ПРИЕМНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ШИРОКОГО СПЕКТРАЛЬНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2014 года по МПК H01L31/06 

Изобретение относится к приемникам электромагнитного излучения широкого спектрального диапазона и может быть использовано для создания устройств различного назначения: датчики пламени; датчики электрической искры; наблюдение ионосферы в УФ-диапазоне спектра (контроль озонового слоя); оптическая локация в УФ-спектре; оптическая связь в УФ-диапазоне; дозиметрия УФ-излучения, быстродействующие УФ-фотоприемники для эксимерных лазеров; дифференциальные УФ-фотоприемники для хромотографии и спектрофотометрии; приборы контроля люминесценции в УФ-спектре; флуоресцентная спектрометрия; приборы ночного видения общего и специального назначения.

Известны единичные и многоэлементные приемники электромагнитного излучения, выполненные на основе различных сложных полупроводниковых структур на различные диапазоны энергий: ультрафиолетовый диапазон 220-400 нм; видимый диапазон 400-670 нм; ближний инфракрасный диапазон 700-1700 нм, устройства визуализации изображения, в которых широко применяются формирователи изображений фокальной плоскости (Focal Plane Array, FPA) различного узкого спектрального диапазона. В таблице 1 представлены параметры FPA для диапазона 200-1700 нм.

Таблица 1 Параметры FPA FPA λ, нм Квантовая эффективность, % D*, смГц^1/2 Вт^-1 295К Размерность Диаметр пиксела, мкм AlGaN FPA 200-380 70 6*10¹³ 320×256 25 Si FPA 200-1000 90   4096×4096 5 InGaAs FPA 450-1700 90 10¹³ 1280×1024 15 D* - обнаружительная способность FPA

В настоящее время отсутствуют фотоприемные устройства (ФПУ) с единым фоточувствительным элементом широкого спектрального диапазона и отсутствуют технические решения, обеспечивающие создание многоэлементного фотоприемника, перекрывающего своими возможностями диапазон 220-1700 нм [1]. Это, в свою очередь, требует создания новых принципиальных решений и типовых технологий изготовления высокочувствительных элементов ФПУ. Основное направление исследований следует направить на матрицы на основе высокоомного GaAs, компенсированного глубокими уровнями.

Патентный поиск показал, что существующие на сегодняшний день известные отечественные и зарубежные фотоприемные устройства, ориентированные на получение мультиспектральной характеристики исследуемого объекта, имеют технологически сложную конструкцию и обладают недостаточно высокими техническими и метрологическими характеристиками, особенно при работе в нетрадиционных диапазонах, при наличии атмосферных помех и других возмущающих факторов.

Наиболее близким техническим решением того же назначения, выбранным в качестве прототипа, является фоточувствительный полупроводниковый прибор (фотодиод) с низким уровнем темнового тока (US 4242695, H01L 31/101, Low dark current photo-semiconductor device) [2], в котором для уменьшения диффузионного тока и обусловленных им шумов фотодиода сформирован дополнительный p-n-переход, имеющий общую базу с основным p-n переходом.

В известном устройстве для увеличения отношения сигнал/шум и тем самым расширения спектрального диапазона уменьшают диффузионный ток основного p-n-перехода, так как уменьшение среднего значения диффузионного тока приведет к уменьшению его спектральной плотности шума.

Недостатком известного полупроводникового прибора является узкий спектральный диапазон, ограниченный ИК-спектральной областью, а также необходимость формирования дополнительного p-n-перехода, что существенно усложняет технологический процесс изготовления фоточувствительного прибора.

Задачей изобретения является создание полупроводникового приемника электромагнитного излучения широкого спектрального диапазона от инфракрасного излучения до вакуумного ультрафиолета.

Поставленная задача решается тем, что в приемнике электромагнитного излучения, включающем полупроводниковую структуру с электронно-дырочным переходом на основе арсенида галлия и внешние электроды упомянутый электронно-дырочный переход выполнен компенсирующей глубокой примесью хрома с неоднородным по толщине слоя арсенида галлия распределением примеси, причем в приповерхностной области полупроводниковой структуры сформирована область с концентрацией хрома, превышающей концентрацию доноров в исходном арсениде галлия, а во внутреннем объеме полупроводниковой структуры сформирована область с концентрацией хрома, меньше, чем концентрация доноров в исходном арсениде галлия. В частных случаях воплощения изобретения толщина приповерхностной компенсированной глубокими примесями области d_π-v не должна превышать дрейфовой длины генерируемых излучением электронов L_n=µ_n·τ_n·ξ_π>d_π-v, где µ_n·τ_n - подвижность и время жизни неравновесных электронов, ξ_π - напряженность электрического поля в π-слое.

Изобретение поясняется иллюстрациями.

На Фиг.1 показана зонная диаграмма полупроводниковой структуры, компенсированной примесями с глубокими уровнями.

Фиг.2 иллюстрирует формирование гофрированной зонной диаграммы E_c и E_v в сильно легированном и компенсированном GaAs.

На Фиг.3 изображена полупроводниковая структура π-v-n, ее энергетическая диаграмма, распределение объемного заряда и напряженности электрического поля в структуре при различных напряжениях смещения.

В электронно-дырочном переходе, образованном глубокой акцепторной примесью хрома, формируются два эффекта, позволяющих значительно расширить спектральный диапазона принимаемого излучения, от инфракрасного излучения до вакуумного ультрафиолета.

Первый эффект связан с компенсацией проводимости. В исходном GaAs имеются:

- фоновые донорные примеси (N_dф);

- акцепторные примеси (N_aф);

- легирующие мелкие донорные примеси (N_d).

При этом выполняется соотношение: , и GaAs имеет электронный тип проводимости. Как заявлено выше, процесс компенсации проводимости осуществляется введением примеси (например, хрома), создающей глубокие акцепторные (узельные) d-примеси (N_Cr) в соотношении: . В результате фоновые примеси частично компенсируют друг друга, а электроны от оставшихся фоновых и мелких доноров компенсируют уровни узельных d-примесей N_Cr.

Примесь хрома создает глубокие уровни вблизи середины ширины запрещенной зоны GaAs, и в системе GaAs<Cr> хром диффундирует как межузельный атом. Встреча с вакансией галлия Cr_i+V_Ga→Cr_Ga закрепляет хром в галлиевом узле с тетраэдрическим окружением мышьяковых лигандов. Каждый атом галлия в GaAs должен отдать три внешних электрона (состояние свободного атома галлия 4s²4p¹) на образование связи. Поэтому по сравнению с конфигурацией 3d⁵4s¹ для свободного атома Cr ион Cr_Ga имеет структуру 3d³, и это его "нейтральное" состояние. Электроны в компенсированных d-атомах Cr приобретают электронную структуру 3d⁴, что соответствует "отрицательно" заряженному состоянию примеси Cr. Оставшиеся некомпенсированные атомы Cr по-прежнему будут в состоянии 3d³. Именно они будут поставлять дырки в валентную зону, но концентрация дырок будет чрезвычайно мала из-за большой энергии ионизации d-атомов, т.к. (E_Cr-E_v)~0,76 eV. Согласно статистике, концентрация равновесных дырок составляет произведение степени компенсации на плотность состояний в валентной зоне (p₁), приведенная к уровню глубокого центра где . При E_Cr≈0,76 eV концентрация равновесных дырок в GaAs, а следовательно, и электропроводность снижаются на 10 порядков. Следовательно, материал, легированный компенсирующей глубокой примесью хрома будет чрезвычайно высокоомным.

Новизна изобретения заключается в том, что в полупроводниковой структуре приемника электромагнитного излучения технологически создается и используется неоднородное распределение концентрации глубоких примесей хрома. В той части полупроводниковой структуры, где выполняется соотношение , высокоомный слой будет иметь p-тип проводимости с очень низкой электропроводностью (фиг.1а). В той части полупроводниковой структуры, где выполняется соотношение , электроны с донорных центров полностью компенсируют уровни узельных d-примесей, и высокоомный слой имеет n-тип проводимости (фиг.1б). При этом концентрация электронов, а следовательно, и электропроводность материала снижаются пропорционально степени компенсации [|N_d-N_Cr|/N_d].

Второй эффект связан со случайным характером распределения примесей в кристалле. В случае компенсации глубокими примесями - это чрезвычайно важный аспект, так как центры локализованы и закрепляют уровень Ферми. В единой термодинамической системе (кристалле) уровень химического потенциала выравнивается, поэтому зонная картина приобретает гофрированный вид. На фиг.2 показан фрагмент случайного распределения потенциала, связанный с неоднородным распределением примесей, при фотовозбуждении носителей из валентной зоны в зону проводимости (переходы 1, 2, 3). В результате электроны и дырки в своих зонах оказываются пространственно разделенными. Поскольку их рекомбинация непрямым переходом затруднена, то они в таком неравновесном состоянии будут находиться долго, пока принудительным образом (переход 5) не возникнут условия для прямой рекомбинации (переход 4). Время жизни неравновесных носителей (τ) увеличивается по закону: τ=τ₀·exp(ΔE/kT), где τ₀ - время жизни в материале до легирования, ΔE - среднее значение высоты барьера для рекомбинации. Эффект гигантского (в сотни раз) увеличения времени жизни может наблюдаться лишь в материале сильно компенсированном примесями с глубокими уровнями. Так в системе GaAs<Te,Cr> величина ΔE≅0,15 эВ, и время жизни даже при 300К возрастает до ~10^-7 с.

Для реализации изобретения разработана новая технология компенсации слоев GaAs электронного типа проводимости глубокой акцепторной примесью хрома [4].

Технология позволяет управлять процессами растворимости и диффузии глубокой примеси в более широком температурном диапазоне по сравнению с эпитаксией. В результате достигается высокая степень компенсации, уровень Ферми занимает предельное положение в объеме, а значение удельного сопротивления достигает своего теоретически предельного значения, ρ→ρ_max=b^1/2/2e·n_i·µ_n, где b=µ_n/µ_p - соотношение подвижностей электронов и дырок, e - заряд электрона, n_i - собственная концентрация GaAs, что почти на два порядка выше сопротивления известных из доступных источников информации LEC-GaAs кристаллов.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна». Все признаки, включенные в п.1 формулы изобретения, являются существенными, они необходимы и достаточны для решения поставленной задачи.

Среди известных приемников и преобразователей отсутствуют технические решения, решающие задачу совокупностью отличительных признаков изобретения, что позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Осуществление изобретения на практике.

На фиг.3 представлена конструкция полупроводниковой структуры приемника электромагнитного излучения по изобретению, пригодная для фотоприемных устройств (ФПУ) различного назначения. Поскольку распределение компенсирующих примесей по глубине слоя неоднородно, одновременно формируются: высокоомный слой p-типа проводимости (π-слой) в той области, где выполняется условие ; высокоомный слой n-типа проводимости (ν-слой) в той области, где выполняется условие ; область объемного заряда (ООЗ) между π-слоем и ν-слоем. Таким образом, формируется электронно-дырочный переход на основе полуизолирующего GaAs, который содержит структуру π-ν-n-типа (см. фиг.3). Структура π-ν-n содержит ООЗ π-ν-перехода и одновременно проявляет свойства объемного материала и электронно-дырочного перехода. Поэтому в π-ν-n-структуре распределение напряженности электрического поля не ограничивается областью объемного заряда π-ν-перехода, а расширяется на всю толщину компенсированного слоя вплоть до поверхности, принимающей излучение, и контролируется неоднородным распределением концентрации ионизованных глубоких примесей хрома в π-слое.

Чувствительность заявленного приемного устройства в широком спектральном диапазоне обуславливается именно наличием π-ν-перехода, сформированного глубокими уровнями хрома.

Приемник электромагнитного излучения по изобретению работает следующим образом.

На сформированный π-ν-переход подается напряжение смещения обратной полярности. Кванты УФ и видимого диапазона спектра поглощаются на фотоприемной поверхности π-типа проводимости арсенид галлиевой π-ν-n-структуры. Образующиеся электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем π-области, ξ_π; фотоэлектроны под действием поля движутся к аноду n-типа проводимости с дрейфовой скоростью υ_n=µ_n·ξ_π, где µ_n - подвижность электронов, наводя ток во внешней цепи. Поскольку, как было показано выше, время жизни электронов (τ_n) в π-ν-n-структурах возрастает, то за время жизни электроны успевают пройти расстояние до анода, не успевая рекомбинировать, L_n=µ_n·τ_n·ξ_π>d_π-v. Наличие ускоряющего электрического поля у поверхности и высокое время жизни электронов обуславливают высокую квантовую эффективность, не менее 0,5, в видимом и УФ- диапазонах спектра, включая вакуумный УФ и мягкий рентген. За счет эффекта Франца-Келдыша, обусловленного высоким значением напряженности электрического поля в π-области и ООЗ π-ν-перехода, край собственного поглощения сдвигается почти до ИК-0диапазона с длиной волны 920 нм. Кванты ИК диапазона с энергией, менее ширины запрещенной зоны арсенида галлия (λ=900-1700 нм), поглощаются глубокими уровнями хрома в π-области, забрасывая ионизованные фотоэлектроны в зону проводимости, которые дрейфуют к аноду, наводя фототок во внешней цепи. Техническим результатом является расширение спектрального диапазона работы фотоприемного устройства.

Источники информации

1. Rogalski, A. Optical detectors for focal plane arrays /А. Rogalski// OptoElectronics Review. - 2004. - Vol.l2. - №2 - P.221-245.

2. US 4242695, H01L 31/101, 1980. Low dark current photo-semiconductor device. Прототип.

3. Seeger K. / Semiconductor Physics // Springer-Verlag, Wein, New York. 1973. 615 p.

4. Tolbanov O.P. / GaAs structures compensated with deep centers. // WIRESCRIPT Journal, CYEN Technologies SRL, 15 December 1999, 12 p.

Изобретение может быть использовано для создания устройств, различного назначения, например, датчиков пламени; датчиков электрической искры; оптической локации в УФ-спектре; оптической связи в УФ-диапазоне; дозиметрии УФ-излучения, быстродействующих УФ-фотоприемников для эксимерных лазеров; приборов контроля люминесценции в УФ-спектре; флуоресцентной спектрометрии; приборов ночного видения и т.п. Приемник электромагнитного излучения включает полупроводниковую структуру с электронно-дырочным переходом на основе арсенида галлия и внешние электроды, упомянутый электронно-дырочный переход выполнен компенсирующей глубокой примесью хрома с неоднородным по толщине слоя арсенида галлия распределением примеси, причем в приповерхностной области полупроводниковой структуры сформирована область с концентрацией хрома, превышающей концентрацию доноров в исходном арсениде галлия, а во внутреннем объеме полупроводниковой структуры сформирована область с концентрацией хрома меньше, чем концентрация доноров в исходном арсениде галлия. Изобретение обеспечивает расширение спектрального диапазона работы фотоприемного устройства от инфракрасного излучения до вакуумного ультрафиолета. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Приемник электромагнитного излучения широкого спектрального диапазона, включающий полупроводниковую структуру с электронно-дырочным переходом на основе арсенида галлия и внешние электроды, отличающийся тем, что упомянутый электронно-дырочный переход выполнен компенсирующей глубокой примесью хрома с неоднородным по толщине слоя арсенида галлия распределением, причем в приповерхностной области полупроводниковой структуры сформирована область с концентрацией глубокой примеси, превышающей концентрацию доноров в исходном арсениде галлия, а во внутреннем объеме полупроводниковой структуры сформирована область с концентрацией глубокой примеси, меньшей, чем концентрация доноров в исходном арсениде галлия.

2. Приемник электромагнитного излучения по п.1, отличающийся тем, что толщину d_π-ν приповерхностной компенсированной глубокой примесью хрома области выбирают из условия L_n=µ_n·τ_n·ξ_π>d_π-ν, где L_n - расстояние дрейфа, проходимое фотоэлектронами без рекомбинации, µ_n и τ_n - подвижность и время жизни электронов, ξ_π - напряженность электрического поля в π-слое.