Полупроводниковый преобразователь оптических излучений

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Шумило Виктор Степанович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Полупроводниковый преобразователь оптических излучений, включающий фоточувствительную структуру типа - переход с омическими контактами и просветляющий слой, отличающийся тем, что фоточувствительной является полупроводниковая структура из последовательно соединенных слоев переход из широкозонного полупроводника - слой из узкозонного полупроводника, которая посредством сильнолегированного -слоя узкозонного полупроводника размещена на металлическом основании, а посредством сильнолегированного р слоя широкозонного полупроводника соединена с проводящим просветляющим слоем из светопрозрачного материала, при этом р и -слои сформированы толщиной (0,20,6), где- диффузионная длина носителей заряда, слои ,и - переход выполнены толщиной (0,40,8), -слой узкозонного полупроводника сформирован толщиной (0,70,9). 62982010.06.30 Полезная модель относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с потенциальным барьером, в частности к преобразователям оптических излучений, и может быть использована в электронно-оптических и космических системах в качестве датчиков оптических излучений. Известен полупроводниковый преобразователь оптических излучений 1, фотопреобразователь которого конструктивно размещен в полой камере, заполненной активной средой, и отделен от излучателя стенкой полой камеры, прозрачной для оптических излучений. Однако такой преобразователь оптических излучений обладает сложной конструкцией, невысоким рабочим напряжением и недостаточно высокой стабильностью. Прототипом предлагаемой полезной модели является полупроводниковый преобразователь оптических излучений 2, который содержит фоточувствительную структуру типа- переход, полупроводниковый слой из фосфида индия и галлия, просветляющий слой и омические контакты, причем просветляющий слой и электрод контактируют с пассивирующим слоем перехода, оканчивающегося электродом. Недостатки прототипа а) невысокое выходное напряжение сигнала, поскольку он содержит сложную структуру, причем дополнительные полупроводниковые слои слаболегированы, обладают большим внутренним сопротивлением б) отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между омическими контактами и фоточувствительной структурой, что приводит к существенному снижению выходного тока и выходного напряжения в) узкий оптический диапазон , воспринимаемый фоточувствительной структурой. Техническим результатом полезной модели является повышение выходного напряжения и расширение диапазона спектральной чувствительности оптических излучений в сторону инфракрасной области. Поставленная задача достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе оптических излучений, включающем фоточувствительную структуру типа - переход с омическими контактами и просветляющий слой, фоточувствительной является полупроводниковая структура из последовательно соединенных слоев переход из широкозонного полупроводника - слой из узкозонного полупроводника, которая посредством сильнолегированного -слоя узкозонного полупроводника размещена на металлическом основании, а посредством сильнолегированного р-слоя из широкозонного полупроводника соединена с проводящим просветляющим слоем из светопрозрачного материала, при этом р- и -слои выполнены толщиной (0,20,6), где- диффузионная длина носителей заряда, слоиии - переход выполнены толщиной (0,40,8),-слой из узкозонного полупроводника сформирован толщиной (0,70,9). Сущность полезной модели поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображена конструкция полупроводникового преобразователя оптических излучений (ППОИ), а на фиг. 2 - его зонная диаграмма. Конструктивно ППОИ состоит из полупроводниковой переход - - фоточувствительной структуры, включающей -слой 1 из широкозонного полупроводника,- переход 2 из широкозонного полупроводника, варизонный слой 3 и -слой 4 из узкозонного полупроводника, который посредством сильнолегированного -слоя 5 из того же узкозонного полупроводника электрически контактирует с металлическим основанием 6 -слой 1 контактирует с сильнолегированным р-слоем 7, на котором размещен проводящий просветляющий слой 8 из светопрозрачного материала. По периметру на проводящем просветляющем слое 8 размещен металлический омический контакт 9 с внешним выводом 10. - переход, выполненный из широкозонного полупроводника с шириной запрещенной зоны Е 2, например , методом термической диффузии, обеспечивает разделение фотогенерированных носителей заряда полупроводниковой фоточувствительной структурой. Для эффективного поглощения квантов оптического излучения (фотонов) с 2 62982010.06.30 энергиями 12 и исключения появления области с высокой рекомбинацией носителей заряда на -области - перехода 2 сформирован методом молекулярно-лучевой эпитаксии, жидкофазной или газофазной эпитаксии слаболегированный -варизонный слой 1, представляющий твердый раствор интерметаллического соединения 1. 21 Параметр степени концентрации компонента в раствореизменяется от нуля до единицы, причем со стороны р-слоя 7 он представляет материал этой области, например, а со стороны -области - перехода 2 - материал этого слоя, то есть соединения 2 1. Например, если материалом -области - перехода 2 являетсяс 21,43 эВ,а материалом р-слоя 7 широкозонного полупроводника являетсяс 12,15 эВ, то-варизонный слой 1 реализуется из материала 1-, причем структура нижней границы слоя с параметром х 1 представляет , а структура верхней границы слоя представляетс параметром 0. Толщина -слоя 1 определяется скоростью изменения его ширины запрещенной зоны от 1 до 2 при измененииот 0 до 1 и диффузионной длиной фотогенерированных неравновесных носителей заряда . -слой 1 создает градиент напряженности электрического поля, ускоряя перенос фотогенерированных носителей заряда. Для достижения оптимального разделения генерированных в р-варизонном слое 1 носителей заряда ширина этого слоя не должна превышать диффузионной длины избыточных носителей заряда и составляет (0,4-0,8), причем она максимальная для полупроводников с высокой подвижностью носителей заряда. Толщина сильнолегированного р-слоя 7, сформированного молекулярно-лучевой эпитаксией с одновременным легированием, выбирается из условия минимизации сопротивления, исключения влияния границы р-слой 7 - проводящий просветляющий слой 8 на разделенные заряды - перехода и должна быть ниже . Как показали результаты эксперимента, оптимальная толщина р-слоя 7 составляет (0,2-0,6), причем она возрастает для полупроводников с высокой подвижностью носителей заряда, а концентрация легирующей примеси(10201021) см-3. С целью расширения диапазона оптических излучений в сторону инфракрасной области используется узкозонный -слой 5 и слаболегированный варизонный слой 3. Варизонный слой 3 сформирован методом молекулярно-лучевой или газофазной эпитаксии, представляющий твердый раствор интерметаллического соединения 1. Параметр степени концентрации компонента в раствореизменяется от ну 21 ля до единицы, причем со стороны -слоя 4 из узкозонного полупроводника он представляет материал этого слоя -, а со стороны -области - перехода 2 - материал этой 2 области, то есть соединение 1. Например, если материалом -области - перехода являетсяс 21,43 эВ, а материалом -слоя 4 -с 30,36 эВ, то -варизонный слой 3 реализуется из материала 1-, причем структура верхней границы слоя с параметром 1 представляет , а структура нижней границы слоя представляетс параметром 0. Толщина -варизонного слоя 3 аналогична толщине р-варизонного слоя 1 и выбирается из тех же условий, то есть составляет (0,4-0,8).-слой 4 выполнен из узкозонного полупроводника и слаболегирован донорной примесью 1015 см-3. Он контактирует с сильнолегированным -слоем 5 из того же узкозонного полупроводника, который легирован донорной примесью с концентрацией(10191020) см-3, обладает высокой электропроводностью и практически без потерь передает фотогенерированные носители заряда на металлическое основание 6, являющееся внешним выводом ППОИ. Толщина -слоя 5 выбирается аналогично р-слою 7 и составляет (0,2-0,6). Акцепторные уровни слаболегированного ра-слоя 1, донорные уровни а-слоя 3 и -слоя 4 узкозонного полупроводника находятся в зоне энергий 62982010.06.30 диапазона, слаболегированный -слой 4 с 30,36 эВ взаимодействует с фотонами ближнего инфракрасного диапазона. Варизонные слои ,с энергией возбуждения от 2,15 до 1,43 эВ и от 1,43 до 0,35 эВ, легированные примесью (1015-1016) см-3, взаимодействуют с фотонами видимой области и ближнего инфракрасного диапазона. В результате ППОИ эффективно реагирует на оптическое излучение с энергией фотонов от видимой области спектра до дальнего инфракрасного диапазона. Проводящий просветляющий слой 8 выполнен из светопрозрачного материала, например окиси олова-индия. Его толщина выбирается из условия максимума электропроводности, минимума потерь энергии воздействующего оптического потока и, как показали результаты эксперимента, составляет 0,20,8 микрон. По периметру, по краю проводящего просветляющего слоя 8 нанесен слой из проводящего материала толщиной (1,02) мкм и шириной (12) мм, к которому методом сварки, пайки присоединен внешний вывод 10 из высокопроводящего металла. Полупроводниковый преобразователь оптических излучений работает следующим образом. При воздействии квантов оптического излучения (фотонов) на рабочую поверхность фоточувствительной структуры ППОИ со стороны электропроводящего просветляющего слоя 8 фотоны с энергиями 1 проходят просветляющий слой, сильнолегированный широкозонный р-слой 7 и достигают фоточувствительной структуры. В ее слоях 1, 3, узкозонном -слое 4, то есть в диапазоне энергий от 2,15 до 0,36 эВ, а также на примесных уровнях этих слоев с энергиями , от 0,2 до 0,1 эВ генерируются избыточные неравновесные носители заряда. Избыточная концентрация фотогенерированных электронов и дырок в каждом из фоточувствительных слоев определяется в соответствии с зависимостями(1),,где- квантовый выход носителей заряда- коэффициент поглощения оптического излучения- интенсивность потока оптического излучения , р - время жизни неосновных электронов и дырок. Фотогенерированные в р-варизонном слое 1 и обедненных областях - перехода 2, в-варизонном слое 3 и узкозонном -слое 4 носители заряда, а также на их примесных донорных и акцепторных уровнях электроны и дырки разделяются - переходом 2, причем электроны под действием электрического поля - перехода 2, электрических полей слоев 1 и 3 устремляются к сильнолегированному слою 5 и металлическому основанию 6, а дырки в указанных слоях и областях движутся под действием сил электрического поля варизонных слоев и - перехода 2 к сильнолегированному р-слою 7, проводящему просветляющему слою 8 и омическому контакту 9. Омический контакт 9 находится под положительным потенциалом вследствие притока к нему дырок, а металлическое основание 6 - под отрицательным потенциалом ввиду притока электронов. Вследствие разделения фотогенерированных электронов и дырок через - переход 2 течет электрический ток 1 ф(2)и возникает фотоЭДС в фоточувствительной структуре ППОИ, максимальное значение которой при холостом ходе где ф - максимальная плотность фототока, соответствующая интенсивности потока оптических излучений- ток насыщения - перехода- приложенное к - переходу собственное напряжение. 62982010.06.30 В общем случае при заданной интенсивности оптического потока фотонов концентрация фотогенерированных избыточных носителейиопределяется выражением (1), а фототок ф определяется из зависимости(4) фе(рр). Поскольку фоточувствительной структурой ППОИ активно поглощается широкий спектр фотонов с энергиями от 1 до энергии узкозонного -слоя 4 с 3 и с энергиями донорногои акцепторного ЕА уровней, то избыточные концентрации носителей зарядаив предложенном устройстве значительно выше, следовательно, выше выходное напряжение и ток, чем у прототипа, а также существенно возрастает диапазон энергии фотонов в спектре оптического излучения от видимой области до дальней инфракрасной. Создано экспериментальное устройство - полупроводниковый преобразователь оптических излучений с фоточувствительной структурой переход - - узкозонный полупроводник, которое является преобразователем с - переходом на основе арсенида галлия. -слой 5 выполнен из , легированный Те с концентрацией 51019 см-3 и толщиной 1,2 мкм -слой 4 выполнен также изс концентрацией примеси Те 21015 см-3 и толщиной 0,5 мкм варизонный слой 3 выполнен из соединения 1-, легирован Те с концентрацией 1015 см-3 и толщиной 0,5 мкм. Ширина его запрещенной зоны изменяется от 1,43 до 0,36 эВ. - переход 2 извключает-область, легированную Те с концентрацией 1016 см-3 и легированную-область с концентрацией 1016 см-3. Суммарная толщина - перехода 0,45 мкм. Варизонный слой 1 выполнен на основе соединения 1-, причем параметризменяется от 0 до 1 и соответственно ширина запрещенной зоны от 1,43 до 2,15 эВ. Слой 1 легированс концентрацией 1015 см-3, обладает толщиной 0,6 мкм р-сильнолегированный слой 7 выполнен из , легированногос концентрацией 51019 см-3, его толщина составляет 0,4 мкм проводящий просветляющий слой 8 выполнен из оксида олово-индий толщиной 0,3 мкм. Металлическое основание 6 представляет слой А толщиной 0,2 мм с нанесенным слоем теллура толщиной 0,1 мкм верхний омический контакт 9 представляет слоистую структуру толщиной соответственно 0,1-1-1 мкм. Экспериментальный полупроводниковый преобразователь оптических излучений размером полезной площади 105 мм при интенсивности оптического излучения с энергией 65 мВт/см 2 позволяет получать 0,2 вых 1,4 В диапазон спектральной чувствительности 0,413 мкм. Для прототипа одинаковых размеров эти параметры составляют 0,78 В 25 мА 0,41 мкм. Технико-экономические преимущества предлагаемого полупроводникового преобразователя оптических излучений в сравнении с прототипом и аналогами 1) более чем в 5 раз возрастает выходной электрический ток 2) более чем в 1,5 раза возрастает выходное напряжение 3) более чем в 10 раз расширяется диапазон спектральной чувствительности. Промышленное освоение предлагаемого полупроводникового преобразователя оптических излучений возможно на предприятиях электронной промышленности. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.