МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ИК-ПРИЕМНИК НА ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЯХ С ДЛИННОВОЛНОВОЙ ГРАНИЦЕЙ 0,2 ЭВ

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ИК-ПРИЕМНИК НА ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЯХ С ДЛИННОВОЛНОВОЙ ГРАНИЦЕЙ 0,2 ЭВ


RU (11) 2065228 (13) C1

(51) 6 H01L27/14 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 93028119/25 
(22) Дата подачи заявки: 1993.06.04 
(45) Опубликовано: 1996.08.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Шоль Ж. и др. Приемники инфракрасного излучения.- М.: 1969, с.203 - 223. 2.Аигина Н.Р. и др. Многоэлементные приемники ИК-излучения на диодах с барьером Шоттки. Зарубежная электронная техника.- 1986, N 5(300), с. 20. 
(71) Заявитель(и): Институт физики полупроводников СО РАН 
(72) Автор(ы): Рязанцев И.А.; Двуреченский А.В. 
(73) Патентообладатель(и): Институт физики полупроводников СО РАН 

(54) МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ИК-ПРИЕМНИК НА ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЯХ С ДЛИННОВОЛНОВОЙ ГРАНИЦЕЙ 0,2 ЭВ 

Использование: производство полупроводниковых фотоприемных модулей, матриц. Сущность изобретения: приемник ИК-излучения на диапазон длин волн 1,5-6 мкм имеет слой монокристаллического высокоомного кремния, на котором выполнены в виде меза-структуры слой фотопоглощения с концентрацией легирующей примеси (7-9)1017cм-3 и контактный слой толщиной 100-500 с концентрацией легирующей примеси (5-9)1019см-3. Такой же сильнолегированный тонкий контактный слой сформирован на другой поверхности монокристаллического кремния. На контактных слоях созданы омические слои. 4 ил. 1 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности, производству фотоприемных модулей, матриц.

Известны ИК-приемные устройства на диапазон длин волн 1,5-12 мкм на основе Ge и Si, легированных различными примесями. При освещении светом происходит генерация носителей заряда в одну из зон проводимости, что и вызывает дополнительную проводимость кристалла. Причем длинноволновый край поглощения длина волны, при которой фотопроводимость исчезает, зависит от уровня залегания примеси:

* = 1,24/Ei

где Ei уровень примеси в запрещенной зоне.

Так для примеси In Еi 0,15 эВ, поэтому *~ 8мкм, для Ga *~ 18 мкм.

К недостаткам следует отнести низкую обнаружительную способность из-за больших темновых токов 10-6 А/см2. [Ж.Шоль, И. Марфан, М.Мюнш, П. Торель, П.Комбет. Приемники инфракрасного излучения. Мир, М. 1969, с.203-223]

Наиболее близким техническим решениям является диод с барьером Шоттки: кремний-силицид металла. Основным процессом при детектировании излучения Шоттки-приемником является поглощение фотонов в слое силицида с последующей фотоэмиссией носителей из металла в полупроводник. Фотосигнал обусловлен эмиссией основных носителей заряда в полупроводник через приповерхностный потенциальный барьер [Аигина Н.Р. Богомолов П.А. и др. Многоэлементные приемники ИК-излучения на диодах с барьером Шоттки. Зарубежная электронная техника, 1986, N 5 (300), с. 20]

В первом приближении фотосигнал не зависит от степени легирования полупроводника и уровня компенсации примесей. Параметры многоэлементных приемников излучения на диодах Шоттки от фоточувствительности элемента, от устройства матрицы и электроники первичной обработки сигнала. Высота барьера Шоттки зависит от природы силицида металла (т.е. от металла, на основе которого создается силицид), от уровня легирования п/п.

Совпадающим признаком прототипа с предлагаемым изобретением является физический процесс фотоэмиссии носителей тока через потенциальный барьер. Фотоприемник с барьером Шоттки изготавливается посредством нанесения пленки силицида, например, платины толщиной 60 нм, на полупроводник кристалл Si p-типа проводимости. В качестве системы считывания применяются ПЗС-регистры. Весь технологический процесс осуществляется применением стандартной фотолитографии.

Основными недостатками известного технического решения являются малые значения напряжения смещения (<1 В) и низкая ампер-ваттная чувствительность 10-2 А/Вт при длине волны 5 мкм, что на один, два порядка ниже по сравнению с фототранзисторами и p-n фотодиодами.

Поставлена задача: увеличение ампер-ваттной чувствительности ПИ.

Поставленная задача решалась следующим образом, в многоэлементном ИК-приемнике на горячих носителях с длинноволновой границей 0,2 эВ, содержащем подложку из монокристаллического кремния с поверхностным потенциальным барьером, высота которого определяет рабочую длину волны излучения, и контакты, на подложке со стороны потенциального барьера выполнены меза-структуры глубиной 10-15 мкм, причем концентрация примеси в меза-структурах возрастает от концентрации 1012 1013 см-3 В подложке у основания мез до 71017 91017см-3 у потенциального барьера, на поверхности мез и на противоположной стороне подложки расположены подконтактные области толщиной 310-6 - 5 10-6 см с концентрацией легирующей примеси 51019 - 91019 см-3.

Реализация прибора в виде сочетания сильно и слаболегированных области в последовательности p ++-p+-p-p++ позволяет создать запорный слой для переноса темновых носителей заряда.

Блокирование зонной проводимости (БЗП) в условиях отсутствия освещения достигается при обратном смещении p++-p+-перехода (в режиме обеднения основными носителями заряда). Физическая природа БЗП заключается в том, что при экстракции основных носителей заряда из p+-области, оставшийся заряд неосновных носителей заряда-электронов, захваченных на акцепторы, создаст встречное поле по отношению к внешнему. Область пространственного заряда (ОПЗ) этого p++-p+-перехода будет локализована в p+-слое из-за высокой концентрации легирующей примеси в p+-слое. Так для Nn1018 см -3 и V 1В она будет составлять 0,1 мкм. Инжекция основных носителей заряда с противоположного контакта исключается, т.к. тепловой энергии носителей не хватает для преодоления барьера 0,2 эВ. Поэтому протекание темнового тока дырок по валентной зоне будет отсутствовать при напряжениях смещения V вплоть до 10 В при толщине кристалла ПИ 300 мкм. При V > 10 В происходит пробой структуры с лавинным размножением тока.

При освещении p++-p+-p-p++ структуры светом с энергией фотонов > 0,2 эВ произойдет генерация фотоносителей в p++-слое p++ -p-перехода, их инжекция через барьер p++-p-перехода и последующий дрейф к противоположному p++-контактному электроду. Большое напряжение смещения -3 в позволит экстрагировать большое число фотоносителей с противоположного контакта, что даст большее значение ампер-ваттной чувствительности по сравнению с ампер-ваттной чувствительностью ПИ с барьерами Шоттки.

На фиг. 1 схематично показан приемник ИК-излучения, где 1 слой высокоомного монокристаллического кремния, 2 фотоактивный слой, 3 - подконтактные слои, 4 контактная металлизация. На фиг. 2 представлена зонная схема p++-p+-p-p++ меза-структуры, где p++ - подконтактный слой, p+-слой фотоактивного поглощения, p объем кристалла, v и c край валентной зоны и зоны проводимости. На фиг.3 показана вольт-амперная характеристика p++-p+-p-p++ -меза-структур приемников излучения: кривая (1) темновой ток, (2) фототок. Площадь элементов 2,510-3 см2. Источник излучения имитатор абсолютно черного тела (АЧТ) мощностью излучения Р 10-6 Вт/см2. На фиг.4 представлена спектральная зависимость ампер-ваттной чувствительности (1, 2) приемников излучения, выполненных в виде меза-структур (2) и в планарном варианте (1). Кривая 3 и спектральная зависимость падающего на фотоприемник излучения от АЧТ.

В таблице приводятся данные по характеристикам ПИ, изготовленных в виде меза-геометрии, площадью 10-3 см2 при напряжениях смещения -3 В и падающей мощности 10-6 Вт/см2 от АЧТ (Т 600 К) Iт - темновой ток; Ip фототок; Sa ампер-ваттная чувствительность; пороговая обнаружительная мощность где е заряд электрона; D* обнаружительная способность; абсолютный разброс D*, выраженный в процентах.

Многоэлементный ИК-приемник на горячих носителях с длинноволновой границей до 0,2 эВ (фиг.1) имеет слой монокристаллического кремния 1 с концентрацией примеси от 1012 1013 см-3 у основания мез до 71017 910 17 см-3, слой фотоактивного поглощения 2 и подконтактный слой 3 с концентрацией легирующей примеси (5-9) 1019 cм-3 толщиной 310-6 510-6 см. Такой же сильнолегированный тонкий подконтактный слой 3 сформирован на другой поверхности монокристаллического кремния 1. Кроме того, устройство имеет омические слои 4 к мезаструктуре.

Устройство работает следующим образом.

ИК-излучение падает на p++-слой со стороны p++-p-барьера (барьера Шоттки). Если энергия фотонов e > 0,2 эВ, то генерированные светом электрон и дырка, разделяясь барьером p++-p-перехода 3-1, создадут фототок в приемнике излучения. После смещения падает на p++-p+-переходе 2-3, поэтому дырки, генерированные светом в области p++-p-перехода, будут дрейфовать к p++-p+ переходу. Увеличение поля смещения от -1 В до -10 В приведет к увеличению ампер-ваттной чувствительности от 1 А/Вт до 10 А/Вт.

Изобретение выполнятся следующим образом.

При изготовлении структуры использовался монокристаллический кремний p-типа проводимости (сертификат N 31864) с удельным сопротивлением 4103 Омсм и временем жизни неравновесных носителей заряда > 10 мкс. Выбор кремния с высоким сопротивлением обусловлен необходимостью создания барьера для предотвращения инжекции носителей заряда с контакта. Большое время жизни неравновесных носителей заряда необходимо для эффективного сбора фотоносителей на противоположном контакте.

После приготовления пластин толщиной d200 мкм (при меньшей d теряется механическая прочность, при большей d уменьшается фототок на 10% при увеличении d на каждые 100 мкм) осуществляется имплантация ионов Al+ с энергией 150 кэВ и дозой 1015 см-2. Выбор ионов алюминия обусловлен тем, что при Т 77 К уровень Ферми лежит выше уровня Al (Al 0,07 эВ). Это вызывает захват электронов на акцепторные уровни Al и позволяет создать барьер p++-p+ в самом p+-слое из разницы уровней Ферми, при этом ОПЗ из-за высокой концентрации нескомпенсированного заряда на акцепторах 0,1 мкм. Энергия ионов Al+ Е 150 кэВ выбрана для создания распределения внедренной примеси на глубине 0,2 мкм, для того, чтобы при последующей диффузионной разгонке (при Т 1200oС) алюминий не выходил на поверхность и не испарялся с нее. Значение дозы ионов Ф 1015 см-2 определяется средней концентрацией примеси в сформированном диффузионной разгонкой p+-слое, равной (7-9) 1017 см-3.

Диффузионная разгонка примеси в печи осуществлялась при Т 1200oС в течение 3 час. что обеспечивало формирование заданного профиля примеси. Выбор температуры, 1200oС, обусловлен минимизацией времени отжига.

После формирования p+-областей осуществляется создание верхнего и нижнего (на обратной стороне пластины) подконтактных областей, толщиной 310-6 510-6 см с концентрацией примеси Nn (5oC9)1019 см-3. Это достигается при внедрении ионов В+ с энергией ионов 15 кэВ и дозой 51014 см-2 с последующим отжигом дефектов при Т 800o C, t 15-30 мин. Выбор концентрации обусловлен тем, что при Nn1019 см-3 не сформируется омического контакта, при Nn>1020 см-3 примесь может выпадать в виде кластеров в приповерхностном слое.

После этого, со стороны p+M-слоя, с помощью стандартной фотолитографии осуществляется создание алюминиевых площадок заданного размера.

Затем плазмохимическим травлением в атмосфере SF6 убирается кремний, не защищенный Al, на глубину 10-15 мкм. Создание столбчатой структуры позволяет подавлять темновые токи ПИ, осуществлять оптическую и электрическую развязку между элементами при создании матричного ПИ.

Конечной операцией является напыление омического контакта (например, Al) с обратной стороны шайбы и резка ее на отдельные модули или "чипы".

Для сравнения и доказательства необходимости создания мезаварианта ПИ, параллельно с ним был изготовлен планарный ПИ. Причем, все параметры: концентрации примесей, толщины легированных p+-, p++ -слоев, площади, были такими же, как и у ПИ с меза-геометрией.

Как видно на фиг.3, при приложении к p++-p+-переходу напряжения обратного смещения, вплоть до 10 В, темновой ток не превышает значений 10-9 10-8 А/см2. В прямом направлении наблюдается обычная вольт-амперная характеристика (ВАХ), присущая диодам. При освещении ПИ светом от абсолютного черного тела (Т 300 o C) с мощностью излучения 10-6 Вт/см2 через фильтр (пластина Si толщиной 300 мкм) ток возрастает на 2-3 порядка. Это наблюдается как при прямом, так и при обратном смещении (кривая 2 на фиг.3).

Для ПИ, выполненного в планарном варианте, ВАХ, как при прямом, так и при обратном смещении, имеет линейную зависимость, т.е. не реализуется состояния блокирования в p++-p+-слое. Это связано с неоднородностями электрического поля на краях "карманов" p+-областей, что и приводит к проколу слоя блокирования. Хотя, за счет высокой напряженности поля имеется высокое значение фототока за счет ударной ионизации. Т.о. приемники излучения, изготовленные в планарном варианте, не представляют практического интереса при создании систем обнаружения на длинах 1,1-6 мкм из-за больших темновых токов.

На фиг.4 приводится зависимость ампер-ваттной чувствительности (S) ПИ, выполненных к мезаи планарной геометрии. Видно, что значения S превышают известные данные для ПИ, изготовленных на основе барьеров Шоттки (для них S 10-2 А/Вт при l = 5,4 мкм). Падающая мощность ИК-излучения от АЧТ (типа глобар) измерялась с помощью паспортизированного фотоприемника типа МГ, работающего на основе пироэлектрического эффекта.

В таблице 1 приведены характерные величины для ПИ меза-геометрии площадью 10-3 при напряжении смещении V -3 В и падающей мощности 10-6 Вт/см2 от АЧТ (Т 600 К). Все измерения ПИ проводились при Т 77 К. В общей сложности было изменено 130 приемников ИК-излучения.

Полученные результаты по блокированию переноса дырок по валентной зоне в p++-p+-p-p++ -структурах наблюдается также и по подавлению переноса электронов по зоне проводимости, т.е. для n++-n+-n-n++-структур. Поэтому весь выше приведенный анализ физики по работе приемника ИК-излучения на p++-p+-p-p++-переходах относится и для ПИ на n++n+-n-n++-переходах. Слой фотоактивного поглощения и подконтактные слои к меза-структуре n++-n+ -слои формируются имплантацией ионов фосфора до выбранных концентраций.

Фотоэлектрические параметры предлагаемых ПИ, их однородность является лучшими из известных: увеличение рабочего напряжения смещения приводит к повышению фоточувствительности приемника излучения. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Многоэлементный ИК-приемник на горячих носителях с длинноволновой границей 0,2 эВ, содержащий подложку из монокристаллического кремния с поверхностным потенциальным барьером, высота которого определяет рабочую длину волны излучения, и контакты, отличающийся тем, что на подложке со стороны потенциального барьера выполнены меза-структуры глубиной 10 15 мкм, причем концентрация примеси в меза-структурах возрастает от концентрации 1012 - 1013 см-3 в подложке у основания мез до (7 9) 1017 см-3 у потенциального барьера на поверхности мез и на противоположной стороне подложки расположены подконтактные области толщиной (3 5) 10-6 с концентрацией легирующей примеси (5 9) 1019 см -3.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru