ФОТОРЕЗИСТОР НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ CdHgTe (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК H01L31/09 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может использоваться для создания полупроводниковых фотоприемников, в частности фоторезисторов для регистрации и измерения светового излучения.

Известен фоторезистор, в котором фоточувствительный элемент выполнен из монокристалла CdHgTe, приклеенного к подложке, а электрическое соединение чувствительной площадки элемента с контактными дорожками подложки осуществлено с помощью металлического покрытия, сформированного на изолированной плавно-наклонной боковой поверхности (RU 11928 U1, 16.11.1999).

В известном фоторезисторе оптимизированы приемы формирования контактов, что приводит к повышению сроков эксплуатации с сохранением основных рабочих характеристик. Однако в данном приборе не созданы условия для повышения чувствительности.

Известен фотоприемник на основе гетероструктуры a_IIb_IV, в которой в качестве, по крайней мере, одного слоя может быть использован слой CdHgTe (US 4764261 А, 16.08.1988).

Известен фотоприемник, в качестве которого может быть рассмотрен фоторезистор, в котором для повышения основных рабочих характеристик, в частности устранения самоограничения сигнала, повышения обнаружительной способности в далекой ИК области за счет подавления межзонных туннельных токов, использована варизонная подложка CdHgTe (SU 1823722 А1, 20.02.1996).

Также известен фоторезистор, в котором чувствительный элемент выполнен в виде слоистой структуры, состоящей, в частности, из слоев одного полупроводника одного типа проводимости разной электропроводности. Можно добиться повышения фоточувствительности резисторов в широком спектральном диапазоне (SU 890906 А1, 30.04.1989).

Недостатком известных фоторезисторов является невозможность обеспечения максимальной вольтовой чувствительности, которая определяется выбором материала для формирования слоев чувствительного элемента, свойствами рабочего слоя и градиентом состава варизонных слоев.

Техническим результатом изобретения является разработка фоторезистора с расширенной спектральной областью чувствительности, в котором реализуется максимальная вольтовая чувствительность, устранена поверхностная рекомбинация и, как результат, обеспечена повышенная интегральная обнаружительная способность. Как известно, оптические характеристики фоточувствительных элементов, в частности чувствительность, порог чувствительности и пр., определяются зонной структурой веществ. В заявленном изобретении сделан конкретный выбор материалов гетероэпитаксиальной структуры с определенными зонными характеристиками, определяемыми составом.

Технический результат достигается тем, что фоторезистор на основе гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe содержит диэлектрическую подложку, на которой закреплена, по крайней мере, одна подложка чувствительного элемента, выполненная из CdZnTe или GaAs, или Si, с размещенным на ней чувствительным элементом, выполненным в виде гетероэпитаксиальной структуры, состоящей из нижнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,3±0,05 в направлении от подложки, рабочего слоя Cd_xHg_1-xTe, где х=0,3±0,05, верхнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется от 0,3±0,05 до 0,8 в направлении от подложки к просветляющему покрытию.

Указанный технический результат также может достигаться в другом варианте изобретения, согласно которому фоторезистор на основе гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe содержит диэлектрическую подложку, на которой закреплена, по крайней мере, одна подложка чувствительного элемента, выполненная из CdZnTe или GaAs, или Si, с размещенным на ней чувствительным элементом, выполненным в виде гетероэпитаксиальной структуры, состоящей из нижнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,215±0,05 в направлении от подложки, рабочего слоя Cd_xHg_1-xTe, где х=0,215±0,05, верхнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется от 0,215±0,05 до 0,8 в направлении от подложки к просветляющему покрытию.

В представленных вариантах изобретения достигается заявленный технический результат, который обусловлен использованием конкретных фотоприемных чувствительных элементов с определенной структурой и концентрацией (и градиентом состава) используемых элементов в слоях.

В каждом из вариантов фоторезисторов между, по крайней мере, одной подложкой чувствительного элемента и нижним варизонным слоем может быть размещен буферный слой из CdTe и ZnTe или слой CdZnTe.

Между верхним варизонным слоем и просветляющим покрытием может быть размещен слой широкозонного полупроводника постоянного состава Cd_xHg_1-хТе, где х=0,6-1.

На диэлектрической подложке могут быть закреплены подложки чувствительных элементов с гетероэпитаксиальными структурами, которые в случае одной подложки чувствительного элемента образуют одноэлементный фоторезистор, а в случае нескольких подложек чувствительных элементов образующими линейку или билинейку, или многорядную линейку, или многорядную матрицу элементов.

Для каждого из вариантов, по крайней мере, один чувствительный элемент может быть выполнен в виде мезаструктуры, боковая поверхность которой плавно переходит через варизонные и рабочий слои к подложке чувствительного элемента, на боковую поверхность мезаструктуры напылен металлический контакт из J_n или Аu, или Мо, или NiAu, электрически соединенный через золотые токоподводы с контактной дорожкой на диэлектрической подложке. Подложка чувствительного элемента может быть закреплена на диэлектрической подложке криостойким клеем.

Пример реализации заявленного изобретения.

Для получения чувствительного элемента могут быть использованы любые известные технологии формирования гетероэпитаксиальных структур. В частности, варизонные слои могут быть получены известным способом эпитаксиального нанесения варизонных слоев с плавным изменением ширины запрещенной зоны в структуре Cd_xHg_1-xTe (RU 2022402 С1, 30.10.1994).

Структура фоторезистора схематически показана на чертеже, где на диэлектрической подложке 1 расположены дорожки контактного растра 2, токоподводы 3, сварные контакты 4. Подложка контактного растра чувствительного элемента 6, выполненная из CdZnTe или GaAs, или Si, закреплена на диэлектрической подложке 1 с помощью слоя криостойкого клея 5. Сварной контакт 7 выполнен на слое металлического контакта 10 из J_n или Аu, или Мо, или NiAu. Структура чувствительного элемента представляет собой структуру последовательно расположенных на подложке слоев - буферного слоя 8 из CdTe и ZnTe или CdZnTe, нижнего варизонного слоя 9, рабочего слоя 11 постоянного состава, верхнего варизонного слоя 12, широкозонного слоя 13 постоянного состава Cd_xHg_1-xTe, где х=0,6-1, и слоя просветляющего защитного покрытия 14.

В одном из вариантов заявленного изобретения нижний варизонный слой выполнен из Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,3±0,05 в направлении от подложки, рабочий слой выполнен из Cd_xHg_1-xTe, где х=0,3±0,05, верхний варизонный слой выполнен из Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется от 0,3±0,05 до 0,8 в направлении от подложки.

В другом варианте заявленного изобретения нижний варизонный слой выполнен из Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,215±0,05 в направлении от подложки, рабочий слой выполнен из Cd_xHg_1-xTe, где х=0,215±0,05, верхний варизонный слой выполнен из Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется от 0,215±0,05 до 0,8 в направлении от подложки (слоя постоянного состава) к просветляющему покрытию.

Предлагаемый фоторезистор работает следующим образом. Поток излучения через просветляющее покрытие проходит через широкозонный слой постоянного состава, затем через верхний варизонный слой, рабочий слой, нижний варизонный слой и буферный слой на подложку. При поглощении падающего на фоточувствительную структуру регистрируемого излучения происходит генерация неосновных носителей, которые обуславливают возникновение напряжения сигнала. При этом чувствительность фоторезистора зависит от времени жизни носителей и скорости их рекомбинации. Использование слоев конкретных составов в определенной последовательности обеспечивает максимальную вольтовую чувствительность. Наличие варизонных слоев с определенным градиентом состава не только устраняет поверхностную рекомбинацию, но также расширяет спектральную область чувствительности, что приводит к повышению интегральной обнаружительной способности фоторезистора. Увеличение вольтовой чувствительности обеспечивается также возможностью уменьшения толщин конкретных слоев гетероэпитаксиальной структуры и, как следствие, толщины самой структуры, что является актуальным в связи c миниатюризацией элементов приборов. Суммарный эффект от наличия варизонных слоев и определенного состава рабочего слоя и градиента концентрации варизонных слоев приводит к столь значительному, в 20-50 раз, повышению вольтовой чувствительности, что позволяет в 10-20 раз снизить ток смещения одного элемента фоторезистора.

Использование: для регистрации и измерения светового излучения. Фоторезистор на основе гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe содержит диэлектрическую подложку, на которой закреплена, по крайней мере, одна подложка чувствительного элемента, выполненная из CdZnTe или GaAs, или Si, с размещенным на ней чувствительным элементом, выполненным в виде гетероэпитаксиальной структуры, состоящей из нижнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,3±0,05 в направлении от подложки, рабочего слоя Cd_xHg_1-хТе, где х=0,3±0,05, верхнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется от 0,3±0,05 до 0,8 в направлении от подложки, и просветляющего покрытия. Также предложен второй вариант с измененным составом рабочего слоя и соответственно градиентом концентрации в варизонных слоях. Технический результат изобретения: расширение спектральной области чувствительности, устранение поверхностной рекомбинации и, как результат, обеспечение повышения интегральной обнаружительной способности. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фоторезистор на основе гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe, содержащий диэлектрическую подложку, на которой закреплена, по крайней мере, одна подложка чувствительного элемента, выполненная из CdZnTe или GaAs или Si, с размещенным на ней чувствительным элементом, выполненным в виде гетероэпитаксиальной структуры, состоящей из нижнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,3±0,05 в направлении от подложки, рабочего слоя Cd_xHg_1-xTe, где х=0,3±0,05, верхнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется от 0,3±0,05 до 0,8 в направлении от подложки к просветляющему покрытию.2. Фоторезистор по п.1, отличающийся тем, что между, по крайней мере, одной подложкой чувствительного элемента и нижним варизонным слоем размещен буферный слой из CdTe и ZnTe или CdZnTe.3. Фоторезистор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что между верхним варизонным слоем и просветляющим покрытием размещен слой широкозонного полупроводника постоянного состава Cd_xHg_1-xTe, где х=0,6÷1.4. Фоторезистор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что на диэлектрической подложке закреплены подложки чувствительных элементов с гетероэпитаксиальными структурами, образующими линейку, или билинейку, или многорядную линейку, или многоэлементную матрицу элементов.5. Фоторезистор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что, по крайней мере, один чувствительный элемент выполнен в виде мезаструктуры, боковая поверхность которой плавно переходит через варизонные и рабочий слои к подложке чувствительного элемента, на боковую поверхность мезаструктуры напылен металлический контакт из In,_{или Аu, или Мо, или NiAu, электрически соединенный через золотые токоподводы с контактной дорожкой на диэлектрической подложке.}6. Фоторезистор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что подложка чувствительного элемента закреплена на диэлектрической подложке криостойким клеем.7. Фоторезистор на основе гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe, содержащий диэлектрическую подложку, на которой закреплена, по крайней мере, одна подложка чувствительного элемента, выполненная из CdZnTe или GaAs или Si, с размещенным на ней чувствительным элементом, выполненным в виде гетероэпитаксиальной структуры, состоящей из нижнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется в интервале от 0,8±0,05 до 0,215±0,05 в направлении от подложки, рабочего слоя Cd_xHg_1-хТе, где х=0,215±0,05, верхнего варизонного слоя Cd_xHg_1-xTe, где х изменяется от 0,215±0,05 до 0,8 в направлении от подложки к просветляющему покрытию.8. Фоторезистор по п.7, отличающийся тем, что между, по крайней мере, одной подложкой чувствительного элемента и нижним варизонным слоем размещен буферный слой из CdTe и ZnTe или слой CdZnTe.9. Фоторезистор по любому из пп.7 или 8, отличающийся тем, что между верхним варизонным слоем и просветляющим покрытием размещен слой широкозонного полупроводника постоянного состава Cd_xHg_1-xTe, где х=0,6÷1.10. Фоторезистор по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что на диэлектрической подложке закреплены подложки чувствительных элементов с гетероэпитаксиальными структурами, образующими билинейку или многорядную линейку чувствительных элементов.11. Фоторезистор по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что, по крайней мере, один чувствительный элемент выполнен в виде мезаструктуры, боковая поверхность которой плавно переходит через варизонные и рабочий слои к подложке чувствительного элемента, на боковую поверхность мезаструктуры напылен металлический контакт из In, или Аu, или Мо, или NiAu, электрически соединенный через золотые токоподводы с контактной дорожкой на диэлектрической подложке.12. Фоторезистор по любому из пп.7-11, отличающийся тем, что подложка чувствительного элемента закреплена на диэлектрической подложке криостойким клеем.