ФОТОПРИЕМНАЯ МАТРИЦА ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ БАРЬЕРОВ ШОТТКИ С ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ В СУБМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН Российский патент 2007 года по МПК H01L27/14 

Настоящее изобретение относится к многоэлементным приемникам излучения с использованием барьеров Шоттки, в частности к двумерным преобразователям изображений в видеосигнал, чувствительных в диапазоне спектра субмиллиметровых волн электромагнитного излучения, работающим с прямой регистрацией тока термоэлектронной эмиссии горячих электронов из металла в полупроводник при его генерации в толстом (порядка толщины скин-слоя) металлическом контакте барьера Шоттки.

Монолитные фотоприемные матрицы ИК-диапазона спектра на основе кремния с детекторами, представляющими собой фотодиоды с барьерами Шоттки, подробно описаны в большом количестве статей и изобретений. Так, физические основы работы, устройство и характеристики ИК фотоприемных матриц на основе PtSi были представлены в статьях W.F.Kosonocky, H.G.Erhardt, G.Maray, F.V.Shallcross, H.Elabd, M.Y.Cantella, Y.Klein, L.H.Skolnik, B.R.Capone, R.W.Taylor, W.Ewig, F.D.Shepherd, S.A.Roosild "Advances in Platinum Silicide Schottky-Barrier IR-CCD Image Sensors" (Proc. SPIE, v.225, 69, 1980); T.S.Villani, W.F.Kosonoky, F.V.Shallcross at al. "Construction and performance of 320×244 - element IR CCD imager with PtSi Schottky-barrier detectors" (Proc. SPIE, v.1107, pp.9-21, 1989); T.L.Lin, Y.S.Park, T.George at al. "Long-wavelength PtSi infrared detectors fabricated by incorporating a p⁺doping spike grown by molecular beam epitaxy" (Appl. Phys. Lett., v.62, No 25, pp.3318-3320, 1993); С.К.Бойцов, В.Г.Иванов, Ю.И.Моисеев и др. "Матричный ФППЗ на основе фотодиодов с барьерами Шоттки из PtSi/Si с числом элементов 256×256 (Тезисы докладов IV конф. "Приборы с зарядовой связью и системы на их основе" - ПЗС-92, М. 1992, с.45). Фотоприемные матрицы на основе IrSi были описаны, в частности, в статье B.-Y.Tsaur, C.K.Chen, B.A.Nechay "IrSi Schottky-Barrier Infrared Detectors with Wavelength Response Beyond 12 mm" (IEEE Electron Device Lett, v.11, No 9, pp.415-417, sept. 1990). Фотоприемные матрицы на основе слоев вырожденного GeSi с кремнием были рассмотрены в статьях B.-Y.Tsaur, C.K.Chen, S.A.Marino "Heterojunction Ge_xSi_1-x/Si infrared detectors and focal plane arrays (Optical Eng., v.33, No 1, pp.72-78, 1994); Y.S.Park, T.L.Lin, E.W.Yones, H.M. Del Castillo, T.George, S.D.Ganapala, "Long-wavelength stracked Si_1-xGe_x/Si heterojunction internal photoemission infrared detectors".

Состояние разработок фотоприемных матриц ИК-диапазона спектра на основе барьеров Шоттки в кремнии периодически (с 1983 г. по 1994 г.) рассматривалось в обзорах W.F.Kosonocky, опубликованных в Proc. SPIE.

Работа фотодиодов как детекторов ИК-излучения с барьером Шоттки основана на возбуждении в квазиметаллическом слое барьера Шоттки (при поглощении квантов излучения) электронов (или дырок) с энергией, превышающей высоту потенциального барьера, и их последующей инжекцией из металла в полупроводник с возникновением фототока. Если энергия поглощаемых квантов излучения оказывается меньше, чем высота потенциального барьера Шоттки, то генерированные электроны не могут преодолеть барьер и фототок отсутствует. Т.о. достижимая длинноволновая граница чувствительности фотодиодов Шоттки при использовании такого "квантового" физического механизма детектирования ИК-излучения полностью определяется высотой потенциального барьера и рассчитывается по формуле:

где λ_c - граничная длина волны в мкм,

ψ_MS - высота потенциального барьера в эВ.

Известны два пути решения задачи уменьшения величины потенциального барьера и, следовательно, увеличения граничной длины волны и смещения ее в более дальнюю часть ИК-диапазона:

а. Подбор материала квазиметаллического слоя, образующего химическое соединение с полупроводниковым материалом подложки (чаще всего - с кремнием), и технологии получения этого соединения, а также выбор типа проводимости подложки. Например, высота барьера уменьшается от 0,37 эВ (λ_c=3,35 мкм) для Pd₂Si до ≈0,08 эВ (λ_c≅15,5 мкм) для вырожденного Ge_0,3Si_0,7 соединения с подложкой p-Si (см., например, Optical Eng., v.33, No 1, pp.72-78, 1994).

б. Обогащающее легирование тонкого приповерхностного слоя подложки p-Si на границе с квазиметаллическим слоем барьера Шоттки до концентраций 10¹⁸-10²⁰ см^-3. Такая конструкция фоточувствительных элементов матричных ИК-детекторов с барьерами Шоттки предложена в ряде патентов (US Pat. №№3964084, 4045248, 4544939).

Уменьшение высоты барьера Шоттки, как известно (С.Зи, Физика полупроводниковых приборов, с.306, М., "Мир", 1984) влечет за собой быстрое (экспоненциальное) возрастание обратного темнового тока фотодиодов Шоттки, который либо существенно ухудшает порог чувствительности фотоприемной матрицы, либо вообще делает ее неработоспособной.

W.F.Kosonocky, H.Elabd в US Pat. №4544939 оп. Oct.1, 1985 предложили делать указанный сильнолегированный р⁺-слой такой толщины, чтобы уменьшение ψ_MS не сопровождалось большим увеличением темнового тока фотодиодов Шоттки в составе фотоприемной матрицы. Однако избежать роста темнового тока полностью не удалось даже для PtSi/p⁺Si/Si, хотя последующая технология обеспечила уменьшение ψ_MS до 0,06 эВ и получение λ_c≈20 мкм (T.L.Lin, Y.S.Park, T, George at al., "Long-wavelength PtSi infrared detectors fabricated by incorporating a p⁺ doping spike grown by molecular beam epitaxy" Appl. Phys. Lett., v.62 (25), pp.3318-3320).

В субмиллиметровом диапазоне волн 0,1-1 мм согласно (1) энергия квантов излучения лежит в пределах 0,001-0,01 эВ. Получение таких величин ψ_MS при обеспечении в фотодиодах Шоттки плотностей обратных темновых токов j≅10^-6÷10^-7 A/см² даже при температурах ниже 30 К в настоящее время невозможно.

Таким образом, известные в настоящее время технические решения не позволяют создать фотоприемные матрицы детекторов с барьерами Шоттки с чувствительностью в субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Известны другие способы и технические решения, обеспечивающие создание фотоприемных матриц детекторов с чувствительностью в диапазоне длинноволнового, сверхдлинноволнового и субмиллиметрового ИК-излучения, в которых детекторами являются микроболометры или другие тепловые приемники (термопарные, пироэлектрические). Принципы работы, устройство и параметры фотоприемных матриц с тепловыми приемниками рассмотрены в монографиях: А.Рогальский "Инфракрасные детекторы", Новосибирск, "Наука", 2003, с.81-157, В.Н.Овсюк, Г.Л.Курышев, Ю.Г.Сидоров, "Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона", Новосибирск "Наука", 2001.

Действие всех тепловых приемников - детекторов электромагнитного излучения основано на изменении физических характеристик материала приемника при его нагревании за счет энергии поглощенного излучения. В случае микроболометров повышение температуры приемника изменяет его электропроводность, в случае термопарного приемника - появляется термо-ЭДС, в случае пироэлектрического приемника - возникает изменение поверхностного заряда. Все эти изменения электрических характеристик есть следствие изменения термодинамической температуры приемника как целого. Чтобы обеспечить максимальное изменение температуры приемника на единицу поглощенной энергии излучения необходимо снизить, насколько возможно, полную теплоемкость приемника и предотвратить утечки тепла в подложку, т.е. термоизолировать приемник. Это достигается путем уменьшения массы приемника до 10^-8 Г и менее и использованием конструкции приемник-подложка в виде микромостиков (см., например, А.Рогальский, "Инфракрасные детекторы", Новосибирск, "Наука", 2003).

Аналогом предлагаемого устройства является неохлаждаемая фотоприемная матрица, в которой детекторы представляют собой диоды Шоттки на основе силицида металла/кремния, предложенная Y.M.Mooney, Y.E.Murguia, P.K.Tedrow, U.S. Pat 6002132 оп. Oct 27, 1997 и описанная позже у Y.E.Murguia, P.K.Tedrow, F.D.Shepherd, D.Leahy, M.M.Weeks (Proc. SPIE, 1999, v.3698, pp.361-375). В указанной матрице диоды Шоттки работают в режиме, аналогичном микроболометрам, и при изменении термодинамической температуры диода меняется ток внутренней термоэлектронной эмиссии обратносмещенного диода Шоттки. Изменения указанного тока определяют полезный электронный сигнал. Y.E.Murguia, F.D.Shepherd также детально рассмотрели предельные характеристики фотоприемной матрицы с детекторами этого типа, названными ими Thermionic Thermal Detectors (Термоэлектронными Тепловыми Детекторами - ТТД).

Достоинствами фотоприемных матриц с детекторами на термоэлектронных тепловых диодах Шоттки являются: а) возможность применять при их изготовлении только кремниевую технологию, б) возможность изготавливать монолитные матрицы большого формата, в) повышенная чувствительность, с) отсутствие в детекторе шума 1/f, где f - частота.

Недостатками фотоприемных матриц с тепловыми детекторами и, в частности, матриц на ТТД, микроболометрах и др. являются конструктивная и технологическая сложность термоизоляции множества детекторов друг от друга и от подложки, чувствительность к колебаниям температуры и вибрациям при сравнительно небольших относительных изменениях электрических характеристик материала на 1К изменения температуры, инерционность фотоотклика тепловых детекторов. В результате, реально достигаемая мощность регистрируемого излучения оказывается существенно хуже, чем у фотоприемных матриц с квантовыми приемниками.

Предлагаемая фотоприемная матрица также использует физический эффект изменения тока термоэлектронной эмиссии от температуры. Однако в отличие от фотоприемной матрицы Y.E.Murguia и F.D.Shepherd изменение тока термоэлектронной эмиссии диодов Шоттки в предлагаемой матрице при поглощении энергии излучения происходит не вследствие изменения термодинамической температуры кристаллической решетки материала диодов Шоттки, а вследствие изменения температуры только электронной системы ("электронного газа") в квазиметаллическом слое диодов Шоттки. Температура кристаллической решетки диодов Шоттки при этом практически не меняется, а положительный эффект в предлагаемой матрице достигается без использования термоизоляции детекторов от подложки. Поэтому предлагаемая матрица не является матрицей с микроболометрическими детекторами, она свободна от указанных недостатков и имеет более высокую чувствительность в дальней ИК-области спектра.

Указанное отличие в физическом механизме детектирования излучения определяет ряд существенных конструктивных отличий предлагаемой матрицы от микроболометрических матриц. Поэтому прототипом (ближайшим аналогом) предлагаемой матрицы является матрица, предложенная W.F.Kosonocky, H.Elabd (US Pat. №4544939, Oct., 1, 1985).

W.F.Kosonocky, H.Elabd в US Pat. №4544939 оп Oct.1, 1985 предложили квантовый детектор излучения, работающий при достаточно низких температурах, чтобы избежать появления избыточного темнового тока. Детектор включает область слаболегированной полупроводниковой подложки и область проводящего материала, которые имеют соответствующие омические контакты, а на части разделяющей их поверхности имеется контакт с барьером Шоттки, образованный слоем химического соединения металл-полупроводник. Эта структура сконструирована таким образом, чтобы работать в режиме регистрации горячих электронов, возбуждаемых излучением, входящим в указанную область полупроводникового материала. Тип проводимости и минимальный уровень легирования подложки взяты такими, чтобы высота потенциального барьера контакта с барьером Шоттки составляла меньше половины ширины запрещенной зоны для полупроводникового материала подложки. В части подложки, непосредственно примыкающей к поверхности, на которой образован контакт с барьером Шоттки, создан сильнолегированный слой. Этот слой выполнен тонким, чтобы обеспечивалось достаточное обеднение носителями заряда в рабочем режиме, а концентрация легирующей примеси в нем выбирается такой, чтобы снизить потенциал барьера Шоттки и не увеличить темновой ток при рабочей температуре.

В частности, для подложки из кремния р-типа и слоя силицида платины, образующих барьер Шоттки, предложено делать указанный сильнолегированный p⁺-слой такой толщины, чтобы уменьшение высоты потенциального барьера (ψ_MS) не сопровождалось большим увеличением темнового тока фотодиодов Шоттки при работе в составе фотоприемной матрицы. С целью считывания сигнала фотоприемная матрица содержит интегральную схему поэлементного съема и вывода электрического сигнала с детекторов на один или несколько выходов видеосигнала, и интегральные предварительные усилители-преобразователи зарядовых пакетов в выходное напряжение, число которых равно числу выходов видеосигнала.

Недостатками данного изобретения являются:

1. Невозможность избежать существенного роста темнового тока при уменьшении высоты барьера Шоттки даже для такой хорошо отработанной структуры, какой является PtSi/p⁺Si/Si.

2. Невозможность обеспечить красную границу спектральной чувствительности больше, чем λ_c≈20 мкм, при уменьшении высоты барьера до 0,06 эВ и при условии получения сколько-нибудь приемлемых величин темнового тока (T.L.Lin, Y.S.Park, T, George at al., "Long-wavelength PtSi infrared detectors fabricated by incorporating a p⁺ doping spike grown by molecular beam epitaxy" Appl. Phys. Lett., v.62 (25), pp.3318-3320).

В субмиллиметровом диапазоне волн 0,1-1 мм согласно (1) энергия квантов излучения лежит в пределах 0,001-0,01 эВ. Получение таких величин ψ_MS при обеспечении в фотодиодах Шоттки плотностей обратных темновых токов j≅10^-6÷10^-7 А/см² даже при температурах ниже 30К в настоящее время невозможно.

Решаемая задача - создание фотоприемной матрицы с чувствительностью в дальней ИК-области спектра, в том числе в области субмиллиметровых волн, не требующей конструктивно и технологически сложной термоизоляции детекторов матрицы друг от друга, стойкой к колебаниям температуры и вибрациям.

Указанная задача решается тем, что в известной фотоприемной матрице детекторов на основе барьеров Шоттки с чувствительностью в субмиллиметровом диапазоне длин волн, содержащей полупроводниковую подложку, на которой сформированы чувствительные к регистрируемому излучению детекторы, представляющие собой диоды с барьером Шоттки, содержащие слой химического соединения металл-полупроводник, интегральную схему поэлементного съема и вывода электрического сигнала с указанных детекторов на один или несколько выходов видеосигнала, и интегральные предварительные усилители-преобразователи зарядовых пакетов в выходное напряжение, число которых равно числу выходов видеосигнала, толщина слоя, химического соединения металл-полупроводник, каждого детектора, равна или больше толщины скин-слоя для субмиллиметровых волн и указанный слой химического соединения металл-полупроводник образует с подложкой барьер Шоттки с высотой потенциального барьера, превышающей энергию квантов регистрируемого излучения и среднюю тепловую энергию детекторов при рабочей температуре матрицы; причем дополнительно на границе первого слоя с подложкой в подложке образован просветляющий слой повышенной проводимости толщиной в четверть длины волны регистрируемого излучения.

Работа детекторов предлагаемой фотоприемной матрицы поясняется с помощью фиг.1. На фиг.1(а) схематически показан поперечный разрез детектора на кремнии р-типа с барьером Шоттки из силицида платины (PtSi/Si), на фиг.1(б) приведена зонная диаграмма указанного детектора, а на фиг.1(в) показана зависимость вероятности заполнения энергетических уровней силицида платины от энергии электронов для трех различных значений абсолютной температуры электронного газа.

Регистрируемое электромагнитное излучение дальнего ИК-диапазона с энергией hv проецируется через кремниевую подложку (1) и тонкий слой (2) высоколегированного кремния на диод Шоттки, образованный слоями (2) и (3), и поглощается в слое (3), толщина которого равна или превышает глубину скин-слоя в силициде металла. В квазиметаллическом слое силицида металла (например, силицида платины) поглощение происходит в основном в газе свободных электронов, которому и передается энергия регистрируемого излучения. Так же, как и в случае, когда диод Шоттки работает как квантовый приемник излучения, в результате поглощения регистрируемого излучения hv в слое (3) появляются "горячие" электроны и дырки, однако их энергия, равная hv, оказывается меньше высоты потенциального барьера на границе металл/полупроводник (ψ_MS). Такие электроны не могут непосредственно перейти из металла в полупроводник и создать ток сигнала. Диод Шоттки перестает работать как квантовый приемник. Однако энергия этих "горячих" электронов путем неупругих электрон-электронных столкновений за время τ_ee≤10^-9 c передается всем свободным электронам в силициде металла. Известно, что теплоемкость электронов в металле много меньше, чем кристаллической решетки, а теплопроводность, наоборот, велика и почти полностью определяет высокую теплопроводность металлов. В результате за время несколько большее, чем τ_ee, при поглощении hv происходит повышение температуры электронного "газа" (т.е. всей системы электронов) в слое (3). Согласно фиг.1 (в) повышение температуры электронного газа приводит к росту вероятности появления дырок с энергией большей, чем ψ_MS, и^{возрастает ток термоэлектронной эмиссии из металла в полупроводник. Разность токов термоэлектронной эмиссии при поглощении излучения и при его отсутствии составляет ток сигнала так же, как в матрице, предложенной Y.E.Murguia at al. (Proc. SPIE, 1999, v.3698, pp.361-375). Существенное отличие предлагаемой матрицы состоит в том, что ток сигнала в ее детекторах возникает не при изменении термодинамической температуры кристаллической решетки детекторов с переходами Шоттки, а только вследствие изменения температуры электронного газа в квазиметаллическом слое (3) диодов Шоттки.}

Время передачи энергии от системы электронного "газа" кристаллической решетке много больше (˜10⁴ раз), чем время разогрева самого электронного газа вследствие высокой упругости электрон-фононных столкновений. Поэтому при кратковременном воздействии излучения кристаллическая решетка не нагревается, а в ток сигнала дают вклад все "горячие" дырки. Таким образом, необходимость в термоизоляции детекторов в предлагаемой матрице отпадает.

При стационарном воздействии регистрируемого излучения параллельно протекают два процесса: а) передача энергии от газа "горячих" дырок (с повышенной температурой) к кристаллической решетке (с ее нагреванием); б) диффузия "горячих" дырок в слое (3) к барьеру Шоттки и их инжекция в полупроводник с образованием тока сигнала. Постоянную времени диффузии "горячих" дырок через слой силицида металла (например, PtSi) можно оценить по формуле:

где е - заряд электрона,

k - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура,

δ - толщина скин-слоя,

μ - подвижность электронов.

При δ=1-6 мкм, и Т=50 К τ_dif=(0,3-1)·10^-8 с.

В формуле (1) по умолчанию считается, что вклад в ток сигнала будут давать все "горячие" дырки, генерируемые поглощенным излучением по всей толщине слоя (3). На самом деле такое условие излишне жестко, поэтому полученное выше численное значение τ_dif может быть уменьшено в 3-5 раз и, т.о. τ_dif≈10^-9 с.

Постоянная времени процесса передачи энергии от системы "горячих" дырок к кристаллической решетке (τ_h-ph) в металле, находящемся при низкой температуре в несверхпроводящем состоянии, рассчитывалась и измерялась в работе B.S.Karasik, W.R.McGrath at al. (Y.Appl. Phys, 2000, v.87, p.7856) и в наиболее ранней работе K.S.Il'in, N.G.Ptitsina, A.V.Sergeev at al. (Phys. Rev., 1998, v.B57, p.15623). Минимальные измеренные значения τ_h-ph составили ˜10^-7 с при Т≈1 К и с повышением температуры зависимость (τ_h-ph(T)) имеет тенденцию к насыщению.

Отсюда мы делаем вывод, что обмен энергией между системой "горячих" дырок и кристаллической решеткой идет много медленнее, чем диффузия "горячих" дырок к барьеру Шоттки. Доля "горячих" дырок, вносящих вклад в сигнал, от полного количества генерированных "горячих" дырок при поглощении стационарно действующего излучения характеризует эффективность детекторов и дается выражением:

Согласно выполненным выше оценкам γ=0,9-0,97. При рабочих температурах барьеров Шоттки на основе PtSi (T≈80 K) величина γ будет меньше указанной, но останется в пределах γ=0,8-0,6. Полученные значения γ позволяют провести оценки увеличения температуры системы дырочного газа и, соответственно, тока термоэлектронной эмиссии, создающего ток сигнала в детекторах предлагаемой фотоприемной матрицы при поглощении регистрируемого излучения в слое (3), без учета процесса "охлаждения" дырок.

Для стационарного случая уравнение баланса энергии запишется в виде:

где Р_погл - мощность излучения, поглощаемого в слое (3),

t_нак - время интегрирования сигнала в фотоприемной матрице,

C_е - полная теплоемкость газа дырок,

ΔТ_е - изменение температуры газа дырок.

Полная теплоемкость газа дырок согласно работе: Я.И.Френкель, Введение в теорию металлов, М., Физматгиз, 1958, дается выражением

где N_А - число Авогадро,

k - постоянная Больцмана,

m - масса слоя (3),

M_v - относительная атомная масса PtSi,

Е_F - энергия уровня Ферми в слое PtSi.

При объеме слоя PtSi V_PtSi=10^-8 см³, масса m≅2·10^-7 Г и С_e≅5·10^-11 Дж/К, что в 200-400 раз меньше полной решеточной теплоемкости.

Согласно (3) при Р_погл=10^-10 Вт и t_нак=0,1 с ΔТ_е=0,2 К.

Зависимость тока термоэлектронной эмиссии от температуры электронов (или дырок) в обратносмещенном диоде Шоттки дается выражением (С.Зи, Физика полупроводниковых приборов, ч.1, с.275, М. "Мир" 1984):

где S - площадь перехода металл/полупроводник диода Шоттки,

А** - эффективная постоянная Ричардсона,

q - заряд электрона,

ϕ_Bn - эффективная максимальная высота барьера Шоттки.

Для получения зависимости I_S от T_e и оценки величины тока сигнала отметим, что

где t - время.

Продифференцировав (3) по t, а (5) по T_e и подставив в (6) полученные результаты, для еϕ_Bn≫kT₀ и малом изменении T_e, после разложения экспоненты в ряд и учете первого члена разложения получим для тока сигнала

где I_S0 - ток термоэлектронной эмиссии в отсутствие излучения,

T₀ - температура кристаллической решетки (в отсутствие излучения T_e=t₀),

ΔI_S - ток сигнала при воздействии излучения.

В выражение (7) входит мощность излучения, поглощаемого в слое (3). Для перехода к мощности падающего излучения (Р_пад) необходимо учесть доли отраженного излучения и излучения, прошедшего через слой (3) и не поглотившегося в нем. Для максимизации доли поглощенного излучения (и, соответственно, тока сигнала) прежде всего необходимо минимизировать коэффициенты отражения R₁ и R₂ на границах воздух/просветляющее покрытие (4)/кремний (1) и кремний (1)/сильнолегированный кремний (2)/силицид металла (3). Минимизация коэффициента отражения от первой границы обеспечивается нанесением стандартного диэлектрического просветляющего слоя (4) (П.П.Яковлев, Б.Б.Мешков, Проектирование интерференционных покрытий, М., Машиностроение, 1987). На этой границе достаточно легко обеспечивается прохождение внутрь слоя (1) 80-90% падающего излучения, т.е. R₁≈10-20%. Возможность получения "просветляющего" покрытия на границе кремний/силицид металла рассматривалась в литературе (М.Борн, Э.Вольф, Основы оптики, М. Физматгиз, 1970; Y.Schopper, Optik, 1953, 10, s.426). Из этих результатов следует, что при толщине слоя (2), кратного нечетному числу λ₀/4, где λ₀ - длина волны регистрируемого излучения, и выполнении условия

обеспечивается либо R_2⊥≈0, либо R_2||≈0, где R_2⊥ и R_2|| - коэффициенты отражения для ТЕ-волны и ТМ-волны соответственно. Таким образом, сильнолегированный слой (2) выполняет в предлагаемом устройстве функцию "просветляющего" покрытия для слоя (3). Чтобы обеспечить наибольшее поглощение излучения в слое (3), его толщина должна быть доведена до (1-3)δ, где δ - толщина скин-слоя, зависящая от проводимости слоя (3) и диапазона длин волн регистрируемого излучения. Для рассматриваемого примера диода Шоттки с силицидом платины и при длинах волн ≈100-200 мкм оценка дает δ≈(1-3)·10^-5 см, а для максимизации поглощения толщина слоя (3) h₃≈3δ≈(0,3-1) мкм.

При этом в слое (3) поглощается 90-95% попавшего в него излучения.

Заметим, что в случаях, когда диоды Шоттки используются как квантовые ИК-детекторы, величина h₃ выбирается исходя из других критериев и составляет ˜10^-7 см.

Физический механизм работы предлагаемых детекторов таков, что при h₃˜10^-7 см они фактически неработоспособны.

С учетом вышеизложенного для неполяризованного излучения и при малых углах падения можно ожидать, что Р_погл≈0,8Р_пад и тогда (7) запишется как

Из (9) видно, что отношение тока сигнала к току термоэлектронной эмиссии обратно пропорционально температуре t₀, что позволяет, меняя рабочую температуру фотоприемной матрицы, оптимизировать отношение ΔI_S/I_S0.

Для расчета пороговой мощности, регистрируемой предлагаемой матрицей, необходимо далее оценить шумы. Шумы в диодах Шоттки, работающих в режиме термоэлектронной эмиссии, меняющейся при нагревании всего диода ИК-излучением, рассмотрены F.D.Shepherd и Y.E.Murguia (Proc. SPIE, 2000, v.4028, pp.90-101). Полученные ими результаты полностью пригодны для оценки шумов предлагаемого устройства. При этом вследствие неизменности температуры кристаллической решетки и большой величины термической массы в нашем случае шумом термических флуктуаций можно пренебречь. Тогда среднеквадратичная величина шумового тока

где В - полоса частот детектирования сигнала,

V_na - приведенное ко входу шумовое напряжение усилителя сигнала в полосе частот видеоканала,

R_f - сопротивление в цепи обратной связи усилителя.

В (10) первое слагаемое - дробовый шум тока термоэмиссии, второе - шум усилителя. Составляющей шума, определяемой излучением фона сцены, в диапазоне субмиллиметровых волн можно пренебречь.

В фотоприемной матрице с детекторами на основе диодов Шоттки сигнал накапливается либо на барьерной емкости диода (в случае ПЗС мультиплексора), либо на некоторой дополнительной емкости (в случае КМОП-мультиплексора). Время накопления обычно задается равным времени передачи кадра. Сигнал и шум образуются зарядовыми "пакетами" и считываются в интегральном выходном устройстве со схемой выборки, расположенном на одном кристалле с матрицей. В этом случае отношение сигнал/шум на выходе матрицы удобно рассчитывать как отношение соответствующих "пакетов" электронов, приходящихся на одну выборку.

Количество электронов сигнала

где ΔI_S задается выражением (9).

Среднеквадратичная величина шумовых электронов, например в ПЗС, определяется выражением

где - количество темновых электронов от тока термоэмиссии,

σ_nt - среднеквадратичная величина шумов переноса,

σ_nr - среднеквадратичная величина шума выходного устройства, и

σ_ph - среднеквадратичная величина флуктаций электронов, генерированных фоновым излучением.

Считаем, что фон в длинноволновом ИК и субмиллиметровом диапазоне мал, а σ_nt и σ_nr не превышают 100-200 электронов.

Тогда в правой части (12) превалируют флуктуации "темновых" электронов термоэмиссии, поскольку для барьера Шоттки с PtSi при Т₀≈75-80К количество "темновых" электронов составляет (1-5)·10⁵.

С учетом этого из (9), (11), (12) для отношения сигнал/шум =1 получаем выражение для пороговой мощности сигнала

При t₀=75 К, C_e=5·10^-11 Дж/К, и t_нак=0,1 с из (13) получим Р_{пад(пор)}≅(1-3)·10^-12 Вт на один чувствительный элемент матрицы.

Приведенный расчет показывает, что предлагаемая фотоприемная матрица имеет пороговую мощность сигнала в субмиллиметровом диапазоне длин волн, сравнимую с квантовыми детекторами, работающими только в ИК-области спектра до 10 мкм, и на один-два порядка лучше, чем обеспечивают матрицы с тепловыми детекторами.

Отличием является также то, что дополнительно поверх слоя химического соединения металл-полупроводник выполнен резонатор, содержащий диэлектрический и зеркальный металлический слои, причем материал диэлектрического слоя резонатора прозрачен для регистрируемого диапазона длин волн, а толщина зеркального металлического слоя резонатора больше, чем толщина скин-слоя для регистрируемого излучения.

Это позволяет обеспечить многократное прохождение регистрируемого излучения через слой химического соединения металл-полупроводник и дополнительно увеличивает чувствительность детекторов к регистрируемому излучению.

Еще одним отличием является то, что на противоположной стороне подложки напротив каждого детектора сформирована интегральная рупорная антенна, представляющая собой конусообразные колодцы в подложке, стенки которых металлизированы, а на дно нанесено антиотражающее покрытие.

Это позволяет сконцентрировать падающее на вход антенны излучение на детекторе и, тем самым, еще увеличить чувствительность детекторов.

Отличием является также то, что на стороне подложки, на которой расположены входы рупорных антенн, нанесен металлический отражающий слой по всей площади подложки, кроме дна колодцев рупорных антенн, а углы при вершинах конусов рупорных антенн не превышают 45°.

Это позволяет отразить от поверхности фотоприемной матрицы излучение, не попадающее на входы рупорных антенн, и, тем самым, избежать появления паразитной оптической связи между соседними детекторами.

На фиг.1(а) схематически показан поперечный разрез детектора на кремнии р-типа с барьером Шоттки из силицида платины (PtSi/Si), на фиг.1(б) приведена зонная диаграмма указанного детектора, а на фиг.1(в) показана зависимость вероятности заполнения энергетических уровней силицида платины от энергии электронов для трех различных значений абсолютной температуры электронного газа.

На фиг.2 представлен разрез одного из множества детекторов, работающего в конструкции матрицы ПЗС с экспозицией изображения через подложку. Показана только часть кристалла фотоприемной матрицы этого типа, включающая указанный детектор и вертикальный ПЗС-регистр. Такая матрица изготавливается с использованием стандартной технологии ПЗС с тремя слоями поликристаллического кремния.

Фотоприемная матрица с предлагаемыми детекторами может быть изготовлена либо с мультиплексором на основе ПЗС, либо с КМОП-мультиплексором с координатной адресацией. Оба типа матриц могут быть как монолитной конструкции, так и гибридной (А.Рогальский, "Инфракрасные детекторы", Новосибирск, "Наука", 2003).

В качестве полупроводниковой подложки могут быть взяты стандартные кремниевые пластины. Детекторы формируются либо на одной подложке вместе с ПЗС или К-МОП мультиплексором сигналов, либо на разных положках. В последнем случае фотоприемная матрица представляет собой кристалл детекторов и кристалл мультиплексора, соединенные друг с другом в единый блок через индиевые микростолбики по одной из известных технологий.

В качестве примера приведена конструкция монолитной фотоприемной ПЗС матрицы со строчно-кадровым переносом с фоточувствительными элементами на основе предлагаемых детекторов, обеспечивающих чувствительность в субмиллиметровом диапазоне длин волн с резонатором и рупорными антеннами.

Матрица представляет собой монокристаллическую подложку (1) из кремния р-типа с ориентацией <100> и с удельным сопротивлением 10-25 Ом·см, на которой с обеих сторон сформированы необходимые элементы и структуры:

2 - тонкий слой высоколегированного кремния,

3 - слой силицида платины,

4 - просветляющее покрытие,

5 - слой металла,

6 - колодцы рупорных антенн,

7 - защитный слой - диэлектрический слой из двуокиси кремния,

8 - металлический слой резонатора,

9 - n⁺-охранное кольцо,

10 - диффузионная n⁺⁺-область,

11 - n⁺-область - исток МОП транзистора,

12 - затвор МОП транзистора,

13 - вертикальный регистр,

14 - слой нитрида кремния,

15 - слой поликристаллического кремния,

16 - стоп-области.

Регистрируемое излучение с энергией меньше высоты потенциального барьера диодов Шоттки падает на матрицу со стороны, противоположной той, на которой сформированы детекторы и ПЗС мультиплексор. Эта сторона подложки покрыта слоем металла (5) и на ней против каждого детектора сформированы "колодцы" рупорных антенн (6) с металлизированными стенками и "дном", на которое нанесено просветляющее покрытие (4), например, из двуокиси кремния или сульфида цинка. Антенны (6) направляют излучение на квазиметаллический слой (3) детектора из силицида платины толщиной 0,3-1 мкм через сильнолегированный слой р⁺-Si (2), регулирующий высоту потенциального барьера детектора с диодом Шоттки и обеспечивающий просветление границы кремний/силицид платины. Над слоем (3) расположен резонатор для регистрируемого излучения, сформированный защитным слоем двуокиси кремния (7) и металлическим слоем (8). По периферии слоя (3) создано n⁺-охранное кольцо (9), защищающее диод Шоттки от пробоя и уменьшающее избыточный обратный ток детекторов. Размеры детекторов составляют (60×60)-(100×100) мкм. Электрический контакт к слою (3) обеспечивает диффузионная n⁺⁺-область (10). Ионнолегированная n⁺-область (11) является истоком МОП-транзистора с индуцированным каналом, через который происходит сброс зарядового пакета под одну из фаз вертикального ПЗС регистра. Указанный транзистор сброса образован истоком (11), затвором (12), вертикальным регистром (13), слоем поликристаллического кремния (15) и слоем нитрида кремния (14). Вертикальные ("медленные") ПЗС регистры расположены между всеми столбцами детекторов, изготовлены с объемным каналом (13), построены по 4-фазной схеме и создаются ионной имплантацией фосфора; на фиг.2 показан один из поликремниевых фазовых электродов (15). Области (16) - стопоры, предотвращающие расплывание заряда между элементами.

Регистрируемое излучение поглощается в слое (3) и создает избыточный термоэлектронный ток, соответствующий повышенной температуре электронного газа. Этот ток сигнала вместе с равновесным термоэлектронным током накапливается за время передачи кадра на обратносмещенной емкости диода Шоттки и образует зарядовый пакет, как и в известных матрицах с квантовыми детекторами на диодах Шоттки. При подаче на затворы транзисторов сброса управляющих импульсов напряжения зарядовые пакеты переносятся от детекторов в вертикальные регистры. Последовательная подача импульсов управляющего напряжения на фазы этих регистров последовательно переносит заряды, накопленные каждым детектором строки, в выходной ("быстрый") ПЗС регистр, из которого за время передачи строки зарядовые пакеты детекторов строк последовательно переносятся в выходной узел, преобразующий заряд в выходное напряжение видеосигнала. Работа подобного ПЗС мультиплексора рассмотрена, например, в работе T.S.Villani, W.F.Kosonocky, F.V.Shallcross at al. "Construction and Performance of 320×244 - Element IR-CCD Imager with PtSi Schottky-Barrier Detectors". Proc. SPIE, 1989, v.1107, pp.9-21.

Пороговая мощность сигнала в субмиллиметровом диапазоне длин волн предлагаемой фотоприемной матрицы задается формулой (13):

и при Т₀=75 К, C_e=5·10^-11 Дж/К, и t_нак=0,1 с пороговая мощность падающего излучения Р_{пад (пор)}≅(1-3)·10^-12 Вт на один детектор матрицы.

Таким образом, предлагаемая фотоприемная матрица имеет пороговую чувствительность в субмиллиметровом диапазоне длин волн, сравнимую с квантовыми детекторами, работающими только в ИК-области спектра до 10 мкм. По сравнению же с матрицами с тепловыми детекторами такая матрица имеет пороговую чувствительность на один-два порядка лучше.

Приведенный пример конкретного выполнения фотоприемной матрицы не исчерпывает всех возможных воплощений изобретения, вытекающих из известного современного уровня техники.

Изобретение относится к многоэлементным приемникам электромагнитного излучения, в частности к двумерным преобразователям изображений в видеосигнал, и может найти применение в астрономических, охранных и военных оптико-электронных системах, работающих в дальней ИК и субмиллиметровой областях спектра. Матрица состоит из полупроводниковой подложки, на которой сформированы детекторы на основе диодов с барьерами Шоттки, интегральная схема съема и вывода сигналов от каждого детектора на выход матрицы и интегральные (по числу выходов) усилители-преобразователи сигналов. Толщина слоя металл-полупроводник, образующего в детекторе барьер Шоттки, выполнена равной или превышающей толщину скин-слоя в этом материале, а высота потенциального барьера превышает энергию квантов регистрируемого излучения и среднюю тепловую энергию кристаллической решетки детекторов, причем дополнительно на границе подложки с барьером Шоттки сформирован просветляющий слой. Фотоприемная матрица описанной выше конструкции обладает чувствительностью в дальней ИК-области спектра, в том числе в области субмиллиметровых волн, не требует конструктивно и технологически сложной термоизоляции детекторов матрицы друг от друга, является стойкой к колебаниям температуры и вибрациям. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фотоприемная матрица детекторов на основе барьеров Шоттки с чувствительностью в субмиллиметровом диапазоне длин волн, содержащая полупроводниковую подложку, на которой сформированы чувствительные к регистрируемому излучению детекторы, представляющие собой диоды с барьером Шоттки, содержащие слой химического соединения металл-полупроводник, интегральную схему поэлементного съема и вывода электрического сигнала с указанных детекторов на один или несколько выходов видеосигнала, и интегральные предварительные усилители - преобразователи зарядовых пакетов в выходное напряжение, число которых равно числу выходов видеосигнала, отличающаяся тем, что толщина слоя, химического соединения металл-полупроводник каждого детектора равна или больше толщины скин-слоя для субмиллиметровых волн и указанный слой химического соединения металл-полупроводник образует с подложкой барьер Шоттки с высотой потенциального барьера, превышающей энергию квантов регистрируемого излучения и среднюю тепловую энергию детекторов при рабочей температуре матрицы; причем дополнительно на границе первого слоя с подложкой в подложке образован просветляющий слой повышенной проводимости толщиной в четверть длины волны регистрируемого излучения.2. Фотоприемная матрица детекторов на основе барьеров Шоттки по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно поверх слоя химического соединения металл-полупроводник выполнен резонатор, содержащий диэлектрический и зеркальный металлический слои, причем материал диэлектрического слоя резонатора прозрачен для регистрируемого диапазона длин волн, а толщина зеркального металлического слоя резонатора больше, чем толщина скин-слоя для регистрируемого излучения.3. Фотоприемная матрица детекторов на основе барьеров Шоттки по п.1, отличающаяся тем, что на противоположной стороне подложки напротив каждого детектора сформирована интегральная рупорная антенна, представляющая собой конусообразные колодцы в подложке, стенки которых металлизированы, а на дно нанесено антиотражающее покрытие.4. Фотоприемная матрица детекторов на основе барьеров Шоттки по п.3, отличающаяся тем, что на стороне подложки, на которой расположены входы рупорных антенн, нанесен металлический отражающий слой по всей площади подложки, кроме дна колодцев рупорных антенн, а углы при вершинах конусов рупорных антенн не превышают 45°.