Координатно-чувствительный фоторезистор (его варианты) Советский патент 1984 года по МПК H01L31/08 

5 f

1. Координатно-чувствительный фоторезистор, содержащий фоточупствительную полупроводниковую пластину с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на расстоянии не более двух амбиполярных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей, увеличения интегральной вольтовой чувствительности, а. также уменьшения потребляемой мощности, он снабжен размещенным на .освещаемой стороне пластины слоем диэлектрика периодически изменякицейся толщины, причем период изменения толщины диэлектрика - не менее расстояния между ближайщими омическими контактами к пластине, на котором расположен прозрачный проводящий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты.

Л

/

1/г.у ц

К

с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на расстоянии не более двух амбиполярных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, о тличающийся тем, что., с целью расширения его функциональных возможностей, увеличения интегральной вольтовой чувствительности, а также уменьшения потребляемой мощности, он снабжен размещенным на освещаемой стороне пластины слоем диэлектрика, на котором расположен прозрачный проводяЕдий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, а в фоточувствительной пластине выполнены расположенные с периодом не менее расстояния между ближайшими омическими контактами к пластине стоп-области.

Известны фоторезисторы, работающие в различных диапазонах спектра, состоящие из пластины полупроводника (монолитной или в виде пленки) с омическими контактами, присоединенными к противоположным концам пластины 1.

Поскольку данные фоторезисторы не обладают свойством координатной чувствительности, то в формирователях сигналов изображения обычно используют наборы фоторезисторов в виде линеек и матриц. Недостатком таких формирователей сигналов изображения является необходимость применения сложной электронной схемы управления работой приемника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является

тельную пластину с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на расстоянии не более двух,амбиполярных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей, увеличения интегральной вольтовой чувствительности, а также уменьшения потребляемой мощности, он снабжен размещенными на освещаемой стороне пластины последовательно расположенными первым слоем диэлектрика,непрозрачным проводящим электродом в виде сетки с шагом расположения ячеек сетки не менее расстояния между ближайшими омическими контактами к пластине, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, вторым слоем диэлектрика и прозрачным проводя-, щим электродом с омическими контактами на противоположных кон- цах.

Координатно-чувствительный фотерезистор, содержащий фоточувствительную полупроводниковую пластину, к противоположным концам которой присоединены два омических контакта, используемые для подачи тока питания на фоторезистор, третий омический контакт расположен на одной из боковых сторон пластины на расстоянии не более двух амбиполярных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов и используется для считывания выходного сигнала 2:.

в фоторезисторе имеются две области, существенно различные по размерам и назначению. Первая (большая по размеру) область предназначена для приема и интегрирования сигнала, вторая - область считывания накопленного в первой области сигнала.

При работе фоторезистора через концевые омические контакты пропускается постоянный ток питания, протекание которого через полупроводниковую пластину создает в ней постоянное вдоль пластины электрическое поле. На поверхность полупроводниковой пла тины в первой области падает узкая полоска света, под действием которог в -приповерхностной области полупрово ника образуется пакет фотогенерированных носителей, который начинает дрейфовать в электрическом поле в направлении области считывания со скоростью амбиполярного дрейфа. Синхронно с движением пакета носителей движется вдоль пластины полупроводника и полоска света. В результате такого синхронного движения происходит интегрирование сигнала. Максимальное время интегрирования определяется временем жизни неравновесных носителей в нейтральном объеме. При проходе пакета носителей в область считывания изменяется сопротивление последней. За счет протекания постоянного тока смещения через полупроводниковую пластину изменение сопротивления области считывания приводит к изменению напряжения на омических контактах, образующих эту область, что и является выходным сигналом. Благодаря интегрированию входного сигнала этот фоторезистор позволяет получить большую величину выходного сигнала, чем в простом фоторезисторе а также увеличить в несколько раз отношение сигнал/шум на выходе прибора. Недостатками данного фоторезистора являются принципиальная необходимость использования для обеспечения его работы высокоскоростных и достаточно сложных, а следовательно, мало надежных оптико-механических схем сканирования изображения вдоль фоторезистора, высокие требования к синх ронизации работы оптико-механической системы прибора и схем питания фоторезистора (синхронизация лучше 5%), невозможность изменять время интегрирования в данном приборе при изменении внешних условий приема изображения (например, при изменении уровня входного сигнала), так как оптико-механические системы инерционны, относительно малая интегральная воль товая чувствительность из-за малого времени интегрирования сигнала, боль шая потребляемая мощность (так,для прибора на Cd Hg Те рассеиваемая мощ ность составляет / 250 мВт). Цель изобретения - расширение . ункциональных возможностей, увелиение интегральной вольтовой чувствиельности, а также уменьшение потребяемой мощности. Указанная цель достигается тем, что координатно-чувствительный фоторезистор, содержащий фоточувствительную полупроводниковую пластину с омическими контактами, расположенными на ее торцах, и третьим омическим контактом, расположенным на боковой стороне полупроводниковой пластины на расстоянии не более- двух амбиполярных диффузионных длин от одного из торцовых омических контактов, снабжен размещенным на освещаемой стороне пластины слоем диэлектрика периодически изменяющейся толщины, причем период изменения толщины диэлектрика - не менее расстояния между ближайшими омическими контактами к пластине, на котором расположен прозрачный проводящий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты. Сигласно второму варианту координатно-чувствительный фоторезистор снабжен размещенным на ocBeniaeMoA стороне фоточувствительной полупроводниковой пластины слоем диэлектрика, на котором расположен прозрачный проводящий электрод, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, а в фоточувствительной полупроводниковой пластине выполнены расположенные с периодом не менее расстояния между ближайшими омическими контактами к полупроводниковой пластине стоп-области. . Согласно третьему варианту координатно-чувствительный фоторезистор снабжен размещенным на освещаемой стороне фоточувствительной полупроводниковой пластины последовательно расположенными первым слоем диэлектрика, непрозрачным проводящим электродом в виде сетки с шагом расположения ячеек сетки не менее расстояния между ближайшими омическими контактами к полупроводниковой пластине, к противоположным концам которого присоединены дополнительные омические контакты, вторым слоем диэлектрика и прозрачным проводящим электродом с омическими контактами на 1Ц)отивоположных концах. Все варианты позволяют создать координатно-чувствительный фоторезис тор принципиально одним и тем же путем, а именно путем создания фотоприемных МДП-ячеек интегрирования сигнала. Спой диэлектрика с периодически изменяющейся толщиной, так же как и стоп-области и сеточный электрод, позволяет сформировать указанные фотоприемные ячейки. В конструкции максимальное время интегрирования определяется временем релаксации МДП-структуры при нестаци нарном обеднении. Отношение этих вре мен у полупроводниковых материалов на собственном поглощении в спектральном диапазоне до 14 мкм составля ет 10-10. Например, для антимонида индия экспериментально получено отно шение указанных времен 10, а для HgCdTe на диапазон 3-5 мкм 10 , Ввиду того, что в МДП-структуре процесс интегрирования может быть на чат или окончен в любое время, данный прибор может выполнять функцию адаптации по величине принимаемого сигнала (при большом сигнале время интегрирования должно уменьшаться), селекции принимаемого сигнала по вре мени его появления, регулирования (скорости считывания информации и ее мультиплексирование (при считывании сигналов с группы приборов гшедлагае мого типа). Прибор может переключать ся из режима интегрирования в режим временной задержки с накоплением. Реализация всех этих возможностей связана с конструктивными особенностями прибора: наличием на поверхности фоторезистора МДП-структуры с периодически изменяющимися параметрами диэлектрического слоя и единым полупрозрачным проводящим электродом Вольтовая чувствительность фотоприемников с интегрированием пропорциональна времени интегрирования, поэто му вольтовая чувствительность повышается на 3-4 порядка. Кроме того, снижается средняя потребляемая мощность, так как предлагаемый фоторезистор потребляет мощ ность от источника питания только в процессе считывания сигнала. Следо вательно, можно использовать менее мощные охлаждающие устройства и создавать матричные приемники с большим числом элементов разрешения. Выбор конструкции координатно-чув стЕительного фоторезистора определя176 ется используемым полупроводниковым материалом подложки, диэлектриком. Например, диэлектрик с периодически изменяющейся толщиной можно применять для приборов, изготовленных на кремний п-типа, для кремния р-типа можно использовать диффузионные или ионноимплантированные р стоп-области. В случае антимонида индия п-типа нет технологии формирования п стоп-областей, поэтому можно использовать сеточный электрод для формирования МДП-ячеек интегрирования сигнала. Наиболее универсальной конструкцией, применимой для всех полупроводниковых пластин как п-, так и р-типа проводимости, является конструкция с сеточным электродом. Но последняя требует дополнительных двух внешних контактов по сравнению с двумя другими конструкциями. Характеристики трех конструкций фоторезистора - величина выходного сигнала, чувствительность, потребляемая мощность и отношение сигнал - равноценны. На фиг. 1 - 3 изображены варианты 1-Ш координатно-чувствительного фоторезистора соответственно. Координатно-чувствительный фоторезистор (фиг. 1) содержит фоточувствительную полупроводниковую пластину 1 , к противоположным концам которой присоединены омические контакты 2 и 3. Омический контакт 4 расположен на боковой стороне пластины 1 на расстоянии не более двух амбиполярных диффузионных длин от контакта 3. На освещаемую (лицевую) сторону пластины 1 нанесен диэлектрик 5 периодически изменяющейся толщины (период изменения толшлны диэлектрика не менее расстояния между контактами 3 и 4). На диэлектрике 5 расположен прозрачный проводящий электрод б, к которому присоединены дополнительные омические контакты 7 и 8. В случае варианта П диэлектрик 5 выполнен с постоянной толщиной, а в полупроводниковой пластине 1, например, п-типа проводимости сформированы п стоп-области 9, расположенные с периодом не менее расстояния между контактами 3 и 4. Для варианта Ш между пластиной 1 и диэлектриком 5 расположены дополнительный слой диэлектрика 10 и непрозрачный сеточный проводящий электрод , 11 с контактами 12 и 13, причем шаг ячеек сеточного электрода не менее расстояния между контактами 3 и 4, . Фоторезистор можно изготовить, например, на антимониде индия и-типа проводимости с концентрацией основных носителей заряда 2 - , време«ем жизни дырок 10 с, амбиполярной подвижностью 10 и диффузионной длиной для дырок . Все параметры относятся к температуре 77 К и типичны для материала, выпускаемого отечественной промьппленностью. Последовательность основных технологических операций изготовления фоторезистора (для варианта 1) следующая . Пластину полупроводника 1 наклеивают на диэлектрическую подложку-носитель (не показана) и с помощью механической и химической обработки до водят ее толщину до 15 мкм. На по-, верхность пластины 1 термическим испарением в вакууме нанося.т слой (1000 А) диэлектрика SiO. Затем наносят фоторезист слоем 2 мкм, экспо нируют через соответствую ций шаблон, проявляют, но не задубливают. В результате на поверхности пластины остаются островки фоторезиста 100 IlOO мкм в местах расположения будущих фоточувствительных ВДП-ячеек. Термическим испарением в вакууме на всю поверхность пластины наносят сло Sic толщиной /--5000 А.. Методом катодного распыления в Аг наносят прозрач ный проводящий электрод 6 из трехоки си индия толщиной 1 мкм. Далее пластину разделяют на отдельные приборы имеющие в сечении вид, показанный на фиг. 1, при этом размеры каждого при бора 0,0015-0,02-1 см. К прозрачному проводящему электроду 6 пайкой присо диняют омические контакты 7 и 8, а к пластине полупроводника 1 - омичес кие контакты 2 - 4. При этом расстоя кие между контактами 3 и 4 составляет 160 мкм и определяется диффузион ной длиной неосновных носителей заряда. Координатно-чувствительный фоторезистор работает следующим образом В исходном состоянии контакты 2 и 3, 7 и 8 (фиг. 1 и 2) попарно замкнуты. Сигнальный поток света через прозрачный проводящий электрод диэлектрик 5 падает на пластину 1 и поглощается. Для накопления входног сигнала к электроду 6 через контакт 7 или 8 прикладывают обедняющий импульс напряжения относительно полупроводника и замкнутых контактов 2 и 3. В результате в полупроводниковой пластине 1 вблизи границы раздела полупроводник - диэлектрик под областями с тонким слоем диэлектрика 5 (фиг. 1) или в промежутках между стоп-областями 9 (фиг. 2) образуются неравновесные потенциальные ямы для неосновных носителей заряда. Фотогенёрированные неосновные носители заряда накапливаются в этих потенциальных ямах в течение времени интегрирования входного сигнала. По окончании процесса интегрирования входного сигнала импульс напряжения снимают с электрода 6, а контакты 2 и 3, 7 и 8 размыкают и контакт 7соединяют с контактом 2, а контакт 8- с контактом 3. При этом накопленные в потенциальных ямах неосновные носители инжектируются в объем полупроводника, где за время максвелловской релаксации образуются электрически нейтральные неравновесные пакеты носителей. Одновременно с этим через контакты 2 и 3 пропускают постоянный ток, протекание которого через полупроводниковую пластину 1 создает в ней тянущее электрическое поле. Под действием этого поля пакеты носителей дрейфуют в направлении области считывания. При попадании пакета носителей в область считывания (область между контактами 4 и 3) изменяется сопротивление последней и пропорционально этому изменяется напряжение между контактами 4 и 3. Изменение напряжения представляет собой импульсный выходной сигнал. Координаты точек изображения определяются по формуле где X - координата точки изображения; А - постоянная прибора; t - время, прошедшее с момента окончания интегрирования сигнала до момента прихода пакета носителей в область считывания . После считывания сигнала от всех пакетов носителей фоторезистор отключают от источника питания и контакт 2 соединяют с контактом 3, а контакт. 7 - с контактом 8. Далее цикл работы прибора повторяется. Работа координатно-чувствительного фоторезистора по варианту Ш требует дополнительных манипуляций. В не91

ходном состоянии контакт 12 замкнут с контактом 13 (так же, как и контакты 2иЗи7и8). В режиме накопления входного сигнала на электрод 11 через контакт 12 или 13 подается обогащающий импульс напряжения относительно пластины 1 (в то время, как на электрод 6 подается обедняющий импульс). При этом потенциальные ямы образуются в пластине 1 на участках, не закрытых электродом 11.

При считывании сигнала напряжение с электрода 11 снимается, контакт 12 соединяют с контактом 2, а контакт 13 - с контактом 3 (соответственно снимается напряжение с электрода 6 и контакт 7 соединяют с контактом 2, а 8 - с 3). В остальном работа прибора происходит так же, как описано для вариантов 1 и И,

Попарное замыкание контактов 7 и 8, 2 и 3 (фиг. 1 и 2), а также 12 и 13 (фиг. 3) при интегрировании входного сигнала необходимо, чтобы уменьшить разброс начального поверхностного потенциала в МДП-ячейках. Разброс }1ачального поверхностного потенциала связан с различным расстоянием МЦП-ячеек от контактов 2 и 3.

/ фиг. Z

0460710

Координатно-чувствительный фоторезистор позволяет определять координаты нескольких точек изображения, одновременно экспонируемых на его поJ верхность (например, как показывают оценки в случае использования в качестве полупроводниковой пластины антимонида индия п-типа проводимости, можно одновременно Экспонировать до }Q 30 точек изображения), характеризуется отсутствием дрейфа нуля координатной характеристики, так как координата точки изображения определяется по координате жестко фиксированной в пространстве фоточувствительной ячейки, принимающей сигнал от данной точки изображения, обладает более высокой вольтовой чувствительностью и малой потребляемой мощностью.

На основе вариантов конструкции предлагаемого координатно-чувствительного фоторезистора могут быть изготовлены монолитные матричные фотоприемники. Применение фоторезистора

5 в формирователях сигнала изображения вместо линеек и матриц фоторезисторов и диодов позволит существенно упростить конструкцию фотоприемника, а также оптическую и электрическую схемы управления его работой.