ФОТОДИОД НА АНТИМОНИДЕ ИНДИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01L31/102 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковьм приборам, чувствительным к инфракрасному излучению, и может быть использовано при производстве одноэлементных, линейных и матричных приемников излучения с фоточувствительными элементами - фотодиодами на антимониде индия (InSb).

Известен фотодиод на антимониде индия, содержащий подложку из антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней р-n переходом, защитную и пассивирующую диэлектрические пленки и контактную систему, причем подложка выполнена из материала марки ИСЭ-2В с концентрацией легирования теллуром N=2·10¹⁴-3·10¹⁵ см^-3 (см. патент РФ №1589963, МПК 6 Н01L 31/18, 1996 г.). Недостатком такого фотодиода является низкая (ниже 100 К) предельная рабочая температура, для обеспечения которой требуются сложные, достаточно габаритные и со сравнительно высоким потреблением энергии системы охлаждения, что значительно удорожает и ухудшает весогабаритные характеристики фотодиодов, усложняет их использование в аппаратуре.

Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому фотодиод на антимониде индия, содержащий подложку из антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней р-n переходом, защитную и пассивирующую диэлектрические пленки и контактную систему, причем подложка выполнена из материала с концентрацией легирующей примеси N=10¹³-10¹⁶ см^-3 (см. патент РФ №2056671, МПК 6 Н01L 21/265, 1996 г.). В таком фотодиоде достигаются высокие фотоэлектрические параметры, в том числе пороговые. Однако предельное значение рабочей температуры ˜90 К также выдвигает высокие требования к системе охлаждения.

Техническим результатом при использовании предложенной конструкции является повышение предельной рабочей температуры фотодиода при сохранении его пороговых параметров. Это существенно снижает требования к системе охлаждения фотодиода и решает задачу уменьшения его энергопотребления и улучшения весогабаритных характеристик.

Указанный технический результат достигается тем, что в фотодиоде на антимониде индия, содержащем подложку из антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней р-n переходом, защитную и пассивирующую диэлектрические пленки и контактную систему, согласно предложенной конструкции подложка выполнена из кристалла антимонида индия с концентрацией легирующей примеси 10¹⁶-3·10¹⁶ см^-3.

Концентрация легирующей примеси 10¹⁶-3·10¹⁶ см^-3 обеспечивает повышение рабочей температуры фотодиода без потери его пороговых параметров. Это - огромное преимущество, так как значительно снижает требования к системе охлаждения или позволяет использовать более прогрессивные способы охлаждения, например, термоэлектрическими охладителями.

Эффект достигается за счет применения в качестве подложки кристаллов InSb n-типа проводимости, легированных теллуром и отобранных по концентрации в пределах 10¹⁶-3·10¹⁶ см^-3. Благодаря этому исчезают поверхностные каналы, уменьшается обратный ток р-n перехода при температурах выше 90 К и в целом уменьшается темновой ток и, как следствие, уменьшается ток (напряжение) шума при температурах выше 90 К. Токовая чувствительность, достигаемая на этом материале, ниже, чем на более высокоомном, но за счет значительного снижения шума пороговые параметры либо не изменяются, либо даже улучшаются по сравнению с прототипом, поскольку они определяются отношением сигнал/шум. При этом пробивное напряжение фотодиода U_проб снижается, но остается достаточным для большинства применений фотодиодов, в том числе как порогового фотодетектора.

Нижнее значение концентрации легирующей примеси (10¹⁶ см^-3) соответствует отличающемуся от прототипа достижению повышения предельной температуры на ˜15°, а верхнее (3·10¹⁶ см^-3) определяет достаточное значение U_проб ˜0,4 В.

Сущность предложенной конструкции поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема фотодиода, где 1 - подложка из антимонида индия n-типа проводимости, 2 - сформированная в подложке р-область, 3 - защитная диэлектрическая пленка, 4 - пассивирующая диэлектрическая пленка, 5 - контактная система. На фиг.2 представлены температурные зависимости обратных темновых токов фотодиодов при разных концентрациях примеси в подложке: а) - для N=(0,2-3)·10¹⁵ см^-3, b) - для N=(0,8-3)·10¹⁶ см^-3. На фиг.3 представлены зависимости отношения сигнал/шум от температуры фотодиодов при разных концентрациях примеси в подложке: а) - для N=(0,2-3)·10¹⁵ см^-3, b) - для N=(0,8-3)·10¹⁶ см^-3.

Предложенная конструкция была использована при изготовлении 64-элементных фотодиодов с размерами площадок 150×150 мкм на подложках с разными значениями концентрации легирующей примеси - теллура: 2·10¹⁴, 3·10¹⁵, 8·10¹⁵, 10¹⁶, 3·10¹⁶, 5·10¹⁶ см^-3. Фотодиоды последовательно стыковались с одной и той же группой усилителей на основе микросхемы 744 УД. Проводились измерения температурной зависимости обратных токов, напряжений сигнала (U_c) при температуре АЧТ (абсолютно черного тела) Т_АЧТ=100°С, частоте f=800 Гц, полосе частот Δf=180 Гц и шума (U_ш) в той же полосе частот в соответствии с ГОСТ 17772-88 при фиксированных температурах в диапазоне 80-140К, результаты которых приведены на фиг.2 и 3. Были измерены пробивные напряжения при 80 К, значения которых приведены в таблице.

Концентрация легирующей примеси, N, см^-32·10¹⁴3·10¹⁵8·10¹⁵10¹⁶3·10¹⁶5·10¹⁶Пробивное напряжение,
U_проб, В1512520,40,3

Полученные результаты свидетельствуют о возможности повышения рабочей температуры фотодиода из антимонида индия, которую можно объяснить на основе температурной зависимости темнового тока фотодиода (фиг.2) следующим образом.

Как известно, при температурах вблизи 77 К обратная ветвь ВАХ р-n перехода на антимониде индия определяется теорией Шокли-Нойса-Саа в соответствии с формулой:

где j - плотность обратного (темнового) тока, е - заряд электрона, n_i - концентрация носителей заряда в собственном антимониде индия, W - ширина области пространственного заряда (ОПЗ) р-n перехода, τ - время жизни носителей заряда в этой ОПЗ. При этом температурная зависимость темнового тока определяется температурной зависимостью величины n_i:

откуда следует, что при температурах вблизи 77 К энергия активации темнового тока (tgα≈0,125 эВ на фиг.2) составляет величину, равную E_g/2. В этом случае возможность снижения уровня темнового тока и, следовательно, уровня шумов связана только с увеличением значения τ, которое определяется уровнем технологии формирования металлургической границы р-n перехода.

Согласно данным фиг.2 при температурах выше 100 К энергия активации темнового тока (tgβ≈0,23 эВ) соответствует E_g. Это означает, что в таких случаях температурная зависимость обратного тока соответствует n² _i, а величина обратного тока определяется диффузионной теорией и формулой:

где D_p и L_p - соответственно коэффициент диффузии и диффузионная длина дырок в базе (подложке), n_n - концентрация основных носителей в базе, V - приложенное напряжение.

Из формулы (3) следует, что при температурах выше 90 К снижения уровня темнового тока можно достигнуть, увеличивая степень легирования базы, определяющего величину n_n.

Таким образом, при температурах выше 90 К ВАХ фотодиодов из антимонида индия соответствуют диффузионной теории выпрямления, откуда следует, что при повышенных температурах снижение уровня обратных токов через р-n переход и, как следствие, уровня шумов достигается применением исходных кристаллов с повышенным уровнем легирования. При этом полностью устраняются поверхностные утечки, что в еще большей мере уменьшает темновой ток, вследствие чего улучшается основной параметр пороговых фотоприемников.

Как следует из фиг.3, повышение уровня легирования исходных кристаллов антимонида индия до 10¹⁶-3·10¹⁶ см^-3 позволяет повысить рабочую температуру пороговых фотодиодов на 15 градусов при отношении сигнал/шум, равном 16, а при уменьшении отношения сигнал/шум повысить рабочую температуру в еще большей мере.

Значения пробивных напряжений фотодиода уменьшаются от 15 до ˜0,4 В с увеличением концентрации примеси в подложке от 2·10¹⁴ до 3·10¹⁶ см^-3, однако значение 0,4 В, соответствующее концентрации 3·10¹⁶ см^-3, является достаточным для практически всех применений фотодиодов.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному излучению, и может быть использовано при производстве одноэлементных, линейных и матричных приемников излучения с фоточувствительными элементами - фотодиодами на антимониде индия (InSb). Фотодиод на антимониде индия содержит подложку из антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней р-n переходом, защитную и пассивирующую диэлектрические пленки и контактную систему. Концентрация легирующей примеси в подложке составляет 10¹⁶-3·10¹⁶ см^-3 Изобретение обеспечивает повышение предельной рабочей температуры фотодиода при сохранении его пороговых параметров, что существенно снижает требования к системе охлаждения фотодиода и решает задачу уменьшения его энергопотребления и улучшения весогабаритных характеристик. 1 табл., 3 ил.

Фотодиод на антимониде индия, содержащий подложку из антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней р-n переходом, защитную и пассивирующую диэлектрические пленки и контактную систему, отличающийся тем, что подложка выполнена из антимонида индия с концентрацией легирующей примеси 10¹⁶-3·10¹⁶ см^-3.