Полупроводниковый фотоприемник Советский патент 1993 года по МПК H01L31/101 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам с поверхностным барьером и может быть использовано в качестве детектора ультрафиолетового излучения (УФ).

Целью изобретения является повышение квантовой эффективности в УФ области спектра..

Красная граница фоточувствительности определяется шириной запрещенной зоны (Eg) и толщиной i-слоя, при составе i-слоя (Sii xCx:H) с содержанием углерода в пределах 0,2 х 0,5 и его толщине 700 d 3000 о

А красная граница сдвигается в УФ область. При этом фотоприемник оказывается слепым к видимому свету. Увеличение квантовой эффективности достигается за счет существенного уменьшения длины свободного пробега горячих носителей заряда в а - SH-xCx:H по сравнению с а - Si:H. Вследствие сильного структурного разупорядочения в а - Sii-xCx:H длины пробега горячих фотоносителей порядка постоянной решетки. Это приводит к тому, что после поглощения кванта УФ излучения и рождения горячих фотоносителей, их термализация происходит практически в той же самой точке рождения и они не могут достичь поверхности полупроводникаа и выйти в металл. Малые длины свободного пробега фотоносителей означают, конечно, и малые диффузионные и дрейфовые длины. Для того, чтобы квантовая эффективность была бы высокой, необходимо, чтобы фото носители за время их жизни успели бы разделится. Выо

бор толщины I-слоя в пределах 700-3000 А обеспечивает полное разделение носителей заряда в поле объемного заряда.

Докажем существенность признаков. .. Необходимость выполнения i-слоя из гидро- генизированно.го сплава Si с углеродом обусловлено тем, что они имеют более ши(Л

С

00

о

о

4 ГО СП

со

рокую запрещенную зону, чем а - Si:H ив тоже время величина кратности фотопроводимости такая же как в а - Si:H. Нижний предел концентрации углерода 0,2 обуслово

лен тем, что при толщине 700 А фоточувствительность детектора определяется только УФ областью спектра и наибольшей квантовой эффективностью сбора носителей. Верхний предел 0,5 обусловлен тем, что при больших концентрациях пленки обладают большей дефектностью, а поэтому это уменьшает квантовую эффективность,

Л°

(|ри толщине i-слоя менее 700 А наблюдается уменьшение квантовой эффективности вследствие малой доли поглощаемых фотонов, т.е. i-слой становится прозрачным.

-.. ° При толщине i-слоя более 3000 А также наблюдается -уменьшение квантовой эффективности, но из-за большой длинны протяжки носителей заряда, которые имеют малые диффузионные и дрейфовые длины. Таким образом, каждый признак необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели. .

Известно, что коэффициент поглощения света в аморфных полупроводниках из-за снятия ограничений, накладываемых законом сохранения квазиимпульса, на порядок выше, чем в кристаллических. Это приводит к тому, что при прочих равных условиях фотоносители в аморфном полупроводнике рождаются значительно ближе к поверхности раздела металл-полупроводник и должны уходить в металл. Это обстоятельство и является причиной падения квантовой эффективности в фотоприемниках из кристаллических полупроводников и а - $i:H в УФ-области.

Благодаря предложенной совокупности признаков мы впервые выявили свойство, состоящее в том, что этот неблагоприятный фактор полностью и с избытком компенсируется крайне малыми длинами свободного пробега фотоносителей в сплавах а - Sit-xCx:H из-за чего, рождаясь даже очень близко к поверхности раздела, они не могут ее достичь и выйти в металл, а также реком- бинировать на поверхности. Для компенсации существенного уменьшения диффузионно-дрейфовых длин фотоносителей толщина i-слоя уменьшается до значений, обеспечивающих полное разделение (и собирание) носителей заряда. Одновременное-уменьшение толщины i-слоя вместе с выбором его состава (0,2 х 0.5) обеспечивает фоточувствительность только в УФ области спектра. Выявленное-новое свойство

неочевидно и, в свою очередь, приводит к новому положительному эффекту - увеличению квантовой эффективности приемника УФ излучения.

На фиг.1 приведена схема приемника; на фиг.2 - спектры фоточувствительности - кривая I и для прототипа- кривая II.

Устройство состоит из металлической подложки 1,на которую нанесен слой легированного гидрированного аморфного сплава п-типа 2 и гидрированного аморфного сплава i-типа З, Полупрозрачный электрод из палладия или платины 4 создает барьерный контакт..

Полупроводниковый приемник УФ излучения работает следующим образом. При освещении УФ излучением приемника со стороны полупрозрачного барьерного контакта в полупроводниковом слое на глубине

.поглощения излучения рождаются горячие фотоносители: электроны и дырки. Глубина поглощения меньше ширины области объемного заряда барьера металл-аморфный полупроводник. Так что носители оказываются в электрическом поле барьера. Вследствие малых длин свободного пообега фотоносители быстро (за время 10 с) тер- мализуются в области объемного заряда, не меняя существенно своих координат (по

сравнению с размерами области объемного заряда), затем происходит более медленный процесс их разделения полем барьера. Высокая квантовая эффективность приемника обеспечивается отсутствием вылета горячих носителей надбарьерно в металл, отсутствием поверхностной рекомбинации и полным разделением фотоносителей в поле барьера.

П р и м е р. Полупроводниковый приемник, состоящий из металлической пластины (сталь), на которую нанесены п- и i-слои, выполненные из сплава а .7Со.з:Н. Барьерный контакт создан нанесением палладия на i-слой, а омический - путем легирования

полупроводникового слоя фосфором. Толщина палладиевого контакта составляла

о: : :.. 150 А, толщина нелегированного i-слоя 1000

° . ...... ° . ...- .

А, толщина п-слоя 170 А. На фиг.2 приведены результаты измерения квантовой эффективности изготовленного приемника УФ излучения в сравнении с прототипом. Как видно из фиг.2, по сравнению с прототипом,

эффективность увеличилась в области УФ.

Таким образом, показано, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить квантовую эффективность полупроводникового приёмника в УФ-области по сравнению с прототипом в 1,5-2,0 раза.

Ф о р м ула изобретения

Полупроводниковый фотоприемник на основе аморфного гидрогенизированного полупроводникового материала, включающий п- и i-слои с расположенными на них

барьерным и омическим контактами, отличающийся тем, что, с целью повышения квантовой эффективности в УФ-области спектра; i-слой выполнен из аморфного гидрогенизированного сплава Sh-xCx. H с содержанием углерода 0,2 X 0.5, причем

о

толщина i-слоя выбрана 700-3000 А,

Использование: изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности, к поверхностно-барьерным приемникам ультрафиолетового излучения. Сущность изобретения: i-слой поверхностно-барьерного прибора выполнен из аморфного гид- роге незиро ванного полупроводникового сплава а - 5п-хСх:Н при 0,2 х 0,5 толщио ной 700-3000 А. 2 ил.

Фиг. I

$иг. 2