МАТРИЧНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК Советский патент 1995 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к области микрофотоэлектроники, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам, и может быть использовано для регистрации изображения.

Целью изобретения является повышение фоточувствительности и быстродействия и обеспечение неразрушающего считывания.

На фиг. 1 показана структура матричного фотоприемника (МФП); на фиг. 2 вольт-амперные характеристики (ВАХ) линейки МФП с десятью фоточувствительными элементами при различных условиях считывания.

МФП состоит из выполненных из полупроводника фоточувствительных элементов (ФЧЭ) 1, расположенных на полуизолирующей полупроводниковой подложке 2 между сигнальными шинами 3. На обратной стороне подложки 2 под ФЧЭ перпендикулярно сигнальным шинам 3 выполнены потенциальные шины 4.

П р и м е р. МФП выполнен на подложке 1 из арсенида галлия, легированной хромом до концентрации 2˙10¹⁶ см^-3 (концентрация незаполненных электронами глубоких центров 10¹⁶ см^-3). Толщина фоточувствительного элемента 0,09 мкм, концентрации мягкой донорной примеси в нем 10¹⁷ см^-3, а их произведение 9˙10¹¹ см^-2. Технология изготовления включает формирование с помощью фотолитографий сигнальных шин (вытравливание "канавок"), а затем и фоточувствительных элементов с размерами 30 мкм х 10 мкм. Сигнальные шины выполнены вжиганием сплава золото-германий. На нижней поверхности подложки с помощью фотолитографии по напыленному алюминию формируют потенциальные шины. (Потенциальные шины могут быть сформированы и с помощью ионной имплантации). После этого к сигнальным и потенциальным шинам подводятся выводы.

Работа МФП основана на том, что ФЧЭ управляемо переключается в высокоомное состояние при пропускании через него тока выше порогового значения. Получаемые высокоомные состояния обладают высокой чувствительностью к оптическому излучению.

При приложении сильного электрического поля через ФЧЭ-1 протекает ток выше порогового (4,8 мА) и идет высокополевая инжекция электронов в подложку 2, где электроны захватываются и удерживаются глубокими центрами, тем самым подложка 2 заряжается отрицательно. Слой обеднения после снятия напряжения с сигнальных шин 3 распространяется в ФЧЭ и перекрывает его. Этот слой обеднения представляет собой потенциальный барьер, препятствующий протеканию тока в ФЧЭ. С ростом напряжения, приложенного к сигнальным шинам, происходит понижение этого потенциального барьера, что увеличивает надбарьерную термоэлектронную инжекцию, а это ведет к экспоненциальному росту тока, а затем к линейному. После освещения ФЧЭ 1, он тем не менее остается в высокоомном состоянии, как при условии, что к сигнальным шинам 3 приложено напряжение, меньшее или равное 1В. Поэтому можно параллельно подсоединить много ФЧЭ и освещать их. При этом линейка ФЧЭ между шинами 3 остается "непроводящей". Для считывания на потенциальную шину 4 подают положительное напряжение, ВАХ ФЧЭ, лежащего над потенциальной шиной 4, изменяется. ФЧЭ становится "менее высокоомным" и с него можно в это время считывать информацию, в то время как остальные ФЧЭ остаются в непроводящем состоянии и не влияют на результаты считывания.

Матричный фотоприемник работает следующим образом.

Сначала поочередно между сигнальными шинами 3 прикладывается импульс напряжения длительностью 1 мкс и амплитудой ≈80 В. Все ФЧЭ 1 в результате этого переводятся в высокоомное состояние, чувствительное к свету. ВАХ линейки между двумя сигнальными шинами 3 с десятью ФЧЭ, находящимися в высокоомном состоянии, показана кривой 5 (фиг.2).

Затем к линейке прикладывают напряжение 1 В и измеряют ток. Подавая поочередно на каждую потенциальную шину 4 положительное смещение относительно сигнальных шин 3, можно опрашивать каждый ФЧЭ линейки. ВАХ линейки, когда опрашивается не освещенный элемент, обозначен позицией 6, а ВАХ линейки, когда опрашиваются элементы, освещенные различными потоками излучения в течение 0,5 с, обозначены позициями 7, 8 и 9. Поток излучения меняется от 1˙10^-8 до 1,2˙ 10^-8 Вт/см². Приложение к сигнальным шинам 3 импульса сильного электрического поля больше 3 кВ/см вновь переводят ФЧЭ в высокоомное состояние.

Скорость считывания ФЧЭ высока: "открывание" канала происходит даже при подаче импульсов на потенциальные шины длительностью 10^-7 с, т.е. за несколько микросекунд может быть опрошен МФП формата 10х10 ФЧЭ. Освещение матрицы в течение 0,5 с излучением с плотностью потока 10^-8 Вт/см² или 6 ˙10¹⁰ фотон/см² ˙с приводит к смещению порога открывания канала ФЧЭ приблизительно на 10 В, а при плотности потока 2˙10^-9 Вт/см² приблизительно на 3 В. Реально не представляет сложностей зарегистрировать изменения в пороге смещения в ≈0,001 В, при регистрации порога по напряжению открывания с точностью 1 мВ, чувствительность ФЧЭ матрицы составит ≈ 10^-12 Вт/см².

МФП имеет простую технологию, отсутствуют перекрестные помехи при опросе, плотность расположения ФЧЭ высока. Кроме того, обеспечивается неразрушающее считывание, что позволяет запомнить и складывать оптическую информацию. МФП обладает высокой чувствительностью.

Изобретение относится к области микрофотоэлектроники, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам. Целью изобретения является повышение фоточувствительности и быстродействия и обеспечение неразрущающего считывания. Матричный фотоприемник (МФП) состоит из фоточувствительных элементов (ФЧЭ), расположенных между сигнальными шинами. ФЧЭ выполнены из полупроводника, расположенного на полуизолирующей полупроводниковой подложке. Сигнальные шины параллельны одна другой. На обратной стороне подложки под ФЧЭ параллельно сигнальным шинам выполнены потенциальные шины. Концентрация не заполненных электронами глубоких акцепторных центров в подложке лежит в интервале 5·10¹⁵-10¹⁶см^-3. Произведение концентрации мелкой допорной примеси в полупроводнике ФЧЭ на его толщину не более 10¹²см^-2. Работа МФП основана на переключении ФЧЭ в высокоомное состояние при пропускании тока выше порогового. Высокоомное состояние обладает высокой чувствительностью к излучению. При освещении порог открывания ФЧЭ смещается. Считывание ФЧЭ осуществляется последовательным приложением к потенциальным шинам положительного напряжения. Чувствительность МФП может достигать 10¹²Вт/см² на элемент. МФП формата 10 х ФЧЭ может быть опрошен за несколько микросекунд. В МФП обеспечивается неразрушающее считывание, что позволяет запоминать и складывать оптическую информацию. 2 ил.

МАТРИЧНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК, содержащий фоточувствительные элементы, включающие полупроводник с потенциальными шинами, компенсированный глубокой акцепторной примесью, сформированный на полуизолирующей подложке и расположенный между сигнальными шинами, отличающийся тем, что, с целью повышения фоточувствительности, быстродействия и обеспечения неразрушающего считывания, сигнальные шины расположены параллельно одна другой, потенциальные шины расположены на обратной стороне подложки под фоточувствительными элементами перпендикулярно сигнальным шинам, при этом концентрация не заполненных электронами глубоких примесных центров лежит в интервале от 5 · 10 ¹⁵ до 10¹⁶ см ^-3, а произведение концентрации мелкой донорной примеси в полупроводнике фоточувствительного элемента на его толщину не более 10¹² см^-2.