МНОГОЭЛЕМЕНТНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО С ДЛИННОВОЛНОВОЙ ГРАНИЦЕЙ ПОГЛОЩЕНИЯ ДО 7 МКМ Российский патент 2001 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к производству фотоприемных модулей, и может быть использовано в приборах ночного видения, тепловизорах, газоанализаторах.

Известно многоэлементное фотоприемное устройство с длиноволновой границей поглощения до 7 мкм (Аигина Н.Р., Богомолов П.А., Сидоров В.И. и Шумский В. Б. Зарубежная электронная техника, 1986, N 5 (300), с.2), представляющее собой матрицу элементов (фотоячеек), содержащее подложку из высокоомного кремния, со стороны засветки - контактный слой, электрод, с другой стороны - барьер Шоттки на основе силицида и электрод.

Фотосигнал обусловлен внутренней фотоэмиссией носителей заряда из силицида в полупроводник через потенциальный барьер на их границе с дальнейшим сбором носителей заряда на контактах.

К недостаткам данного устройства следует отнести слабую электрическую развязку между элементами в результате малой квантовой эффективности η ~ 10^-3. Так, если η имеет малую величину, то перекрестные наводки между соседними фотоячейками (элементами) возникают в результате миграции и перезахвата части заряда по окончании импульса инжекции в уже считанные фотоячейки (Приборы с зарядовой связью. Под ред. Д.Ф. Барба, Мир, 1982, 240 с.). Увеличение квантовой эффективности на один или два порядка позволяет уменьшить перекрестные электрические наводки между соседними элементами и улучшить их электрическую развязку.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является многоэлементное фотоприемное устройство с длинноволновой границей поглощения до 7 мкм (патент РФ N 2065228, МПК: H 01 L 27/14), содержащее подложку из высокоомного кремния p-типа, со стороны засветки - контактный слой p⁺⁺ с N_p ~ (5 - 9)•10¹⁹ см^-3 и алюминиевый электрод, с другой стороны - мезаструктуры (мезаконтакты) со слоем фотоактивного поглощения p⁺ с N_p ~ (7 - 9)•10¹⁷ см^-3, контактный слой p⁺⁺ с N_p ~ (5 - 9)•10¹⁹ см^-3 и алюминиевый электрод, причем глубина мезаструктур меньше толщины слоя фотоактивного поглощения p⁺.

Недостатком данного технического решения является слабая электрическая развязка между элементами. При освещении, например, начального элемента линейки, содержащей 32 элемента с площадью 50х50 мкм² с шагом 70 мкм, фотосигнал фиксируется на 10-м, 20-м и 32-м элементах с ослаблением на 5%, 10% и 20% соответственно. Причиной данного недостатка служит то, что слой фотоактивного поглощения p⁺ не полностью изолируется в мезаструктуре, в результате чего возникают перекрестные электрические наводки между соседними фотоячейками, приводящие к ослаблению сигнала.

Техническим результатом изобретения является достижение межэлементной развязки с коэффициентом развязки более 95%.

Технический результат достигается тем, что в многоэлементном фотоприемном устройстве с длинноволновой границей поглощения до 7 мкм, содержащем подложку из высокоомного кремния p-типа проводимости, со стороны засветки - контактный слой p⁺⁺ и электрод, с другой стороны - мезаструктуры со слоем фотоактивного поглощения p⁺, контактный слой p⁺⁺ и алюминиевый электрод, причем со стороны засветки на контактный слой p⁺⁺ в качестве электрода напылен тонкий слой прозрачного окисла - окиси индия и олова толщиной 0,2 - 0,5 мкм, концентрация примеси в контактных слоях p⁺⁺ составляет N_p ~ 1•10¹⁹ см^-3, между контактным слоем p⁺⁺ со стороны засветки и подложкой расположен легированный слой p⁺ с N_p ~ 10¹⁷ - 10¹⁸ см^-3 толщиной 3 - 5 мкм, образующий с подложкой p и контактным слоем p⁺⁺ со стороны засветки потенциальный барьер (p-p⁺-p⁺⁺), позволяющий блокировать темновую проводимость, с другой стороны на подложке выполненные мезаструктуры и тонкий слой фотоактивного поглощения p⁺ с концентрацией легирующей примеси N_p ~ (5 - 7)•10¹⁹ см^-3 имеют такую глубину и толщину, соответственно, что слой фотоактивного поглощения p⁺ полностью изолирован мезаструктурой и его концентрация легирующей примеси спадает до значения концентрации примеси в подложке на глубине, меньшей, чем глубина мезаструктуры, а алюминиевый электрод нанесен на всю поверхность мезаструктуры. Мезаструктуры выполнены глубиной 3 - 5 мкм, а тонкий слой фотоактивного поглощения p⁺ имеет толщину 0,1 - 0,2 мкм и концентрацию легирующей примеси N_p ~ (5 - 7)•10¹⁹ см^-3, которая спадает до значения концентрации примеси в подложке на глубине до 1 мкм.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему фигурами: фиг. 1 - схема фотоячейки многоэлементного фотоприемного устройства с длинноволновой границей поглощения до 7 мкм, фиг. 2 - вольт-амперные характеристики фотоячейки, фиг. 3 - гистограммы распределения интенсивности фотосигнала по элементам. На фиг. 1 показана схема фотоячейки многоэлементного фотоприемного устройства с длинноволновой границей поглощения до 7 мкм, где (1) подложка из высокоомного кремния, (2) слой окиси индия и олова, (3) контактный слой p⁺⁺, (4) легированный слой p⁺, (5) слой фотоактивного поглощения p⁺, (6) контактный слой p⁺⁺, (7) алюминиевый электрод; на фиг. 2 - вольт-амперная характеристика элемента с площадью около 10^-2 см², (8) - в темноте, (9) - при освещении, поток ИК-излучения от абсолютно черного тела возрастает в последовательности Ф₃ > Ф₂ > Ф₁ в пределах (1 - 7)•10^-4 Вт/см², темновой ток при V < 0 на p⁺⁺-p⁺ переходе со стороны засветки имеет величину меньше 10^-12 А; на фиг. 3 изображены гистограммы распределения интенсивности фотосигнала по элементам линейки 2 х 32 (шаг 120 мкм при площади элемента около 2,5•10^-5 см²) при условии, что освещается первый элемент, а другие светозащищены (при снятии фотосигнала с других элементов на центральном (освещаемом) либо сохранялся, либо не сохранялся потенциал токосбора): (10) - фотосигнал с элементов линейки предлагаемого изобретения с наличием потенциала на освещаемом элементе, (11) - фотосигнал с элементов предлагаемого изобретения линейки без подачи экстрагирующего потенциала на освещаемый элемент (это распределение фотоответов совпадает с таковым для линейки известного технического решения при наличии потенциала на освещаемом элементе), (12) - фотосигнал с элементов известного технического решения при отсутствии потенциала на освещаемом элементе.

Предлагаемое техническое решение является дальнейшим развитием прототипа, в котором предложен новый принцип создания потенциальных барьеров в кристаллах с одним типом проводимости, позволяющий подавать на прибор смещающие напряжения различной величины (от 0 до 20 - 30 В) в условиях отсутствия темнового тока I_Т < 5•10^-9 А/см². Хотя принцип формирования фотосигнала такой же, как и у приборов на основе диодов Шоттки, то есть надбарьерное прохождение носителей заряда, однако квантовая эффективность в приемниках излучения этого типа значительно больше 0,1 для длины волны излучения больше 1 мкм.

Общим для приемников излучения данного типа является физический принцип работы, заключающийся в способе фотогенерации носителей заряда - рождении и переносе фотодырок через потенциальный барьер с последующим сбором на электроде и в способе подачи смещающего напряжения.

Основное отличие заявляемого технического решения состоит в том, что слой фотоактивного поглощения p⁺ не выходит за пределы мезаструкуры, поскольку его концентрация легирующей примеси спадает до объемной N_p ~ 10¹² см^-3 уже на глубине 0,3 - 0,5 мкм, тогда как глубина мезы составляет 3 - 5 мкм. В известном техническом решении концентрация легирующей примеси спадала до объемной на глубине около 30 мкм, а глубина мез составляла всего лишь около 10 мкм. В результате чего и не достигалось электрической развязки между фотоячейками, поскольку фотоносители могли по примесной зоне диффундировать между фотоячейками. Так, длина диффузии I_D ~ (D_pτ)^-1, где D_p - коэффициент диффузии дырок при Т = 77 К около 12 см²/с, τ - время жизни неравновесных носителей заряда 200 - 300 мкс, составляет 500 - 600 мкм, а шаг - зазор между элементами всего лишь 70 мкм.

В качестве электродного и отражающего контакта со стороны мезаструктур нанесена пленка А1, а со стороны засветки наносится слой просветляющего покрытия с металлической проводимостью окиси индия и олова (ITO) толщиной 1 ~ 0,5 мкм (фиг. 1). Просветляющие покрытия имеют толщину, соответствующую четверти длины волны, на которой хотят получить минимальное отражение. Для длины волны 2-6 мкм, на которой работает многоэлементное фотоприемное устройство с длинноволновой границей поглощения до 7 мкм, толщина ITO составляет 0,2 - 0,5 мкм (Р. Хадсон. Инфракрасные системы. М., Мир, 1972, 145 с.).

За счет отражения от пленки А1 ИК-излучение дважды проходит через слой фотоактивного поглощения p⁺, увеличивая, таким образом, как бы толщину слоя фотоактивного поглощения p⁺ в два раза. Сгенерированные светом в слое фотоактивного поглощения p⁺ электроны, не диффундируя по соседним фотоячейкам (нет примесной проводимости в p - слое ), будут собраны на А1 электрод, а дырки с энергией ε>ϕ_p+-p около 0,2 эВ будут экстрагированы полем через весь кристалл на другой электрод.

Заявляемое устройство выполнено на основе монокристаллического кремния с удельным сопротивлением больше 2000 (Ом) • (см) p - типа проводимости и временем жизни неравновесных носителей заряда (н.н.з.) больше 100 - 200 мкс. Выбор кремния с высоким сопротивлением обусловлен:
1) возможностью создания достаточной величины потенциальных барьеров больше чем 0,18 эВ;
2) большей эффективностью сбора фотоносителей на контакты (ток рекомбинации обратно пропорционален времени жизни н.н.з.);
3) прозрачностью для прохождения ИК-излучения при освещении.

После приготовления пластин Si толщиной d ~ 200 - 300 мкм (при меньшей толщине теряется механическая прочность, а при большей d уменьшается фототок от 7% до 15% на каждые добавленные 100 мкм) методами радиационной технологии проводили формирование слоя фотоактивного поглощения p⁺ и легированного слоя p⁺ при таких условиях, чтобы при Т = 77 К уровень Ферми лежал примерно на энергетическом уровне примеси 0,064 эВ и эти уровни были на 90% пустые. Величина барьера между легированной и нелегированной частями кристалла составила в этом случае:
ϕ = kT/e ln N_p/N₀, (1)
где N_p - концентрация примеси в легированном слое p⁺ и слое фотоактивного поглощения p⁺;
N₀ - концентрация примеси в подложке;
k - постоянная Больцмана;
Т - температура;
e - заряд электрона.

Это позволяет, во-первых, производить фотогенерацию дырок в слое фотоактивного поглощения p⁺ (заполнять электронами акцепторные уровни), во-вторых, создавать потенциальные барьеры из-за разницы уровней Ферми.

При концентрации легирующей примеси N_p<10¹⁷ см^-3 в легированном слое p⁺, находящемся между контактным слоем p⁺⁺ со стороны засветки и подложкой, будет уменьшена величина барьера, при N_p>10¹⁸ см^-3 легированный слой p⁺ будет поглощать значительную долю падающего излучения, поскольку коэффициент излучения пропорционален N_p. Значение толщины легированного слоя p составляет 3 - 5 мкм. Она определяется величиной считывающего потенциала и условием блокировки темновой проводимости. Для напряжений 4 - 10 B данная величина толщины легированного слоя p⁺ является оптимальной.

Наличие барьера p-p⁺-p⁺⁺ со стороны засветки позволяет выдерживать большее напряжение смещения, чем в известных технических решениях, а также блокировать темновую проводимость.

Значение концентрации N_p ~ (5 - 7)•10¹⁹ см^-3 в слое фотоактивного поглощения p⁺ выбрано с целью достижения наибольшего поглощения падающего ИК-излучения: при N_p < 5•10¹⁹ см^-3 не все излучение будет поглощаться в слое фотоактивного поглощения p⁺ и, следовательно, квантовая эффективность понизится; при N_p > 7•10¹⁹ см^-3 примесь может выпасть в конгломераты, что также приведет к понижению квантовой эффективности.

Толщина слоя фотоактивного поглощения p⁺ определяется из оценочной формулы l_ф ~ (σ_Ф • N_p)^-1, где σ_Ф- сечение фотоионизации примеси, N_p концентрация легирующей примеси.

Малая (относительно) толщина слоя фотоактивного поглощения p⁺ 0,1 - 0,2 мкм выбрана с целью достижения, во-первых, лучшей оптической и электрической развязки между элементами (глубина мезы h должна быть существенно больше lф - глубины слоя фотоактивного поглощения), во-вторых, лучшего токосбора фотоносителей: поскольку времена жизни н.н.з. в сильнолегированных слоях малы 10^-8 - 10^-9 с, то, естественно, чем меньше lф, тем большая доля фотоносителей дойдет до контакта.

Значение глубины мезаконтактов выбрано с запасом, она на порядок превышает глубину залегания примеси в слое фотоактивного поглощения p⁺ для гарантированной отсечки диффузии, осуществляемой прыжковой проводимостью по примесным состояниям легированного слоя.

На поверхности со стороны мез и со стороны подсветки расположены контактные слои p⁺⁺ толщиной 1 ~ 0,05 мкм с N_p ~ 10¹⁹ см^-3. Контактные слои p⁺⁺ - см. фиг. 1 формировались также методами радиационной технологии. Значение концентрации примеси N_p ~ 10¹⁹ см^-3 соответствует условию, когда с полной гарантией имеет место создание омического контакта, поскольку минимальная величина концентрации примеси, необходимая для создания омического контакта, составляет N_p ~ 5•10¹⁸ см^-3. Значение концентрации примеси N_p ~ 10¹⁹ см^-3 в контактном слое p⁺⁺ со стороны засветки является оптимальной еще и по той причине, что позволяет пропускать большую долю падающего ИК излучения.

В соответствии с фиг. 2 темновые токи I_T фотоячейки при температуре 77 К при приложениии потенциала со стороны ITO не наблюдаются при - 10 > V > - 0,1 B (значения I_T не превышают 10^-12 А при площади элемента около 10^-4 см²). При напряжениях смещения V > 0 (потенциал прикладывается со стороны ITO) темновые токи также малы, около 10^-12 А, только до значения V = 1,8 - 1,85 B. При V = 2 В значения I_T экспоненциально возрастают до нескольких единиц мкА. Такое поведение ВАХ обусловлено достижением области пространственного заряда (ОПЗ), движущейся со стороны мезаконтакта через p-слой кристалла к противоположному контакту, содержащему потенциальный барьер. В соответствии с известной формулой величина ОПЗ l_опз
l_опз = (2 εε₀ V/e N_p)^0,5, (2)
где ε и ε₀- диэлектрическая проницаемость (относительная и абсолютная);
e - заряд электрона; N_p - концентрация примеси; V - напряжение.

При V = 2 B величина l_опз составляет около 230 мкм при N_p ~ 5•10¹⁰ см^-3, что соответствует примерно толщине подложки. При этом происходит снижение высоты потенциального барьера с резким нарастанием темнового тока, пропорционально exp eV/кТ (см. фиг. 2).

В случае подачи отрицательного потенциала V < 0 до значений V ~ 5 - 10 B (фиг. 2) со стороны ITO внешнее поле экранируется полем ОПЗ потенциального барьера ϕ₂, и темнового тока не регистрируют вплоть до значений около 5•10^-12 А. Зонные диаграммы на вставках фиг. 2 поясняют поведение вольт-амперных характеристик при разных знаках смещающего напряжения.

При освещении светом от абсолютно черного тела с Т = 500 К длиной волны 1,5 < λ < 15 мкм при подаче потенциала - 5 < V < 1,8 B фиксируется фототек с величинами 1 - 5 мкА. С ростом величины потока Ф₃ > Ф₂ > Ф₁, соответственно, возрастает и величина фототока.

Это соответствует в среднем величине S_λ\ ампер-ваттной чувствительности 0,5 - 1 А/Вт с квантовой эффективностью η ~ 0,1 - 0,2.

На фиг. 3 представлены гистограммы распределения фотосигналов с элементов линейки в случае освещения первого элемента светом от абсолютно черного тела и полной защищенности от излучения остальных элементов. При отсутствии потенциала на освещаемом элементе имеется сильная электрическая наводка между элементами линейки с шагом 50 мкм при размере площадок 50х50 мкм² как в предлагаемом изобретении (гистограмма (11)), так и в известном техническом решении (гистограмма (12)). Однако в случае известного технического решения даже при наличии собирающего потенциала на центральном освещаемом элементе, удерживающем сгенерированные фотоносители (электроны) на токосборочном контакте, все равно существует завязка сигналов на другие элементы (гистограмма (11)). Тогда как для предлагаемого технического решения развязка между элементами составляет около 95% (гистограмма (10)). Поскольку в работающих фотоприемных приборах все элементы фотоприемного модуля находятся в режиме накопления заряда, то предлагаемое устройство, таким образом, обладает хорошей электрической развязкой между элементами с сохранением хороших электрофизических параметров известного технического решения.

Многоэлементное фотоприемное устройство с длинноволновой границей поглощения до 7 мкм выполнено в виде фотоприемной матрицы или линейки, элемент которой представлен на фиг. 1. Оно содержит подложку из высокоомного кремния (1), слой окиси индия и олова (2), контактный слой p⁺⁺ (3), легированный слой p⁺ (4), слой фотоактивного поглощения p⁺ (5), контактный слой p⁺⁺ (6), алюминиевый электрод (7). Слой фотоактивного поглощения p⁺ (5), контактный слой p⁺⁺ (6), алюминиевый электрод (7) изолированы мезаструктурой (см. фиг. 1).

Устройство работает следующим образом. На предварительно охлажденное устройство жидким азотом до температуры 77 К подается смещающий потенциал 2 B на электрод со стороны мезаструктур (7) (см. фиг. 1), электрод (2) со стороны засветки заземлен. ИК-излучение попадает на устройство со стороны, на которую нанесен слой прозрачного окисла - окиси индия и олова (2), и, проходя через него и потенциальный барьер p-p⁺-p⁺⁺ (поглощение в нем составляет от 10% до 15%), производит фотогенерацию носителей заряда в слое фотоактивного поглощения p⁺ (5). Под действием смещающего потенциала 2 B электроны по примесной зоне 1 - 5 А/Вт. Величина темнового тока при этом определяется температурой фона и не превышает 5•10^-9 А/см². В основном, работа предлагаемого многоэлементного ФПУ в совокупности со считывающей и обрабатывающей электроникой подобна аналогичному многоэлементному ФПУ, описанному в работе Курышева Г.Л., Ковчавцева А.П., Вайнера Б.Г., Гузева А.А., Базовкина В.М., Строганова А.С., Субботина И.М., Захарова И.М., Ефимова В.М. , Постникова К.О., Ли И.И., Валишевой Н.А., Пановой 3.В. Медицинский тепловизор на основе матричного ФПУ 128х128 для диапазона длин волн 2,8-3,05 мкм. Автометрия, N 4, 1998, с.5 - 12.

Использование устройства в ИК-приборах (тепловизорах) дает следующие преимущества: улучшение характеристик по пространственному разрешению тепловых объектов (термограмм) в диапазоне длин волн от 1 до 7 мкм, в газоанализаторах - повышение их чувствительности по газовому составу.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к производству фотоприемных модулей, и может быть использовано в приборах ночного видения, тепловизорах, газоанализаторах. Техническим результатом изобретения является достижение межэлементной развязки с коэффициентом развязки более 95%. Сущность: устройство содержит подложку из высокоомного кремния р-типа проводимости, со стороны засветки - электрод и контактный слой р⁺⁺, с другой стороны - мезаструктуры со слоем фотоактивного поглощения р⁺, контактный слой р⁺⁺ и алюминиевый электрод, причем со стороны засветки на контактный слой р⁺⁺ в качестве электрода напылен тонкий слой прозрачного окисла - окиси индия и олова толщиной 0,2-0,5 мкм, концентрация примеси в контактных слоях р⁺⁺ составляет N_p~1•10¹⁹ см^-3, между контактным слоем р⁺⁺ со стороны засветки и подложкой р расположен легированный слой р⁺ с N_p~10¹⁷-10¹⁸ см^-3 толщиной 3-5 мкм, образующий с подложкой р и контактным слоем р⁺⁺ потенциальный барьер (р-р⁺-р⁺⁺), позволяющий блокировать темновую проводимость, с другой стороны на подложке выполненные мезаструктуры и тонкий слой фотоактивного поглощения р⁺ с концентрацией легирующей примеси N_p~(5-7)•10¹⁹ см^-3 имеют такую глубину и толщину соответственно, что слой фотоактивного поглощения р⁺ полностью изолирован мезаструктурой и его концентрация легирующей примеси спадает до значения концентрации примеси в подложке на глубине, меньшей, чем глубина мезаструктуры. Алюминиевый электрод нанесен на всю поверхность мезаструктуры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоэлементное фотоприемное устройство с длинноволновой границей поглощения до 7 мкм, содержащее подложку из высокоомного кремния р-типа проводимости, со стороны засветки - электрод и контактный слой р⁺⁺, с другой стороны - мезаструктуры со слоем фотоактивного поглощения р⁺, контактный слой р⁺⁺ и алюминиевый электрод, отличающееся тем, что со стороны засветки на контактный слой р⁺⁺ в качестве электрода напылен тонкий слой прозрачного окисла - окиси индия и олова толщиной 0,2-0,5 мкм, концентрация примеси в контактных слоях р⁺⁺ составляет N_p~1•10¹⁹ см^-3, между контактным слоем р⁺⁺ со стороны засветки и подложкой р расположен легированный слой р⁺ с N_p~ 10¹⁷-10¹⁸ см^-3 толщиной 3-5 мкм, образующий с подложкой р и контактным слоем р⁺⁺ потенциальный барьер (р-р⁺-р⁺⁺), позволяющий блокировать темновую проводимость, с другой стороны на подложке выполненные мезаструктуры и тонкий слой фотоактивного поглощения р⁺ с концентрацией легирующей примеси N_p~(5-7)•10¹⁹ см^-3 имеют такую глубину и толщину соответственно, что слой фотоактивного поглощения р⁺ полностью изолирован мезаструктурой и его концентрация легирующей примеси спадает до значения концентрации примеси в подложке на глубине меньшей, чем глубина мезаструктуры, и алюминиевый электрод нанесен на всю поверхность мезаструктуры. 2. Многоэлементное фотоприемное устройство с длинноволновой границей поглощения до 7 мкм по п.1, отличающееся тем, что выполненные мезаструктуры имеют глубину 3-5 мкм, а тонкий слой фотоактивного поглощения р⁺ имеет толщину 0,1-0,2 мкм и концентрацию легирующей примеси N_p~(5-7)•10¹⁹ см^-3, которая спадает до значения концентрации примеси в подложке на глубине до 1 мкм.