и широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл, размещенные между двумя оптически прозрачными электродами (так называемая М(ГД)П-структура). Электроды подключены к источнику внешнего электрического напряжения (см. Кашерининов П.Г., Лодыгин А.Н. - "Новые полупроводниковые приборы для регистрации энергии (дозы) электромагнитных и ядерных излучений на основе специального типа структур металл-диэлектрик-полупроводник".- Письма в ЖТФ, 1997, том 23, N 4, с.23-29).

Известный фотодетектор позволяет оперативно измерять энергию (дозу) падающего излучения. Недостатком такого фотодетектора является его поляризация в процессе регистрации излучения, которая искажает результаты измерений амплитуды излучения. Этот недостаток обусловлен следующими процессами в известном фотодетекторе. Приложенное к электродам внешнее напряжение из-за существенно различных значений диэлектрической проницаемости полупроводникового кристалла и газового диэлектрика создает различную напряженность электрического поля в кристалле и газовом слое. Напряженность поля в газовом слое во много раз выше, чем в кристалле, и оказывается близкой к пробивному значению. При облучении фотодетектора регистрируемым импульсным излучением, испытывающим в кристалле фотоактивное поглощение, генерированные излучением фотоносители разделяются электрическим полем, при этом один тип носителей уносится из кристалла, а другой под действием электрического поля собирается у границы раздела кристалл-газовый сдой, уменьшая напряженность поля в кристалле. В результате амплитуды последовательных токовых импульсов фотоответа уменьшаются со временем, так как после каждого поглощенного в кристалле импульса напряженность электрического поля в кристалле уменьшается и электрический заряд, созданный каждым последующим импульсом, будет собираться в кристалле под действием все меньшей напряженности электрического поля. Когда напряженность электрического поля в газовом зазоре достигает критического значения, проводимость газового слоя скачком переключается в высокопроводящее состояние в результате газового разряда. При этом накопленный заряд в кристалле вытекает из кристалла, вызывая появление токового импульса в электрической цепи фотодетектора, после чего напряженность электрического поля в газовом слое уменьшается ниже критического значения, разряд прекращается, а распределение напряженности поля в фотодетекторе возвращается к первоначальному состоянию. Таким образом, в известном фотодетекторе имеет место его частичная поляризация в процессе регистрации излучения, которая искажает получаемые результаты.

Задачей настоящего изобретения являлось создание такого фотодетектора, который бы обеспечивал регистрацию без искажений амплитуды импульсов излучения (интенсивности излучения) и оперативное измерение энергии излучения в этих импульсах, то есть создание практически неполяризующегося в процессе работы фотодетектора.

Поставленная задача решается тем, что в фотодетекторе, содержащим изолирующий слой в виде газового диэлектрика и широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл, размещенные между двумя оптически прозрачными электродами, подключенными к источнику внешнего напряжения, рабочая площадь фотодетектора S удовлетворяет соотношению:
S ≥ 10 мм². (1)
Неожиданно оказалось, что если рабочую площадь фотодетектора выбрать равной или большей 10 мм², то форма импульса фотоответа практически не изменяется со временем в процессе регистрации излучения. Как показали исследования авторов, при достижении напряженности поля в слое газового диэлектрика критического значения пробой газового слоя происходит на некотором участке поверхности структуры (площадью около 1 мм²) через последовательное сопротивление освещаемого участка кристалла М(ГД)П-структуры и во внешней цепи структуры протекает короткий токовый импульс. После газового пробоя напряженность поля в газовом свое на этом небольшом участке поверхности структуры уменьшается ниже критического значения, разряд прекращается, распределение напряженности электрического поля на этом участке возвращается к исходному темновому значению. Далее процесс повторяется, но каждый последующий пробой происходит на новом участке структуры. Таким образом, при однородном облучении поверхности М(ГД)П-структуры регистрируемым излучением на участке ее поверхности (площадью около 1 мм²) происходит изменение напряженности электрического поля в кристалле, а на остальной площади фотодетектора распределение напряженности поля в структуре при облучении регистрируемым излучением не меняется. В результате при площади освещаемой поверхности структуры, значительно превосходящей 1 мм², напряженность электрического поля в подавляющей части рабочей области М(ГД)П-структуры остается неизменной и амплитуда импульсов фотоответа при освещении структуры импульсным излучением, в отличие от прототипа, не изменяется со временем в процессе регистрации излучения.

В патентной и другой научно-технической литературе авторы не обнаружили информации о подобном эффекте, что позволяет считать заявляемый фотодетектор новым и отвечающим критерию изобретательского уровня.

Заявляемый фотодетектор изображен на чертежах, где:
на фиг. 1 приведена схема одного из вариантов устройства для регистрации излучения с помощью заявляемого фотодетектора на кристалле Bi₁₂SiO₂₀;
на фиг. 2 показана форма импульсов во внешней цепи фотодетектора-прототипа при освещении его импульсами света (длина волны 0,54 мкм);
на фиг. 3 приведена форма импульсов во внешней цепи заявляемого фотодетектора при освещении его импульсами света (длина волны 0,54 мкм).

Фотодетектор включает плоскопараллельную пластину 1 из широкозонного изолирующего полупроводникового кристалла площадью не менее 10 мм². В качестве такого кристалла может быть использован природный алмаз, силикат висмута Bi₁₂SiO₂₀, германат висмута Bi₁₂GeO₂₀ и другие подобные кристаллы с удельным сопротивлением ρ ≥ 10¹² - 10¹⁴ Ом • см. На одной из поверхностей пластины 1 расположена пластина слюды 2 толщиной 30-100 мкм с отверстием не менее 10 мм². Толщина пластины слюды 2 определяет толщину газового (например, воздушного) слоя 3 М(ГД)П-структуры, а площадь отверстия - площадь поверхности газового слоя 3. Пластины 1 и 2 размещают между двумя стеклянными или кварцевыми пластинами 4 с нанесенными на их внутренние и внешние поверхности электродами 5. В варианте фотодетектора, в котором излучение направляют перпендикулярно пластине 1 (фиг. 1), электроды 5 выполняют оптически прозрачными, например из In₂O₃ или SnO. Электроды 5 подключены к источнику 6 постоянного электрического напряжения через сопротивление 7.

Заявляемый фотодетектор работает следующий образом. К электродам 5 от источника постоянного напряжения 6 подают напряжение величиной 1000-2000 В (в зависимости от геометрических параметров М(ГД)П-структуры). Приложенное к электродам 5 электрическое напряжение из-за существенно различных значений диэлектрической проницаемости пластины 1 и газового слоя 3 создает в них различную напряженность электрического поля. Напряженность поля в газовом слое 3 при этом во много раз выше, чем в пластине 3, и оказывается близкой к критическому (пробивному) значению. Регистрируемое излучение направляют перпендикулярно пластине 1 (в этом случае электроды 5 должны быть оптически прозрачными). При облучении пластины 1 регистрирующим импульсным излучением оно испытывает в материале пластины 1 фотоактивное поглощение, генерированные излучением фотоносители разделяются электрическим полем, при этом один тип носителей уносится из пластины 1 и дает во внешней цепи импульс фотоответа, а другой тип фотоносителей под действием электрического поля собирается у границы раздела пластина 1 - газовый слой 3. По мере регистрации импульсов излучения напряженность поля в газовом зазоре 3 постепенно увеличивается до критического значения, при котором в газовом слое 3 наступает пробой на участке поверхности пластины 1 площадью около 1 мм², при этом во внешней цепи появляется токовый импульс с большей амплитудой, чем амплитуда импульса фотоответа (фиг. 3). После газового пробоя напряженность поля в газовом слое на этом участке поверхности пластины 1 уменьшается ниже критического значения, разряд прекращается, распределение напряженности электрического поля на этом участке возвращается к исходному темновому значению, далее процесс повторяется, но каждый последующий пробой происходит на новом участке поверхности пластины 1.

Если рабочая площадь поверхности пластины 1 будет меньше 10 мм² (что можно достигнуть, например, поставив на пути излучения диафрагму), то фотодетектор станет поляризующимся и регистрируемая амплитуда импульсов фотоответа будет уменьшаться с каждым последующим импульсом (фиг.2), как в прототипе.

Был изготовлен фотодетектор с М(ГД)П-структурой на основе кристалла силиката висмута (удельное темновое сопротивление ρ = 10¹⁴ Ом • см, подвижность свободных носителей μ_n = 2 • 10^-2 см² • B^-1 • c^-1, время жизни τ_n = 10^-4 с). Из кристалла были вырезаны плоскопараллельные пластины с размерами 10х10х2 мм³. На одной из поверхностей пластины кристалла 10х10 мм² располагалась пластина слюды 10 x 10 мм² толщиной 50 мкм со сквозным отверстием 15 мм². Пластины кристалла и слюды размешали между стеклянными пластинками с нанесенными на их поверхности электродами из In₂O₃. К электродам был подключен источник постоянного электрического напряжения. Форма импульсов при регистрации импульсного излучения соответствовала фиг. 3. Затем на пути излучения была установлена диафрагма с изменяющимся диаметром зрачка в пределах от 0,5 до 15 мм². При диаметре зрачка диафрагмы менее 10 мм², форма импульсов фотоответа соответствовала фиг. 2.

Изобретение относится к электронике и может найти применение для одновременной регистрации интенсивности импульса излучения и энергии падающего излучения. Фотодетектор содержит изолирующий слой в виде газового диэлектрика и широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл, размещенные между двумя оптически прозрачными электродами, подключенными к источнику внешнего напряжения. Новым является выполнение рабочей площади детектора S, удовлетворяющей соотношению: S ≥ 10 мм². Технический результат изобретения - фотодетектор практически не поляризуется в процессе регистрации излучения. 3 ил.

Фотодетектор, содержащий изолирующий слой в виде газового диэлектрика и широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл, размещенные между двумя оптически прозрачными электродами, подключенными к источнику внешнего напряжения, отличающийся тем, что рабочая площадь детектора S удовлетворяет соотношению
S ≥ 10 мм².