ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫЙ ФОТОДИОД ДЛЯ СРЕДНЕВОЛНОВОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к фотонике, а именно к средневолновым инфракрасным (ИК) оптическим устройствам на основе полупроводников А3В5, работающим в составе пирометров [1] и/или газоанализаторов [2]. Первыми по времени представителями таких устройств были источники и приемники излучения из арсенида индия, эволюционировавшие от простых «диффузионных» диодов на основе гомо р-n переходов [3] до свето- и фотодиодов (ФД), в том числе лавинных ФД на основе pin-гомоструктур [4] и гетероструктур.
Развитие методов обнаружения и классификации объекта измерения, а равно и методов маскировки цели делает необходимым переход от упомянутых выше односпектральных фотоприемников к мультиспектральным, позволяющим использовать метод отношения для определения температуры объекта Т и уменьшения влияния помех. Действительно, применив формулу Планка
к данным измерений фототока в двух узких полосах излучения с длинами волн  и , можно сформировать (фото)сигнал, слабо зависящий от излучательной способности объекта, положив 1= 2:
R=
с искомым результатом в виде [5]:
T=
Наиболее востребованными являются измерения Т в двух диапазонах спектра электромагнитного излучения: 3-5 мкм (средневолновая ИК область - MIP-IR или MW) и 8-14 мкм (длинноволновая ИК область - LWIR или LW), соответствующие первому и второму окну прозрачности атмосферы.
Из вышеприведенного становится понятным, что выпускаемые отечественной промышленностью односпектральные матричные фотоприемники [Завод «Сапфир», 6] имеют ограниченный круг применения, поэтому создание двухспектральных фотоприемников [7] является актуальной задачей.
Задача создания многоспектральных фотоприемников изначально решалась путем создания фотоприемных модулей, содержащих дискретные полупроводниковые фотоприемники с возрастающей по ходу входящих лучей граничной длиной волны фоточувствительности [8]. В известном техническом решении [8] (по номенклатуре НИИПФ - в модуле типа «Лезвие» 28NF) использованы последовательно расположенные фотодиод из Si|, фотосопротивление из PbS и фотодиод из InSb, суммарно перекрывающие спектральный диапазон от 1 до 5 мкм. При этом все три фотоприемника отделены друг от друга воздушной (или вакуумной) прослойкой, расположенной между подложкой сапфира, на которой напылен PbS, и кремниевым фотоприемником, а также между иммерсионной линзой фотоприемника из PbS и фотодиодом из InSb.
Более продвинутой является слоистая архитектура для мультиспектральных ИК матриц, которая может создаваться путем «склейки» нескольких матриц в единое целое [9, 10], монтаже определенной последовательности линеек в сканирующих устройствах [11] или при выращивании слоев с различной границей фоточувствительности на единой подложке [12]. В последнем случае самым распространенным является создание структур типа npn или pnp с помощью выращивания из органометаллических газов (MOVPE) или из молекулярных пучков (МВЕ).
В таких фотоприемниках коротковолновая область фоточувствительности (SW) расположена первой по ходу падающих на элемент лучей, за ней расположен широкозонный барьерный слой, в котором отсутствует поглощение (Short wave); к нему примыкает вторая фоточувствительная область (Long wave - LW). В этом варианте фотодиодной матрицы имеется всего 2 контакта к пикселю, поэтому выбор спектрального диапазона осуществляется выбором полярности приложенного напряжения. При подаче смещения один из диодов включен в обратном направлении, а другой в прямом. Смещенный в обратном (например, SW ФД) дает вклад в фототок, а смещенный в прямом (LW ФД) - нет. При смене полярности смещения ситуация меняется, и смещенный прежде в прямом (LW ФД) начинает генерировать фоток, другой (SW ФД) при этом считается «закороченным». Недостатком такой конструкции является то, что затрудняется подбор оптимального смещения для каждого из р-п переходов, в числе преимуществ - простота осуществления. В силу большого различия сопротивлений ФД на практике используют дополнительную коммутацию, позволяющую подсоединять два различных усилителя для оптимизации их работы [13].
Выбор спектрального диапазона для проведения измерений в описанной выше «двухконтактной» конструкции может быть осуществлен также и с помощью «оптического переключения» с помощью внешнего источника [14]. В отсутствии освещения со стороны дополнительного источника устройство выдает сигнал, соответствующий изменению фототока в коротковолновом диоде вследствие того, что ток в цепи ограничен темновым током диода, на много порядков меньшим, чем темновой ток длинноволнового приемника.
Вышеприведенный принцип построения приемников излучения можно распространить и на большее число спектральных диапазонов, например, для 3-х. При этом соотношения сопротивления каждой части фотоприемника должны удовлетворять простым критериям - сопротивление коротковолнового фотоприемника должно быть, по крайней мере, на порядок выше, чем сумма сопротивления для двух других частей структуры.
Одной из разновидностей двухволновых матриц ФД на основе твердых растворов КРТ с «вертикальным» подсоединением пикселей является матрица, составленная (склеенная) из двух структур на основе КРТ, в которой длинноволновая структура (LWIR, MCT-1)) перед склейкой прошла стадию формирования омических контактов, изолирующих слоев и п-р перехода [10]. После приклейки второй структуры (MWIR, МСТ-2) ее поверхность обрабатывают, формируют металлизированные области для получения омического соединения с низлежащими проводниками и подсоединительными шинами. В этом методе р-n переход формируют за счет «боковой» диффузии примеси, что, вероятнее всего, трудно осуществить в гетероструктурах А3В5.
Выделение спектральных диапазонов возможно также и за счет использования «вертикальных» Брэгговских микрорезонаторов, настроенных на две разные длины волны, например, в структуре с фотопроводящими слоями из PbTe [15] на подложке из Si. По утверждению авторов, такой подход при создании двухволновых приемников излучения, например, на длины волн 1.6 и 3.7 мкм, менее затратен, чем создание структур с активными слоями разного состава.
Отметим, что наряду с созданием ФД с поглощающей областью на основе многослойных гетероструктур, таких, как сверхрешетки, квантовые точки и колодцы (ямы), ведутся работы и по созданию ФД с «обычным толстым» слоем InAsSb, финансируемые во многих странах (см., например, [16, 17, 18, 19, 20]). Этот интерес вызван высокими значениями коэффициента поглощения и квантовой эффективности InAsSb, а также тем, что ФД на основе InAsSb уже доказали свою пригодность для практического использования [2].
Известен двухспектральный фотодиод для средневолнового инфракрасного излучения на основе монолитной гетероструктуры, содержащей полупроводниковую подложку, прозрачную для излучения в длинноволновой области рабочего спектра фотодиода, выращенные на ее противоположных сторонах эпитаксиальные слои, по крайней мере, два из которых имеют дырочный тип проводимости и расположены на противоположных сторонах упомянутой подложки, а также омические контакты [21].
В известном решении на противоположных сторонах подложки CdZnTe, ориентированной в плоскости (111), т.е. на сторонах (111)А и (111)В, методом жидкофазной эпитаксии или из молекулярных пучков в сверхвысоком вакууме выращивались р-п структуры на основе твердого раствора CdHgTe, причем узкозонный поглощающий слой и прилегающий к нему р-n переход были расположены на тыльной стороне гетероструктуры. Благодаря такому подходу были созданы фотодиоды и матрицы, чувствительные в средневолновой и длинноволновой областях ИК спектра, с возможностью независимой регистрации сигналов в двух вышеупомянутых спектральных областях.
Недостатками известного решения является высокая стоимость подложек CdZnTe, используемых для эпитаксиального роста, большая степень пространственной неоднородности состава твердого раствора CdHgTe (и, соответственно, характеристик ФД) из-за высокого парциального давления Hg во время роста структур, а также нестабильность металлургических границ из-за слабой связи Hg-Те. Все перечисленное приводит к снижению процента выхода годных изделий из-за разброса параметров, получаемых в одном технологическом процессе.
Целью полезной модели является снижение разброса параметром фотодиодов, получаемых в одном технологическом процессе.
Поставленная цель достигается тем, что в двухспектральном фотодиоде для средневолнового инфракрасного излучения на основе монолитной гетероструктуры, содержащей полупроводниковую подложку, прозрачную для излучения в длинноволновой области рабочего спектра фотодиода, выращенные на ее противоположных сторонах эпитаксиальные слои, по крайней мере, два из которых имеют дырочный тип проводимости и расположены на противоположных сторонах упомянутой подложки, а также омические контакты, подложка выполнена из InAs с электронным типом проводимости, а приповерхностные слои с дырочным типом проводимости выполнены из полупроводника А3В5.
Поставленная цель достигается тем, что, по крайней мере, один из приповерхностных слоев выполнен из InAs.
Поставленная цель достигается тем, что, по крайней мере, один из приповерхностных слоев выполнен из твердого раствора InAs1-xSbx.
Поставленная цель достигается тем, что, по крайней мере, один из приповерхностных слоев выполнен из твердого раствора InAs1-x-ySbx.
Поставленная цель достигается тем, что, по крайней мере, один из приповерхностных слоев выполнен из твердого раствора In1-xGaxAs1-ySby.
Заявляемое устройство поясняется чертежом, где на Фиг. 1 схематически изображен первый вариант воплощения заявляемого фотодиода в продольном разрезе, а вертикальной стрелкой показано направление падающего на ФД потока фотонов. В этом устройстве два полупроводниковых слоя с дырочным типом проводимости (1 и 2), из которых первый по ходу лучей слой (1) имеет меньшую красную граничную длину волны фоточувтвительности, чем второй слой (2) (<), выращены на противоположных сторонах прозрачной в рабочем диапазоне второго слоя подложке с электронным типом проводимости (3). К каждому из слоев (1, 2), также, как и к подложке (3), подсоединены индивидуальные омические контакты, соединенные с проводниками: (4) - к слою (1), (5) - к подложке (3), (6) - к слою (2).
Заявляемое устройство поясняется также чертежом, где на Фиг. 2 схематически изображен второй вариант выполнения фотодиода, где помимо частей, упомянутых при описании Фиг. 1, присутствуют также два дополнительных слоя (7, 8), представляющих собой поглощающие слои с электронным типом проводимости, из которых первый по ходу лучей слой (7) имеет меньшую красную граничную длину волны фоточувствительности, чем второй слой (8) (<). В этом варианте слои с дырочным типом проводимости (1, 2) могут быть выполнены из тех же полупроводников, что и слои 7 или 8, или же из широкозонных полупроводников, в которых поглощение излучения в рабочем диапазоне фотодиода несущественно. В последнем случае описание последовательности слоев характерно для одиночных гетероструктур (ОГС).
Заявляемое устройство поясняется также чертежом, где на Фиг. 3 схематически изображен третий вариант выполнения фотодиода, где помимо частей, упомянутых при описании Фиг. 2, присутствуют также два дополнительных слоя (9, 10), представляющих собой широкозонные (фотопассивные) слои с электронным типом проводимости. Представленная на Фиг. 3 последовательность слоев характерна для двойных гетероструктур (ДГС).
ФД работает следующим образом: поток внешних избыточных/неравновесных фотонов, показанный стрелками на Фиг. 1, 2, 3 попадает в ФД и часть фотонов, имеющих наибольшую энергию поглощаются в слое (1) и/или (7), создавая электронно-дырочные пары, которые диффундируют к границе полупроводников р- и n-типа проводимости в перпендикулярном к ним направлении. Пары попадают в область объемного заряда на границе полупроводников р- и n-типа, где разделяются полем р-n перехода и изменяют на нем падение потенциала. При короткозамкнутой цепи через контакты 4 и 5 течет фототок, который сформирует полезный сигнал в первом «коротковолновом» участке спектра. Фототок, обычно пропорциональный количеству поглощенных фотонов, и есть полезный сигнал, используемый для измерений характеристик падающего на ФД излучения. Для практических целей полезный сигнал усиливают с помощью усилителей, например, с помощью трансимпедансных усилителей [22].
Одновременно с вышеизложенными процессами происходит проникновение непоглощенного в слоях 1 или 7 «длинноволнового» излучения в слой с большей граничной длиной волны фоточувствительности 2 или 8. При этом происходят процессы, аналогичные описанным выше, и в цепи, образованной с участием контактов 5, 6, начнет протекать фототок, соответствующий интенсивности потока фотонов в длинноволновой части спектра фоточувствительности двухспектрального ФД.
18
-3
Пример. Фотодиод изготавливался в ООО «ИоффеЛЕД» в два этапа. На первом этапе методом жидкофазной эпитаксии выращивали изопериодные с InAs эпитаксиальные структуры (ДГС) InAsSbP/InAs, которые содержали сильнолегированную подложку n+-InAs (100) (n+ ~ 10см ) толщиной 300 мкм (3) и три эпитаксиальных слоя: широкозонный, специально нелегированный слой твердого раствора N - InAsSbP (440 мэВ) толщиной 2-3 мкм (9) , специально нелегированный слой n-InAs толщиной 4-6 мкм (7) и широкозонный (контактный) слой твердого раствора Р - InAsSbP (=480 мэВ) толщиной 2-3 мкм, легированный Zn в процессе роста (1). Разрывы зон на гетерограницах составляли = 120 мэВ и = -30 мэВ (300 К).
На втором этапе на поверхности подложки, свободной от эпитаксиальных слоев методом ЖФЭ последовательно выращивались слои N- InAsSbP толщиной 4 мкм (10), n- InAsSb толщиной 5 мкм (8) и Р- InAsSbP толщиной 3 мкм (2), т.е. создавалась ДГС, в которой слой n- InAsSb был фотоактивным (поглощающим).
Образцы после проведения многостадийных операций фотолитографии, включающих создание отражающих контактов на основе Cr-Au-Ni-Au методом термического испарения металлов в вакууме и дополнительное их «усиление» при последующем электрохимическом осаждении золота общей толщиной 2-3 мкм, создание контактов к слоям InAsSbP р-типа проводимости на основе сплава Ag+Mn, и «мокрое» химическое травление, содержали расположенные соосно мезы двух типов: 1) мезы, состоящие из диска диаметром 330 мкм, соединенного перемычкой с прямоугольной площадкой 330x115 мкм с анодом в виде буквы «Ю», в которой круглая часть соответствует круглой части мезы, а прямые отрезки соответствуют перемычке и прямоугольной площадке, соответственно и 2) круглые мезы диаметром 260 мкм с широким дисковым контактом (анодом) диаметром 200 мкм и боковым контактом (катодом), аналогично геометрии, описанной в работе [23]. Часть анода в первом типе мез, примыкающая к ее круглой части, была выполнена в виде кольца с внешним диаметром 280 мкм и шириной 25 мкм. Под частью анода вне круглой мезы был предварительно сформирован изолирующий слой.
Образцы монтировались на плоскую поверхность кремниевой линзы так, что первой по ходу лучей оказывалась ДГС InAsSbP/InAs с первым типом мезы, а второй - ДГС InAsSbP/ InAsSb со вторым типом мезы, при этом каждая меза была подсоединена к своему индивидуальному аноду/проводнику (4, 6); катод (5) был общим для обеих структур. Фоточувствительность измерялась с помощью модели черного тела с температурой 573 К.
На Фиг. 4 представлены спектры фоточувствительности, измеренные раздельно для ДГС №1 и ДГС №2, находящихся при комнатной температуре. Из данных на Фиг. 4 видно, что двухспектральный фотодиод на основе поглощающих слов InAs, InAsSb имеет рабочую область 2.5-4.3 мкм с двумя поддиапазонами: 2.5-3.6 мкм и 3.6-4.3 мкм, востребованными в задачах пирометрии. Все чипы, полученные из эпитаксиальной пластины, имели близкие к представленным на Фиг. 4 характеристики, что подтверждает высокую однородность свойств, получаемую в процессах с применением материалов типа А3В5.
Литература
1. S.E. AIeksandrov, G.A. Gavrilov, A.A. Kapralov and G.Yu. Sotnikova, «Threshold sensitivity of the mid-IR sensors», Physics Procedia, 73, 177 - 182 (2015).
2. Б.А. Матвеев, Г.Ю. Сотникова, «Светодиоды средневолнового ИК диапазона на основе гетероструктур АЗВ5 в газоаналитическом приборостроении. Возможности и применения 2014-2018», Оптика и спектроскопия, 2019, том 127, вып. 2, 300-305.
3. Н.П. Есина, Н.В. Зотова и Д.Н. Наследов, «Исследование электролюминесценции р-n переходов в арсениде индия», ФТТ, том. 9, в. 5, стр. 1324-1328 (1967).
4. Ian С. Sandall, Shiyong Zhang, and Chee Hing Tan, «Linear array of InAs APDs operating at 2 pm», OPTICS EXPRESS 25780, Vol. 21, No. 22 | DOI:10.1364/OE.21.025780 1(2013).
5. A. Rogalski, «Infrared Detectors», second ed., CRC Press, Tailor and Francis Group, 2012, International Standard Book Number: 978-1-4200-7671-4.
6. П. Гиндин, В. Карпов, H. Кузнецов, В. Петренко, В. Семенов, В. Чишко, «Матричные и субматричные фотоприемные модули», ФОТОНИКА, Выпуск #6/2013.
7. Е. Дмитриев, «Фотоприемники для работы в мультиспектральных оптоэлектронных системах. Проблемы создания», ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 8/2005.
8. V.P. Ponomarenko, A.M. Filachev, «Infrared Techniques and Electro-optics in Russia: A History 1946-2006», SPIE vol.PM165, ISBN 0-9194- 6355-8 (см. на стр.96).
9. M.A. Kinch, “HDVIP FPA technology at DRS Infrared Technologies”, Proc. SPIE 4369, 566(2001).
10. Peter D. Dreiske, «Development of Two-Color Focal-Plane Arrays Based on HDVIP», Proc. of SPIE Vol. 5783, Infrared Technology and Applications XXXI, edited by Bjorn F. Andresen, Gabor F. Fulop, (SPIE, Bellingham, WA, 2005), doi: 10.1117/12.609127.
11. К.В. Козлов, А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков, Я.С. Бычковский, Б.Н. Дражников, П.А. Кузнецов, «Современные инфракрасные фотоприемные устройства для сканирующей аппаратуры дистанционного зондирования Земли (обзор)», Успехи прикладной физики, 2017, том 5, № 1, стр. 63.
12. Е.R. Blazejewski, J.М. Arias, G.М. Williams, W. Mclevige, М. Zandian and J. Pasko, “Bias-switchable dual-band HgCdTe infrared photodetector”, J. Vac. Sci. Technol. B10, 1626 (1992).
13. W. A- Radford, E.A. Patten, D.F. King, G.K. Pierce, J. Vodicka, P. Goetz, G. Venzor, et al., “Third Generation FPA Development Status at Raytheon Vision Systems,” Proceedings of SPIE 5783, 331-39, 2005.
14. O.O. Cellek, Y.-H. Zhang, "Optically addressed multiband photodetector for infrared imaging applications," Proc. SPIE 8268, Quantum Sensing and Nanophotonic Devices IX, 82682N (20 January 2012); doi: 10.1117/12.909063.
15. Jianfei Wang, Timothy Zens, Juejun Hu, Piotr Beda, Lionel C. Kimerling and Anuradha M. Agarwal, «Monolithically integrated, resonant cavity-enhanced dual-band mid-infrared photodetector on silicon», Appl. Phys. Lett. 100, 211106 (2012); https://d0i.0rg/10.1063/1.4722917.
16. P.P. Гусейнов , B.A. Танрывердиев , G. Kipshidze , E.H. Алиева , X.B. Апигулиева , H.A. Абдуллаев , H.T. Мамедов, «Гетероэпитаксиальные структуры InAsl-xSbx на градиентных буферных слоях GalnSb и AIGalnSb», Физика и техника полупроводников, 2017, том 51, вып. 4, стр. 551.
17. Y.Z. Gao, Xiu Ying Gong, Ji Jun Li, Yan Bin Feng, Takamitsu Makino, Hirofumi Kan, Tadanobu Koyama, Yasuhiro Hayakawa, “Improved performance of InAs 0.07 Sb 0.93 photoconductors operating at room temperature” August 2017 Optik - International Journal for Light and Electron Optics 142:68-72, DOI: 10.1016/j.ijleo.2017.05.058.
18. S.P. Svensson, W.A. Beck, W.L. Sarney, D. Donetsky, S. Suchalkin, and G. Belenky, «Temperature dependent Hall effect in InAsSb with a 0.11 eV 77 К-bandgap», Appl. Phys. Lett. 114, 122102 (2019); doi: 10.1063/1.5081120 https://doi.Org/10.1063/1.5081120.
19. B.B. Романов, Э.В. Иванов, К.Д. Моисеев, «Узкозонные гетероструктуры InAsl-ySby/lnAsSbP (у = 0.09-0.16) для спектрального диапазона 4-6 |jm, полученные методом МОГФЭ», Физика твердого тела, 2019, том 61, вып. 10, 1746, DOI: 10.21883/FTT.2019.10.48244.483.
20. Xie, Н (Xie, Нао); Lin, HY (Lin, Hongyu); Wang, Y (Wang, Yang); Lu, HB (Lu, Hongbo); Sun, Y (Sun, Yan) ; Hao, JM (Hao, Jiaming) ; Hu, SH (Hu, Shuhong) ; Dai, N (Dai, Ning), «Liquid phase epitaxy growth and photoluminescence of lnAs(1-x-y)Sb(x)P(y) epilayer» , MATERIALS RESEARCH EXPRESS , Том: 6, Выпуск: 8 , Номер статьи: 085912 , DOI: 10.1088/2053-1591/аЬ2434.
21. Yanka Robert W., Noble Milton L., «А-dual band IR sensor having two monolithically integrated staring detector arrays for simultaneous, coincident image readout», патент США № 5,512,750 с приоритетом от 3 июня 1994 года.
22. Гаврилов Г.А., Матвеев Б.А., Сотникова Г.Ю., «Предельная чувствительность фотоприемного устройства на основе фотодиодов АЗВ5 среднего ИК-диапазона спектра», Письма ЖТФ, 37(18), 50-57 (2011).
23. А.Л. Закгейм, Н.Д. Ильинская, С.А. Карандашев, А.А. Лавров, Б.А. Матвеев, М.А. Ременный, Н.М. Стусь, А.А. Усикова, А.Е. Черняков, «Пространственное перераспределение излучения во флип-чип фотодиодах на основе двойных гетероструктур InAsSbP/lnAs», Физика и техника полупроводников, 2017, том 51, вып. 2, 269-275, DOI 10.21883/FTP.2017.02.44117.8380 http://journals.ioffe.ru/articles/44117.