СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ГРАНИЧНОЙ ВОЛНЫ ИК-ДЕТЕКТОРА С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ, ИК-ДЕТЕКТОР И ФОТОПРИЕМНАЯ МАТРИЦА, ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ К ИК-ИЗЛУЧЕНИЮ Российский патент 2008 года по МПК H01L27/14 

Настоящее изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно к многоэлементным приемникам излучения с использованием барьеров Шоттки, в частности к двумерным преобразователям изображений в видеосигнал, чувствительным в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитного излучения и работающим с прямой регистрацией тока термоэлектронной эмиссии горячих электронов из металла в полупроводник при его генерации в толстом (порядка обратной величины коэффициента поглощения) квазиметаллическом контакте барьера Шоттки.

Способы создания детекторов с барьером Шоттки, чувствительных в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, и конструкции монолитных фотоприемных матриц 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, способы получения чувствительности, 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 с барьером Шоттки основе IrSi/Si были описаны, в частности в статье B.-Y.Tsaur, C.K.Chen, B.A.Nechay "IrSi Schottky-Bamer Infrared Detectors with Wavelength Response Beyond 12 mkm" (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 и конструкции фотоприемных матриц ИК-диапазона спектра на основе барьеров Шоттки в кремнии периодически (с 1983 по 1994 г.) рассматривалось в обзорах W.F.Kosonocky, опубликованных в Proc. SPIE.

Известный способ получения чувствительности в фотодиодах с барьером Шоттки к ИК излучению (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-Bamer IR-CCD Image Sensors", Proc. SPIE, v. 225, 69, 1980) основан 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 квазиметаллического слоя 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, взятая в эВ.

Известны два способа 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 соединения Ge_0,3Si_0,7, когда используют подложку р - 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. Такой способ получения фоточувствительных элементов матричных ИК-детекторов с барьерами Шоттки описан в ряде патентов (Pat.US №№ 3964084, оп. 15.06.1976, 4045248, оп. 30.08 1977, 4544939, оп. 01.10.1985).

Уменьшение высоты барьера Шоттки, как известно (С.Зи, Физика полупроводниковых приборов, М., «Мир», 1984, с.306) 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 Pat.US № 4544939, on. 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/р⁺Si/Si. Позднее с использованием технологии молекулярно-лучевой эпитаксии удалось получить уменьшение Ψ_MS до 0,06 эВ и достигнуть л_с≈20 мкм, однако для получения необходимых величин темнового тока рабочую температуру детекторов пришлось снизить до 20-30 К (T.L.Lin, Y.S.Park, T,George at al., "Long-wavelength PtSi infrared detectors fabricated by incorporating а р⁺ doping spike grown by molecular beam epitaxy" Appl. Phys. Lett., v.62 (25), pp.3318-3320). Из-за быстрого уменьшения квантовой эффективности с ростом длины волны ИК-излучения рабочий участок спектра со стороны длинных волн ограничивают величинами, составляющими ≈λ_с/2, практически для всех типов известных детекторов с барьером Шоттки. Получить такие детекторы с технически достаточной величиной квантовой эффективности до длин волн порядка 25 мкм не удается.

В диапазоне длин волн 12-25 мкм, необходимом при наблюдении «холодных» объектов (с температурой существенно ниже 300 К), согласно (1) энергия квантов излучения лежит в пределах 0,1-0,05 эВ. Получить детекторы с барьером Шоттки с такими величинами Ψ_MS при одновременном обеспечении плотностей обратных темновых токов j≅10^-6÷10^-7 А/см² даже при температурах ниже 30 К в настоящее время невозможно.

Таким образом, известные в настоящее время технические решения не позволяют создать детекторы с барьерами Шоттки с чувствительностью в длинноволновом ИК-диапазоне спектра и фотоприемные матрицы на их основе, работоспособные при умеренном уровне охлаждения (например, при 78 К).

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 детекторы (термопарные, пироэлектрические). Принципы работы, способы получения чувствительности, устройство и параметры фотоприемных матриц с тепловыми детекторами 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 детекторов электромагнитного излучения основано на изменении физических характеристик материала детектора при его нагревании за счет энергии поглощенного излучения. В случае микроболометров повышение температуры детектора изменяет его электропроводность, в случае термопарного детектора - появляется термо-ЭДС, в случае пироэлектрического детектора - возникает изменение поверхностного заряда. Все эти изменения электрических характеристик есть следствие изменения термодинамической температуры детектора как целого. Чтобы обеспечить максимальное изменение температуры детектора на единицу поглощенной энергии излучения снижают, насколько возможно, полную теплоемкость приемника и предотвращают утечки тепла в подложку, т.е. термоизолируют детекторы. Для этого уменьшают массу детектора до 10^-8 Г и менее и термоизолируют детектор от подложки через низкотеплопроводные микромостики (см., например, А.Рогальский, «Инфракрасные детекторы», Новосибирск, «Наука», 2003).

Известны способ увеличения граничной длины волны ИК-детекторов, ИК-детектор и неохлаждаемая фотоприемная матрица, предложенные Y.M.Mooney, Y.E.Murguia, P.K.Tedrow, U.S.Pat. 6002132, оп. Oct. 27,1997 и описанные 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 матрице детекторы представляют собой диоды Шоттки на основе силицида металла/кремния и работают в режиме, аналогичном микроболометрам, т.е. обеспечивают изменение термодинамической температуры диода при поглощении ИК-излучения и, как следствие, изменение тока внутренней термоэлектронной эмиссии обратносмещенного диода Шоттки. Полезный электронный сигнал получают в виде изменений указанного тока. Y.E.Murguia, F.D.Shepherd также детально рассмотрели предельные характеристики фотоприемной матрицы с детекторами этого типа, названных ими Thermionic Thermal Detectors (Термоэлектронными Тепловыми Детекторами - ТТД).

Достоинствами ТТД и фотоприемных матриц с такими 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 в рабочей полосе частот видеоканала.

Недостатками известных детекторов и фотоприемных матриц с тепловыми детекторами, а также способов их получения (в том числе 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.

Предлагаемые способ увеличения граничной длины волны ИК детектора, детектор и фотоприемная матрица на его основе также используют 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 согласно предлагаемому способу при поглощении энергии излучения получают 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 достигается без использования термоизоляции детекторов от подложки. Поэтому матрица, реализующая предлагаемый способ, 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 согласно предлагаемому способу определяет ряд существенных конструктивных отличий реализующих его детектора и матрицы от микроболометрических детекторов и матриц. Поэтому прототипом (ближайшим аналогом) является способ увеличения граничной длины волны ИК-детектора, ИК-детектор и матрица, предложенная W.F.Kosonocky, H.Elabd (Pat. US № 4544939, Oct., 1,1985).

W.F.Kosonocky, H.Elabd в Pat. US № 4544939, оп. Oct. 1, 1985 предложили квантовый детектор излучения, работающий при достаточно низких температурах, чтобы избежать появления избыточного темнового тока. Детектор (элемент, чувствительный к ИК излучению) 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 подбирают 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, создают сильно легированный слой. Этот слой делают тонким, чтобы обеспечивалось достаточное обеднение носителями заряда в рабочем режиме, а концентрация легирующей примеси в нем выбирают такой, чтобы снизить потенциал барьера Шоттки и не увеличить темновой ток при рабочей температуре. По периферии элемента, чувствительного к ИК-излучению, создана область с типом проводимости, противоположной типу проводимости подложки.

В частности, для подложки из кремния р-типа и слоя силицида платины, образующих барьер Шоттки, предложено делать указанный сильно легированный р⁺-слой такой толщины, чтобы уменьшение высоты потенциального барьера (Ψ_MS) не сопровождалось большим увеличением темнового тока фотодиодов Шоттки при работе в составе фотоприемной матрицы. Фотоприемная матрица из таких детекторов с целью считывания сигнала 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 прототипа 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_с≈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).

Решаемая задача - создание детектора с барьером Шоттки, чувствительного к ИК излучению с энергиями меньшими, чем высота барьера Шоттки, и создание фотоприемной матрицы с чувствительностью в дальней ИК-области спектра, не требующей конструктивно и технологически сложной термоизоляции детекторов матрицы друг от друга и от подложки, стойкой к колебаниям температуры и вибрациям.

Указанная задача решается тем, что, в известном способе увеличения граничной длины волны ИК-детектора с барьером Шоттки, включающем создание в приповерхностной области полупроводниковой подложки множества геометрически упорядоченных по поверхности подложки областей со слоем химического соединения металл - полупроводник, образующего с полупроводниковым материалом подложки барьеры Шоттки, барьер Шоттки создают с высотой потенциального барьера, превышающей энергию квантов регистрируемого ИК-излучения, а слой указанного химического соединения изготавливают равным по толщине обратной величине коэффициента поглощения ИК-излучения в этом слое, и из такого материала, и таким образом, чтобы время передачи энергии поглощенных квантов системе электронов и время установления диффузионного равновесия в системе электронов в указанном слое были меньше, чем время установления теплового равновесия между системой электронов и кристаллической решеткой материала слоя.

Задача решается также тем, что в известном ИК-детекторе, включающем полупроводниковую подложку, в приповерхностной области которой сформирован, по крайней мере, один элемент, чувствительный к регистрируемому излучению, содержащий область со слоем химического соединения металл-полупроводник, образующего с подложкой барьер Шоттки, имеющий по периферии область с типом проводимости, противоположной типу проводимости подложки, и электрический контакт к слою химического соединения металл-полупроводник, толщина слоя химического соединения металл-полупроводник равна или больше величены обратного коэффициента поглощения для регистрируемого ИК-излучения, барьер Шоттки имеет высоту потенциального барьера, превышающую энергию квантов регистрируемого излучения и среднюю тепловую энергию при рабочей температуре детектора, а время передачи энергии поглощенных квантов системе электронов и время установления диффузионного равновесия в системе электронов в указанном слое химического соединения меньше, чем время установления теплового равновесия между системой электронов и кристаллической решеткой материала слоя.

Задача решается также тем, что в известной фотоприемной матрице, чувствительной к ИК-излучению, включающей полупроводниковую подложку, в приповерхностной области которой сформировано множество ИК-детекторов, имеющих, по крайней мере, одну область со слоем химического соединения металл-полупроводник, образующего с материалом подложки барьер Шоттки, электрический контакт к слою 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 указанного электрического сигнала в выходное напряжение, число которых равно числу выходов видеосигнала, ИК-детекторы представляют собой ИК-детекторы с увеличенной длиной волны по заявляемому способу.

Работа детекторов согласно предлагаемому способу 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 hν 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 обратную величину коэффициента поглощения 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 с энергией hν в слое (3) появляются «горячие» электроны и дырки, однако их энергия, равная hν, 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_ее≤10^-9 с 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_ее, при поглощении hν 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 предлагаемого способа состоит в том, что в результате его реализации ток сигнала в 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.

При изготовлении слоя (3) используют высокочистый металл, плазменную очистку поверхности подложки в вакууме, нанесение металлической пленки и последующий отжиг для образования слоя (3) без выноса подложки из вакуумного объема (in situ). Таким образом, получают 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 в слое (3). Поэтому при кратковременном воздействии излучения кристаллическая решетка не нагревается, а в ток сигнала дают вклад все «горячие» дырки. Следовательно, необходимость в термоизоляции детекторов от подложки и друг от друга не требуется.

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 слоя (3)

μ - подвижность электронов

При δ=1-6 мкм, μ≈10³ и Т=50К, τ=(0,3-1)·10^-8 с.

В формуле (2) 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 может быть уменьшено в 3-5 раз и, т.о., τ≈10^-9 с.

Постоянная времени процесса передачи энергии от системы «горячих» дырок к кристаллической решетке (τ_h-ph) в высокочистом 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≈1К 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≈80K) 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 - мощность излучения, поглощаемого в слое (3),

- время интегрирования сигнала в фотоприемной матрице,

C_е - полная теплоемкость газа дырок,

ΔТ_е - изменение температуры газа дырок

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

где N_A - число Авогадро,

k - постоянная Больцмана,

m - масса слоя (3),

M_ν - 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, что в 200-400 раз меньше его полной решеточной теплоемкости.

Согласно (4) при Р=10^-10 Вт и =0,1 с ΔT_e=0,2К.

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,

Ψ_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 (4) по t, а (6) по T_e и подставив в (7) полученные результаты, для еψ>>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 (8) входит мощность излучения, поглощаемого в слое (3). Для перехода к мощности падающего излучения (Р) 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 обеспечивают нанесением стандартного диэлектрического просветляющего слоя (4). (Яковлев П.П., Мешков Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий, М., Машиностроение, 1987). На этой границе достаточно легко обеспечивают 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 (Борн М., Вольф Э. 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, создав сильнолегированный слой (2), «просветляют» границу слоя (3) с подложкой. Чтобы, обеспечить наибольшее поглощение излучения в слое (3), его толщина должна быть доведена до (1-3)δ, где δ - толщина скин-слоя (примерно равная обратной величине коэффициента поглощения), зависящая от проводимости квазиметаллического слоя (3) и диапазона длин волн регистрируемого излучения. Для рассматриваемого примера диода Шоттки с силицидом платины разной проводимости и при длинах волн ≈15-25 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≈P и тогда (8) запишется, как

Из (10) 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 флуктуации 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 - сопротивление в цепи обратной связи усилителя

В (11) первое слагаемое - дробовый шум тока термоэмиссии, второе - шум усилителя. Составляющей шума, определяемой излучением фона сцены, в диапазоне длинноволнового ИК излучения можно пока пренебречь.

В известных фотоприемных матрицах 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 (10).

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,

σ_ph - среднеквадратичная величина флуктаций электронов, генерированных фоновым

излучением.

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

Тогда в правой части (13) превалируют флуктуации «темновых» электронов термоэмиссии, поскольку для барьера Шоттки с PtSi при T₀≈75-80 К количество «темновых» электронов составляет (1-5)·10⁵.

С учетом этого из (10), (12), (13) для отношения сигнал/шум = 1 получаем выражение для пороговой мощности сигнала

При Т₀=75К, C_e=5·10^-11, и =0,1с из (14) получим Р≅(1-3)·10^-12 Вт на один чувствительный элемент матрицы.

Приведенный расчет показывает, что предложенный способ увеличения длины волны ИК-детектора на основе барьера Шоттки позволяет создать ИК-детектор и фотоприемную матрицу на основе таких детекторов, имеющих пороговую мощность сигнала в длинноволновом ИК-диапазоне сравнимую с квантовыми детекторами, работающими только в средней ИК-области спектра до 10 мкм, и на один-два порядка лучше, чем обеспечивают матрицы с тепловыми детекторами.

Дополнительным отличием способа является то, что барьер Шоттки создают путем вплавления в приповерхностный слой кремниевой подложки нанесенного на ее поверхность слоя платины.

Отличием способа является также то, что слой платины высокой чистоты наносится методом магнетронного распыления на предварительно очищенную в вакууме поверхность подложки и последующее вплавление выполняется без промежуточного выноса подложки на воздух при температуре, при которой слой силицида платины образует монокристаллическую структуру.

Дополнительным отличием ИК-детектора является то, что на границе каждого детектора с подложкой в подложке образован просветляющий слой повышенной проводимости толщиной в четверть длины волны регистрируемого излучения. Дополнительным отличием фотоприемной матрицы является то, что 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 антенна, представляющая собой собирающую микролинзу.

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 микролинзы, нанесен металлический отражающий слой по всей площади подложки, кроме микролинз.

Это позволяет отразить от поверхности фотоприемной матрицы излучение, не попадающее на входы 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,

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 известной стандартной технологии ПЗС с тремя слоями поликристаллического кремния.

Фотоприемную матрицу изготавливают 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 формируют 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, которые соединяют друг с другом в единый блок через индиевые микростолбики по одной из известных технологий.

Предлагаемый способ увеличения граничной длины волны детектора с барьером Шоттки заключается в следующем.

На подложку из кремния р-типа с ориентацией <100> и с удельным сопротивлением 10-25 Ом·см, на которой уже частично создана структура элемента, чувствительного к ИК-излучению, и методом фотолитографии вскрыто окно к той части поверхности подложки, в которой образован просветляющий слой повышенной проводимости, после ионно-плазменной очистки в вакууме без выноса на воздух наносится методом магнетронного распыления слой платины высокой чистоты толщиной примерно 0,5 мкм. Последующее вплавление платины выполняется без промежуточного выноса подложки на воздух при температуре, близкой к образованию эвтектики платина/кремний, а затем проводится отжиг при температуре (Т≈300°С) несколько ниже температуры образования эвтектики в течение 10 мин. При этом в окне образуется слой химического соединения металл-полупроводник, имеющий монокристаллическую (или близкую к ней) структуру с металлическим типом проводимости и высокой подвижностью электронов. Это позволяет получить время передачи энергии «горячих» электронов, возникших при поглощении ИК-квантов, остальным электронам (системе) и время установления диффузионного равновесия в системе электронов меньше, чем время установления равновесия между системой электронов и кристаллической решеткой слоя химического соединения металл-полупроводник (в данном случае слоя силицида платины). Толщина наносимого слоя платины рассчитывается из условия, чтобы толщина слоя силицида платины составила 0,3-1 мкм.

Слой силицида платины имеет следующие характеристики: время передачи энергии поглощенных квантов системе электронов (10^-10-10^-11 с) и время установления диффузионного равновесия в системе электронов (≈10^-9 с) в указанном слое меньше, чем время установления теплового равновесия между системой электронов и кристаллической решеткой материала слоя (10^-7 с). В результате получают барьер Шоттки с высотой потенциального барьера в пределах 0,2-0,15 эВ, но при этом обеспечивается увеличение граничной длины волны детектора до 25 мкм (т.е. более чем в 7 раз по сравнению с прототипом).

В качестве примера конкретного исполнения детектора и матрицы приведена конструкция монолитной фотоприемной ПЗС-матрицы со строчно-кадровым переносом с ИК-детекторами с барьером Шоттки.

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 - антенны,

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) по всей поверхности, кроме мест расположения антенн, и на ней против каждого детектора сформированы антенны в виде микролинз (6), на которые наносят 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 p⁺ - 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 также последовательно переносит заряды, накопленные каждым детектором строки, в выходной («быстрый») ПЗС регистр, из которого за время передачи строки зарядовые пакеты детекторов каждой строки 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 длинноволновом ИК-диапазоне для фотоприемной матрицы с детекторами, изготовленными согласно предлагаемому способу увеличения граничной длины волны барьера Шоттки, задается формулой (14):

и при Т₀=75К, C_e=5·10^-11, =40 и =0,1с пороговая мощность падающего излучения Р≅(1-3)·10^-12 Вт на один детектор матрицы.

Таким образом, предлагаемая фотоприемная матрица имеет пороговую чувствительность в длинноволновом ИК-диапазоне, сравнимую с квантовыми детекторами, работающими только в средней 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 способа, детектора и фотоприемной матрицы не исчерпывает всех возможных воплощений изобретений, вытекающих из известного современного уровня техники.

Изобретение относится к области оптоэлектроники, а именно к многоэлементным приемникам излучения с использованием барьеров Шоттки, в частности к двумерным преобразователям изображений в видеосигнал, чувствительным в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра электромагнитного излучения. Сущность изобретения: предложенный способ увеличения граничной длины волны ИК-детектора основан на создании физических условий для прямой регистрации тока термоэлектронной эмиссии горячих электронов из металла в полупроводник при их генерации в толстом, порядка обратной величины коэффициента поглощения, квазиметаллическом контакте барьера Шоттки. Для этого предлагается время передачи энергии поглощенных квантов системе электронов и время установления диффузионного равновесия в системе электронов слоя получать меньше, чем время установления теплового равновесия между системой электронов и кристаллической решеткой материала слоя. Предложены технологические операции, обеспечивающие получение указанного эффекта. Предложены также ИК-детектор и фотоприемная матрица с детекторами, изготовленными согласно предложенному способу. Предложенные детектор и фотоприемная матрица обеспечивают увеличение граничной длины волны и соответствующее повышение чувствительности в среднем и дальнем ИК-диапазоне спектра. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ увеличения граничной длины волны ИК-детектора с барьером Шоттки, включающий создание в приповерхностной области полупроводниковой подложки множества геометрически упорядоченных по поверхности подложки областей со слоем химического соединения металл-полупроводник, образующего с полупроводниковым материалом подложки барьеры Шоттки, отличающийся тем, что барьер Шоттки создают с высотой потенциального барьера, превышающей энергию квантов регистрируемого ИК-излучения, а слой указанного химического соединения изготавливают равным по толщине величине обратного коэффициента поглощения ИК-излучения в этом слое, и из такого материала и таким образом, чтобы время передачи энергии поглощенных квантов системе электронов и время установления диффузионного равновесия в системе электронов в указанном слое были меньше, чем время установления теплового равновесия между системой электронов и кристаллической решеткой материала слоя.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что потенциальный барьер Шоттки создают путем вплавления в приповерхностный слой кремниевой подложки нанесенного на поверхность слоя платины высокой чистоты.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что слой платины высокой чистоты наносится методом магнетронного распыления на предварительно очищенную в вакууме поверхность подложки и последующее вплавление выполняется без промежуточного выноса подложки на воздух при температуре, при которой слой силицида платины образует монокристаллическую структуру.4. ИК-детектор, включающий полупроводниковую подложку, в приповерхностной области которой сформирован, по крайней мере, один элемент, чувствительный к регистрируемому излучению, содержащий область со слоем химического соединения металл-полупроводник, образующего с подложкой барьер Шоттки, имеющий по периферии область с типом проводимости, противоположной типу проводимости подложки, и электрический контакт к слою химического соединения металл-полупроводник, отличающийся тем, что толщина слоя химического соединения металл-полупроводник равна или больше величины обратного коэффициента поглощения для регистрируемого ИК-излучения, барьер Шоттки имеет высоту потенциального барьера, превышающую энергию квантов регистрируемого изтучения и среднюю тепловую энергию при рабочей температуре детектора, а время передачи энергии поглощенных квантов системе электронов и время установления диффузионного равновесия в системе электронов в указанном слое химического соединения меньше, чем время установления теплового равновесия между системой электронов и кристаллической решеткой материала слоя.5. ИК-детектор по п.4, отличающийся тем, что дополнительно на границе каждого элемента, чувствительного к регистрируемому излучению в подложке, образован просветляющий слой повышенной проводимости толщиной в четверть длины волны регистрируемого излучения.6. Фотоприемная матрица, чувствительная к ИК-излучению, включающая полупроводниковую подложку, в приповерхностной области которой содержится множество ИК-детекторов, имеющих, по крайней мере, одну область со слоем химического соединения металл-полупроводник, образующего с материалом подложки барьер Шоттки, интегральную схему поэлементного съема и вывода электрического сигнала с указанных детекторов на один или несколько выходов видеосигнала, и интегральные предварительные усилители-преобразователи зарядовых пакетов указанного электрического сигнала в выходное напряжение, число которых равно числу выходов видеосигнала, отличающаяся тем, что ИК-детекторы представляют собой детекторы по п.4.7. Фотоприемная матрица по п.6, 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.8. Фотоприемная матрица по п.6, отличающаяся тем, что на противоположной стороне подложки напротив каждого детектора сформированы антенны, представляющие собой собирающие микролинзы.