ФОТОДИОД ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО СЕНСОРА

Полезная модель относится к области нанофотоэлектроники, а именно к полупроводниковым приборам на основе барьера Шоттки, предназначенным для селективной регистрации ультрафиолетового (УФ) излучения с высокой чувствительностью.
Из существующего уровня техники известен фотодиод из кремниевой структуры на основе барьера Шоттки, селективно поглощающий УФ излучение (патент CN №101483198, «Ag/silicon composite structure ultravilet prode and manufacturing method thereof», МПК, опубл. 15.07.2009), который состоит из полированной монокристаллической кремниевой подложки и тонкого слоя серебра на ее поверхности. Подложка снабжена нижним омическим контактом. Тонкий слой серебра выполняет несколько полезных функций: формирует барьер Шоттки, выступает в качестве верхнего электрода (омического контакта), позволяет достигать селективное поглощение структуры на длине волны 320 нм.
+
Из существующего уровня техники известен фотодиод на основе барьера Шоттки, селективно поглощающий УФ излучение (Ласткин В.А. «Кремниевый фотоприемник с избирательной чувствительностью в ближней ультрафиолетовой области оптического спектра», автореферат, 2013 г). Структура такого фотодиода состоит из кремниевой подложки p-проводимости, фоточувствительную область которой формировали путем ионной имплантации мышьяка и последующего нанесения Шоттки контакта. Для улучшения селективных свойств на верхний слой разработанной структуры наносили слой Ag.
Из существующего уровня техники известен фотодиод на основе барьера Шоттки, селективно поглощающий УФ излучение (Chu-Hsuan Lin, Chee Wee Lie «Metal-Insulator-Semiconductor Photodetectors», журнал «Sensors», 2010, 10, с. 8797-8826). Он содержит слой кремния со сформированным слоем окисла на его поверхности, и верхний завершающий слой серебра, формирующий барьер Шоттки. На тыльной стороне кремния напылен алюминиевый контакт.
Недостатком вышеприведенных фотодиодов на основе кремния является низкая селективность и чувствительность в УФ области, что обусловлено сохранением поглощающих свойств кремния в видимой области и его недостаточными поглощающими свойствами в УФ области.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является фотодиод Ag/GaP на основе барьера Шоттки (Pikhtin A.N., Tarasov S.A., Kloth B., «Ag/GaP schottky photodiodes for UV sensor», журнал «IEEE Transactions on electron devies», V. 50, №1, 2003, стр. 215-217). Фотодиод состоит из подложки GaP, на которой с одной стороны напылен омический контакт из металла Au, а с другой расположен слой n-GaP, на поверхности которого напылен контакт из металла Ag, создающий барьер Шоттки. Выращенная структура селективно поглощает излучение в диапазоне 300-350 нм, с полушириной спектра поглощения около 10 нм, при длине волны 322 нм и интегральной чувствительностью 0,035 А/Вт в максимуме.
Недостатком такого фотодиода на основе GaP является низкая селективность и чувствительность в УФ области обусловленная недостаточными поглощающими свойствами GaP и сохранением поглощающих свойств в видимой области.
Задачей заявляемой полезной модели является создание фотодиода для ультрафиолетового сенсора, который обеспечивает технический результат, заключающийся в повышении селективности и чувствительности фотодиода в УФ области.
2
3
x
1-x
x
1-x
0,15
0,85
0,08
0,92
Сущность полезной модели заключается в том, что в фотодиоде для ультрафиолетового излучения, содержащем подложку, омический контакт и эпитаксиальный слой, на котором сформирован контакт из серебра с барьером Шоттки, подложка выполнена из AlO, эпитаксиальный слой выполнен из AlGaN где x от 0-0,24, а его толщина составляет 0,1-1,5 мкм, между ними расположены последовательно со стороны подложки зародышевый слой из AlN и буферный слой, состоящий из слоя AlGaN, где x от 0-0,1, толщина которого составляет 0,5-1,5 мкм и 12-20 чередующихся слоев AlGaN/AlGaN, толщина каждого из которых составляет 70-250 нм, при этом на поверхности эпитаксиального слоя сформирован двухслойный омический контакт, состоящий из Ti/Al, где Ti, является подслоем для Al.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
0,15
0,85
0,08
0,92
Особенностью заявляемой модели является то, что в качестве эпитаксиального слоя используется полупроводниковый твердый раствор AlGaN где x от 0-0,24, который позволяет исключить фоточувствительность в видимой области спектра в отличие от рассмотренных аналогов на Si и увеличить спектральную селективность. Изменение состава твердого раствора AlGaN позволяет совместить окно прозрачности Ag при 322 нм с максимумом фотопоглощения эпитаксиального слоя (фиг. 2), что в целом увеличивает чувствительность. Использование буферного слоя состоящего из слоя AlGaN, где x от 0-0,1, толщина которого составляет 0,5-1,5 мкм и 12-20 чередующихся слоев AlGaN/AlGaN толщина каждого из которых составляет 70-250 нм, позволяют уменьшить количество дислокаций в эпитаксиальном слое, что увеличивает структурное совершенство, за счет которого также увеличивается фоточувствительность. Напыление Ti/Al позволяет создать омический контакт с низким сопротивлением.
Полезную модель поясняют следующие чертежи.
Фиг. 1 Конструкция фотодиода
Фиг. 2 Спектральные характеристики фотодиодов на основе контакта Ag, образующего барьер Шоттки.
Фиг. 3 Экспериментально измеренные спектральные зависимости фото чувствительности при разной толщине контакта Ag, образующего барьер Шоттки.
2
3
x
1-x
0,15
0,85
0,08
0,92
x
1-x
Фотодиод содержит (фиг. 1) подложку 1 из AlO, на которой последовательно расположены зародышевый слой 2 из АПЧ, буферный слой 3, который состоит из слоя AlGaN где x от 0-0,1 толщиной от 0,5 до 1,5 мкм, и 12-20 чередующихся слоев AlGaN/AlGaN толщина каждого из которых составляет 70-250 нм. Далее расположен эпитаксиальный слой 4 из AlGaN, где x от 0-0,24, а его толщина составляет 0,1-1,5 мкм. На эпитаксиальном слое 4 размещены контакт из серебра, образующий барьер Шоттки 5 и двухслойный контакт 6, для которого используется двухслойная композиция Ti/Al, где слой 7 из Ti является подслоем для слоя 8 из Al.
Фотодиод работает следующим образом.
x
1-x
При освещении светом фотодиода через контакт из серебра, образующий барьер Шоттки 5, большая часть излучения в области окна прозрачности Ag проходит сквозь Ag металл и попадает на границу контакта 6 и эпитаксиального слоя 4 (Ag-AlGaN), где происходит поглощение света и разделение носителей заряда. Сигнал измеряется путем подключения устройства к контакту 6 и контакту 5.
2
3
0,1
0,1
0,15
0,85
0,08
0,92
0,08
0,92
0,08
0,92
Предлагаемый фотодиод может быть изготовлен следующим образом. На подложке 1 из AlO методом хлоридно-гидридной эпитаксии выращивают последовательно слои: зародышевый слой 2 из АПЧ толщиной 10 нм, буферный слой 3 из слоя AlGaN толщиной 1 мкм и из 14 чередующихся слоев AlGaN/AlGaN, толщина каждого из которых составляет 80 нм и эпитаксиальный слой 5 из AlGaN толщиной 1 мкм. На поверхности эпитаксиального слоя 4 методом вакуумного термического напыления формируют двухслойный Ti/Al омический контакт 6, где Ti толщиной 15 нм является подслоем для Al толщиной 35 нм и контакт из серебра с барьером Шоттки 5. Толщина контакта 5 влияет на ширину спектрального диапазона чувствительности. На фиг. 3 представлено семейство спектральных характеристик фотодиода Ag-AlGaN при разной толщине контакта 5, толщина которого изменялась от 15 до 150 нм. Видно, что при толщине слоя Ag чувствительность фотоприемника от 240 до 350 нм с максимумом фотоответа при 335 нм и полушириной 30 нм. Увеличение толщины слоя Ag приводит к тому, что спектр становился уже, при незначительном уменьшении фотоответа в максимуме.
Предлагаемое решение фотодиода для ультрафиолетового сенсора позволяет обеспечить технический результат, заключающийся в повышении селективности и чувствительности фотодиода в УФ области.