ФОТОДИОДНАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ПРИЕМНИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к полупроводниковой технике и может быть использована для создания фотоприемных устройств (ФПУ) матричного типа, предназначенных для регистрации и измерения инфракрасного (ИК) излучения.
Известна фотодиодная структура для приемника инфракрасного излучения (патент США на изобретение №4588446, МПК: 4 Н01L 21/385), содержащая полупроводниковую подложку, прозрачную в диапазоне длин волн, подлежащих регистрации, расположенную на подложке полупроводниковую варизонную структуру, причем варизонная структура выполнена в составе слоя, имеющего плавное увеличение ширины запрещенной зоны от подложки к поверхности, при этом подложка изготовлена из CdHgTe, а указанный слой получен посредством уменьшающего поверхностные токи утечки диффузионного отжига пленок Cd или Zn.
Известна фотодиодная структура для приемника инфракрасного излучения (патент США на изобретение №4549195, МПК: 4 Н01L 27/14), содержащая полупроводниковую подложку, прозрачную в диапазоне длин волн, подлежащих регистрации, расположенную на подложке полупроводниковую варизонную структуру, причем варизонная структура выполнена в составе двух слоев, образующих р-n переход, из материалов, имеющих отличные друг от друга значения ширины запрещенной зоны, первый слой расположен на подложке, на участке заданной площади, и выполнен из материала с меньшей шириной запрещенной зоны, а расположенный на нем второй слой - из материала с большей шириной запрещенной зоны, покрывая при этом всю площадь первого слоя и частично подложку, способствуя достижению уменьшения поверхностных токов утечки.
В качестве ближайшего технического решения известна фотодиодная структура для приемника инфракрасного излучения (патент США на изобретение №5880510, МПК: 6 Н01L 31/00), содержащая полупроводниковую подложку, прозрачную в диапазоне длин волн, подлежащих регистрации, расположенную на подложке полупроводниковую варизонную структуру, причем в составе варизонной структуры выполнен слой с противоположным типом проводимости относительно подложки и обеспечивающий уменьшение поверхностных токов утечки пассивирующий широкозонный варизонный
слой, при этом положка, осуществляющая функцию рабочего слоя, и слой с противоположным типом проводимости относительно подложки выполнены из CdHgTe, а пассивирующий широкозонный слой получен посредством диффузионного отжига пленок Cd или Zn.
К недостаткам вышеперечисленных известных технических решений относятся: отсутствие достижения максимальной ампер-ваттной чувствительности, низкая предельная частота фотоприема, отсутствие однородности параметров по площади, значительная суммарная величина темнового тока и фонового фототока.
Отсутствие достижения максимальной ампер-ваттной чувствительности обусловлено конструктивными особенностями известных фотодиодных структур для приемника ИК излучения. Конструктивные решения не устраняют в полной мере поверхностных токов утечки и допускают наличие поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда, что в результате приводит к недостаточно высокому квантовому выходу и, как следствие, снижению ампер-ваттной чувствительности.
s
s
s
s
Низкая предельная частота фотоприема является следствием высокого последовательного сопротивления в слое р - типа, поскольку при высокочастотном приеме предельная частота фотодиодного приемника, определяется не только временем диффузии-дрейфа носителей через базу, временем их пролета через область пространственного заряда (ОПЗ), а также величиной RC, где R - последовательное сопротивление, включающее сопротивление растекания по базовому слою и контактные сопротивления, С - емкость p-n - перехода. Следует отметить, что в случае гетеродинного приема, негативная роль R еще более существенна, так как наряду с частотным ограничением большая величина R приводит к значительному изменению рабочей точки (напряжение смещения) p-n - перехода вследствие протекания больших, порядка 1÷10 мА, токов, тогда как типичные мощности гетеродинного (опорного) пучка могут достигать единиц милливатт.
s
Негативное влияние большой величины R является существенным и для низкочастотных фотодиодных приемников матричного и линейчатого типа. При изготовлении таких приемников базовый контакт формируют в виде рамки, обрамляющей матрицу или линейку фотодиодов таким образом, что последовательное сопротивление складывается из сопротивления растекания по базовому слою, и характеризуется величиной, различающейся для центральных и периферийных элементов. Суммарный ток от отдельных p-n - переходов, текущий в базовом слое (от всех элементов или части элементов матрицы, что определяется режимом работы мультиплексора), может достигать такой величины, что падение напряжения в базовом слое, обусловленное им, сдвигает
рабочую точку фоточувствительных элементов. Последнее эквивалентно усилению фотоэлектрической связи между элементами, и приводит к дополнительному вкладу в шумы ФПУ.
s
Неоднородность параметров по площади, проявляющаяся при работе реализованных приемников ИК излучения в виде матрицы, обусловлена также наличием большой величины R. Последняя приводит к неоднородности параметров по площади матрицы, поскольку в обязательном порядке включает в себя сопротивление растекания по базовому слою, которое значительно отличается по величине для центральных и периферийных элементов.
И, наконец, относительно значительной суммарной величины темнового тока и фонового фототока. В случае матричного исполнения это приводит к необходимости обработки большого тока в ячейке считывания мультиплексора, что вносит ограничения на рабочую температуру и длинноволновую границу фотоприемной матрицы. Кроме того, большая величина тока по общим шинам мультиплексора ограничивает максимальный формат фотоприемной матрицы. Причина недостатка заключается в конструктивных особенностях фотодиодной структуры, в которой не предусмотрены меры, обеспечивающие требуемую суммарную величину темнового тока и фонового фототока.
Техническим результатом полезной модели является:
- увеличение ампер-ваттной чувствительности до максимального значения;
- повышение предельной частоты фотоприема;
- достижение однородности параметров по площади;
- снижение суммарной величины темнового тока и фонового фототока.
Технический результат достигается тем, что в фотодиодной структуре для приемника инфракрасного излучения, содержащей полупроводниковую подложку, прозрачную в диапазоне длин волн, подлежащих регистрации, расположенную на подложке полупроводниковую варизонную структуру, в составе варизонной структуры между поглощающим рабочим слоем с фиксированным значением ширины запрещенной зоны и р-n переходом выполнен слой с нарастанием ширины запрещенной зоны, формирующим изотопный варизонный переход, в направлении от подложки, и выходом ширины запрещенной зоны на фиксированное значение, в области которого и расположен р-n переход, а между подложкой и поглощающим рабочим слоем с фиксированным значением ширины запрещенной зоны последовательно в направлении от подложки выполнены полученный сильным легированием высокопроводящий слой с фиксированным значением ширины запрещенной зоны, слой с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», с нарастанием ее значения и затем с более плавным
спадом до значения, соответствующего ширине запрещенной зоны в рабочем слое, и на слое с нарастанием в направлении от подложки ширины запрещенной зоны, формирующим изотипный варизонный переход, со стороны р-n перехода, выполнен слой с нарастанием ширины запрещенной зоны в направлении от подложки.
В фотодиодной структуре на подложке в составе варизонной структуры выполнен дополнительный слой с плавно уменьшающейся шириной запрещенной зоны с увеличением расстояния от поверхности подложки.
В фотодиодной структуре в составе подложки выполнен буферный слой, на котором расположена варизонная структура.
x
1-x
В фотодиодной структуре полупроводниковая варизонная структура выполнена из CdHgTe, послойная вариация ширины запрещенной зоны задана послойной вариацией состава.
В фотодиодной структуре подложка выполнена из GaAs.
В фотодиодной структуре буферный слой выполнен прозрачным для излучения в спектральной области чувствительности фотоприемника.
В фотодиодной структуре буферный слой выполнен в составе слоев CdTe и ZnTe.
x
1-x
17
-3
В фотодиодной структуре полученный сильным легированием высокопроводящий слой с фиксированным значением ширины запрещенной зоны выполнен n-типа проводимости CdHgTe, с х=0,3, толщиной 2,7 мкм, с концентрацией легирующей примеси 5,7×10 см.
x
1-x
15
-3
В фотодиодной структуре слой с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», с нарастанием ее значения и затем с более плавным спадом до значения, соответствующего ширине запрещенной зоны в рабочем слое, выполнен р-типа проводимости CdHgTe, с нарастанием х до х=0,36, толщиной 1,0 мкм, с концентрацией легирующей примеси 4,7×10 см.
x
1-x
15
-3
В фотодиодной структуре поглощающий рабочий слой с фиксированным значением ширины запрещенной зоны выполнен р-типа проводимости CdHgTe, с х=0,225, толщиной 7,9 мкм, с концентрацией легирующей примеси 4,7×10 см.
x
1-x
15
-3
В фотодиодной структуре слой с нарастанием ширины запрещенной зоны, формирующим изотипный варизонный переход, в направлении от подложки, и выходом на фиксированное значение, в области которого и расположен р-n переход, выполнен толщиной 2,6 мкм, р-типа проводимости CdHgTe, с нарастанием х в направлении от подложки от х=0,225 до х=0,250 и выходом х на постоянное значение, с концентрацией легирующей примеси 4,7×10 см.
x
1-x
15
-3
В фотодиодной структуре слой с нарастанием ширины запрещенной зоны в направлении от подложки выполнен, выполнен толщиной 0,4 мкм, р-типа проводимости CdHgTe, с нарастанием х в направлении от подложки от х=0,250 до х=0,490, с концентрацией легирующей примеси 4,7×10 cм.
x
1-x
17
-3
В фотодиодной структуре дополнительный слой с плавно уменьшающейся шириной запрещенной зоны с увеличением расстояния от поверхности подложки выполнен n или р типа проводимости CdHgTe, со спадом х в направлении от подложки от х=0,37 до х=0,3, толщиной 0,5÷1,5, с концентрацией легирующей примеси 3×10 см.
17
18
-2
В фотодиодной структуре р-n переход сформирован посредством выполнения области n типа проводимости с концентрацией свободных носителей заряда 10÷10 см, толщиной 2 мкм.
Сущность полезной модели поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. Фиг.1 - изменение ширины запрещенной зоны с расстоянием от поверхности подложки варизонной гетероэпитаксиальной структуры и схема расположения слоев, где 1 - дополнительный слой с плавным снижением ширины запрещенной зоны, 2 - высокопроводящий сильнолегированный слой с фиксированным значением ширины запрещенной зоны, 3 - слой с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», 4 - рабочий слой с фиксированным значением ширины запрещенной зоны, 5 - слой с нарастанием в направлении от подложки ширины запрещенной зоны, формирующим изотипный варизонный переход, и выходом ее на постоянное значение, в области которого выполнен р-n (n-р) переход, 6 - слой с нарастанием ширины запрещенной зоны. Фиг.2 - профиль состава по толщине гетероэпитаксиальной варизонной структуры CdHgTe, выращенной молекулярно-лучевой эпитаксией на подложке GaAs.
В предлагаемой полезной модели достижение технического результата осуществляется следующим образом.
x
1-x
s
Уменьшение последовательного сопротивления Rs возможно за счет выполнения между рабочим поглощающим слоем и подложкой высокопроводящего слоя (В.С.Варавин, В.В.Васильев, Т.И.Захарьяш, С.А.Дворецкий, Н.Н.Михайлов, В.И.Овсюк, В.М.Осадчий, Ю.Г.Сидоров, А.О.Сусляков. «Фотодиоды с низким последовательным сопротивлением на основе варизонных эпитаксиальных слоев CdHgТе» Оптический журнал, том 66, №12, 1999 г., стр.69-72), что обеспечивает повышение предельной частоты фотоприема и достижение однородности параметров по площади. В приведенном случае для снижения величины последовательного сопротивления R использовался узкозонный слой. Однако использование узкозонных слоев для устранения данных недостатков уровня техники отрицательно влияет на ампер-ваттную чувствительность
s
фотоприемников в связи с существующим дополнительным поглощением регистрируемого излучения в таких слоях. Альтернативный вариант снижения последовательного сопротивления R и, следовательно, повышения предельной частоты фотоприема и достижение однородности параметров по площади, заключается в выполнении между рабочим поглощающим слоем и подложкой в качестве высокопроводящего слоя сильнолегированного слоя (2) (см. Фиг.1), благодаря чему удается исключить влияние дополнительного поглощения в нем и обеспечить высокую ампер-ваттную чувствительность. Устранение дополнительного поглощения излучения связано с эффектом Мосса-Бурштейна и эффектом отсутствия поглощения при ширине запрещенной зоны в высокопроводящем сильнолегированном слое большей, чем в рабочем поглощающем слое.
В последнем случае дополнительным положительным эффектом является отсечка излучения в коротковолновой части спектра холодным отсекающим фильтром, функцию которого и выполняет высокопроводящий сильнолегированный слой (2) с шириной запрещенной зоны большей, чем в рабочем слое (4).
Увеличение ампер-ваттной чувствительности до максимального значения обеспечивается присутствием слоев (3) и (6) (см. Фиг.1): слой (3) с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика» «запирает» неосновные носители заряда в рабочем слое (4) со стороны подложки, слой (6) с нарастанием ширины запрещенной зоны устраняет влияние поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда и подавляет поверхностные токи утечки. В результате большая часть неосновных носителей заряда участвует в процессах формировании сигнала, чем обеспечивается более высокий квантовый выход и, как следствие, повышается ампер-ваттная чувствительность.
1-x
x
Требуемое снижение суммарной величины темпового и фонового тока достигается путем введения плавного изотипного р-Р перехода в состав варизонной структуры фотодиодного приемника излучения. Известно (В.В.Васильев, А.С.Дворецкий, В.С.Варавин, Н.Н.Михайлов, В.Г.Ремесник, Ю.Г.Сидоров, А.О.Сусляков, А.Л.Асеев, «Матричный фотоприемник на основе варизонного изотипного перехода в слоях HgCdTe, выращенных методом МЛЭ», Автометрия, т.43, №4, с.с.17-24), что использование изотипного варизонного перехода позволяет создавать фотоприемные матрицы с параметрами, близкими к идеальному диоду, описываемому диффузионно-дрейфовым механизмом токопереноса.
Выполнение в составе варизонной полупроводниковой структуры слоя (5) (см. Фиг.1) с нарастанием ширины запрещенной зоны, формирующим изотипный варизонный переход, в направлении от подложки, и выходом ширины запрещенной зоны на
фиксированное значение, в области которого и расположен р-n переход, обеспечивает наличие потенциального барьера для движущихся к р-n переходу носителей заряда. Высота потенциального барьера задает величину потока движущихся к р-n (n-р) переходу носителей заряда, и тем самым обуславливает конкретную суммарную величину темнового тока и фонового фототока. Формирование потенциального барьера той или иной высоты в варизонном слое, то есть нарастание в направлении от подложки к р-n переходу ширины запрещенной зоны, осуществляется посредством вариации состава варизонной структуры. Потенциальный барьер выполняют между фоточувствительной областью, в которой происходит поглощение регистрируемого излучения (рабочий слой (4), см. Фиг.1), и р-n переходом, к которому осуществляют движение носители заряда для формирования сигнала.
Фотодиодная структура для приемника ИК излучения выполнена в составе: полупроводниковой подложки и расположенной на подложке полупроводниковой варизонной структуры.
Варизонная структура содержит последовательно располагаемые в отношении подложки элементы: полученный сильным легированием высокопроводящий слой (2) с фиксированным значением ширины запрещенной зоны, слой (3) с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», с нарастанием ее значения и затем с более плавным спадом до значения, соответствующего ширине запрещенной зоны в рабочем слое, поглощающий рабочий слой (4) с фиксированным значением ширины запрещенной зоны, слой (5) с нарастанием в направлении от подложки ширины запрещенной зоны, формирующим изотипный варизонный переход (см. Фиг.1), р-n переход (не показан) и слой (6) с нарастанием ширины запрещенной зоны в направлении от подложки (см. Фиг.1). В отношении слоев (3) и (6) следует отметить, что могут быть выполнены оба слоя или один из них.
Полупроводниковая подложка выбрана прозрачной в диапазоне длин волн, подлежащих регистрации, например, из GaAs.
Полупроводниковая варизонная структура, выполняющая активную функцию в фотоприеме, сформирована, например, на основе CdHgTe.
Материалы подложки и полупроводниковой варизонной структуры могут иметь значительную разницу постоянных кристаллической решетки (Δ). В составе подложки при необходимости, как, например, в рассматриваемом случае выбора материала подложки из GaAs, и материала фотоприемника из CdHgTe (Δ до 14,6%) выполнен буферный слой. В частности, в состав буфера входят слои CdTe и ZnTe. Указанный бислойный буфер предназначен для оптимального согласования постоянных
кристаллической решетки материала подложки и материала слоев варизонной структуры с целью формирования последней, в максимальной степени удовлетворяющей условию высокого структурного совершенства. Буфер так же, как и подложка, является прозрачным в спектральной области фотоприема.
В частных случаях реализации полезной модели слои в составе полупроводниковой варизонной структуры выполняют нижеследующим образом.
x
1-x
17
-3
Дополнительный слой (1) (см. Фиг.1) с плавно уменьшающейся шириной запрещенной зоны с увеличением расстояния от поверхности подложки выполняют n или р типа проводимости CdHgTe с вариацией состава. Вариация состава характеризуется спадом х в направлении от подложки от х=0,37 до х=0,3. Толщина дополнительного слоя (1) составляет 0,5÷1,5, а концентрация легирующей примеси - 3×10 м.
x
1-x
-7
3
Высокопроводящий слой (2) (см. Фиг.1), полученный сильным легированием, выполняют с фиксированным значением ширины запрещенной зоны, например, n-типа проводимости CdHgTe, с х=0,3. Толщина слоя (2) составляет, например, 2,7 мкм, а концентрация легирующей примеси - 5,7×10 см'.
x
1-x
15
-3
Слой (3) (см. Фиг.1) с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», с нарастанием ее значения и затем с более плавным спадом до значения, соответствующего ширине запрещенной зоны в рабочем слое, выполняют, например, р-типа проводимости CdHgTe, с нарастанием х до х=0,36 и последующим спадом. Его толщина составляет, например, 1,0 мкм, а концентрация легирующей примеси - 4,7×l0 cм.
x
1-x
15
-3
Поглощающий рабочий слой (4) (Фиг.1) с фиксированным значением ширины запрещенной зоны выполняют, например, р-типа проводимости CdHgTe, с х=0,225, толщиной 7,9 мкм, с концентрацией легирующей примеси 4,7×10 см.
x
1-x
15
-3
Слой (5) (см. Фиг.1) с нарастанием ширины запрещенной зоны, формирующим изотипный варизонный переход, в направлении от подложки, и выходом ширины запрещенной зоны на фиксированное значение, в области которого и расположен р-n переход, выполняют, например, толщиной 2,6 мкм, р-типа проводимости CdHgTe, с нарастанием х в направлении от подложки от х=0,225 до х=0,250 и выходом х на постоянное значение, с концентрацией легирующей примеси 4,7×10 см.
x
1-x
15
-3
Слой (6) (см. Фиг.1) с нарастанием ширины запрещенной зоны в направлении от подложки выполняют, например, толщиной 0,4 мкм, р-типа проводимости CdHgTe, с нарастанием х в направлении от подложки от х=0,250 до х=0,490, с концентрацией легирующей примеси 4,7×l0 cм.
Наличие тех или иных слоев в составе полупроводниковой варизонной структуры определяют конкретные требования, предъявляемые к приемнику инфракрасного
излучения. Величина и профиль ширины запрещенной зоны в слоях варизонной структуры, тип проводимости слоев определяются для каждого конкретного случая (ширина запрещенной зоны рабочего слоя, рабочая температура фотоприемника, физические параметры полупроводника) из учета требований подавления рекомбинации неосновных носителей заряда и обеспечения максимальной квантовой эффективности.
Для изготовления фотодиода выращивают методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) с контролем состава гетероэпитаксиальную структуру в составе подложки GaAs и полупроводниковой варизонной структуры CdHgTe. На Фиг.2 приведен профиль состава выращенной структуры.
1-x
x
17
18
-2
Фотодиод на выращенной структуре (Фиг.2) изготавливают методом планарной технологии. Пример изготовления матричных фотоприемников с использованием изотипного варизонного перехода рассмотрен в работе (В.В.Васильев, А.С.Дворецкий, В.С.Варавин, Н.Н.Михайлов, В.Г.Ремесник, Ю.Г.Сидоров, А.О.Сусляков, А.Л.Асеев, «Матричный фотоприемник на основе варизонного изотипного перехода в слоях HgCdTe, выращенных методом МЛЭ», Автометрия, т.43, №4, с.с.17-24). Области n типа проводимости с концентрацией свободных носителей заряда 10÷10 см, толщиной 2 мкм при формировании р-n перехода получены имплантацией ионов бора.
Фото диодная структура работает следующим образом.
Поток ИК излучения проходит через подложку, слои (1)-(3), не поглощаясь ими, и попадает в рабочий слой (4) (Фиг.1). В рабочем слое (4) происходит поглощение прошедшего ИК излучения и генерация неосновных носителей заряда, которые диффундируют через потенциальный барьер слоя (5), захватываются р-n (n-р) переходом, расположенным в этом слое (5), в области, характеризующейся фиксированным значением ширины запрещенной зоны и создают фототок, формирующий сигнал фотоприема. При этом, в случае противоположного типа легирования слоев (2) и (3), прямосмещенный р-n переход, образованный слоями (2) и (3), обладает низким дифференциальным сопротивлением. Слой (3) с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», являющийся также барьером для носителей заряда, препятствует рекомбинации фотогенерированных неосновных носителей заряда в высокопроводящем слое (2) и отсекает поток темновых носителей заряда из слоя (2) в рабочий слой (4). Потенциальный барьер между рабочим слоем (4) и р-n (n-р) переходом уменьшает поток как фотогенерированных, так и темновых носителей заряда из фоточувствительной области слоя (4) в слой (5), приводя к уменьшению суммарного тока через р-n (n-р) переход.
В случае отсутствия потенциального барьера, ограничивающего суммарную величину тока фотогенерированных и темновых носителей заряда, отношение сигнал-шум в матричном фотоприемнике определяется выражением:
где, S - величина фотосигнала;
N - величина шума (в тех же единицах, что и S);
Ic - ток фотосигнала на n-р переходе;
In - суммарный тока через n-р переход;
k - коэффициент заполнения емкости накопления;
Q - емкость накопления, Кл;
-19
q - элементарный заряд, равный 1,6·10 Кл.
В случае наличия потенциального барьера отношение сигнал-шум в матричном фотоприемнике определяется выражением:
где S - величина фотосигнала;
N - величина шума (в тех же единицах, что и S);
Ic - ток фотосигнала на n-р переходе;
In - суммарный тока через n-р переход;
k - коэффициент заполнения емкости накопления;
Q - емкость накопления, Кл;
-19
q - элементарный заряд, равный 1,6·10 Кл;
k1 - коэффициент характеризующий уменьшение тока фотосигнала на n-р переходе;
k2 - коэффициент характеризующий уменьшение суммарного тока через n-р переход.
Обычно In кроме диффузионной компоненты имеет составляющие, связанные с туннелированием носителей через n-р переход и генерацией носителей в области n-р перехода, которые подавляются за счет расположения n-р перехода в более широкозонном слое, поэтому k1≥k2. Таким образом, посредством снижения суммарной величины темнового тока и фонового фототока при увеличении времени накопления с целью достижения той же величины k, что и в первом случае, можно увеличить отношение сигнал-шум.
Кроме того, увеличение дифференциального сопротивления диода снижает компоненту шума, связанную с шумовой ЭДС входного транзистора мультиплексора,
n
n
d
n
d
i=e/R, где e - шумовая ЭДС напряжения смещения, R - дифференциальное сопротивление диода.