ФОТОДИОД ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО СЕНСОРА

Полезная модель относится к области микрофотоэлектроники, 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 на основе гетероструктуры AlN/AlGaN для селиктивно-чувствительного металл-полупроводник-металл-детектора (MSM-детектор) ультрафиолетовой части спектра (Гетероструктуры AlN/AlGaN для селиктивно-чувствительных MSM-детекторов ультрафиолетовой части спектра [Текст] / С.В. Аверин, П.И. Кузнецов, В.А. Житов, Н.В. Алкеев, В.М. Котов, А.А. Дорофеев, Н.Б. Гладышева // Журнал технической физики. - 2011. - Том 81. - Вып. 2 - С. 138-140), которая содержит подложку из сапфира, на которую нанесен буферный слой AlGaN различного состава, на поверхности которого нанесен слой широкозонного окна AlN, на поверхности которого нанесен активный слой AlGaN. На поверхности активного слоя AlGaN нанесены встречно-штыревые контакты из Ni-Au, образующие барьер Шоттки. При освещении со стороны подложки фотодиод имеет высокую фоточувствительность в области спектра с энергиями, превышающими ширину запрещенной зоны активного слоя AlGaN с долей AlN равной 0,6 (длина волны 250 нм). В области длин волн меньше 200 нм фоточувствительность фотодиода почти полностью подавлена за счет поглощения в слое широкозонного окна AlN. Фотодиод имеет ширину спектра фоточувствительности на полувысоте равную 46 нм. Поглощение света происходит в активном слое AlGaN с долей AlN равной 0,6.
Из существующего уровня техники известен фотодиод на основе p-i-n-структуры AlGaN с долей AlN равной 0,23, селективно поглощающий УФ излучение (UV detectors and focal plane array imagers based on AlGaN p-i-n photodiodes [Text] / J.P. Long, S. Varadaraajan, J. Matthews, J.F. Schetzina // Opto-electronics review. - 2002. - №10(4). - P. 251-260). Структура такого фотодиода является вертикальной, содержащий подложку из сапфира, на которую нанесен буферный слои AlGaN. На буферный слой AlGaN нанесен слой широкозонного окна n-AlGaN с долей AlN равной 0,23, к которому имеется металлический контакт. На поверхность слоя широкозонного окна n-AlGaN с долей AlN равной 0,23 последовательно нанесен активный слой, состоящий из n-GaN и p-GaN. На поверхность активного слоя нанесен второй металлический контакт. При освещении со стороны подложки фотодиод обладает фоточувствительностью в области от 320 нм до 365 нм. Границы фоточувствительности характеризуются шириной запрещенной зоны слоя широкозонного окна AlGaN с долей AlN равной 0,23 и активного слоя GaN соответственно. Поглощение света происходит в активном слое GaN.
0,30
0,70
+
Из существующего уровня техники известен фотодиод на основе p-i-n-структуры AlGaN с долей AlN равной 0,3, селективно поглощающий УФ излучение (Selective regrowth of AlGaN p-i-n photodiodes [Text] / C.J. Collins, T. Li, D.J.H. Lambert, M.M. Wong, R.D. Dupuis, J.C. Campbell // Applied physics letters. - 2000. - Vol. 77. - №18. - P. 2810-2812). Структура такого фотодиода является вертикальной, содержащая подложку из сапфира, на которую нанесен буферный слой, состоящий из GaN и n-GaN. К поверхности буферного слоя имеется металлический контакт. На поверхность слоя буферного слоя нанесен активный слой, состоящий из n-AlGaN, i-AlGaN, p-AlGaN с долей AlN равной 0,3. На поверхность активного слоя нанесен слой широкозонного окна, состоящий из AlGaN, в котором доля AlN уменьшается изменяется от 0,3 до 0 и GaN. На поверхность слоя широкозонного окна нанесен второй металлический контакт. Освещение структуры производится со стороны слоя широкозонного окна. Границы фоточувствительности характеризуются шириной запрещенной зоны слоя широкозонного окна AlGaN с долей AlN равной 0,3. Поглощение света происходит в активном слое AlGaN.
Недостатком вышеприведенных фотодиодов является низкая селективность фоточувствительности в ультрафиолетовой области спектра, обусловленная тем, что границы фоточувствительности характеризуются шириной запрещенной зоны слоя широкозонного окна AlGaN с долей AlN гораздо большей, чем доля AlN в активном слое AlGaN. Вследствие этого возникает большая ширина спектра фоточувствительности на полувысоте, что характеризует низкую селективность фоточувствительности фотодиода в ультрафиолетой области спектра. Кроме того, фотодиоды на основе p-i-n-структуры имеют большое количество слоев различного типа проводимости, что требует дополнительных технологических операций при создании, т.к. они являются структурами вертикального типа, что приводит к увеличению стоимости фотодиода.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является фотодиод на основе гетероструктуры GaN/AlGaN с долей AlN равной 0,18. (Backilluminated GaN/AlGaN heterojunction ultraviolet photodetector with high internal gain [Text] / S.K. Zhang, W.B. Wang, I. Shtau, F. Yun, L. He, H. Morkoc, X. Zhou, M. Tamargo, R.R. Alfano // Applied physics letters. - 2002. - Vol 81. - №25 - P. 4862-4864). Структура такого фотодиода содержит подложку из сапфира, на которую нанесен буферный слой AlGaN, на его поверхность нанесен слой широкозонного окна AlGaN с долей AlN равной 0,18, на который нанесен активный слой GaN. На активный слой нанесены встречно-штыревые контакты из Аи, образующие барьер Шоттки. При освещении со стороны подложки фотодиод обладает фоточувствительностью в области от 343 нм до 365 нм. Границы фоточувствительности характеризуются шириной запрещенной зоны слоя широкозонного окна AlGaN с долей AlN равной 0,18 и активного слоя GaN соответственно. Поглощение света происходит в активном слое GaN.
Недостатком такого фотодиода является низкая селективность фоточувствительности обусловленая тем, что границы фоточувствительности характеризуются шириной запрещенной зоны слоя широкозонного окна AlGaN с долей AlN 0,18, и активного слоя GaN. Вследствие этого возникает большая ширина спектра фоточувствительности на полувысоте, что характеризует низкую селективность фоточувствительности фотодиода в ультрафиолетой области спектра.
Задачей заявляемой полезной модели является создание фотодиода для ультрафиолетового сенсора, который обеспечивает технический результат, заключающийся в повышении селективности фоточувствительности фотодиода в ультрафиолетовой области спектра.
0,15
0,85
0,1
0,9
Сущность полезной модели заключается в том, что в фотодиоде для ультрафиолетового сенсора, содержащем подложку из сапфира, на которую последовательно нанесены буферный слой AlGaN, слой широкозонного окна AlGaN и два контакта, первый из которых является контактом из золота образующим барьер Шоттки, слой широкозонного окна толщиной от 1,5 до 10 мкм выполнен из AlGaN, где доля AlN составляет от 0 до 0,1, контакты сформированы на его поверхности, при этом второй контакт является двухслойным омическим контактом, состоящим из Ti/Al, где Ti, является подслоем для Al. Буферный слой может состоять из слоя AlGaN толщиной от 0,5 до 1,5 мкм, и 12-20 чередующихся слоев AlGaN/AlGaN, толщина каждого из которых составляет 70-250 нм.
Особенностью заявляемой модели является то, что в качестве слоя широкозонного окна используется полупроводниковый твердый раствор из AlGaN, где доля AlN составляет от 0 до 0,1, и является по значению меньшей, чем доля AlN в известных решениях, что уменьшает ширину спектра фоточувствительности на полувысоте, что обуславливает повышение селективности фоточувствительности фотодиода. При этом отсутствие активного слоя обуславливает, что поглощение света происходит только на интерфейсе Au-AlGaN, образованным контактом из Аи и поверхностью слоя широкозонного окна, вызывая только надбарьерный перенос носителей заряда, в отличие от рассмотренных аналогов, где поглощение происходит в активном слое твердого раствора AlGaN, вызывающий переходы зона-зона, что также существенно уменьшает ширину спектра фоточувствительности на полувысоте и приводит к повышению селективности фоточувствительности фотодиода. Выполнение контакта из Ti/Al позволяет создать омический контакт с низким сопротивлением.
Полезную модель поясняют следующие чертежи.
Фиг. 1 Конструкция фотодиода для ультрафиолетового сенсора.
Фиг. 2 Экспериментально измеренные спектральные зависимости фоточувствительности фотодиода при разной доле AlN в твердом растворе AlGaN слоя широкозонного окна.
0,15
0,85
0,1
0,9
Фотодиод для ультрафиолетового сенсора содержит (фиг. 1) подложку 1 из сапфира, на которой последовательно расположены буферный слой 2 из AlGaN. Буферный слой может быть выполнен толщиной от 0,5 до 1,5 мкм, с дополнительными 12-20 чередующимися слоями AlGaN/AlGaN толщина каждого из которых составляет 70-250 нм. Далее расположен слой широкозонного окна 3 из AlGaN, с долей AlN от 0 до 0,1, его толщина составляет от 1,5 до 10 мкм. На поверхности слоя широкозонного окна 3 размещены контакт из золота, образующий барьер Шоттки 4 и двухслойный омический контакт 5, для которого используется двухслойная композиция Ti/Al, где слой 6 из Ti является подслоем для слоя 7 из Al.
Фотодиод для ультрафиолетового сенсора работает следующим образом.
При освещении светом фотодиода со стороны подложки 1, часть спектра излучения, которая прошла через буферный слой 2 и слой широкозонного окна 3 попадает на границу контакта из золота, образующего барьер Шоттки 4 и слоя широкозонного окна 3, где происходит поглощение света и разделение носителей заряда. Образующийся ток измеряется путем подключения устройства к, контакту из золота, образующего барьер Шоттки 4 и двухслойному омическому контакту 5.
0,1
0,9
0,15
0,85
0,1
0,9
0,1
0,9
Предлагаемый фотодиод может быть изготовлен следующим образом. На подложке 1 из сапфира методом хлоридно-гидридной эпитаксии выращивают последовательно слои: буферный слой 2, состоящий из зародышевого слоя AlN, слоя AlGaN толщиной 1 мкм и 14 чередующихся слоев AlGaN/AlGaN, толщина каждого из которых составляет 80 нм. На поверхности буферного слоя выращивают слой широкозонного окна 3 из AlGaN толщиной 1,5 мкм. На поверхности слоя широкозонного окна 3 методом вакуумного термического напыления формируют двухслойный Ti/Al омический контакт 5, где Ti толщиной 15 нм является подслоем для Al толщиной 35 нм и контакт из золота, образующий барьер Шоттки 4.
0,1
0,9
0,06
0,94
0,06
0,94
На фиг. 2 представлены экспериментально измеренные спектральные зависимости фоточувствительности фотодиода при разной доле AlN в твердом растворе AlGaN слоя широкозонного окна. На графике Au-AlGaN представлен спектр фоточувствительности фотодиода на основе слоя широкозонного окна AlGaN с долей AlN равной 0,1, у которого максимум фоточувствительности находился на длине волны 355 нм, ширины спектра фоточувствительности на полувысоте составляла 6 нм. На графике Au-AlGaN представлен спектр фоточувствительности фотодиода на основе слоя широкозонного окна AlGaN с долей AlN равной 0,06, у которого максимум фоточувствительности находился на длине волны 362 нм, ширины спектра фоточувствительности на полувысоте составляла 5 нм. На графике Au-AlGaN представлен спектр фоточувствительности фотодиода на основе слоя широкозонного окна AlGaN с долей AlN равной 0,01 и с применением буферного слоя AlGaN с долей AlN равной 0. В этом случае максимум фоточувствительности фотодиода находился на длине волны 366 нм, ширины спектра фоточувствительности на полувысоте составляла 5 нм. Таким образом, удалось получить фотодиоды с шириной спектра фоточувствительности на полувысоте от 5 до 6 нм, что показывает значительное улучшение селективности фотодиода.
Предлагаемое решение фотодиода для ультрафиолетового сенсора позволяет обеспечить технический результат, заключающийся в повышении селективности фоточувствительности (уменьшение ширины спектра фоточувствительности на полувысоте) фотодиода в ультрафиолетовой области спектра.