МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ИК ФОТОПРИЕМНИК Российский патент 2014 года по МПК H01L27/14 

Многоэлементные или матричные фотоприемники (МФП) на основе антимонида индия, чувствительные в спектральном диапазоне 3-5 мкм, имеют двойное применение и начинают широко использоваться в различных отраслях народного хозяйства и военной техники.

Они включают матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) на основе фотодиодов, кремниевый МОП-мультиплексор, холодный экран с диафрагмой и светофильтром, микрокриогенную систему (МКС) и корпус с окном для приема входного ИК излучения.

МФЧЭ поэлементно скоммутирована с МОП-мультиплексором при помощи индиевых столбиков от каждого фотодиода и контакта к общей базе (подложке). МОП-мультиплексор с МФЧЭ расположен на растре, который установлен на холодном пальце МКС. Холодный экран окружает МФЧЭ и МОП-мультиплексор, пропуская входное ИК излучение сквозь диафрагму и светофильтр к МФЧЭ. Корпус вакуумирован для снижения теплопритока к МКС.

Регистрируемое излучение падает на тыльную сторону МФЧЭ, покрытую просветляющим диэлектрическим слоем, и поглощается в базе антимонида индия. При поглощении излучения происходит генерация электрон-дырочных пар. Неосновные носители тока (для базы n-типа проводимости это дырки, а для базы р-типа проводимости это электроны) движутся к p-n переходам, генерируя в них фототоки. Эти фототоки снимаются с помощью контактов к каждому фотодиоду и контакта к общей базе и поступают в МОП-мультиплексор.

Такая конструкция МФП имеет существенный недостаток. Дело в том, что эффективность работы МФЧЭ определяется квантовой эффективностью каждого фотодиода, определяемой как отношение количества неосновных носителей, создавших фототок, к общему количеству генерированных неосновных носителей. В рассмотренном устройстве подложка (база) имеет толщину не ниже 200-300 мкм. В то же время в силу физических законов эффективная глубина поглощения ИК излучения составляет в лучшем случае 10-15 мкм. В силу этого условия неосновные носители тока, генерированные излучением, диффундируют к p-n переходам через всю толщину базы. Часть из них рекомбинирует и в генерации фототока участвует лишь малая доля носителей, достигнувших p-n переходов, что исключает возможность получения высокой квантовой эффективности МФЧЭ даже при наличии на тыльной стороне базы тонкого высоколегированного слоя, препятствующего рекомбинации носителей на ней.

Прототипом заявляемого устройства является МФП на основе антимонида индия, включающего те же составные части. Отличие состоит в том, что большая часть базы удалена, а полученная тонкая структура с диэлектрическим слоем на тыльной стороне приклеена к пластине из другого материала (кремний, германий и т.д.), имеющего необходимую прочность, прозрачного в области чувствительности антимонида индия и покрытого просветляющим покрытием. В этом случае генерация неосновных носителей происходит вблизи p-n переходов, и они в большей степени участвуют в генерации фототока [Патент США №5227656, МКИ H01L 27/14].

Недостаток такого устройства обусловлен наличием на тыльной стороне МФЧЭ приповерхностного слоя, в котором происходят эффективное «отсасывание» к поверхности неосновных носителей и их последующая рекомбинация. Этот эффект обусловлен поверхностными состояниями, вызывающими искривление энергетических зон. В результате, значительная часть неосновных носителей не участвует в генерации фототока. Кроме этого возникает так называемый «эффект памяти», при котором возникает визуальный след от движущегося яркого изображения, а клеевой слой, даже при небольшой толщине, оказывает паразитное влияние на поглощение в области чувствительности антимонида индия. Указанные эффекты могут достаточно сильно отличаться от образца к образцу при одной и той же технологии изготовления МФП. Это снижает квантовую эффективность, выход годных МФП и разброс параметров от образца к образцу.

Целью настоящего изобретения является повышение выхода годных и улучшение однородности параметров МФП в серийном производстве за счет повышения квантовой эффективности фоточувствительных элементов (ФЧЭ) при одновременном устранении эффекта памяти и влияния клеевого соединения на фототоки ФЧЭ.

Поставленная цель достигается тем, что в известном многоэлементном фотоприемнике на основе антимонида индия, включающем матрицу фоточувствительных элементов из антимонида индия с тонкой базой, скоммутированных с мультиплексором, на тыльную сторону МФЧЭ нанесено просветляющее покрытие, содержащее встроенный заряд, знак которого противоположен знаку основных носителей в базе МФЧЭ.

Настоящее изобретение поясняется чертежами.

Прототип заявляемого устройства показан на фиг.1, заявляемое устройство показано на фиг.2, а энергетическая зонная диаграмма прототипа и заявляемого устройства показана на фиг.3.

Обозначения на чертежах:

1 Корпус МФП;

2 Входное окно МФП;

3 Холодный экран с диафрагмой;

4 Кремниевый МОП-мультиплексор;

5 Индиевые столбики;

6 Эмиттеры ФЧЭ;

7 Общая база МФЧЭ на основе InSb;

8 Клеевой слой;

9 Кремниевая пластина;

10 Просветляющее покрытие;

11 Встроенный заряд.

Работает заявляемое устройство следующим образом.

ИК излучение проходит сквозь окно 2, охлаждаемую диафрагму 3 и просветляющее покрытие 10, а затем попадает в базу МФЧЭ 5. Происходит фотогенерация пар электрон-дырка. В силу того, что просветляющее покрытие 10 содержит встроенный заряд 11, знак которого противоположен знаку основных носителей, на приповерхностный слой InSb действует электрическое поле напряженностью Е=2·π·σ, где σ - поверхностная плотность встроенного в просветляющий слой 10 заряда 11. Знак заряда таков, что основные носители притягиваются к тыльной поверхности МФЧЭ 5, а неосновные - отталкиваются от нее. В результате воздействия этого поля на носители заряда тыльный приповерхностный слой МФЧЭ обогащается основными носителями заряда, а это означает, что искривление энергетических зон уменьшается, как и уменьшается количество неосновных носителей, рекомбинирующих на тыльной поверхности МФЧЭ. Иначе говоря, отрицательное воздействие тыльной поверхности МФЧЭ 5 экранируется, и снижается как скорость рекомбинации на «быстрых» поверхностных состояниях, так и скорость захвата неосновных носителей на медленные глубокие энергетические состояния, ответственные за «эффект памяти». Поэтому в зависимости от величины встроенного заряда захват и рекомбинация на поверхностных состояниях ослабнет или исчезнет совсем, что приведет к снижению или прекращению оттока неосновных носителей от p-n перехода. Поскольку база МФЧЭ 7 тонкая, то количество неосновных носителей, достигших p-n перехода, возрастет. Следовательно, возрастет внешняя квантовая эффективность, увеличится фототок каждого ФЧЭ и их средние величины по площади МФЧЭ. Значит, улучшатся фотоэлектрические параметры МФП. Это повысит выход годных и улучшение однородности параметров устройств в серийном производстве. Одновременно будет устранен эффект «памяти» и влияние паразитного поглощения от клеевого соединения на величины фототоков ФЧЭ.

Таким образом, цель изобретения будет достигнута.

Просветляющее покрытие с встроенным зарядом необходимого знака изготавливается стандартными методами - анодным окислением, резистивным или магнетронным нанесением, электролитическим или плазменным осаждением. Материалами, пригодными для его изготовления могут служить анодный окисел, Si, Ge, ZnS, CdS, CdTe, GaAs, SiO, SiO₂, SiC, Si₃N₄, HfO₂, Bi₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, MgF₂, CaF₃ и др.

Изобретение относится к многоэлементным или матричным фотоприемникам (МФП) на основе антимонида индия, чувствительным в спектральном диапазоне 3-5 мкм. Конструкция МФП позволяет повысить выход годных и улучшить однородность параметров МФП в серийном производстве за счет увеличения квантовой эффективности и устранения эффекта «памяти» и влияния клеевого соединения на величину фототоков фоточувствительных элементов (ФЧЭ). Многоэлементный фотоприемник на основе антимонида индия включает матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонкой базой, скоммутированных с мультиплексором, на тыльную сторону матрицы фоточувствительных элементов нанесено просветляющее покрытие, содержащее встроенный заряд, знак которого противоположен знаку основных носителей заряда в базе МФЧЭ. 3 ил.

Многоэлементный фотоприемник на основе антимонида индия, включающий матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонкой базой, скоммутированных с мультиплексором, отличающийся тем, что на тыльную сторону МФЧЭ нанесено просветляющее покрытие, содержащее встроенный заряд, знак которого противоположен знаку основных носителей в базе МФЧЭ.