Двухспектральное фоточувствительное устройство Российский патент 2019 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) излучений диапазона спектра. Устройство содержит фоточувствительные элементы с барьером Шоттки для независимой регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Кристалл фоточувствительных элементов (ФЧЭ) состоит из эпитаксиальной структуры, на которой расположены диоды Шоттки. При этом часть диодов расположена на эпитаксиальной поверхности с исходной концентрацией носителей и регистрирует ультрафиолетовое излучение, а вторая часть расположена на поверхности с повышенной приповерхностной концентрацией носителей заряда и регистрирует инфракрасное излучение.

Изобретение предназначено для работы в двух спектральных диапазонах: ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном (ИК), и является двухспектральным фотоприемным устройством, работающим как пороговый фотоприемник в ближнем УФ спектральном диапазоне (чувствительность обеспечивается за счет собственного поглощения), а в среднем ИК спектральном диапазоне, работающим как обнаружитель мощных оптических сигналов (чувствительность обеспечивается за счет поглощения на свободных носителях заряда и разделении «горячих» носителей на барьере Шоттки с более низкой высотой барьера).

В настоящее время одним из основных направлений совершенствования оптико-электронных систем является использование многоспектральных фоточувствительных устройств, чувствительных в нескольких диапазонах спектра. Такие устройства значительно повышают информативность и достоверность систем. Подходящим материалом для создания современного оптико-электронного устройства с использованием многоспектрального фоточувствительного элемента является фосфид галлия (GaP). Выбор материала GaP в качестве основного для ФПУ обусловлен тем, что приемники на его основе обеспечивают высокую чувствительность в УФ диапазоне спектра и достаточную чувствительность в среднем ИК диапазоне спектра.

Известен мультиспектральный планарный фотодиод для детектирования излучения ИК-области спектра [US 006034407 A, H01L 31/00, опубл. 07.03.2000 г.]. Мультиспектральный фотодиод обеспечивает детектирование ИК-излучения в двух спектральных диапазонах. Матрица фоточувствительных элементов содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой первого типа проводимости, коротковолновый рабочий фоточувствительный слой, барьерный слой первого типа проводимости, длинноволновый рабочий фоточувствительный слой первого типа проводимости, верхний слой первого типа проводимости. При этом контакты всех фоточувствительных элементов матрицы расположены в одной плоскости. Это достигается за счет того, что контакты к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою матрицы за счет вытравливания областей в длинноволновом фоточувствительном слое.

Известно многоспектральное фотоприемное устройство [US 007217982 В2, H01L 29/72, опубл. 15.05.2007 г.], содержащее матрицу фоточувствительных элементов с контактами, состыкованными с контактами интегральной схемы считывания. Матрица фоточувствительных элементов содержит коротковолновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 3-8 мкм и длинноволновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 7-14 мкм и соответствующие фоточувствительные элементы. Контакты матрицы фоточувствительных элементов и контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде индиевых столбиков. Столбики к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою за счет вытравливания областей в длинноволновом рабочем фоточувствительном слое, что обеспечивает расположение всех контактов матрицы в одной плоскости.

Известное многоспектральное фотоприемное устройство [патент RU 2426196, H01L 27/146], принятое в качестве прототипа, содержит матрицу фоточувствительных элементов с рабочим фоточувствительным слоем для регистрации ИК (3-5 мкм) диапазона и рабочим фоточувствительным слоем для регистрации ИК (8-12 мкм) диапазона. Матрица фоточувствительных элементов состоит из трех разновысоких областей - центральной и двух периферийных. При этом высота центральной области определена высотой рабочего фоточувствительного слоя регистрирующим ИК (3-5 мкм), а высота двух периферийных областей определена суммарной высотой фоточувствительного слоя регистрирующим ИК (3-5 мкм) и высотой фоточувствительного слоя регистрирующего ИК (8-12 мкм). Выполнение матрицы фоточувствительных элементов в виде трех разновысоких областей обеспечивает симметричность ее конструкции.

Аналоги и прототип предназначены только для регистрации ИК излучения, что ограничивает возможности их применения.

Эти устройства предназначены для регистрации излучений ИК диапазонов спектра.

Задачей предлагаемого изобретения является создание двухспектрального фотоприемного устройства для оптико-электронных систем, целью которого является регистрация объекта по ультрафиолетовому и инфракрасному спектру излучения.

Технический результат достигается тем, что двухспектральное фоточувствительное устройство, включающее фоточувствительные элементы для двух различных диапазонов спектра, содержит подложку GaP с концентрацией носителей n=10²¹ см^-3, эпитаксиальный слой GaP с концентрацией носителей n=10¹⁶ см^-3, область с повышенной приповерхностной концентрацией носителей n=10¹⁹ см^-3, к эпитаксиальному слою и области с повышенной приповерхностной концентрацией формируются барьеры Шоттки напылением Аu для регистрации УФ излучения и ИК излучение соответственно.

Двухспектральное фотоприемное устройство содержит кристалл с фоточувствительными элементами, исполненными на основе барьера Шоттки с рабочими длинами волн УФ и ИК диапазонов спектра. Кристалл с фоточувствительными элементами состоит из подложки фосфида галлия (концентрация 10²¹ см^-3), на которой выращен эпитаксиальный слой фосфида галлия (концентрация 10¹⁶ см^-3), на эпитаксиальном слое формируется область с повышенной приповерхностной концентрации (концентрация 10¹⁹ см^-3). К каждой из этих областей эпитаксиального слоя формируются диоды Шоттки (Au-GaP), к обратной стороне кристалла создается омический контакт (AuGe-GaP), в качестве контакта используется Аu, к диодам Шотки, и Аu с подслоем Ti, к омическому контакту.

Формирование диодов Шоттки к областям с разной концентрацией позволяет независимо регистрировать излучения двух разных спектральных диапазонов.

Изобретение поясняется рисунком на фиг. 1. Структура двухспектрального фоточувствительного элемента на основе барьера Шоттки Au-GaP.

Кристалл с фоточувствительными элементами в виде фотодиодов Шоттки изготовлен как однослойная эпитаксиальная структура на основе двухкомпонентного полупроводникового соединения GaP. Кристалл с фоточувствительными элементами содержит:

1 - подложку монокристаллического GaP (n⁺⁺=10²¹ см^-3);

2 - эпитаксиальный слой GaP (n=10¹⁶ см^-3);

3 - приповерхностный слой с повышенной концентрацией (n⁺=10¹⁹ см^-3), повышенная концентрация носителей в котором позволяет снизить барьер Шоттки (Au-GaP) с 1,3 В до 0,3 В, что в свою очередь позволяет регистрировать излучение среднего ИК диапазона;

4 - омический контакт AuGe;

5 - барьерное Аи толщиной 100 , позволяющее излучению УФ диапазона проникать и поглощаться в объеме полупроводника, контактная металлизация Аu к барьеру толщиной 3000 , что упрощает дальнейшую распайку;

6 - контактную металлизацию TiAu к омическому контакту.

Два вида фоточувствительных элементов на основе барьера Шоттки Au-GaP одного типа проводимости фоточувствительны в двух разных диапазонах: УФ и в среднем ИК.

Процесс формирования фотодиодов Шоттки для двух разных диапазонов происходит в едином технологическом процессе, что упрощает технологию изготовления.

Устройство отличается от прототипа тем, что регистрирует УФ излучение и среднее ИК излучение, тогда как прототип регистрирует излучения ИК, среднего и дальнего диапазона, регистрация излучения среднего ИК достигается тем, что в исходном материале в приповерхностном слое, в определенной области увеличиваем концентрацию носителей, тогда как в прототипе аналогичный слой формируется во время эпитаксиального выращивания.

Преимущества предложенного способа изготовления устройства в том, что он позволяет повысить возможности оптико-электронного устройства, не изменяя его геометрию, что не увеличивает затраты на изготовление корпуса этого устройства.

Изобретение относится к двухспектральным фотоприемным устройствам, предназначенным для детектирования излучений в ближнем УФ спектральном диапазоне и среднем ИК спектральном диапазоне. Устройство согласно изобретению содержит фоточувствительные элементы с барьером Шоттки для независимой регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Кристалл фоточувствительных элементов состоит из GaP эпитаксиальной структуры, на которой расположены диоды Шоттки. При этом часть диодов расположена на эпитаксиальной поверхности с исходной концентрацией носителей и регистрирует ультрафиолетовое излучение, а вторая часть расположена на поверхности с повышенной приповерхностной концентрацией носителей заряда и регистрирует инфракрасное излучение. 1 ил.

Двухспектральное фоточувствительное устройство, включающее фоточувствительные элементы для двух различных диапазонов спектра, отличающееся тем, что содержит подложку GaP с концентрацией носителей n=10²¹ см^-3, эпитаксиальный слой GaP с концентрацией носителей n=10¹⁶ см^-3, область с повышенной приповерхностной концентрацией носителей n=10¹⁹ см^-3, сформированные на эпитаксиальном слое и на области с повышенной приповерхностной концентрацией барьеры Шоттки, напылением Аu для регистрации УФ излучения и ИК излучения соответственно.