ГИБРИДНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
HYBRID PHOTOCONVERTER

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотопреобразователей, преобразующих энергию света в электрическую энергию.
Известны фотопреобразователи и конструкции на их основе, использующие пластины монокристаллического кремния с участками различного типа проводимости, образующими p-n-переходы [1].
Недостатком указанных обычных фотопреобразователей (типа солнечных элементов) является то, что они вырабатывают при освещении ток низкого напряжения (для кремниевых элементов примерно 0,5-0,7 В), а путем последовательного соединения обычных фотопреобразователей (типа солнечных элементов в солнечных батареях) не удается получить высоковольтный источник тока малых габаритов, так как конструкция с последовательным соединением солнечных элементов будет занимать большие площадь и объем.
Известно гибридное матричное фотоприемное устройство ИК- диапазона, содержащее кристалл матричного фотоприемника на основе фоторезисторов и несколько кристаллов мультиплексоров на ПЗС [2]. Соединение кристаллов мультиплексоров с кристаллом матричного фотоприемника осуществляется методом перевернутого кристалла с использованием металлических объемных выводов. При этом между диффузионными областями с противоположным подложке типом проводимости и сформированными на них объемными выводами расположены металлические контактные площадки для обеспечения хорошей адгезии и малого сопротивления контакта.
Недостатком указанного фотоприемного устройства является то, что его нельзя использовать в качестве источника тока, питающего различные приборы.
За прототип предлагаемой конструкции взят фотопреобразователь, содержащий диэлектрическую подложку, расположенные на ее лицевой поверхности изолированные друг от друга области легированного примесью монокристаллического кремния, в которых у поверхности, примыкающей к диэлектрической подложке, расположен скрытый слой того же типа проводимости, что и сами области, но с большей концентрацией легирующей примеси, а у поверхности, наиболее удаленной от диэлектрической подложки, расположены два участка разного типа проводимости с большей по сравнению с областями концентрацией легирующей примеси, и эти участки имеют металлические соединения с другими элементами фотопреобразователя, и два контактных вывода [3]. Участки разного типа проводимости каждой области соединены металлическими перемычками каждый с соответствующим ему участком противоположного типа проводимости, расположенными в двух соседних областях, а участок каждой из двух крайних областей, свободный от металлической перемычки, соединен с соответствующим ему контактным выводом фотопреобразователя. При этом из двух участков, соответственно соединенных с контактными выводами, по типу проводимости один совпадает с областями, а другой противоположен им.
+
+
Между металлическими перемычками и контактными выводами, с одной стороны, и боковыми поверхностями областей, с другой стороны, расположен слой диэлектрика, предотвращающий короткое замыкание металлизацией фотогенерирующих p-n-переходов, образованных областями и расположенными в них участками противоположного типа проводимости (для определенности считается, что области имеют проводимость p-типа). Участки того же типа проводимости, что и области, но с большей концентрацией легирующей примеси, а также большая концентрация легирующей примеси в участках с противоположным областям типом проводимости обеспечивают омический (а не выпрямляющий) контакт полупроводника с металлизацией. Скрытый слой того же типа проводимости, что и области, но с большей концентрацией легирующей примеси, служит для уменьшения влияния паразитного сопротивления тела области, включенного последовательно с p-n-переходом.
+
+
На виде сверху все области расположены на диэлектрической подложке в виде матрицы с большим числом строк и столбцов и за счет наличия металлических соединительных перемычек составляют единую «змееподобную» последовательную цепь включенных в одном направлении фотогенерирующих p-n-переходов, сформированных в этих областях (то есть токи в соседних строках матрицы текут в противоположных направлениях). Напряжение, снимаемое с фотопреобразователя при его освещении, представляет собой сумму напряжений на отдельных p-n-переходах и при большом количестве областей превышает 1000 В.
Недостатком выбранного в качестве прототипа фотопреобразователя является недостаточно высокое напряжение, снимаемое с фотопреобразователя при его освещении, при заданной площади диэлектрической подложки.
Техническим результатом изобретения является двукратное увеличение напряжения, снимаемого с фотопреобразователя при его освещении, при сохранении площади диэлектрической подложки.
Указанный технический результат достигается тем, что в фотопреобразователь, содержащий диэлектрическую подложку, расположенные на ее лицевой поверхности изолированные друг от друга области легированного примесью монокристаллического кремния, в каждой из которых у поверхности, примыкающей к диэлектрической подложке, расположен скрытый слой того же типа проводимости, что и области, но с большей концентрацией легирующей примеси, а у поверхности, наиболее удаленной от диэлектрической подложки, расположены два участка разного типа проводимости с большей по сравнению с областями концентрацией легирующей примеси, и эти участки имеют металлические соединения с другими элементами фотопреобразователя, и два контактных вывода, соединенных соответственно с участками двух крайних областей, причем первый контактный вывод соединен с участком того же типа проводимости, что и области, введена вторая диэлектрическая подложка, на лицевой поверхности которой расположены изолированные друг от друга дополнительные области легированного примесью монокристаллического кремния того же, что и у областей, типа проводимости, в каждой из которых у поверхности, примыкающей к второй диэлектрической подложке, расположен дополнительный скрытый слой того же типа проводимости, что и дополнительные области, но с большей концентрацией легирующей примеси, а у поверхности, наиболее удаленной от второй диэлектрической подложки, расположены два дополнительных участка разного типа проводимости с большей по сравнению с дополнительными областями концентрацией легирующей примеси, причем на всех участках и всех дополнительных участках сформированы металлические объемные выводы, диэлектрические подложки обращены лицевыми поверхностями друг к другу и участки разного типа проводимости каждой области соединены через посредство объемных выводов каждый с соответствующим ему дополнительным участком противоположного типа проводимости, расположенными в двух соседних дополнительных областях, и второй контактный вывод соединен с участком того же типа проводимости, что и области.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый гибридный фотопреобразователь отличается присутствием новых элементов: второй диэлектрической подложки, на лицевой поверхности которой расположены изолированные друг от друга дополнительные области легированного примесью монокристаллического кремния того же, что и у областей, типа проводимости, в каждой из которых у поверхности, примыкающей к второй диэлектрической подложке, расположен дополнительный скрытый слой того же типа проводимости, что и дополнительные области, но с большей концентрацией легирующей примеси, а у поверхности, наиболее удаленной от второй диэлектрической подложки, расположены два дополнительных участка разного типа проводимости с большей по сравнению с дополнительными областями концентрацией легирующей примеси, причем на всех участках и всех дополнительных участках сформированы металлические объемные выводы, диэлектрические подложки обращены лицевыми поверхностями друг к другу и участки разного типа проводимости каждой области соединены через посредство объемных выводов каждый с соответствующим ему дополнительным участком противоположного типа проводимости, расположенными в двух соседних дополнительных областях, и второй контактный вывод соединен с участком того же типа проводимости соответствующей крайней области, что и области.
Таким образом, заявляемый гибридный фотопреобразователь соответствует критерию изобретения «новизна».
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники показало, что признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, являются неочевидными для специалиста, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 схематично изображен вид сверху на гибридный фотопреобразователь. На фиг.2 укрупненно показаны несколько областей и дополнительных областей легированного примесью монокристаллического кремния при виде сверху, а на фиг.3 представлено поперечное сечение тех же областей и дополнительных областей. На фиг.4, 5 изображены соответственно поперечные сечения двух контактных выводов, соединенных с участками двух крайних областей. На фиг.6, 7 схематично показаны поперечные сечения прототипа (фиг.6) и заявляемого изобретения (фиг.7) с целью пояснения преимущества последнего; при этом для простоты часть конструктивных элементов опущена.
Для наглядности и упрощения чертежей масштаб не соблюден, на видах сверху (фиг.1, 2) наклонные боковые грани областей и дополнительных областей условно показаны как вертикальные, а дополнительные области условно сделаны более широкими в вертикальном направлении, чем области. По аналогичной причине на фиг.1 вторая диэлектрическая подложка условно изображена больших размеров, чем диэлектрическая подложка.
+
+
Фотопреобразователь содержит диэлектрическую подложку 1 (фиг.1-3), на лицевой поверхности 2 которой расположены изолированные друг от друга области легированного примесью монокристаллического кремния 3, 4. Для определенности считается, что области состоят из кремния, легированного акцепторной примесью. Поэтому они имеют проводимость p-типа. Изоляция областей осуществляется за счет наличия между ними промежутков 5. В каждой области у поверхности, примыкающей к диэлектрической подложке, расположен скрытый слой 6 того же типа проводимости, что и области, но с большей концентрацией легирующей примеси, а у поверхности, наиболее удаленной от диэлектрической подложки, расположены два участка разного типа проводимости 7 и 8 с большей по сравнению с областями концентрацией легирующей примеси. По типу проводимости участок 7 противоположен областям, а участок 8 совпадает с ними. В соответствии с выбранным для определенности p-типом проводимости областей скрытый слой 6 и участок 8 имеют проводимость p-типа, а участок 7 - проводимость n-типа.
+
+
Помимо диэлектрической подложки 1 гибридный фотопреобразователь содержит также вторую диэлектрическую подложку 9. На лицевой поверхности 10 второй диэлектрической подложки расположены изолированные друг от друга дополнительные области легированного примесью монокристаллического кремния того же, что и у областей, типа проводимости 11, 12, 13. Изоляция дополнительных областей осуществляется за счет наличия между ними промежутков 14. В каждой дополнительной области у поверхности, примыкающей к второй диэлектрической подложке, расположен дополнительный скрытый слой 15 того же типа проводимости, что и дополнительные области, но с большей концентрацией легирующей примеси, а у поверхности, наиболее удаленной от второй диэлектрической подложки, расположены два дополнительных участка разного типа проводимости 16 и 17 с большей по сравнению с дополнительными областями концентрацией легирующей примеси. По типу проводимости дополнительный участок 16 противоположен дополнительным областям, а дополнительный участок 17 совпадает с ними. В соответствии с выбранным для определенности р-типом проводимости областей дополнительный скрытый слой 15 и дополнительный участок 17 имеют проводимость p-типа, а дополнительный участок 16 - проводимость n-типа.
На всех участках 7, 8 и всех дополнительных участках 16, 17 сформированы металлические объемные выводы 18, 19, 20, 21. Между каждым участком и дополнительным участком и сформированным на нем объемным выводом расположена соответствующая металлическая контактная площадка 22, 23, 24, 25, обеспечивающая хорошую адгезию и малое сопротивление контакта.
+
+
+
+
+
+
+
+
Диэлектрическая подложка 1 и вторая диэлектрическая подложка 9 обращены лицевыми поверхностями друг к другу, и участки разного типа проводимости каждой области соединены через посредство объемных выводов каждый с соответствующим ему дополнительным участком противоположного типа проводимости, расположенными в двух соседних дополнительных областях. Так, в области 3 участок 8 p-типа через посредство объемных выводов 19, 20 соединен с дополнительным участком 16 n-типа дополнительной области 11, а участок 7 n-типа через посредство объемных выводов 18, 26 соединен с дополнительным участком 27 p-типа дополнительной области 12, соседней с дополнительной областью 11 (расположенная между объемным выводом 26 и дополнительным участком 27 металлическая контактная площадка обозначена номером 28). В соседней с областью 3 области 4 участок n-типа через посредство своего объемного вывода и объемного вывода 21 соединен с дополнительным участком 17 p-типа дополнительной области 11, а участок p-типа через посредство объемных выводов соединен с дополнительным участком n-типа дополнительной области 13, соседней с дополнительной областью 11.
Соединенные между собой указанным образом чередующиеся области и дополнительные области образуют последовательную цепь (фиг.1). Расположенные на концах этой цепи крайние области 29 и 30 содержат соответственно совпадающие с ними по типу проводимости участки 31 и 32 (фиг.4, 5). К каждому из этих участков присоединен соответствующий контактный вывод 33, 34.
Обратные поверхности диэлектрической подложки 1 и второй диэлектрической подложки 9 обозначены соответственно номерами 35 и 36.
Заявляемое изобретение может быть изготовлено с использованием современных технологических методов полупроводниковой микроэлектроники. В частности, для формирования областей на диэлектрической подложке и дополнительных областей на второй диэлектрической подложке можно применять структуры «кремний на сапфире». Для создания изолирующих промежутков между соседними областями 5 и соседними дополнительными областями 14 (фиг.1-3) можно использовать метод селективного травления кремния с кристаллографической ориентацией (100) до диэлектрической подложки и второй диэлектрической подложки соответственно. Металлические объемные выводы могут изготавливаться из индия.
+
+
+
+
+
+
Заявляемый гибридный фотопреобразователь работает следующим образом. Последовательная цепь чередующихся друг с другом областей и дополнительных областей (фиг.1-5) представляет собой цепь последовательно включенных в одном направлении p-n-переходов. Диэлектрическая подложка 1 и вторая диэлектрическая подложка 9 расположены так, что потоки принимаемых излучений (направления которых показаны вертикальными стрелками) падают на их обратные поверхности 35 и 36. Пройдя через толщу диэлектрической подложки и второй диэлектрической подложки соответственно, эти потоки достигают обедненных областей p-n-переходов, где преобразуют свою световую энергию в энергию электрического тока (p-n-переходы образуются, в частности, дополнительной областью 11 p-типа и дополнительным участком 16 n-типа, областью 3 p-типа и участком 7 n-типа). Напряжение, снимаемое с гибридного фотопреобразователя при его освещении, представляет собой сумму напряжений на отдельных p-n-переходах.
+
Участки и дополнительные участки того же типа проводимости, что и области и дополнительные области, но с большей концентрацией легирующей примеси (номера 8, 17, 31, 32), нужны для того, чтобы контакт полупроводника с металлом был омическим (а не выпрямляющим). Скрытые слои и дополнительные скрытые слои того же типа проводимости, что и области и дополнительные области, но с большей концентрацией легирующей примеси (номера 6, 15), служат для уменьшения влияния паразитных сопротивлений тел соответствующих областей и дополнительных областей, включенных последовательно с p-n-переходами (номера 3, 11).
+
+
Преимущество заявляемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в двукратном увеличении количества последовательно включенных в одном направлении p-n-переходов при сохранении площади диэлектрической подложки и площади одного p-n-перехода. В результате заявляемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет вдвое повысить напряжение, снимаемое с фотопреобразователя при его освещении (доведя его до уровня свыше 2000 В), при сохранении площади диэлектрической подложки.
пр
1
+
Сказанное подтверждается сравнением длины строки фотопреобразователя для прототипа и заявляемого изобретения (строки расположены параллельно оси x на фиг.1, 6, 7). При этом для заявляемого изобретения будем полагать следующее. Количество областей, расположенных на диэлектрической подложке 1 в одной строке (фиг.1, 3, 7), равно количеству областей в одной строке у прототипа N.Размеры областей, участков разного типа проводимости и изолирующих промежутков совпадают с размерами соответствующих конструктивных элементов прототипа (для обеспечения одинаковости фотоэлектрических характеристик их p-n-переходов). Размеры дополнительных областей, дополнительных участков разного типа проводимости и изолирующих промежутков, расположенных на второй диэлектрической подложке 9, равны соответственно размерам областей, участков и изолирующих промежутков, расположенных на диэлектрической подложке 1. Объемные выводы расположены вдоль строки (вдоль оси x) равномерно с шагом, составляющим половину шага следования областей l.
пр
1
пр
+
+
Ясно, что при количестве областей в строке N, значительно превышающем единицу, длина строки в заявляемом изобретении (от точки А крайней левой области в строке (фиг.7) до точки В крайней правой области строки) равна длине строки в прототипе (поскольку участком длиной l/2 на правом краю строки заявляемого изобретения можно пренебречь). При этом количество p-n-переходов, содержащихся в одной строке заявляемого изобретения (расположенных в чередующихся друг с другом областях и дополнительных областях), вдвое превышает количество p-n-переходов в одной строке у прототипа (совпадающее с числом изолированных областей p-типа N).
+
Очевидно, что количество строк, а также ширину одной строки в заявляемом изобретении и в прототипе можно сделать одинаковыми (фиг.1). При этом размеры диэлектрических подложек в направлении, перпендикулярном оси x, а следовательно, и площади этих подложек в заявляемом изобретении и в прототипе также будут одинаковыми, в то время как общее количество последовательно включенных в одном направлении p-n-переходов в заявляемом изобретении будет в 2 раза больше, чем в прототипе. Тем самым в заявляемом изобретении по сравнению с прототипом обеспечивается указанное выше двукратное увеличение напряжения, снимаемого с фотопреобразователя при его освещении, при сохранении площади диэлектрической подложки.
Источники информации
1. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984, том 2, глава 14.
2. D.H. Pommerrenig. Extrinsic Silicon Focal Plane Arrays. SPIE, 1983, v. 443, pp.144-150.
3. Т.Ю. Дмитриева, Ю.А. Концевой, С.В. Мякин. Фотопреобразователь. Патент на изобретение №2345445.