ДВУХВОЛНОВЫЙ ФОТОДИОД ДЛЯ СРЕДНЕВОЛНОВОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

3
5
3
5
Полезная модель относится к фотонике, а именно, к средневолновым инфракрасным (ИК) оптическим устройствам на основе полупроводников АВ, работающим в составе пирометров [Sotnikova G. Yu. et al, "Mid-infrared radiation technique for direct pyroelectric and electrocaloric measurements", 2020, Rev. Sci. Instrum., v.91, 1 ArtNo: #015119, DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.5108639] и/или газоанализаторов [Б.А. Матвеев, Г.Ю. Сотникова, «Светодиоды средневолнового ИК диапазона на основе гетероструктур АВ в газоаналитическом приборостроении. Возможности и применения 2014-2018», Оптика и спектроскопия, 2019, том 127, вып. 2, 300-305]. 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 [Н.П. Есина и др., «Исследование электролюминесценции р-n переходов в арсениде индия», ФТТ, том. 9, в. 5, стр. 1324-1328 (1967)] до свето- и фотодиодов (ФД), в том числе лавинных ФД на основе pin-гомо структур [Ian С. Sandall et al, «Linear array of InAs APDs operating at 2 pm», OPTICS EXPRESS 25780, Vol. 21, No. 22 | DOI:10.1364/OE.21.025780 |(2013)] и гетероструктур.
Развитие методов обнаружения и классификации объекта измерения, а равно и методов маскировки цели делает необходимым переход от упомянутых выше одноволновых фотоприемников к мультиволновым, 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 λ1 и λ2, можно сформировать (фото)сигнал, слабо зависящий от излучательной способности объекта, положив ε1=ε2:
с искомым результатом [A. Rogalski, «lnfrared Detectors», second ed., CRC Press, Tailor and Francis Group, 2012, International Standard Book Number: 978-1-4200-7671-4] в виде:
Наиболее востребованными являются измерения Т в двух диапазонах спектра электромагнитного излучения: 3-5 мкм (средневолновая ИК область - MIR-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 (например, заводом «Сапфир») одноволновые матричные фотоприемники [П. Гиндин и др., «Матричные и субматричные фотоприемные модули», ФОТОНИКА, Выпуск №6/42, стр. 62-72 (2013)] имеют ограниченный круг применения, поэтому создание двухволновых фотоприемников [Е. Дмитриев, «Фотоприемники для работы в мультиспектральных оптоэлектронных системах. Проблемы создания», ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 8, 2005, в. 2, стр.7 4-79] является актуальной задачей.
Задача создания многоволновых фотоприемников изначально решалась путем создания фотоприемных модулей, содержащих дискретные полупроводниковые фотоприемники с возрастающей по ходу входящих лучей граничной длиной волны фоточувствительности [V.P. Ponomarenko, A.M. Filachev, «lnfrared Techniques and Electro-optics in Russia: A History 1946-2006», SPIE vol. PM165, ISBN 0-9194- 6355-8 (см. на стр. 96)]. В этом известном техническом решении (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 мультиволновых ИК матриц, которая может создаваться путем «склейки» нескольких матриц в единое целое [М.A. Kinch, "HDVIP FPA technology at DRS Infrared Technologies", Proc. SPIE 4369, 566 (2001), Peter D. Dreiske, «Development of Two-Color Focal-Plane Arrays Based on HDVIP», Proc. of SPIE Vol. 5783, (2005), doi: 10.1117/12.609127], монтаже определенной последовательности линеек в сканирующих устройствах [К.В. Козлов и др., «Современные инфракрасные фотоприемные устройства для сканирующей аппаратуры дистанционного зондирования Земли (обзор)», Успехи прикладной физики, 2017, том 5, №1, стр. 63] или при выращивании слоев с различной границей фоточувствительности на единой подложке [Е.R. Blazejewski et al, "Bias-switchable dual-band HgCdTe infrared photodetector", J. Vac. Sci. Technol. B10, 1626 (1992)]. В последнем случае самым распространенным является создание монолитных структур типа n-p-n или p-n-p с помощью выращивания из органометаллических газов (MOVPE) или из молекулярных пучков (МВЕ).
В таких монолитных фотоприемниках коротковолновая область фоточувствительности (Short wave - SW) расположена первой по ходу падающих на элемент лучей, за ней расположен широкозонный барьерный слой, в котором отсутствует поглощение; 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 фототок, другой (SW ФД) при этом считается «закороченным». Недостатком такой конструкции является то, что затрудняется подбор оптимального смещения для каждого из p-n 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 [W. A. Radford et al., "Third Generation FPA Development Status at Raytheon Vision Systems," Proceedings of SPIE 5783, 331-39, 2005].
Выбор спектрального диапазона для проведения измерений в описанной выше «двухконтактной» конструкции может быть осуществлен также и с помощью «оптического переключения» с помощью внешнего источника [О.О. 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]. 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 устройства должны удовлетворять простым критериям - сопротивление коротковолнового фотоприемника должно быть, по крайней мере, на порядок выше, чем сумма сопротивлений для двух других частей структуры.
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 на подложке из Si [Jianfei Wang et al, «Monolithically integrated, resonant cavity-enhanced dual-band mid-infrared photodetector on silicon», Appl. Phys. Lett. 100, 211106 (2012); https://doi.org/10.1063/1-4722917]. По утверждению авторов, такой подход при создании двухволновых приемников излучения, например, на длины волн 1.6 и 3.7 мкм, менее трудоемок, чем создание структур с активными слоями разного химического состава.
Известен двухволновый фотодиод для средней инфракрасной области спектра на основе монолитной гетероструктуры, содержащей полупроводниковую подложку с электронным типом проводимости, прозрачную для излучения в области рабочего спектра фотодиода, выращенные на ней эпитаксиальные слои из узкозонных полупроводников с дырочным и электронным типом проводимости, по крайней мере, два из которых имеют толщину, сопоставимую с обратной величиной коэффициента поглощения излучения в рабочем диапазоне длин волн и возрастающую по ходу лучей длинноволновую граничную длину волны фоточувствительности, омические контакты, по крайней мере, один из которых сопряжен с одним из слоев с дырочным типом проводимости [Yanka Robert W., Noble Milton L, «A-dual band IR sensor having two monolithically integrated staring detector arrays for simultaneous, coincident image readout», патент США №5512750 с приоритетом от 3 июня 1994 года].
111
В известном решении на противоположных сторонах подложки CdZnTe, ориентированной в плоскости (111), т.е. на сторонах (111)А и ()В, методом жидкофазной эпитаксии или из молекулярных пучков в сверхвысоком вакууме выращивались р-n структуры на основе твердого раствора CdHgTe, причем узкозонный поглощающий слой и прилегающий к нему p-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.
Недостатком известного решения является также затрудненность его использования в конструкциях с иммерсионной оптикой из-за отсутствия свободной поверхности подложки для ее монтажа. В то же время все существующие на сегодняшний день масштабные применения средневолновых ФД на подложке InAs связаны с использованием именно иммерсионных линз.
Главным же недостатком известного решения является вынужденное использование двух разнесенных во времени технологических процессов выращивания структур: существующие методы и аппаратура предполагает выращивание слоев только на одной из поверхностей подложки в одном процессе. Это увеличивает время, необходимое для создания гетероструктуры, удорожает производство и часто ведет к ухудшению параметров изготавливаемых фотоприемников.
3
5
Задачей полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик за счет использования материалов АВ и обеспечения возможности использования иммерсионного сопряжения с линзами.
3
5
Поставленная задача решается тем, что в двухволновом фотодиоде для средней инфракрасной области спектра на основе монолитной гетероструктуры, содержащей полупроводниковую подложку с электронным типом проводимости, прозрачную для излучения в области рабочего спектра фотодиода, выращенные на ней эпитаксиальные слои из узкозонных полупроводников с дырочным и электронным типом проводимости, по крайней мере, два из которых имеют толщину, сопоставимую с обратной величиной коэффициента поглощения излучения в рабочем диапазоне длин волн и возрастающую по ходу лучей длинноволновую граничную длину волны фоточувствительности, омические контакты, по крайней мере, один из которых сопряжен с одним из слоев с дырочным типом проводимости, подложка выполнена из арсенида индия, эпитаксиальные слои выполнены из полупроводников АВ и расположены на одной из ее сторон, при этом слой на поверхности гетероструктуры и слой, граничащий с подложкой, выполнены с электронным типом проводимости.
3
5
1-x
x
1-x-y
x
y
1-x
x
1- y
y
В предлагаемом решении на одну из сторон подложки InAs последовательно наращивают две независимые p-n гетероструктуры, в которых слои на основе узкозонных полупроводников АВ, таких как, InAs, lnAsSb, InAsSbP, InGaAsSb, имеют толщину, сопоставимую с обратной величиной коэффициента поглощения излучения в рабочем диапазоне длин волн. Такие слои обычно называют «поглощающими» и их располагают с возрастанием по ходу лучей длинноволновой граничной длины волны фоточувствительности. Помимо перечисленных выше полупроводников в качестве материала поглощающих слоев могут быть использованы и другие твердые растворы, например, GaInAsSbP (и гетероструктуры GaInAsSbP/InAs), AlInPSbAs (и гетероструктуры AlInPSbAs/InAs), а также слои с квантовыми точками и нанопроволоками.
cut-off
cut-off
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 на подложке n-типа проводимости (1) выращены 3 слоя (2, 3, 4), два из которых (2, 4) имеют n-тип проводимости, а один (3) - р-тип проводимости. Первый по ходу лучей слой (2) имеет меньшую красную граничную длину волны фоточувствительности, чем третий слой (4) (λ2<λ4). Слои выращены на одной стороне прозрачной в рабочем диапазоне подложки (1). К каждому из слоев (2, 3, 4), подсоединены индивидуальные омические контакты, соединенные с проводниками: (5) - к слою (3), (6) - к слою (2), (7) - к слою (4).
Заявляемое устройство поясняется также чертежом, где на Фиг. 2 схематически изображен второй вариант выполнения фотодиода, где под цифрами (2, 4) понимаются поглощающие слои с электронным типом проводимости, окруженные более широкозонными (непоглощающими) слоями с электронным типом проводимости, например, представляющие собой двойные гетероструктуры (ДГС), а под цифрой (3) понимается набор слоев, имеющих р-тип проводимости. При этом под слоем можно понимать и систему слоев с заданным типом проводимости, например, сверхрешетку с требуемой эффективной шириной запрещенной зоны. Электрическое соединение слоев (2) с внешней цепью в этом варианте воплощения осуществляется через проводящую подложку (1), к которой подсоединен один из контактов (6).
3
5
ФД работает следующим образом: поток внешних избыточных/неравновесных фотонов, показанный стрелками на Фиг.1, 2, попадает в ФД и часть фотонов, имеющих наибольшую энергию поглощаются в слое (2), создавая в нем 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 5 и 6 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 [Гаврилов Г.А., и др., «Предельная чувствительность фотоприемного устройства на основе фотодиодов АВсреднего ИК-диапазона спектра», Письма ЖТФ, 37(18), 50-57 (2011)]
Одновременно с вышеизложенными процессами происходит проникновение непоглощенного в слоях (2) «длинноволнового» излучения в слой (4) с большей граничной длиной волны фоточувствительности или в область вблизи от границы раздела слоев (3) и (4). При этом происходят процессы, аналогичные описанным выше, и в цепи, образованной с участием контактов (5), (7), начнет протекать фототок, соответствующий интенсивности потока фотонов в длинноволновой части спектра фоточувствительности двухволнового ФД.
Пример.
1-x-y
x
y
1-x-y
x
y
g
1-x-y
x
y
g
1-x
x
g
1-x-y
x
y
g
Эпитаксиальные 6-слойные структуры выращивалась в ООО «ИоффеЛЕД» на подложках n-InAs (100) методом ЖФЭ в едином технологическом процессе и содержали две двойные гетероструктуры (ДГС, англ.- DH) со следующими слоями (начиная от подложки): 1. широкозонное «окно» N-InAsSbP (х=0.12÷0.13; у=0.2÷0.24), t=1.5÷2.5 мкм, Eg (77 K)=470÷490 мэВ; 2. коротковолновая фоточувствительная область n-InAs, 1=3÷4 мкм, Eg (77 K)=410 мэВ; 3. широкозонное «окно»/контактный слой р-типа Р-InAsSbP (x=0.12÷0.13; у=0.2÷0.24), t=1.5÷2.5 мкм, E (77K)=470÷490 мэВ; 4. широкозонное «окно» (контактный/буферный слой) InAsSbP (х=0.11÷0.12; у=0.07÷0.08), t=1.5÷2.5 мкм, Ε (77 K)=380÷390 мэВ; длинноволновая фоточувствительная область InAsSb (х=0.08÷0.09), t=3÷4 мкм, E (77 K)=330÷340 мэВ; контактный слой InAsSbP, (х=0.11÷0.12; у=0.07÷0.08), t=2÷3 мкм, E (77 K)=380÷390 мэВ. На небольшом участке подложки процесс выращивания второй двойной гетероструктуры не проводился, поэтому в этой «референтной» области имелась лишь первая трехслойная гетероструктура InAsSbP/InAs/InAsSbP.
На Фиг. 3 представлено распределение Р, Sb, а также примесей (Zn, Sn) по толщине в 6 - слойной части структуры, полученное методом динамической вторично-ионной масс-спектрометрии, которое подтверждает вышеприведенное описание структуры. На Фиг. 4 приведены спектры фотолюминесценции (ФЛ), измеренные «на отражение» в 3- и 6-слойных частях структуры при 77 К. Длинноволновый максимум в каждой из кривых соответствует излучению активной/фоточувствительной области. Разница в ширинах запрещенной зоны фоточувствительной области и широкозонного слоя составляла 50 и 80 мэВ. Полученные спектры ФЛ, практически идентичны спектрам фотолюминесценции ДГС, используемых для получения одноволновых фотоприемников с максимумами фоточувствительности 3.4 и 4.0 мкм.
1
1
2
2
-4
2
-4
2
Методами многостадийной фотолитографии и «мокрого» химического травления были изготовлены образцы фотодиодов с контактами к отдельным эпитаксиальным слоям и дисковыми поглощающими областями с диаметрами D=320 мкм (поглощающий слой InAs, А=8⋅10 см) и D=180 мкм (поглощающий слой InAsSb, А=2.5⋅10 см), как показано на схемах на Фиг. 5, Фиг. 6 и на фотографии на Фиг. 7, где символом «А» обозначен анод, а символом «С» - катоды. Далее чипы монтировались на подкристальную плату и затем на корпус ТО-18, либо состыковывались с иммерсионной кремниевой линзой диаметром 3.5 мм с помощью халькогенидного стекла и монтировались в винтовой корпус типа Sr, как показано в [www.ioffeled.com].
На рис. Фиг. 8а и Фиг. 8b приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ), полученные при различных вариантах подключения: индивидуальное/независимое подключение ДГС (Фиг. 8а: прямое смещение на контакты АС1 и АС2, и на Фиг. 8b: прямая и обратная ВАХ для подсоединения АС2) и «взаимозависимая» ВАХ при подсоединении контактов С1-С2 (Фиг. 8b). ВАХ при подсоединении контактов С1-С2 (Фиг. 8b) наиболее наглядно иллюстрирует наличие двух р-n переходов, включенных навстречу. При этом, значения плотностей темнового тока в каждом из р-n переходов имеют значения, близкие к значениям, полученным на одноволновых фотоприемниках.
1
0
На левой панели Фиг. 9 приведены спектры фоточувствительности Si в каждом из каналов ФД, смонтированного в корпусе Sr с иммерсионной линзой при комнатной температуре, а на правой панели - спектры обнаружительной способности, полученные стандартным образом: D*=S⋅rsqrt(RA/4kT). Как видно из данных на Фиг. 9, полученные эксплуатационные параметры близки к таковым для одноволновых фотоприемников с максимумами фоточувствительности 3.4 и 4.0 мкм [М.A. Remennyy et al, "InAs and InAs(Sb)(P) (3-5 pm) immersion lens photodiodes for portable optic sensors" SPIE Proceedings Vol. 6585 2007, 658504, DOI: 10.1117/12.722847], что подтверждает работоспособность полезной модели.