СОЛНЕЧНО-СЛЕПОЙ ДЕТЕКТОР УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению ультрафиолетового (УФ) диапазона, и может быть использована в конструкции и технологии производства полупроводниковых датчиков ультрафиолетового излучения.
Существуют фотоэлектрические преобразователи на основе кремния, которые не позволяют продвинуться в коротковолновую область излучений в силу физических характеристик полупроводника. Известен, например, кремниевый детектор ультрафиолетового излучения со сниженной чувствительностью в видимом и ИК-диапазоне по патенту RU 88211 U1, МПК H01L 31/101 (2009 г., бюл. №30). Использование полупроводниковых материалов разного типа проводимости для создания потенциальных барьеров в подобных датчиках значительно усложняет технологию изготовления чувствительного элемента и конструкцию датчика.
Основным источником естественных помех оптического диапазона является солнечная радиация, для защиты от которой УФ-датчики оборудуют различными фильтрами.
Известен солнечно-слепой объектив по патенту RU 92206 U1 (2010 г., бюл. №7), который содержит входной и выходной фильтрующие блоки в виде набора стекол-фильтров, снабженных интерференционными покрытиями, между которыми установлены два кристаллических фильтра, имеющих различные полосы пропускания излучения, и несколько фокусирующих линз. Несмотря на сложность конструкции, объектив не устраняет полностью фоновое излучение в видимой области спектра, а сам детектор используют, в основном, для обнаружения коронного разряда на высоковольтных линиях передачи электроэнергии. Такими же недостатками обладает устройство для детектирования ультрафиолетового излучения в УФ-диапазоне по патенту RU 104709 U1 (2011 г., бюл. №14).
2
Для разработки устройств глубокого ультрафиолетового излучения перспективны материалы с большой шириной запрещенной зоны, к числу которых относятся оксиды металлов. Патент RU 77047 U1 (2008 г., бюл. №28) описывает детектор УФ-диапазона на основе пленки диоксида титана, нанесенной на подложку из кварцевого стекла. Пленка TiO, легированная железом, нанесена в виде нескольких последовательно расположенных элементов, причем содержание железа увеличивается от элемента к элементу на 0.2%. Поверх пленки выполнены пленочные встречно-штыревые электроды. Датчик работает в диапазоне длин волн от 320 до 400 нм. Конструкция детектора достаточно проста, однако габариты его велики, не устранена чувствительность к солнечному излучению, диапазон принимаемого излучения смещен в длинноволновую область спектра.
2
3
Среди большой группы оксидов металлов выделяется GaO, характеризующийся структурным полиморфизмом с существованием пяти фаз, имеющих различную структуру кристаллических решеток. Как следствие, тонкие пленки оксида галлия обладают разными электрофизическими и оптическими характеристиками. Рабочий интервал чувствительности оксида галлия к коротковолновому излучению находится в диапазоне от 200 до 300 нм. Это позволяет, не выходя за рамки одного и того же материала, создавать устройства с большим набором электрических и оптических характеристик.
2
3
В работе [1] приведены результаты исследований влияния УФ-излучения на структуры резистивного типа с пленками оксида галлия, полученными ВЧ-магнетронным напылением. Показано, что пленки GaO обнаруживают чувствительность к глубокому УФ-излучению (λ=222 нм), причем чувствительность структур к воздействию УФ-излучения резко возрастает после отжига при 900°С. На основе этих свойств оксида галлия предложены различные конструкции солнечно-слепых УФ-датчиков, интенсивно патентуемых в Китае (CN 109449219 A; CN 110854233 А и др.).
2
3
2
3
2
Изобретение CN 109449219 A, H01L 31/09 (2019-03-08) описывает солнечно-слепой детектор ультрафиолетового излучения миллиметрового размера на основе монокристалла β-GaO. Тонкий слой β-GaO получают методом механического отслаивания, электроды Ti/Au выращивают с помощью магнетронного распыления. Устройство обеспечивает преимущество высокого отношения фототока к темновому току и малое значение темнового тока, но работает при высокой интенсивности излучения порядка 400 мВт/см.
2
3
2
3
2
3
2
3
Чувствительный к УФ элемент датчика на базе оксида галлия предложен в патенте CN 110854233 A, H01L 31/101 (2020-02-28). Использована поверхность AlO в качестве подложки и триметилгаллий в качестве источника галлия. Метод подготовки включает следующие этапы: подготовка поверхности подложки AlO с направлением (0001), выращивание на ней слоя пленки β-GaO методом химического газофазного осаждения и формирование на слое пленки β-GaO электродов Au/Ti посредством магнетронного напыления.
2
3
2
3
2
3
Аналогичное устройство по патенту CN 110061089 А, H01L 31/101 (2019-07-26) представляет собой тонкую пленку β-GaO на наклонной подложке из AlO. Путем обработки подложки под углом можно улучшить характеристики фотоэлектрического детектора за счет более высокого качества осаждаемой пленки β-GaO.
2
3
2
3
2
3
Приведенные в примерах детекторы основаны на монокристаллической фазе β-GaO, чувствительность которой ограничена. Данные рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) показывают, что при быстром обжиге пленки GaO на плоской подложке кристаллизуются в моноклинную структуру [2], а в работе [3] показано, что полиморфные пленки оксида галлия обладают более высокой чувствительность к УФ-излучению, чем изоморфный оксид галлия. Помимо высоких фотоэлектрических характеристик, полиморфная пленка имеет хорошую согласованность кристаллической решетки с подложкой AlO, что является привлекательным аспектом для создания и промышленного производства УФ-детекторов на сапфире.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является солнечно-слепой ультрафиолетовый детектор на основе структуры оксида галлия с фазовым переходом по патенту CN 108767028 A H01L 31/09 (2018-11-06). Детектор выполнен на базе α-GaO и β-GaO фаз оксида галлия. На подложку из стекловолокна нанесена пленка α-GaO, на которой выполнены наностолбики (наноколонки) того же состава высотой 1,0-1,5 мкм. Пленка α-GaO и наностолбики α-GaO выполнены из одного материала и являются единой структурой. Поверх массива наностолбиков нанесена пленка β-GaO, которая покрывает периферию наностолбиков. Контакт между пленками α-GaO и β-GaO образует оболочку фазового перехода α-GaO/β-GaO. Детектор имеет два тонкопленочных электрода из Ti/Au, один расположен над массивом наностолбиков перехода α-GaO/β-GaO, а другой расположен на тонкой пленке α-GaO (детектор выбран за прототип).
2
3
2
3
Недостатком прототипа является сложная многослойная конструкция чувствительного элемента, получаемая многоэтапной технологией. В частности, подложку из стекловолокна предварительно металлизируют галлием. Массив наностолбиков α-GaO выращивают на каплях расплава галлия с помощью магнетронного распыления и окисления кислородом, затем отжигают, после чего температуру продолжают повышать до 800°С для быстрого отжига и получения третьего слоя - β-GaO, что удорожает производство. Кроме того, надежность детектора не велика, т.к. прочность прикрепления чувствительной пленки к подложке из гибкого стекловолокна вызывает сомнения.
Технической задачей заявленной полезной модели является создание дешевого солнечно-слепого УФ-детектора упрощенной конструкции при сохранении высоких фотоэлектрических характеристик.
2
3
2
3
2
3
Поставленная задача решается тем, что детектор, как и прототип, содержит чувствительный к УФ-излучению элемент на основе оксида галлия GaO, нанесенного в виде пленки на подложку, а также параллельные краям подложки металлические электроды, выполненные поверх пленки оксида галлия, корпус с приемным окном, электрические выводы. В отличие от известных аналогов и прототипа, в детекторе использована сапфировая подложка, рабочая поверхность которой равномерно структурирована наноразмерными наноколонками из материала подложки, а чувствительная к УФ-излучению тонкая пленка выполнена из нанесенного на эту подложку полиморфного оксида галлия, причем верхние площадки наноколонок покрыты ромбоэдрической фазой оксида галлия α-GaO, а площадки между наноколонками покрыты гексагональной фазой оксида галлия ε-GaO.
2
3
2
3
Кроме того, в частных предпочтительных случаях реализации полезной модели упомянутые наноколонки могут иметь вид четырехгранных усеченных пирамидок с характерными размерами 1,4-1,7 мкм, а толщина пленки α-GaO/ε-GaO может составлять от 500 до 800 нм.
2
Кроме того, при конкретной реализации упомянутый чувствительный к УФ-излучению элемент может быть выполнен площадью 1,8-2 мм.
Кроме того, активная область детектора может быть размещена в стандартном защитном корпусе ТО-8.
Очевидно, что описанные варианты осуществления являются только частью вариантов конструкции настоящей полезной модели, а не всеми возможными вариантами осуществления.
Конструкция полезной модели иллюстрируется чертежами:
Фиг. 1 - Поперечный разрез активной области детектора. Цифрами обозначены: 1 - профилированная наноколонками подложка; 2 - тонкая пленка полиморфного оксида галлия; 3,4- электроды.
2
3
2
3
Фиг. 2 - ПЭМ изображение поверхности структурированной сапфировой подложки, где отмечены характерные области с различной кристаллографической структурой: а - α- GaO; б - ε- GaO.
Фиг. 3 - Зависимость интенсивности выходящего излучения от длины волны излучения при комнатной температуре.
2
3
2
3
Фиг. 4 - ВАХ детектора на основе ε-GaO/α-GaO, полученная без воздействия ультрафиолетового излучения.
2
3
2
3
Фиг. 5 - ВАХ детектора на основе ε-GaO/α-GaO, полученная при воздействии ультрафиолетового излучения длиной волны 254 нм.
2
3
2
3
Предлагаемый детектор ультрафиолетового излучения содержит профилированную подложку 1 из сапфира, с нанесенной на нее полиморфной пленкой 2 ε-GaO/α-GaO, на которую, в свою очередь, нанесены металлические электроды 3, 4.
2
3
2
3
Полиморфная пленка оксида галлия выращивается на сапфировой подложке методом хлоридной газофазной эпитаксии HVPE, напыление на профилированную сапфировую подложку дает смешанную структуру, содержащую как α- GaO, так и ε- GaO [3].
Затем, при помощи фотолитографии на поверхности пленки формируют параллельные металлические электроды, например, путем магнетронного распыления платины.
На следующем этапе полученная структура режется на чувствительные элементы требуемого размера, которые размещаются в защитном корпусе, например, распаиваются при помощи золотой проволоки к выводам корпуса ТО-8.
2
3
2
3
2
3
2
3
Основное преимущество заявленной полезной модели заключается в том, что наноколонками равномерно структурирован не оксид галлия, как в прототипе, а рабочая поверхность подложки. Такие профилированные подложки доступны на рынке или могут быть изготовлены под заказ. Вместо структур α-GaO/β-GaO использована структура α-GaO/ε-GaO, технология получения которой на подложке с наноколонками более проста.
2
3
2
3
2
3
2
3
Использование профилированной сапфировой подложки обеспечивает лучшую квантовую эффективность. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) поперечного сечения эпитаксиального слоя GaO, выращенного на узорчатой сапфировой подложке, показала, что колончатые наноструктуры покрыты фазой α-GaO а фаза ε-GaO заполняет впадины между столбцами. Фаза ε-GaO имеет более низкую кристалличность с узким уширением FWHM [3].
2
3
Выполнение наноструктурных неоднородностей в виде регулярного массива пирамид с характерными размерами 1,4-1,7 мкм позволяет значительно увеличить облучаемую площадь при сохранении миллиметровых размеров чувствительного элемента, ε-фаза GaO имеет меньшую ширину запрещенной зоны по сравнению с α-фазой. Можно полагать, что фазы оксида галлия, обладая разной кристаллической структурой, расширяют возможности преодоления работы выхода электронов из зоны Ферми при облучении квантами различной энергии в спектре принимаемого УФ-излучения.
Выполнены измерения реакции заявленного детектора на конкретные источники УФ-облучения:
6
- Наибольшие значения фототока лежат в области напряжений U=50-70 В, отношение сигнал/шум = 2.8⋅10 отн. ед. при потоке излучения 1.6 мВт (интенсивность около 90 мВт/см2) и на длине волны 254 нм.
2
3
- Спектр поглощения чувствительного элемента показывает, что детектор УФ-излучения является солнечно-слепым, из графика фиг. 3 видно, что пленка GaO практически непрозрачна для солнечного света, т.е. элемент не нуждается в дополнительных фильтрах для отсечения ИК и видимого спектра излучения, что хорошо согласуется с данными работ [1, 2, 3]
13
0.5
-1
- Согласно расчетам по формулам работы [4], удельная обнаружительная способность детектора достигает D*=3.2⋅10 см ГцВт;
- Чувствительность, в зависимости от конструктивных параметров, области применения может достигать 10-15 А/Вт при напряжении смещения 40 В. Как известно, для повышения чувствительности к более коротким волнам пленка полиморфного оксида галлия может быть легирована металлом, например, железом.
Таким образом, заявленный солнечно-слепой детектор УФ-диапазона несложной конструкции обеспечивает высокие фотоэлектрические характеристики. Технология получения пленок хорошо известна, сапфировые подложки требуемого профиля производятся промышленно, а фазообразование оксида формируется за счет потенциала выбранного профиля. Детектор не нуждается в дополнительных фильтрах для отсечения ИК и видимого спектра излучения. Достигнута требуемая чувствительность к ультрафиолетовому излучению, пригодная к применению в различных областях техники. Проведенные испытания подтвердили промышленную применимость полезной модели.
Использованные источники:
1 Петрова Ю.С. et al. Сб. трудов 8-ой Международной НПК, г. Томск, 2019, https://core.ac.uk/download/pdf/322643608.pdf, обращение июнь 2021.
2
3
2. G. Hu, С.Shan, Nan Zhang, М. Jiang, S. Wang, and D. Shen. High gain GaO solar-blind photodetectors realized via a carrier multiplication process // Optic Express. 2015. V. 23. P. 13554-13561. https://www.researchgate.net/publication/277899850, обращение июнь 2021.
2
3
3. V. Nikolaev et al. HVPE growth of α- and ε-GaO on patterned sapphire substrates. Journal of Physics: Conference Series 1400 (2019) 055049; 2019_J_Phys_Conf_Ser_1400_055049).
4. X. Gong, M. Tong, Y. Xia et. al., High-detectivity polymer photodetectors. Science 325(5948), 1665-1667 (2009).