Способ регистрации светового потока Советский патент 1993 года по МПК H01L31/16 G01D5/25 

Изобретение относится к оптоэлектро- нике, конкретно к способам регистрации светового потока, и может быть использовано для анализа и обработки оптической информации.

Цель изобретения - обеспечение возможности регистрации одного из нескольких информационных потоков.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Регистрация информационных световых потоков производится в полупроводниковой структуре с туннельно-тонким диэлектрическим слоем с одной стороны и с n-p-переходом с противоположной, (см. фиг.1. а)).

К такой структуре прикладывалось внешнее напряжение в такой полярности, чтобы n-p-переход оказывался смещенным в обратном направлении. Такие структуры обеспечивали возможность инжекции носителей из одной части структуры (область объемного заряда (003) n-p-перехода) в другую (область базы, прилежащей к диэлектрическому слою).

При освещении структуры со стороны n-p-перехода дополнительным светом, поглощаемым в n-p-переходе, генерация элек- тронно-дырочных пар происходит непосредственно в 003 n-p-перехода. Под действием сильного электрического поля пары разделяются; электроны покидают кристалл через положительный электрод, а

оо со сл

СП

о

00

дырки выносятся из 003 перехода в область базы, где электрическое поле отсутствует, в случае, когда электрические контакты к базовой области являются неинжектирующими, (каковыми являются и кон- такты с туннельно-тонким диэлектриком), т.е. не поставляют в область базы электроны, не препятствуя в то же время вытеканию дырок в области базы, прилежащей к границе раздела полупроводник-диэлектрик, об- разуется электрический заряд свободных дырок, который согласно уравнению Пуассона вызывает появление электрического поля в области базы. Это происходит в условиях неизменного напряжения, приложен- ного к структуре, при этом происходит перераспределение напряжения между 003 л-р-перехода и базовой областью структуры, (см. фиг. 1. б))

Как показали наши исследования, вели- чина напряженности электрического поля у поверхности тун нельно-тон кого диэлектрического слоя пропорциональна интенсивности освещения полупроводниковой структуры дополнительным световым пото- ком, поглощаемым в n-p-переходе. При этом координаты области, куда переходит электрическое поле, совпадают с координатами области, освещаемой дополнительным световым потоком. После прекращения осве- щения накопленный заряд свободных носителей рассасывается за время туннели- рования и распределение поля возвращается в исходное состояние.

При отсутствии электрического поля в базе освещение структуры информационным световым потоком не дает сигнала фототока, т.к. сгенерированные электронно-дырочные пары не разделяются, но как только в области, прилежащей к диэлектрическому слою появляется электрическое поле, электронно-дырочные пары разделяются и через структуру протекает сквозной фототок. (см. фиг. 1 в)).

При освещении регистрируемым свето- вым потоком с h v Eg полупроводниковой структуры через туннельно-тонкий диэлектрический слой величина фототока определи- ется выражением:

Зф е fi rEG,

где е - заряд электрона;

(л - подвижность носителей;

г-время жизни носителей;

Е - напряженность электрического поля;

G - фотогенерация.

Таким образом, регистрация информационных световых потоков будет происхо- дить только в том случае, когда координаты

дополнительного светового потока и, следовательно, вызванного им перераспределенного электрического поля будут совпадать с координатами регистрируемого светового потока.

Нами разработан способ, дающий возможность регистрации одного из нескольких одновременно падающих информационных световых потоков. Однако он имеет ограничение в том отношении, что обеспечивает регистрацию только в МДП-структурах с туннельно-тонким диэлектрическим слоем.

Сущность заявляемого способа иллюстрируется графически на фиг.1 (а, б, в) и фиг.2 (а, б).

На фиг.1 а) приведена схема конструкции туннельной МДП-структуры на полупроводниковом кристалле, содержащем в объеме n-p-переход; структура состоит из:

п-области 1, р-области 2, туннельно-тон- кого слоя диэлектрика 3, контакта А.

На фиг.1 б) представлено распределение напряженности электрического поля в структуре при освещении дополнительным световым потоком со стороны п-р-перехода потоком интенсивности 0 и приложенным обратным смещением: кривая 1 описывает распределение электрического поля в кристалле при 10 0, а кривая 2 - при 0 0.

На фиг.1 в) представлено изменение распределения напряженности электрического поля в структуре при освещении и влияние его изменения на регистрацию информационного светового потока интенсивности И: ) . :

На фиг.2 представлено пространственное распределение фотоответа в туннельной МДП-структуре с n-p-переходом на кристалле p-SI

На фиг.2 а) представлена геометрия экс- перимента,схема эксперимента;

на фиг.2 а) приняты следующие обозначения:

п-области 1; р-области 2; туннельно тонкого слоя диэлектрика 3; контакта 4; общий канал съема фототока 5.,

На фиг.2 б) распределение фотоответа структуры от регистрируемого светового потока при сканировании по противоположной стороне поверхности тонкой полоской дополнительного светового потока.

На фиг.1 (а, в) дополнительно обозначены регистрируемый и дополнительный световые потоки, на фиг.2 приняты также следующие обозначения: РУ - резонансный усилитель; S - узкая полоска дополнительного света; R - сопротивление нагрузки.

Пример. Осуществлялась регистрация светового потока в туннельной МДП-структуре на основе монокристалла Sf, п-типа проводимости (р 2,6 1030м см), ориентированного по кристаллографической оси 110 с размерами 11 х 11 мм и толщиной d 250 мкм. На одной из граней монокристалла методом термического осаждения в вакууме создавался туннельно-тонкий диэлектрический слой StaN толщиной d 100 А. при температуре 200°С. С противоположной стороны методом ионной имп- лантации создавался р-п-переход внедрением фосфора. Глубина залегания р- п составляла 2-5 мкм. На боковой поверхностимонокристаллаповерхдиэлектрического слоя создавался прозрач- ный электрод путем осаждения золота из золотохлористоводородной кислоты.

К электродам МДП-структуры перпендикулярно плоскости 110 прикладывалось постоянное электрическое поле, направление приложения поля соответствовало направлению обратной полярности p-n-перехода МДП-структуры и составляла V 30B.

.Освещение структуры двумя регистрируемыми световыми потоками с А 0,83 мкм, что соответствует условию h v Eg проводилось через грань МДП-структуры, содер- жащей туннельно-тонкий диэлектрический слой. Одновременно с этим с противоположной стороны МДП-структуры проводилось.освещение узкой полоской дополнительного светового потока поглощающегося в п-р-пе- реходе { Я 0,78 мкм; ширина плоски 100 мкм, интенсивность 0 5 -мВт/см2). Для определения координаты одного из регистрируемых световых потоков полоска сканировалась по поверхности структуры до увеличения сигнала фототока, что означало достижение совпадения координат регистрируемого и дополнительного лучей. Интен- сивность регистрируемый лучей изменялась от 10 до 560 мкВт/см2 (см. фиг.2).

В конкретном примере, в структуре на кристалле Si, использовавшейся для реализации условий раздельной регистрации ин- формационных световых лучей, была осуществлена регистрация каждого из информационных световых лучей по отдельности.

Регистрация каждого светового потока осуществлялась в общем канале съема сигнала фототока, который представлял собой селективный вольтметр У2-8, снимающий сигнал с нагрузочного сопротивления в цепи подачи напряжения на структуру.

В данном примере конкретной реализации было достигнуто пространственное разрешение в 10 лин/мм.

Таким образом, предложенный способ действительно позволяет достоверно осуществлять регистрацию каждого из информационных световых лучей по отдельности из общего потока лучей.

В способе-прототипе такая возможность отсутствовала, т.к. этот способ не работает при одновременном освещении МДП-структуры несколькими регистрируемыми световыми потоками.

Формула изобретения

Способ регистрации светового потока, включающий освещение МДП-структуры со стороны ее диэлектрического слоя информационным световым потоком и определение информационного светового потока в общем канале сьема сигнала фототока, о т- личающийся тем, что, с целью обеспечения возможности регистрации одного из нескольких информационных потоков, производят сканирование по поверхности МДП-структуры с противоположной ее диэлектрическому слою стороны дополнительным световым потоком и определение координат точек совпадения информационного и дополнительных световых потоков, а определение информационного потока осуществляют при приложении напряжения к МДП-структуре обратно полярности ее р-п- перехода.

а

Изобретение относится к оптоэлектро- нике, более конкретно к способам регистрации светового потоками может быть использовано для анализа и обработки световой информации. Существующие способы не давали обеспечения возможности регистрации одного из нескольких информационных потоков. Данный способ обеспечивает такую возможность. Способ включает сканирование по поверхности МДП-структуры с противоположной ее диэлектрическому слою стороны дополнительным световым потоком, определение координат точек совпадения информационного и дополнительного световых потоков и определение информационного потока при приложении напряжения к МДП-структуре обратно полярности ее п-р-перехода. 2 ил. сл с

Е| I

2

Io -Ј1

Фиг. I.

L

а

)

Ъ

-х

Jr- 41

Фиг. 2.

1(МКА)

л

Х(СМ)