ФОТОРЕЗИСТОР НА ОСНОВЕ InSb

Предлагаемая полезная модель относится к чувствительным в инфракрасной (ИК) области спектра полупроводниковым приемникам излучения и может быть использована при изготовлении фоторезисторов на основе антимонида индия, чувствительных в спектральном диапазоне 3-5,5 мкм.
Известен фоторезистор на основе InSb (см. опубл. заявка Японии №04-053271 (A), МПК H01L 31/10, опубл. 20.02.1992 г.), содержащий приклеенную на сапфировое основание, прозрачное для излучения в диапазоне 3-5,5 мкм, пластину InSb толщиной 10 мкм с фоточувствительной площадкой. Однако, такая конструкция не является оптимальной для получения высоких значений вольтовой чувствительности.
n
p
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому фоторезистор на основе InSb, содержащий соединенные слоем диэлектрического клея сапфировую подложку и пластину монокристаллического InSb с расположенной посередине фоточувствительной площадкой и металлическими контактами на периферии (см. опубл. заявка Японии №61-088115, МПК G01J 1/02, опубл. 06.05.1986 г.). В данной конструкции периферийная часть пластины выполнена большей толщины, чем площадка, что позволяет улучшить соотношение сигнал/шум и упростить изготовление прибора. Однако, такой фоторезистор не позволяет получить высокие значения вольтовой чувствительности на малоразмерных фоточувствительных площадках при увеличении рабочего напряжения из-за эффекта пролета носителей ("sweep-out") между контактами, что характерно для полупроводников с биполярной проводимостью, где времена жизни электронов и дырок равны (τ=τ), таких как InSb и CdHgTe.
Задачей, решаемой с помощью предложенной полезной модели, является создание конструкции фоторезистора на основе InSb с малоразмерными фоточувствительными площадками, в которой отсутствует эффект пролета носителей между контактами.
Техническим результатом при использовании предлагаемой полезной модели является повышение вольтовой чувствительности фоторезистора на основе InSb за счет увеличения рабочего напряжения.
+
+
+
Указанный технический результат достигается тем, что в фоторезисторе на основе InSb, содержащем соединенные слоем диэлектрического клея сапфировую подложку и пластину монокристаллического InSb с фоточувствительной площадкой и металлическими контактами, на сапфировую подложку нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки в пластине InSb, выполненной из кристалла InSb p-типа с монополярной фотопроводимостью, в которой со стороны сапфировой подложки сформирован приповерхностный p-слой, разделенный на два несоприкасающихся участка, расположенных за границами фоточувствительной площадки, а с противоположной стороны пластины выполнены подконтактные p-области. В частном случае выполнения между участками приповерхностного p-слоя может быть выполнена канавка.
p
n
p
n
u
p
см
u
cм
u
+
+
+
+
Принципиально отсутствие эффекта пролета носителей и больший фототок обеспечивают монокристаллы InSb p-типа с монополярной фотопроводимостью, в отличие от монокристаллов p-типа с биполярной фотопроводимостью и монокристаллов n-типа, благодаря справедливости соотношений для времен жизни τ>>τ и подвижностей µ<<µ. Поэтому при применении этого материала в соответствии с формулой S~τ·U/p (где S - вольтовая чувствительность, U - напряжение смещения, p - концентрация дырок при рабочей температуре) повышения S можно добиться за счет увеличения напряжения смещения. Однако при напряженности электрического поля 8-10 В/см и выше в кристаллах возникают рекомбинационные неустойчивости в области контактов, приводящие к образованию S-образных участков на вольтамперных характеристиках, ограничивающих возможность повышения вольтовой чувствительности. Для уменьшения отрицательного влияния этих областей на вольтовую чувствительность фоторезистора в предложенной конструкции создаются подконтактные p-области, а со стороны сапфировой подложки сформирован приповерхностный p-слой. Подконтактные p-области уменьшают контактные сопротивления, а приповерхностный p-слой шунтирует сопротивление пластины за пределами фоточувствительной площадки. При этом уменьшается падение напряжения на контактах и на участках пластины за пределами фоточувствительной площадки, за счет чего при том же рабочем напряжении увеличивается эффективное напряжение смещения на площадке, приводящее к увеличению чувствительности и уменьшается напряженность электрического поля за пределами площадки, что позволяет повысить прикладываемое к фоторезистору смещение и дополнительно увеличить чувствительность.
Металлический слой на поверхности сапфировой подложки нужен для формирования геометрии фоточувствительной площадки и для исключения попадания излучения на области пластины за пределами фоточувствительной площадки. Таким образом регистрируемое излучение попадает в пластину InSb через окно в металлическом слое, соответствующее размеру фоточувствительной площадки, через сапфировую подложку и диэлектрический эпоксидный клей, которые практически прозрачны в диапазоне спектра 3-5,5 мкм.
+
Разделение приповерхностного шунтирующего p-слоя на два участка можно осуществлять разными методами, например, при его создании с применением фотолитографии или химическим травлением созданного сплошного слоя. Наиболее простым и экономичным является метод травления, при котором на месте фоточувствительной площадки создается канавка в пластине InSb, что является одним из частных случаев выполнения предложенной конструкции.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема предложенного фоторезистора, а на фиг.2 - его вольт-амперная характеристика.
+
+
+
Фоторезистор на основе InSb содержит сапфировую подложку 1 и пластину монокристаллического InSb 2 с фоточувствительной площадкой 3 и металлическими контактами 4, причем подложка 1 и пластина 2 соединены слоем диэлектрического клея 5. На сапфировую подложку 1 нанесен металлический слой 6 с окном для формирования фоточувствительной площадки 3 в пластине InSb 2. Со стороны сапфировой подложки 1 в пластине InSb 2 сформирован приповерхностный p-слой 7, разделенный на два несоприкасающихся участка, расположенных за границами фоточувствительной площадки 3. В пластине InSb также сформированы подконтактные p-области 8, а в частном случае выполнения между участками приповерхностного легированного p-слоя выполнена канавка 9.
+
+
Устройство работает следующим образом. ИК-излучение проходит через окно в металлическом слое, через сапфировую подложку и диэлектрический клей и поглощается в пластине антимонида индия, размер фоточувствительной площадки которой соответствует размеру окна. При этом сапфировая подложка, охлаждаемая до температуры жидкого азота, ограничивает поток фонового излучения и снижает уровень шума. Поглощенное в InSb излучение генерирует в пластине электронно-дырочные пары. Электроны, имеющие малое время жизни, захватываются на глубокие уровни в запрещенной зоне, а фототок определяется дырками, время жизни которых существенно выше. Переменное напряжение фотосигнала (вольтовая чувствительность), снимаемое с нагрузочного сопротивления в цепи фоторезистора, пропорционально прикладываемому постоянному напряжению к фоторезистору. При этом падение напряжения на фоточувствительной площадке значительно превышает падение напряжения за ее пределами как за счет шунтирующего p-слоя, созданного на остальной части пластины, так и за счет подконтактных p-областей. Таким образом достигается снижение напряженности электрического поля в области контактов, что приводит к смещению начала рекомбинационных неустойчивостей (S-образный участок вольтамперной характеристики) в область более высоких напряжений, что позволяет увеличить прикладываемое постоянное напряжение к фоторезистору и увеличить вольтовую чувствительность.
13
-3
3
2
+
-4
+
18
-3
+
5
р
p
n
При реализации предложенной конструкции в качестве материала пластины использовались кристаллы InSb p-типа, легированные германием, имеющие при температуре жидкого азота концентрацию дырок p=(0,5-2)·10 см, подвижность дырок µ=(6-8)·10 см/В·сек, время жизни дырок τ>2 мкс и время жизни электронов τ<0,01 мкс. Металлизация сапфировой подложки осуществлялась электронно-лучевым испарением навески хрома в вакуумной камере. Толщина слоя хрома составляла ≈0,2 мкм. Формирование геометрии фоточувствительной площадки длиной 0,1 мм и шириной 0,3 мм осуществлялось стандартным методом фотолитографии с химическим травлением хрома. Приповерхностный легированный p-слой толщиной не более 1 мкм с удельным сопротивлением ~10 Ом·см формировался диффузией цинка при температуре 270-280°C в течение 50-60 мин в вакуумной камере. Источником диффузанта служил электролитически нанесенный на поверхность пластины слой цинка толщиной 1,5-3 мкм. После проведения диффузии цинк удалялся в концентрированной соляной кислоте. Разделение этого слоя на два участка производилось при помощи канавки, которая выполнялась химико-динамическим травлением в смеси на основе фтористоводородной кислоты, перекиси водорода и винной кислоты через фоторезистивную маску. Для соединения сапфировой подложки с пластиной InSb использовался диэлектрический клей марки ХСК, созданный на основе смеси связующих эпоксидных смол СЭДМ-3 и УП-650В и отвердителя - ароматического диамина УП-583Д, который является продуктом взаимодействия формальдегида и фенола с диэтилентриамином. После полимеризации клея с помощью химико-механического полирования и химико-динамического травления толщина пластины InSb уменьшалась до величины 30-50 мкм. Формирование подконтактных p-областей производилось ионным легированием бериллия в свободные от фоторезиста области по заданному рисунку фотошаблона. После ионной имплантации бериллия, удаления фоторезиста и низкотемпературного активационного отжига в имплантированных подконтактных областях достигается концентрации акцепторов ~10 см на глубине ~0,3 мкм. Для фоточувствительной площадки длиной 0,1 мм создание таких приповерхностных и подконтактных слоев p-типа увеличило рабочее напряжения смещения от (0,1-0,3) В в прототипе до (8-10) В с соответствующим увеличением вольтовой чувствительности Su (500 K) до ~10 В/Вт. Вольт-амперная характеристика изготовленного фоторезистора представлена на фиг.2. Следует отметить, что предложенная конструкция фоторезистора позволяет уменьшить расстояние от границы фоточувствительной площадки до металлического контакта, когда требуется уменьшить габаритные размеры фоторезисторов и фотоприемных устройств на их основе.
Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает увеличение вольтовой чувствительности фоторезистора на основе InSb.