ИНТЕГРАЛЬНОЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2006 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники, в частности к конструкции интегрального многоэлементного фотоприемного устройства инфракрасного диапазона (ИК ФПУ), и может быть использовано для регистрации оптических сигналов в передающих телевизионных камерах, в системах искусственного зрения роботов, в приборах ночного видения и др.

Многоэлементные ФПУ включают в себя матрицу (или линейку) фотоприемных элементов ИК-излучения и схемы обработки фотосигнала (мультиплексоры) с управляющей электроникой.

Известны конструкции интегральных многоэлементных ИК ФПУ на кремнии, в которых фоточувствительный элемент и схема обработки фотосигнала формируются в одной подложке [1-2]. В качестве фоточувствительного элемента может быть использован фоторезистор на примесном кремнии или фотодиод на основе барьера Шоттки.

Недостатком указанных конструкций являются более низкая обнаружительная способность по сравнению с фотоприемниками на собственном кремнии, низкая радиационная стойкость, низкое быстродействие, обусловленные использованием монолитной объемной подложки и низкие рабочие температуры.

Известны конструкции интегральных многоэлементных ИК ФПУ, в которых в качестве материалов для фоточувствительных элементов используются узкозонные материалы на основе соединений А₃В₅, А₂В₆, А₄В₆, а электронная схема обработки изготавливается в кремниевой подложке [3, 4]. Сопряжение фотоэлементов с мультиплексорами осуществляется с использованием обратного монтажа на индиевых столбах [1]. В этом случае засветка фоточувствительных элементов производится через тонкую или прозрачную подложку фоточувствительного материала.

Недостатками указанных конструкций являются:

- низкая радиационная стойкость схемы обработки;

- низкая чувствительность из-за поглощения части излучения подложкой фоточувствительного материала;

- низкая надежность мест связи различных элементов схемы, подверженных действию вибраций и тепловых деформаций;

- увеличение шумов и, как следствие, снижение обнаружительной способности;

- усложнение технологии из-за необходимости прецизионного позиционирования с использованием инфракрасных микроскопов, а также соблюдения достаточно жестких условий по удельному давлению в местах индиевых соединений для того, чтобы избежать неконтролируемого изменения характеристик фотоприемных элементов.

Известна конструкция интегрального многоэлементного фотоприемного устройства инфракрасного диапазона (ИК ФПУ) [5], выбранная в качестве прототипа, содержащая матрицу (или линейку) фоточувствительных элементов, выполненных в виде фоторезисторов в эпитаксиальном слое свинец-олово-теллур, легированном индием (PbSnTe<In>) и расположенном на подложке фторида бария, и схему обработки фотосигнала (кремниевые мультиплексоры), выполненную в монолитном кремнии, смонтированные на ситалловой плате.

Преимуществами использования PbSnTe<In>, в качестве фоточувствительного материала, являются:

- высокая радиационная стойкость и стабильность электрофизических параметров [6, 7].

- большой коэффициент поглощения, что позволяет использовать более тонкие пленки, уменьшить оптоэлектронную связь и достичь более высокого пространственного разрешения;

- исключительно высокая фоточувствительность.

Недостатками указанной конструкции являются:

- низкая радиационная стойкость схемы обработки на монолитном кремнии;

- повышенное энергопотребление и тепловыделение в схемах обработки на монолитном кремнии;

- низкая надежность мест связи кремниевых мультиплексоров и фоточувствительных элементов схемы, подверженных действию вибраций и тепловых деформаций;

- усложнение изготовления устройства из-за крепления кремниевых мультиплексоров и фоточувствительных элементов на общей плате;

- низкое быстродействие схем обработки на монолитном кремнии.

Задачей изобретения являются повышение радиационной стойкости, надежности, быстродействия, снижение энергопотребления и тепловыделения, а также упрощение изготовления конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что конструкция интегрального многоэлементного ИК ФПУ содержит фоточувствительные элементы, выполненные в эпитаксиальном слое фоточувствительного полупроводника, расположенного на диэлектрических слоях BaF₂/CaF₂, последовательно расположенных на кремниевой подложке, и схему обработки, выполненную в эпитаксиальном слое Si, расположенном на диэлектрическом слое CaF₂, расположенного на той же подложке. При этом фоточувствительные элементы и мультиплексоры сформированы в едином технологическом цикле на одной (планарной) стороне Si подложки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлено устройство на примере поперечного сечения одной ячейки интегрального многоэлементного ИК ФПУ.

Ячейка интегрального многоэлементного ИК ФПУ содержит кремниевую подложку 1 и последовательно расположенные диэлектрический слой фторида кальция 2; эпитаксиальный слой кремния 3, в котором сформирована схема обработки фотосигнала (мультиплексор); содержащая подзатворный диэлектрик 4, затвор (например, поликремний) 5 и контакты 6, 7; затем диэлектрический слой фторида бария 8; эпитаксиальный слой фоточувствительного полупроводника (например, PbSnTe<In>), в котором сформирован фотоэлемент 9; на тыльной стороне подложки просветляющее покрытие или интерференционный фильтр 10.

Устройство работает следующим образом. Инфракрасное излучение через просветляющий слой (10) и прозрачные кремниевую подложку (1) и слои CaF₂ (2) и BaF₂ (8) попадает в фотоэлемент, созданный в фоточувствительном слое PbSnTe<In> (9). При попадании на фотоэлемент излучения в нем возникает фотосигнал, который регистрируется схемой обработки, находящейся в эпитаксиальном слое кремния (3).

В предложенной конструкции интегрального многоэлементного ИК ФПУ используются слои CaF₂ и BaF₂ в качестве буферных изолирующих слоев, это позволяет получить эпитаксиальные слои Si на CaF₂ и слои PbSnTe на BaF₂ высокого качества [8-12], что повышает технологичность и надежность предложенной конструкции.

Схема обработки в предлагаемой конструкции формируется в эпитаксиальном слое кремния на диэлектрике. Применение структур кремний на диэлектрике (в данном случае Si/CaF₂/Si) для создания различных интегральных схем и приборов позволяет:

- на порядки повысить радиационную стойкость схемы обработки фотосигнала [13, 14];

- резко повысить быстродействие;

- снизить энергопотребление, тепловыделение из-за снижения токов утечки между схемой обработки и подложкой [13].

Уменьшение тепловыделения в свою очередь снижает требования к системе охлаждения ФПУ, что также повышает технологичность и надежность предложенной конструкции.

Матрица (или линейка) фоточувствительных элементов и схема обработки фотосигнала выполнены на одной подложке с одной стороны, что упрощает изготовление конструкции и повышает ее надежность, исключая операцию крепления отдельных элементов устройства на общей плате.

Важно отметить, что заявляемая конструкция ИК ФПУ может быть реализована в различных вариантах:

1) на поверхности диэлектрического буферного слоя сложного состава (Ва, Са)F₂ может быть выращен любой полупроводник на основе соединений А₃В₅, А₂В₆, А₄В₆ [15-17].

2) в фоточувствительном слое возможно изготовление различных фотоэлементов: фоторезисторов, фотодиодов или МДП-диодов [1-4]. Создание того или иного типа фотоэлемента определяется задачами ИК ФПУ, используемыми фоточувствительными материалами, и другими требованиями, предъявляемыми к приемнику излучения. При этом во всех случаях расположение фотоэлемента на диэлектрическом слое фторидов щелочноземельных металлов увеличивает его радиационную стойкость, а выбор состава буферного слоя позволяет наилучшим образом согласовать гетероструктуру полупроводник - фторид, что повышает технологичность и надежность конструкции.

3) в гетероэпитаксиальном слое кремния на фториде кальция Si/CaF₂/Si может быть сформирована любая схема обработки от ключевого транзистора до многоэлементной схемы обработки. При этом большая часть элементов схемы может быть вынесена за периметр матрицы фотоэлементов для увеличения коэффициента заполнения матрицы.

Литература.

1. Приборы с зарядовой связью. Под. ред. Д.Ф.Барба. М., Мир, с.240, 1982.

2. П.А.Богомолов, В.И.Сидоров, И.Ф.Усольцев. Приемные устройства ИК систем. М., Радио и связь, 1987.

3. Под ред. Ж.И.Алферова, Ю.В.Шмарцева. Фотоприемники и фотопреобразователи (сб. статей). Л., Наука, 1986.

4. Свечников Г.С. Элементы интегральной оптики. - Радио и связь, 1987.

5. Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона. Новосибирск, Наука, с.361, 2001.

6. Б.А.Акимов, И.П.Зломанов, Л.И.Рябова, Д.Р.Хохлов. Высокочистые вещества, №6, с.22, 1991.

7. Б.А.Акимов, Н.Б.Брандт, С.А.Богословский., Л.И.Рябова., С.М.Чудинов. Письма ЖЭТФ. Т.29 (1) с.11, 1979.

8. А.А.Величко, С.К.Ноак. Структура и свойства эпитаксиальных пленок фторидов, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Обзоры по электронной технике. Серия 3. Микроэлектроника. Изд. ЦНИИ "Электроника", Москва, 1988.

9. J.Masek, A.Ishida, Hans Zogg, C.Maissen, S.Blunier /Monolithic Photovoltaic PbS-on-Si Infrared-Sensor Array/ IEEE Electron Device Letters, vol.11, № 1, January, 1990.

10. H.Zogg, C.Maissen, J.Masek, S.Blunier, A.Lambrecht, M.Tacke /Heteroepitaxial Pb 1-x Sn x Se on Si Infrared-Sensor Array with 12 m cutoff wavelength/ Appl. Phys. Lett., v.55 (10). №4, 1989.

11. A.A.Величко, И.А.Окомельченко. Интегральные ИК фотоприемные устройства на основе узкозонных полупроводников. "Электронная промышленность" №4, 1993.

12. A.A.Величко, В.А.Илюшин, Н.И.Филимонова, И.Г.Неизвестный, А.Э.Климов, С.П.Супрун, В.Н. Шумский. //Исследование свойств пленок PbSnTe, выращенных на кремнии через буферные слои CaF₂/BaF₂// Электронная конференция II Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция "Электроника", Москва, 17 ноября-11 декабря 2003, www.mocnit.miee.ru/conf/.

13. A.A.Величко, Б.Б.Кольцов. Электрофизические параметры КМОП-транзисторов на основе эпитаксиальной структуры Si/CaF₂/Si, Микроэлектроника, том 26, №3, 1997.

14. В.М.Кравченко, М.С.Будько. Современное состояние КНД-технологии. Зарубежная электронная техника, вып.9, с.3, 1989.

15. Величко A.A. Патент №2034369. Бюллетень №12, 30.04.95

16. Величко А.А. Илюшин В.А. Патент №2045106. Бюллетень №27, 27.09.95.

17. Величко А.А. Илюшин В.А. Патент 2065224. Бюллетень №22, 10.08.96.

Изобретение относится к области микроэлектроники и оптоэлектроники и может быть использовано для регистрации оптических сигналов в передающих телевизионных камерах, в системах искусственного зрения роботов, в приборах ночного видения и др. Сущность: ячейка интегрального многоэлементного фотоприемного устройства инфракрасного диапазона ИК ФПУ содержит кремниевую подложку (1) и последовательно расположенные диэлектрический слой фторида кальция (2); эпитаксиальный слой кремния (3), в котором сформирована схема обработки фотосигнала (мультиплексор); содержащая подзатворный диэлектрик (4), затвор (например, поликремний) (5) и контакты (6, 7); затем диэлектрический слой фторида бария (8); эпитаксиальный слой фоточувствительного полупроводника (например, PbSnTe<In>), в котором сформирован фотоэлемент (9); на тыльной стороне подложки просветляющее покрытие или интерференционный фильтр (10). Технический результат изобретения: повышение радиационной стойкости, надежности, быстродействия; снижение энергопотребления и тепловыделения. 1 ил.

Интегральное многоэлементное фотоприемное устройство инфракрасного диапазона, содержащее фоточувствительные элементы, выполненные в эпитаксиальном слое фоточувствительного полупроводника, и схему обработки, отличающееся тем, что фоточувствительные элементы расположены на диэлектрических слоях BaF₂/CaF₂, последовательно расположенных на кремниевой подложке, а схема обработки выполнена в эпитаксиальном слое Si, расположенном на диэлектрическом слое CaF₂, расположенного на той же подложке.