ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО СЛОЯ CdHgTe

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению, и может использоваться при изготовлении фотоприемников (ФП) на область спектра 1-14 мкм на основе эпитаксиального слоя CdHgTe.
Во всех современных ФП для достижения высокой чувствительности применяют антиотражающее покрытие, снижающее потери, связанные с отражением регистрируемого излучения от освещаемой поверхности фоточувствительного элемента (ФЧЭ). Известно, что теоретически с помощью многослойного интерференционного покрытия можно уменьшить отражение от любой реальной поверхности практически до нуля (см., например, «Интерференционные фильтры для ИК-области спектра», ЦНИИ информации технико-экономических исследований, обзор №3341, стр.7, 12, 13, Москва, 1983 г.).
Однако, для ФЧЭ, температура которых в процессе эксплуатации изменяется в широких пределах, в частности таких, как ФЧЭ на основе CdHgTe, работающих в диапазоне температур +60°С - -196°С, применение многослойных покрытий затруднено по следующим причинам:
- температурной зависимости показателей преломления отдельных слоев;
- неодинаковых температурных коэффициентов линейного расширения пленкообразующих материалов;
- трудоемкой технологии и дорогостоящего специализированного оборудования;
- большой суммарной толщины многослойного покрытия.
Поэтому в таких ФП применяют, как правило, однослойные антиотражающие покрытия из материала с показателем преломления более низким, чем у материала подложки.
Известно, что в воздухе коэффициент отражения от поверхности прозрачной оптической среды при падении света по нормали уменьшается практически до нуля при условии, что
покр
где n - показатель преломления антиотражающего покрытия;
подл
n - показатель преломления материала подложки. (см. Т.Н.Крылова «Интерференционные покрытия», Ленинград, «Машиностроение», 1973 г., стр.29).
Однако для полупроводниковых ФП, и особенно ФП на основе CdHgTe, имеются дополнительные существенные ограничения на выбор материала антиотражающего покрытия, связанные с технологией изготовления и условиями эксплуатации прибора. Кроме требований по оптическим свойствам: прозрачности в требуемой области спектра и величине показателя преломления, важными являются механические и химические свойства материала, которые не должны изменяться под воздействием повышенных температур и химических реактивов в процессе изготовления ФП.
Известен ФЧЭ на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, содержащий подложку из CdTe, через которую поступает регистрируемое излучение, на одной стороне которой сформированы фоточувствительные площадки с р-n переходами, а на другой - антиотражающее покрытие из ZnS.
Данный ФЧЭ, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип (см. IEEE Transaction on Electron Devices, ED-27, №1, 1980 г., pp 154-160, фиг.5а).
ZnS прозрачен в требуемой области спектра и по своим механическим и химическим свойствам удовлетворяет условиям изготовления и эксплуатации ФП на основе CdHgTe.
Однако, показатель преломления ZnS (n~2,2), существенно отличается от оптимального для подложки CdHgTe
CdTe
CdTe
CdTe
В результате ~ 10% регистрируемого излучения отражается от подложки, что приводит к заметному снижению чувствительности ФП. Очевидно, что для достижения максимального антиотражающего эффекта с помощью покрытия из ZnS необходимо, чтобы материал подложки имел показатель преломления n~5,0. К сожалению, известные в настоящее время материалы, пригодные в качестве подложек для эпитаксиального выращивания CdHgTe (CdTe, ZnCdTe, GaAs) не отвечают этому требованию. Показатели преломления этих материалов лежат в пределах 2,0<n<3,5 (n=2,67, n=2,69, n=3,2).
Настоящее предложение решает задачу повышения чувствительности ФП на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, выращенного на подложке с показателем преломления n, где 2,0<n<3,5.
2
2
3
Для решения этой задачи в известном ФЧЭ на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, содержащем подложку из материала с показателем преломления n, где 2,0<n<3,5, прозрачную для регистрируемого излучения, на одной стороне которой расположена фоточувствительная структура, а на другой - антиотражающее покрытие, антиотражающее покрытие выполнено из двух слоев: слоя PbF и нанесенного на него слоя АlO толщиной не более 2000 А.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, на котором схематически представлен предлагаемый ФЧЭ в разрезе.
ФЧЭ содержит подложку 1, прозрачную для регистрируемого излучения. На одной стороне подложки 1 сформирована фоточувствительная структура 2, подсоединяемая к системе считывания
2
2
3
2
2
2
и обработки сигнала (на чертеже не показана). На другую сторону подложки 1 нанесено двухслойное антиотражающее покрытие, состоящее из слоя 3 PbF и слоя 4 АlО. PbF является оптимальным антиотражающим покрытием для материалов с показателем преломления 2,0-3,5. Действительно, показатель преломления PbF равен 1,65. Поэтому, согласно формуле (I) слой РbF будет эффективно снижать отражение от таких материалов.
2
2
2
2
3
2
3
2
2
3
К сожалению, покрытие только из PbF, являясь оптимальным по своим оптическим свойствам, не отвечает необходимым требованиям по механической прочности и химической стойкости. Поэтому антиотражающее покрытие из РbF не нашло практического применения в ФП на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, так как в процессе изготовления фотоприемника покрытие сильно повреждается, вплоть до его разрушения. Для обеспечения необходимой механической прочности и химической стойкости на слой PbF дополнительно нанесен слой АlO толщиной не более 2000 А. Показатель преломления АlО в среднем ИК-диапазоне (n~1,6) близок к показателю преломления PbF (n=l,65), a его механическая прочность и химическая стойкость широко известна. Что касается прозрачности в рабочей области спектра ФП на CdHgTe (1-14 мкм), то при длинах волн свыше 5,5 мкм наблюдается существенный рост поглощения в этом материале. Однако, как показали проведенные авторами исследования, при толщине слоя АlО≤2000 А в спектральном диапазоне до 12 мкм (рабочий диапазон ФП на основе CdHgTe) поглощение не превышает 2% и, следовательно, не может привести к заметному снижению чувствительности ФП.
2
2
3
покр
2
2
3
Общая толщина двухслойного покрытия РbF-АlО определяется в соответствии с максимумом спектральной чувствительности данного ФЧЭ (которая может изменяться в зависимости от конкретного состава соединения и определяется из условия , где n - показатель преломления антиотражающего покрытия РbF-АlО;
d - общая толщина двухслойного антиотражающего покрытия;
max
2
2
3
λ - длина волны, соответствующая максимуму чувствительности ФЧЭ. Таким образом, толщина слоя PbF будет равна разности общей толщины антиотражающего покрытия и слоя АlО.
2
2
3
Заявляемый ФЧЭ работает традиционным образом. Регистрируемые излучения поступают на фоточувствительную структуру через подложку, прозрачную в рабочей области спектра. С помощью покрытия РbF-АlО при использовании традиционных подложек CdTe, ZnCdTe, GaAs отражение регистрируемого излучения снижается до величины 1-2%.
Были изготовлены и испытаны экспериментальные ФЧЭ на основе эпитаксиального слоя CdHgTe с использованием предлагаемого антиотражающего покрытия и антиотражающего покрытия из ZnS.
x
1-x
2
2
3
max
mах
2
3
2
3
На подложках из GaAs и ZnCdTe (x=0,04) в эпитаксиальных слоях CdHgTe р-типа формировались фотодиодные матрицы формата 384×288. Регистрируемое излучение поступало через подложку, на которую наносилось двухслойное антиотражающее покрытие РbF-АlО. На контрольные образцы наносилось антиотражающее покрытие из ZnS. Общая толщина двухслойного покрытия составляла от 0,23 мкм для λ=1,5 мкм до 1,82 мкм для λ=12 мкм. Толщина слоя AlO на различных образцах варьировалась от 500  до 2000 . При толщине слоя А1O меньше 500  не на всех образцах удавалось избежать повреждений покрытия.
2
3
2
2
2
3
2
3
Минимальная толщина слоя А1O зависит от совершенства обработки поверхности подложки и совершенства слоя PbF. В настоящее время, как правило, в слое PbF имеют место ростовые микродефекты, приводящие к возможности проколов слоя АlО при его толщине менее 500 . С усовершенствованием технологии возможно применение слоя АlО гораздо меньшей толщины, что предпочтительнее с точки зрения оптических характеристик покрытия.
2
2
3
Исследование полученных образцов показали, что чувствительность фотодиодных матриц с антиотражающим покрытием РbF-АlО увеличивалось на 30% при использовании подложек из GaAs и на 20% - из ZnCdTe по сравнению с чувствительностью аналогичных ФЧЭ с традиционным антиотражающим покрытием из ZnS.