ДВУХЦВЕТНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК С ЭЛЕКТРОННЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ДИАПАЗОНОВ Советский патент 1996 года по МПК H01L31/248 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к фотоэлектронике.

Целью настоящего изобретения является устранение самоограничения сигнала, упрощение создания фотоприемника и повышение обнаружительной способности в далекой(> 8 мкм) инфракрасной области за счет подавления межзонных туннельных токов.

Цель достигается тем, что на варизонной полупроводниковой пластине или эпитаксиальной пленке создаются либо приборы с зарядовой связью или инжекции, в которых электроды регистрации изображения имеют пропускание ≈ 50-80% а электроды накопления и передачи заряда не прозрачны, или защищены от попадания света непрозрачным экраном, либо фотодиод на основе р-n-переходов или барьеров Шоттки, которые для регистрации изображения объединены в линейки или матрицы известным образом.

При этом ширина запрещенной зоны варизонного полупроводника удовлетворяет условиям
Е_g(Z) E_g1 при Z ≅ Z₀ (1)
E_g(Z) ≅ E_g1 при (2)
Z₀≅ Z ≅ Z₀+w1- (3)
E_g(Z) ≅ E_g2+E1- Eg₁ при (4)
Z₀+w1- Z ≅ Z₀+w₁ (5)
E_g(Z) E_g2 (6) при Z ≥Z₀ + w₁ (7)
E_g(Z) ≥ E1- при (8)
Z₀≅ Z ≅ Z₀+w1- (9)
E_g(Z) ≥ E_g2 (10) при Z ≥ Z₀ + w₂ x (1 )(11) градиент ширины запрещенной зоны (▿E_g) в переходной области Z₀ ≅ Z ≅Z₀ + w₁ условно
1- ≅ ▿E_g(Z) ≅ 0 (12) а амплитуда изменения ширины запрещенной зоны
≥ 1- (13) где w₁=
w₂=
ε_о диэлектрическая постоянная вакуума;
ε₁, ε₂ диэлектрические постоянные полупроводники с шириной запрещенной зоны соответственно E_g1 и E_g2;
E_g1, E_g2 величины запрещенных зон, обеспечивающие работу прибора в коротковолновом и длинноволновом диапазонах соответственно;
q заряд электрона;
N концентрация ионизированных уровней легирующей примеси;
N const по глубине полупроводника;
Z координата, отсчитываемая вглубь полупроводника от освещаемой планарной поверхности;
Z_o толщина слоя полупроводника с шириной запрещенной зоны E_g1, в котором поглощается 50-80% излучения коротковолнового диапазона;
E_g ширина запрещенной зоны.

Анализ прототипа и заявляемого технического решения показал соответствие его критерию новизны. Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Для оптимальной работы фотоприемника необходима температура, при которой концентрация основных носителей практически равна концентрации ионизированных уровней легирующей примеси (N). Поэтому, при N const для описания фотоэлектрических процессов в варизонном полупроводнике достаточно учитывать лишь изменения ширины запрещенной зоны, что значительно упрощает получение необходимых для создания фотоприемника зависимостей состава (Х) полупроводника от Z. Для этого достаточно воспользоваться справочными данными о зависимости E_g от Х.

При создании фотодиода на поверхности варизонной полупроводниковой пластины для работы двухцветного фотоприемника необходимо, чтобы после диода Шоттки или р-n-перехода не устраняло в варизонной области барьера для неосновных носителей. Для этого необходимо выполнение условия
Z₀-Z₁> • 1- (14) где V_D потенциальный барьер диода Шоттки или внутренний потенциальный барьер р-n-перехода, Z глубина залегания р-n-перехода, Z₁ глубина залегания р-n-перехода;
Z₁ 0 для барьера Шоттки. Однако данное условие не критично, так как получение многокомпонентных полупроводников с малыми значениями N, в настоящее время, является не решенной технологической задачей. Поэтому толщина широкозонной части пластины определяется обеспечением 50-80% поглощения в ней излучения коротковолнового диапазона.

Условия (1)-(13) обеспечивают существование порогового напряжения (V_n), при котором величина барьера в варизонной области не превосходит ≈ КТ (К постоянная Больцмана, Т температура фотоприемника). Поэтому, при V <V_к фотоприемник работает в коротковолновом диапазоне (h_w≥ E_g1), а при V >V_x в длинноволновом диапазоне (h_w ≥ E_g2). Причем в длинноволновом диапазоне фотоприемник работает при напряжениях V ≅V_к|где V_к напряжение, при котором энергия края разрешенной зоны неосновных носителей при Z_о равна энергии края разрешенной зоны основных носителей в объеме полупроводниковой пластины. Отсюда фотоприемник работает в условиях, когда туннелирование возможно лишь в широкозонной части. Поэтому становится возможным создание ПЗС (ПЗИ) фотоприемника на дальний ИК диапазон и обнаружительная способность предлагаемого фотоприемника выполненного как на основе ПЗС, так и фотодиодов, будет иметь большее значение в дальнем ИК диапазоне, чем фотодиоды, изготовленные на однородном (E_g const) полупроводнике, а тем более на варизонном полупроводнике с уменьшающейся поверхности шириной запрещенной зоны в случае прототипа. Возможность изготовления фотоприемников на варизонном полупроводнике с произвольной зависимостью E_g(Z) расположенных в ограниченном условиями (1)-(13) интервале применений E_g и ▿E_g упрощает изготовление предлагаемых фотоприемников особенно при использовании полупроводников, увеличивающих допустимый диапазон изменений E_g и ▿E_g за счет (1) более плавной зависимости E_gот состава Х (2) большой величины диэлектрической постоянной, а также полупроводников, имеющих более простую технологию создания варизонных областей.

Устранение самоограничения сигнала в предлагаемом фотоприемнике, когда на варизонной полупроводниковой пластине созданы фотодиоды, происходит при работе его в режиме короткого замыкания. В случае, когда на варизонной полупроводниковой пластине созданы приборы с зарядовой связью или инжекции, это происходит за счет перетекания заряда в момент его накопления из-под регистрирующих электродов в потенциальные неравновесные ямы под ближние непрозрачные (или защищенные от света) электроды накопления и передачи заряда. Регистрирующие изображения электроды могут располагаться как в самой линейке электродов ПЗС, так и примыкать к ней сбоку. В первом случае оптимален трехтактный вариант ПЗС, тогда как во втором отсутствуют какие-либо ограничения на конструкцию ПЗС и организацию в ней передачи заряда.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема основной части предлагаемого фотоприемника на основе р-n-фотодиодов а и барьеров Шоттки б. Двухцветный фотоприемник состоит из фоточувствительной полупроводниковой пластины 1 из варизонного материала, пассивирующего диэлектрика 2, омических контактов 3 К р-n-переходу 5 или к полупрозрачному слою 6, формирующему барьеру Шоттки, а также омического контакта 4 к тыльной части полупроводниковой пластины и антиотражающего покрытия 7. На фиг.1 (а, б) приведено исполнение фотоприемника в планарном виде. Однако данный фотоприемник без изменения основных свойств может быть выполнен в мезоварианте, а также и на варизонной эпитаксиальной пленке нанесенной как на проводящую, так и не проводящую подложку. В последнем случае омический контакт 4 создается к узкозонной части эпитаксиальной пленки, для чего в ней вытравливается окно необходимой глубины.

На фиг. 2 (а, б, в) приведена принципиальная схема предлагаемого фотоприемника на основе прибора зарядовой связи. Фиг.2 (а, б) соответствует случаю расположения регистрирующих электродов в самом ПЗС, поэтому показан разрез фотоприемника вдоль линейки электродов. На фиг.2 а приведена ситуация, когда электроды 3 накопления и передачи заряда не прозрачны, а на фиг.2 б они защищены от попадания света непрозрачным экраном 6, имеющим окна над регистрирующими электродами 5. Экран 6 лежит на дополнительном слое диэлектрика 7, который обеспечивает электрическую развязку экрана 6 с электродами 5 и 3. Остальные детали фотоприемника также как на фиг.1 они обозначены теми же цифрами. На фиг.2 опущены не имеющие принципиального значения антиотражающие покрытия электродов регистрации 5. Hа фиг.2 (в) приведена ситуация, когда электроды регистрации изображения 5 располагаются сбоку от ПЗС, поэтому изображен разрез поперек линейки электродов ПЗС. При этом изображен лишь случай с дополнительным непрозрачным экраном 6. Случай с непрозрачными электродами 3 отличается лишь отсутствием экрана 6 и дополнительного диэлектрика 7. Количество электродов 5 вдоль линейки ПЗС определяется способностью ПЗС считать за один цикл все заряды фотогенерированные под ними. На фиг.3 сплошными кривыми приведены спектральные характеристики S фотоприемника при напряженияхV| <V_п(1) иV| ≥V_п| (2), а пунктиром спектральная характеристика разностного сигнала.

Работа фотоприемника на основе фотодиодов происходит следующим образом. На полупроводниковую пластину 1 со стороны электродов 3 направляют световой сигнальный поток, на электроды подают напряжение V, от величины которого зависит спектральная область фоточувствительности фотоприемника. При малых значениях V(V| <V_п|) возникает фототок за счет генерации носителей в широкозонной части полупроводниковой пластины, а при больших значениях V(V| >V_п| ) возникает фототок при генерации носителей в любой части полупроводниковой пластины. Для выделения сигнала в области E_g2 ≅hω≅ E_g сигналы регистрируют последовательно, например, при напряженияхV₁| ≥V_п| иV₂| ≅V_п| и далее вычитают последующий из предыдущего. Работа фотоприемника на основе ПЗС или ПЗИ отличается только тем, что одновременно с подачей напряжения V на регистрирующие электроды 5 подается напряжение V_к ≥ V_з > V на ближайшие к ним электроды 3. После накопления заряда напряжения с электрода 5 отключается и собранный под электродами 3 заряд сдвигается вдоль ПЗС обычным образом.

Приведем конкретные примеры технического решения прибора в наиболее важных спектральных ИК диапазонах: 2,1-2,4 мкм; 3-5 мкм и 8-14 мкм являющихся окнами прозрачности атмосферы. В качестве материала полупроводниковой пластины взяты перспективные твердые растворы для среднего и дальнего ИК диапазонов: Cd_xHg_1-xTe, MnHg_1-xTe, Pb_1-xSn_xTe; Zn₂Hg_1-xTe. Рабочая температура 77 К. Концентрация ионизированных примесей N во всех примерах равна 10¹⁶ см^-3 и 10¹⁵ см^-3, что позволяет исключить вырождение полупроводника и считать концентрацию основных носителей равной N. При этом данный диапазон изменений N в настоящее время наиболее просто достигается в практике. Тип полупроводника не имеет значения. Для увеличения быстродействия предпочтителен полупроводник р-типа, а для увеличения разрешения n-типа. Глубина приповерхностной области Z₀ варизонной полупроводниковой пластины, где ширина запрещенной зоны E_g1 взята равной 1 мкм. Это обеспечивает ≈ 70% поглощение в ней излучения коротковолнового диапазона.

П р и м е р 1. Расчет допустимых диапазонов E_g и состав х проведен для всех полупроводников.

Величина E_g1 взята равной 0,2 эВ, а E_g2= 0,1 эВ, так чтобы переключение диапазонов в приборе соответствовало окнам прозрачности атмосферы 3-5 мкм и 8-14 мкм, а величина E_g1 0,2 эВ входила в область возможных изменений ширины запрещенной зоны всех выбранных полупроводников. На фиг.4 приведен расчет предельных зависимостей E_g от глубины X в переходной области; на фиг.5 расчет предельных зависимостей х от Z для Cd_zHg_1-xTe, Zn_xHg_1-xTe и Mn_xH_g1-xTe. На фиг.6 и фиг.7 приведен соответственно расчет предельных зависимостей E_g и х от глубины Z для Pb_1-xSn_xTe. Сплошные линии соответствуют концентрации примеси N 10¹⁶ см^-3, пунктирные N 10¹⁵ см^-3. В использованном масштабе, из-за малого отличия диэлектрических постоянных, зависимости E_g(Z) на фиг.4 с одинаковыми значениями N совпадают для всех полупроводников.

П р и м е р 2. Расчет допустимых диапазонов E_g и состава х проведен для Cd_xHg_1-xTe c E_g1 0,5 эВ и E_g2 0,1 эВ. На фиг.8 и фиг.9 приведены соответственно предельные зависимости E_g и х от глубины. Сплошные линии соответствуют N 10¹⁶ см^-3, пунктирные N 10¹⁵ см^-3.

Допустимые изменения E_g(Z) и х(Z), которые обеспечивают заявляемые свойства фотоприемника лежат между рассчитанными предельными значениями E_g(Z) и х(Z). Для этих расчетов были использованы литературные данные о зависимости диэлектрической постоянной и ширины запрещенной зоны от химического состава полупроводника. Диэлектрические постоянные ε₁ и ε₂для Cd_xHg_1-xTe рассчитывались по соотношению
ε 20,5 15,5 х + 5,7 х² (14) где состав (х) определяется с помощью выражения
E_g(x) -0,249 + 1,76х
-0,267 х² + 0,35 х⁴ (15) при E_g равном соответственно E_g1 и E_g2. Полученные значения ε₁ и ε₂равны соответственно 14,7 и 17,6 для примера с E_g10,5 эВ и E_g2 0,1 эВ, а для примера с E_g10,2 эВ и E_g2 0,1 эВ 16,8 и 17.6. Для полупроводников Pb_1-xSn_xTe; Zn_xHg_1-xTe и Mn_xHg_1-xTe нет надежных литературных данных о зависимости диэлектрической постоянной от состава и температуры. Поэтому учитывая, что как и в случае Cd_xHg_1-xTe с E_g2 0,2 эВ, малые изменения в диэлектрической постоянной, практически не влияют на область допустимых изменений E_g и их расчет для Pb_1-xSn_xTe выполнен с ε428, для Zn_xHg_1-xTe c E 16,8; для Mn_xHg_1-xTe с ε 16.

Расчет допустимых изменений E_g(Z) в переходной области проводился по выражениям (1)-(13). Затем на основании их зависимостей ширины запрещенной зоны от состава определялись допустимые изменения х(Z). Зависимость E_g от состава для Cd_xHg_1-xTe бралась согласно выражению (15); для Pb_1-xSn_xTe
E_g(x) 0,216 0,535 x (16)
для Zn_xHg_1-xTe
E_g(x) -0,27 + 1,3 х + 1,27 х² (17)
для Mn_xHg_1-xTe
E_g(x) -0,26 + 2,93 x (18)
Расчеты показывают, что область допустимых изменений х по глубине Z больше в полупроводниках с меньшим N и большим ε, а по амплитуде в полупроводниках, имеющих более плавную зависимость E_g от Х, тогда как увеличение амплитуды изменения E_g ее сужает. С увеличением E_g1 E_g2вписать в допустимый интервал E_g линейную зависимость E_g от Z становится невозможно, а следовательно, она не может быть использована для подавления межзонного туннельного тока.

Таким образом, для упрощения изготовления фотоприемников с заявляемыми свойствами необходимо использовать полупроводники, имеющие более плавную зависимость E_g от х большую диэлектрическую постоянную: более надежную и простую технологию управления шириной запрещенной зоны. Поэтому из выбранных полупроводников более Cd_xHg_1-xTe; Zn_xHg_1-xTe; Pb_1-xSn_хTe.

Использование: в полупроводниковой технике. Сущность изобретения: ширина запрещенной зоны фоточувствительного материала в направлении от освещаемой поверхности Z начинает изменяться на расстоянии, соответствующем глубине поглощения 50 - 80% Z₀ излучения от ширины запрещенной зоны, соответствующей коротковолновому диапазону E_g1 работы фотоприемника, до ширины запрещенной зоны, соответствующей длинноволновому диапазону E_g2, причем градиент ширины запрещенной зоны удовлетворяет условию -2E_g1/W₂•(Z-Z_o)/W₂≅ ▿E_g(Z)≅ 0 при Z_o≅ Z Z_o+ w₁, и амплитуда изменения ширины запрещенной зоны удовлетворяет условию , где ε₁, ε₂ и w₁ w₂ - диэлектрические постоянные и ширина барьеров в полупроводниках с Е_g1 и Е_g2 соответственно. Электроды регистрации изображения выполнены из материала с пропусканием 50 - 80% излучения, а электроды накопления и переноса экранируют фоточувствительный материал от излучения. Электроды накопления и переноса могут быть защищены от излучения непрозрачным экраном. На варизонной пластине могут быть выполнены фотодиоды на основе барьера Шоттки или p n - перехода при условии, что ширина области объемного заряда превышает величины Z_:. Фоточувствительная пластина может быть выполнена в виде эпитаксиальной структуры. 4 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. ДВУХЦВЕТНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК С ЭЛЕКТРОННЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ДИАПАЗОНОВ, содержащий фоточувствительную полупроводниковую пластину из варизонного материала с нанесенным на нее слоем диэлектрика и электроды, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса изготовления фотоприемника и повышения процента выхода годных при одновременном повышении обнаружительной способности в далекой инфракрасной области за счет подавления межзонных туннельных токов, изменение запрещенной зоны фоточувствительного варизонного полупроводникового материала E_g(Z), в направлении от освещаемой поверхности удовлетворяет условиям
E_g(Z) = E_g 1 при Z ≅ Z_o


E_g(Z) ≥ E_g 2 + E_g 1 (1(Z - Z_o)/W₁)²

E_g(Z) = E_g 2 при Z ≥ Z_o + W₁,


E_g(Z)≥ E_g2 при Z ≥ Z₀+W₂×

градиент ширины запрещенной зоны (▿ E_g) удовлетворяет условию

а амплитуда изменения ширины запрещенной зоны удовлетворяет условию

где

ε_o - диэлектрическая проницаемость вакуума;
E_g 1, E_g 2 - величины ширины запрещенных зон, соответствующих коротковолновому и длинноволновому диапазонам работы фотоприемника, соответственно;
ε₁, ε₂ - диэлектрические постоянные полупроводниковых материалов с шириной запрещенной зоны E_g 1 и E_g 2, соответственно;
W₁, W₂ - ширина барьеров полупроводниковых материалов с E_g 1 и E_g 2, соответственно;
q - заряд электрона;
N - концентрация ионизированных уровней легирующей примеси;
Z₀ - толщина слоя с шириной запрещенной зоны E_g 1. 2. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что, с целью устранения самоограничения сигнала, электроды регистрации изображения выполнены из материала с пропусканием 50 - 80%, а электроды накопления и переноса экранируют от попадания излучения фоточувствительный полупроводниковый материал. 3. Фотоприемник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что над электродами накопления и переноса размещен непрозрачный для излучения экран. 4. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что, с целью устранения самоограничения сигнала, на варизонной полупропроводниковой пластине размещены фотодиоды, выполненные на основе p-n-перехода или барьера Шоттки, причем ширина области объемного заряда (Z₁) удовлетворяет условию


где V_D - высота потенциального барьера. 5. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковая пластина выполнена в виде эпитаксиальной структуры.