ПРИЕМНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК H01L31/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации и измерения потока энергии излучения в широком диапазоне длин волн (от 0,3 до 2000 мкм).

Цель изобретения повышение чувствительности приемника, не ухудшая его быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что в приемнике излучения, в котором тонкопленочный чувствительный элемент из платины, нанесенный на слой диэлектрика толщиной l, расположенный на поверхности массивной теплопроводящей подложки, а параметры устройства выбраны из условия:
3 > 1, 1, выполняется в виде многослойной структуры, в которой первый слой представляет собой планарный p-n-переход из широкозонного полупроводника, легированного примесями, содержащими глубокие уровни, второй слой есть тонкая пленка диэлектрика, на которую нанесено многослойное покрытие из чередующихся слоев металла и диэлектрика, причем первым слоем покрытия является металлическая пленка, а последним диэлектрик, при этом толщина металлической пленки d₁ и пленки диэлектрика d₂ удовлетворяют условию
1≅ ≅ 2, 1≅ ≅ 2 а само покрытие состоит не менее, чем из двух слоев с общей толщиной удовлетворяющей условию:
< Здесь d₃, d₄ соответственно толщины изолирующего слоя и p-n-перехода, N число слоев в поглощающем покрытии, κ средняя температуропроводность покрытия, изолирующего слоя и p-n-перехода d_o30 . На область p-n-перехода вблизи контакта вместо поглощающего покрытия, а также на самом контакте нанесен защитный слой диэлектрика.

Известен тепловой быстродействующий приемник, обладающий, однако, малой чувствительностью. Чувствительность может быть повышена за счет применения в качестве чувствительного элемента многослойной структуры, удовлетворяющей дополнительным условиям. Применение планарного обратно-смещенного p-n-перехода, легированного примесями с глубокими уровнями, позволяет увеличить температурный коэффициент сопротивления, который имеет величину равную α , где E ширина запрещенной зоны полупроводника, K_Б постоянная Больцмана; T температура приемника. Легирование примесями с глубокими уровнями дает возможность сохранить его быстродействие, так как скорость электронных процессов в таких полупроводниках повышается. Экспериментально показано (фиг. 1), что коэффициент поглощения К тонкопленочного поглощающего покрытия, нанесенного на промежуточный слой тонкого диэлектрика имеет монотонную зависимость от длины волны в широком спектральном диапазоне, если его параметры удовлетворяют условию 1≅d₁/d₀≅2, 1≅d₂/d₀≅2 при числе поглощающих слоев не менее двух при этом сопротивление покрытия составляет величину не менее 10¹⁰ ом/□ а величина К имеет большее значение по сравнению с аналогичной величиной, указанной в прототипе. Применение промежуточного слоя диэлектрика между p-n-переходом и поглощающим покрытием, а также изоляция области контактов слоем диэлектрика позволяет повысить напряжение пробоя чувствительного элемента по его поверхности и, следовательно, увеличить напряжение питания l₀R₀. При выполнении соотношения
< быстродействие приемника не ухудшается за счет инерционности тепловых процессов. Таким образом, предложенная совокупность признаков является существенной для увеличения чувствительности приемника, так как увеличивается коэффициент температурного сопротивления, величина коэффициента поглощения излучения К и возможно увеличение напряжения питания.

Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором представлено поперечное сечение приемника; на фиг. 2 зависимость коэффициента поглощения К чувствительного элемента от волнового числа; на фиг. 3 принципиальная схема включения приемника.

Согласно изобретению на подложку 1 нанесен диэлектрический слой 2, на котором выращен планарный p-n-переход 3, легированный золотом и изолированный от поглощающего покрытия 7 диэлектрической пленкой 4. Контакт 5 изолирован от покрытия диэлектрическим слоем 6. Выводы 8 соединены с контактами 5. Кривая 9 на фиг. 2 соответствует толщине поглощающего покрытия 400 , а кривая 10 толщине 2000 . На фиг. 3 резистор 11 соответствует сопротивлению p-n-перехода приемника. 12-балластное сопротивление, вход усилителя 13 изготовлен на основе транзистора П307 по гибридной технологии.

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитное излучение падает на чувствительный элемент приемника и поглощается в покрытии 7 (фиг. 1). Тепловой поток движется в сторону подложки 1 и нагревает обратно-смещенный p-n-переход 3. Так как сопротивление p-n-перехода зависит от температуры, то на выходе регистрирующей схемы (фиг. 3) появится электрический сигнал, пропорциональный величине потока излучения.

Для проверки работы устройства был изготовлен приемник на подложке из беспримесного кремния покрытого корректирующим слоем термического окисла 2 (фиг. 1). На слой SiO₂ методом молекулярной эпитаксии наносилась пленка кремния, из которой методом фотолитографии и диффузии формировался p-n-переход площадью S (n-область легирование фосфором, p-область легирование бором). Коэффициент диффузии золота выше, чем фосфора и бора, поэтому легирование p-n-перехода золотом проводилось также с помощью термической диффузии без опасения нарушить профиль примеси фосфора и бора. p-n-переход покрывается изолирующим слоем SiO₂4, на который наносится поглощающее покрытие, состоящее из чередующихся слоев хрома, окиси хрома и моноокиси кремния. Далее часть покрытия, находящаяся вне чувствительного элемента, а также часть окисла 4 вблизи контактов 5 стравливается с помощью фотолитографии. После нанесения омических контактов они покрываются защитным слоем SiO₂ 6, выводы 8 изготавливались из золотой проволоки диаметром 30-50 мкм термокомпрессией.

Результаты измерений чувствительности приемников представлены в таблице.

Измерительная схема была изготовлена на основе полевого транзистора КП307 по гибридной технологии (фиг. 3).

Использование предлагаемого приемника излучения обеспечивает по сравнению с известными приемниками более высокую чувствительность с сохранением высокого быстродействия прибора при регистрации электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации потоков излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 2000 мкм. Сущность: приемник электромагнитного излучения содержит подложку с последовательно нанесенным на нее слоем корректирующего диэлектрика и чувствительным элементом, выполненным в виде вертикального p - n перехода с контактами, и расположенными над ним диэлектрическим слоем и многослойной системой из чередующихся слоев металл-диэлектрик. Средняя длина чувствительного элемента L, толщина корректирующего диэлектрика l, теплопроводность корректирующего диэлектрика k₁ и теплопроводность подложки k₂ удовлетворяют условию 3к₁L/к₂l > 1, толщины слоев металла d₁ и диэлектрика d₂ в многослойной системе удовлетворяют соотношениям 1 ≅ d₁/d₂≅ 2,1 ≅ d₂/d₀≅ 2, где а толщина многослойной системы D определяется из условия D²χ₀/l²χ ≪ 1, где χ₀ - температуропроводность корректирующего диэлектрика, χ - температуропроводность диэлектрика в поглощающем покрытии. 3 ил.

ПРИЕМНИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий подложку с последовательно нанесенными на нее слоем корректирующего диэлектрика и чувствительным элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и быстродействия, чувствительный элемент выполнен в виде вертикального p n-перехода с контактами и расположенных над ним диэлектрического слоя и многослойной системы из чередующихся слоев металл - диэлектрик, причем средняя длина чувствительного элемента L, толщина корректирующего диэлектрика l, теплопроводность корректирующего диэлектрика к₁ и теплопроводность подложки к₂ удовлетворяют условию 3к₁L/к₂l > 1, толщины слоев металла d₁ и диэлектрика d₂ в многослойной системе удовлетворяют соотношениям
1 ≅ d₁/d₀ ≅ 2, 1 ≅ d₂/d₀ ≅ 2,
где
а толщина многослойной системы определяется из условия
D²χ_o/l²χ ≪ 1,
где χ_o температуропроводность корректирующего диэлектрика;
χ температуропроводность диэлектрика в поглощающем покрытии.