ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптоэлектронной технике, а более конкретно, к компактным фотоприемникам излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн, применяемым в различных областях науки и техники, в промышленности, а именно в спектроскопии, в медицине, оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах.
Известен полупроводниковый приемник ИК излучения (см. Письма в ЖТФ, том 37, вып. 19, стр. 95-103, 2011), включающий полупроводниковую подложку InAs с кольцевой активной областью на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов InAsSb, первый омический контакт, нанесенный на поверхность кольцевой активной области, и второй сплошной омический контакт, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с кольцевой активной областью.
Известный полупроводниковый приемник имеет расширенный диапазон спектральной чувствительности в среднем ИК диапазоне (2-5) мкм, однако его конструкция не позволяет проверить эффективность его работы.
Известен полупроводниковый приемник ИК излучения (см. US 7768048, МПК H01L 31/062, H01L 31/113, опубл. 03.08.2010), включающий подложку, на котором последовательно сформированы слой п-типа проводимости, включающий индий и сурьму, поглощающий свет полупроводниковый слой, включающий индий и сурьму, специально не легированный или р-типа проводимости, полупроводниковый слой р-типа проводимости, который легирован до более высокой концентрации носителей и имеет большую ширину запретной зоны, чем поглощающий свет полупроводниковый слой, в то же время легированный полупроводниковый слой р-типа проводимости функционирует как барьерный слой.
В известном полупроводниковом приемнике ИК излучения практически исключается вредное поглощение света в более широкозонном верхнем слое и одновременно создается барьер для утекания неосновных носителей заряда, созданных внешним источником света. К недостатку известного приемника инфракрасного излучения относится невозможность периодический проверки эффективности его работы.
Известен полупроводниковый приемник ИК излучения (см. US 20110204214, МПК H01L 31/0256, H01L 31/0304, H01L 31/18, опубл. 25.08.2011), содержащий подложку, например, из GaSb, GaAs, или InP, на которой последовательно нанесены нижний контактный слой, светопоглощающий слой, выполненный из соединений AIIIBV, барьерный слой, выполненный из соединений AIIIBV толщиной 50-100 нм, и верхний контактный слой, например, из InAs, InGaAs или InAsSb. На нижнем и верхнем контактных слоях сформированы металлические электроды для включения приемника ИК излучения в соответствующую электрическую цепь.
Известный полупроводниковый приемник ИК излучения регистрирует излучение в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм, но в нем отсутствует возможность проверки его работоспособности в процессе эксплуатации.
Известен полупроводниковый приемник ИК излучения (см. US 10304896, МПК H01L 21/00, H01L 31/0304, G01J 05/04, B82Y 20/00, опубл. 28.05.2019), включающий в себя подложку, на которой последовательно сформированы первый электрод и второй электрод, между которыми расположен слой из соединений AIIIBV, поглощающий ИК излучение, содержащий первый полупроводниковый субслой из GaAs, на котором расположено множество разнесенных друг от друга квантовых точек, включающих In, и второй полупроводниковый субслой из InGaAs, покрывающий множество квантовых точек.
Известный полупроводниковый приемник ИК излучения может быть настроен на любом узкий ИК спектральный диапазон путем изменения размеров квантовых точек, но его конструкция не обеспечивает возможности контролировать работоспособность приемника ИК излучения.
Известен полупроводниковый приемник ИК излучения (см. патент RU 2488916, МПК H01L 31/09, опубл. 27.07.2013), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Полупроводниковый приемник-прототип включает полупроводниковую подложку AIIIBV с активной областью в форме диска с отверстием в центре на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV, первый омический контакт, нанесенный на поверхность активной области, и второй омический контакт, нанесенный на поверхность периферийной области полупроводниковой подложки, противолежащей поверхности с активной областью. В поверхности центральной области полупроводниковой подложки, свободной от второго омического контакта, выполнено по меньшей мере одно углубление.
Достоинством известного полупроводникового приемника-прототипа является расширенный диапазон спектральной чувствительности в среднем ИК диапазоне (2-4) мкм. Однако в известном полупроводниковом приемнике отсутствует возможность контролировать его работоспособность, что не позволяет гарантировать эффективность его работы перед включением.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка такого полупроводникового приемника ИК излучения, в котором бы имелась возможность проверки его работоспособности в любой момент времени.
Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый приемник ИК излучения включает полупроводниковую подложку AIIIBV с первой активной областью на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV, первый омический контакт, нанесенный на поверхность активной области, и второй омический контакт, нанесенный на поверхность периферийной области полупроводниковой подложки, противолежащей поверхности с первой активной областью. Новым является выполнение вокруг первой активной области на полупроводниковой подложке второй кольцевой активной области на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV, с нанесенным на ее поверхность третьим омическим контактом, электрически отделенной от первой активной области.
Первая активная область может быть электрически отделена от второй активной области кольцевой канавкой глубиной, превышающей толщину активных областей.
Первая активная область может быть выполнена в виде диска, а вторая активная область может быть выполнена в виде круглого кольца.
Первая активная область может быть выполнена в виде квадрата, а вторая активная область может быть выполнена в виде квадратного кольца.
В поверхности центральной области полупроводниковой подложки, свободной от второго омического контакта, может быть выполнено одно углубление.
Настоящий полупроводниковый приемник ИК излучения поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показан в поперечном разрезе полупроводниковый приемник ИК излучения;
на фиг. 2 приведен вид сверху на полупроводниковый приемник ИК излучения с активной областью в виде диска;
на фиг. 3 показан вид сверху на полупроводниковый приемник ИК излучения с активной областью в виде квадрата
Полупроводниковый приемник ИК излучения по настоящей полезной модели (фиг. 1 - фиг. 3) содержит полупроводниковую подложку 1 из полупроводникового соединения AIIIBV, на которой сформирована первая активная область 2 на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV. Первая активная область 2 может быть выполнена в виде диска (фиг. 2) или квадрата (фиг. 3). На поверхность 3 активной области 2 у ее края нанесен первый омический контакт 4. На поверхность 5 периферийной области 6 полупроводниковой подложки 1, противолежащей поверхности 3 с первой активной области 2, нанесен второй омический контакт 7. Вокруг первой активной области 2 на полупроводниковой подложке 1 выполнена вторая кольцевая активная область 8 на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV. Вторая активная область 8 может быть выполнена в виде круглого кольца (фиг. 2) или в виде с квадратного кольца (фиг. 3). На поверхность 9 второй активной области 8 нанесен третий омический контакт 10, Вторая активная область 8 электрически отделена от первой активной области 2, например, кольцевой канавкой И глубиной, превышающей толщину активных областей 2 и 8. В поверхности 5 центральной области полупроводниковой подложки 1, свободной от второго омического контакта 7, может быть выполнено одно или несколько углублений 12, как соприкасающихся друг с другом, так и отстоящие друг от друга (на фиг. 1 изображен вариант нескольких углублений 12). Углубления 12 могут быть одинакового или различного размера. Углубления 12 обеспечивают дополнительное поглощение в активной области 2 гетероструктуры фотонов, многократно переотраженнных от криволинейных поверхностей углублений 12 в полупроводниковой подложке 1.
Для проверки работоспособности настоящего полупроводникового приемника ИК излучения прикладывают к омическим контактам 7 и 10 второй активной области 8 прямое напряжение смещения, большее контактной разности потенциала р-n перехода. В случае работоспособности полупроводникового приемника ИК излучения через гетероструктуру второй активной области 8 будет протекать электрический ток. Часть электрического тока (50-90% в зависимости от типа полупроводникового соединения AIIIBV) преобразуется в ИК излучение за счет излучательной рекомбинации внутри гетероструктуры. При внутренних отражениях в гетероструктуре часть излучения поглотится в первой активной области 2, что приведет к возникновению в первой активной области 2 фототока, свидетельствующего о работоспособности полупроводникового приемника ИК излучения. В случае наличия дефекта в фотоприемнике, например, пробоя h-n-перехода или разрыва цепи из-за повреждения фронтального контакта, фототок будет отсутствовать. Отсутствие этого фототока свидетельствует о неработоспособности полупроводникового приемника ИК излучения. Конструкция настоящего полупроводникового приемника ИК излучения позволяет также контролировать
Пример. На одной из граней подготовленной полупроводниковой подложки из InAs была выращена гетероструктура InAs/InAs/InAsSbP. В процессе эпитаксиального роста в гетероструктуре формируется р-n переход. По технологии фотолитографии и жидкостного травления были сформированы первая активная область в виде диска диаметром 0,30 мм и вторая кольцевая активная область с внутренним диаметром 0,32 мм и внешним диаметром 0,36 мм. На часть первой активной области и на вторую активную область были нанесены соответственно первый и третий омические контакты Cr/Au-Ge/Au толщиной 0,03 мм. С обратной стороны по краю полупроводниковой подложки был сформирован второй омический контакт Cr/Au-Ge/Au шириной 0,02 мм. При приложении к кольцевой активной области прямого напряжения смещения больше контактной разности потенциала р-n перехода (0,6 В) через гетероструктуру работоспособного приемника протекал прямой электрический ток величиной 100 мА. Часть электрического тока преобразовалась в ИК излучение за счет излучательной рекомбинации внутри на второй активной области. При внутренних отражениях в гетероструктуре часть ИК излучения поглощалась в первой активной области, и был зарегистрирован фототок 50 мкА. В случае наличия дефекта в приемнике ИК излучения (например, пробоя p-n перехода или разрыва электрической цепи из-за повреждения фронтального контакта) фототок из первой активной области отсутствует, что свидетельствует о неработоспособности приемника ИК излучения.