RU2276428C1

RU2276428C1 - Method for correcting spectral sensitivity of semiconductor photoresistor by laser radiator

Info

Publication number: RU2276428C1
Application number: RU2005104042/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Геннадьевич Средин (RU); Виктор Геннадьевич Средин; Михаил Викторович Сахаров (RU); Михаил Викторович Сахаров; Сергей Борисович Суховей (RU); Сергей Борисович Суховей; Андрей Валерьевич Федичев (RU); Андрей Валерьевич Федичев; Галина Васильевна Чеканова (RU); Галина Васильевна Чеканова; Шамиль Васифович Кулиев (RU); Шамиль Васифович Кулиев
Original assignee: Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2006-05-10

Abstract

FIELD: extending spectral sensitivity area of infrared photoresistors for correcting their sensitivity area.

SUBSTANCE: spectral sensitivity of semiconductor photoresistors can be corrected without dismounting their optoelectronic systems and without replacing them by direct frontal impact of laser pulse at quantum energy exceeding width of forbidden gap material by minimum 0.1 F_g on sensing element of semiconductor photoresistor built around solid solution.

EFFECT: enhanced uniformity of spectral characteristic due to higher sensitivity of photodetector in short-wave region of spectrum.

1 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к области инфракрасной техники и может быть использован для коррекции спектральной характеристики фотоприемников инфракрасного диапазона без демонтажа их оптикоэлектронной системы.The proposed method relates to the field of infrared technology and can be used to correct the spectral characteristics of infrared photodetectors without dismantling their optoelectronic system.

В настоящее время широко известны фотоприемники инфракрасного (ИК) диапазона, применяемые для формирования, обработки и визуализации ИК изображений [5]. В таких приборах в качестве фоточувствительного материала используются [4] различные твердые растворы полупроводников с изовалентным замещением, в т.ч. тройные соединения AlGaAs, InGaAs, InAsSb, HgZnTe, HgMnTe, HgCdTe, а наиболее используемым из них является HgCdTe. В большинстве современных тепловизионных систем применяется построение оптикоэлектронной системы по сканирующей или смотрящей схеме. Крупноформатные матрицы фотодиодов и линейки фоторезисторов на основе этого материала созданы для регистрации ИК излучения в трех основных спектральных диапазонах длин волн: 1,8...2,4 мкм; 3...5 мкм и 8...14 мкм, причем в двух последних диапазонах у Hg_xCd_1-xTe нет альтернативы.At present, infrared (IR) photodetectors widely used for the formation, processing, and visualization of IR images are widely known [5]. In such devices, as a photosensitive material [4] various solid solutions of semiconductors with isovalent substitution are used, including ternary compounds AlGaAs, InGaAs, InAsSb, HgZnTe, HgMnTe, HgCdTe, and the most used of them is HgCdTe. In most modern thermal imaging systems, the construction of an optoelectronic system is applied according to a scanning or looking scheme. Large-format arrays of photodiodes and a line of photoresistors based on this material are designed to record infrared radiation in three main spectral wavelength ranges: 1.8 ... 2.4 microns; 3 ... 5 μm and 8 ... 14 μm, and in the last two ranges there is no alternative for Hg _x Cd _1-x Te.

Все фотоприемники на основе полупроводниковых материалов являются селективными, т.е. область их спектральной чувствительности и максимальная спектральная чувствительность определяются выбором полупроводникового материала. При решении задач формирования, обработки и визуализации ИК изображений эта особенность в ряде случаев является недостатком. Так при возникновении задачи повышения чувствительности фотоприемника на длинах волн, неравных длине волны максимальной чувствительности, она может быть решена только заменой на фотоприемник с другим значением ширины запрещенной зоны, т.е. фотоприемник, изготовленный на основе другого полупроводника.All photodetectors based on semiconductor materials are selective, i.e. their spectral sensitivity range and maximum spectral sensitivity are determined by the choice of semiconductor material. When solving the problems of the formation, processing and visualization of IR images, this feature in some cases is a drawback. So, when the problem arises of increasing the sensitivity of the photodetector at wavelengths that are not equal to the maximum sensitivity wavelength, it can only be solved by replacing it with a photodetector with a different band gap, i.e. photodetector made on the basis of another semiconductor.

Известно, что в настоящее время для изменения физических свойств полупроводниковых материалов и приборных структур на их основе применяют лазерное излучение, в т.ч. и для твердых растворов Hg_xCd_1-xTe. Так, в [1] с помощью лазерного излучения предлагается формировать защитные слои для фотодиодов на основе этого материала, которые активизируются при повышенных уровнях интенсивности регистрируемого излучения. В [3] излучение, в том числе лазерное, предлагается применять для формирования слоев с заданной областью фоточувствительности в структурах из Hg_xCd_1-xTe с градиентом состава. Однако в данных аналогах не рассматривается задача коррекции спектральной характеристики ИК фотоприемников с помощью лазерного излучения.It is known that at present, laser radiation is used to change the physical properties of semiconductor materials and device structures based on them, including and for solid solutions Hg _x Cd _1-x Te. So, in [1], using laser radiation, it is proposed to form protective layers for photodiodes based on this material, which are activated at elevated levels of intensity of the detected radiation. In [3], radiation, including laser radiation, is proposed to be used to form layers with a given photosensitivity region in Hg _x Cd _1-x Te structures with a composition gradient. However, these analogues do not address the problem of correcting the spectral characteristics of IR photodetectors using laser radiation.

Наиболее близким по существу к предлагаемому способу является способ формирования спектральной характеристики фоточувствительной структуры в двухслойной системе, состоящей из слоя HgTe, нанесенного на подложку из CdTe [2]. Для этой цели предлагается освещение слоя теллурида ртути через подложку из теллурида кадмия инфракрасным излучением, в том числе и лазерным импульсным. В результате взаимной диффузии ионов ртути и кадмия в области поглощения света образуется требуемый фоточувствительный слой, причем его спектральная характеристика определяется длиной волны используемого формирующего ИК излучения. Однако такой способ формирования области спектральной чувствительности применим только на стадии изготовления приборных структур. Кроме того, при применении указанного способа:The closest to the proposed method is the method of forming the spectral characteristics of the photosensitive structure in a two-layer system consisting of a HgTe layer deposited on a substrate of CdTe [2]. For this purpose, it is proposed that the layer of mercury telluride be illuminated through a cadmium telluride substrate with infrared radiation, including pulsed laser radiation. As a result of the mutual diffusion of mercury and cadmium ions in the region of light absorption, the required photosensitive layer is formed, and its spectral characteristic is determined by the wavelength of the used forming IR radiation. However, such a method of forming a spectral sensitivity region is applicable only at the stage of manufacturing instrument structures. In addition, when applying the specified method:

1) не гарантируется образование чувствительного слоя необходимой толщины;1) the formation of a sensitive layer of the required thickness is not guaranteed;

2) образуется слой с градиентом состава по толщине (т.н. варизонная структура), который представляет собой область с высокой скоростью рекомбинации носителей заряда из-за возникающих в этом слое механических напряжений;2) a layer is formed with a gradient of composition over thickness (the so-called graded-gap structure), which is a region with a high rate of recombination of charge carriers due to mechanical stresses arising in this layer;

3) затрудняется точное определение области локализации фоточувствительного слоя по толщине многослойной структуры, что затрудняет задачу нанесения на этих структурах омических контактов на этапе изготовления фотоприемника.3) it is difficult to accurately determine the localization region of the photosensitive layer by the thickness of the multilayer structure, which complicates the task of applying ohmic contacts to these structures at the stage of manufacturing the photodetector.

По этим основным причинам указанный способ не используется ни для изготовления фотоприемников, ни для коррекции их спектральной характеристики.For these main reasons, this method is not used neither for the manufacture of photodetectors, nor for the correction of their spectral characteristics.

Целью настоящего изобретения является создание способа коррекции спектральной характеристики как фоточувствительных структур в процессе их формирования, так и готовых фоторезисторов в процессе их эксплуатации с помощью лазерного излучения для повышения равномерности спектральной характеристики за счет повышения чувствительности фотоприемников в коротковолновой области.The aim of the present invention is to provide a method for correcting the spectral characteristics of both photosensitive structures during their formation, and finished photoresistors during their operation using laser radiation to increase the uniformity of the spectral characteristics by increasing the sensitivity of photodetectors in the short-wavelength region.

Для достижения поставленной в настоящем изобретении цели предложено прямое фронтальное воздействие на фоторезистор на основе твердого раствора Hg_xCd_1-xTe лазерным излучением с энергией кванта, превышающей энергетический зазор ширины запрещенной зоны полупроводникового материала фоточувствительного элемента не менее чем на 0,1 его величины.To achieve the goal of the present invention, a direct frontal exposure to a photoresistor based on a Hg _x Cd _1-x Te solid solution is proposed by laser radiation with a quantum energy exceeding the energy gap of the band gap of the semiconductor material of the photosensitive element by at least 0.1 of its value.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что новое изобретение отличается наличием фронтального освещения фоточувствительных структур лазерным излучением с энергией кванта, превышающим ширину запрещенной зоны полупроводникового материала не менее чем на 10%, что позволяет создавать в приповерхностной области структуры дополнительный чувствительный к освещению тонкий слой с большим значением ширины запрещенной зоны. При этом исключается возможность возникновения в фоточувствительном материале варизонных структур.A comparative analysis with the prototype showed that the new invention is characterized by the presence of frontal illumination of photosensitive structures by laser radiation with a quantum energy exceeding the band gap of the semiconductor material by at least 10%, which allows the creation of an additional light-sensitive thin layer with a large value in the surface region of the structure band gap. In this case, the possibility of the appearance of graded-gap structures in the photosensitive material is excluded.

Это определяет соответствие заявляемого способа коррекции спектральной характеристики фоторезистора на основе твердого раствора Hg_xCd_1-xTe критерию "новизна".This determines the compliance of the proposed method for correcting the spectral characteristics of a photoresistor based on a Hg _x Cd _1-x Te solid solution to the criterion of "novelty."

В результате патентного поиска до даты подачи заявки не выявлено технических решений с данной совокупностью существенных признаков, содержащихся в настоящей заявке, что говорит об изобретательском уровне предлагаемого способа.As a result of a patent search, prior to the filing date of the application, no technical solutions were identified with this set of essential features contained in this application, which indicates the inventive step of the proposed method.

Исходная спектральная характеристика фоторезистора на основе твердого раствора Hg_xCd_1-xTe, охлажденного до 90 К, предназначенного для коррекции, представлена на фиг.1. Спектральная характеристика фоторезистора получена по стандартной методике, с использованием фурье-спектрометра. Погрешность измерения составляет 5% от абсолютной величины и не менее 0,2 мкм по спектральному разрешению. Фоторезистор изготовлен из твердого раствора Hg_xCd_1-xTe с составом х=0,267 с максимумом спектральной чувствительности в области 5,2 мкм. При этом в области 2 мкм его чувствительность составляет ≈42% от максимальной. Целью коррекции является увеличение чувствительности фотоприемника в коротковолновой области спектра. Для решения поставленной задачи фоторезистор (2) устанавливают на оптической оси установки, схема которой представлена на фиг.2. В качестве источника корректирующего излучения используется импульсный YAG: Nd⁺³ лазер (1) с длиной волны излучения λ_и=1,06 мкм, энергией в импульсе Е_и=1,3·10^-2 Дж, длительностью импульса τ_и=540 мкс и расходимостью не более 10^-4 рад.The initial spectral characteristic of a photoresistor based on a Hg _x Cd _1-x Te solid solution cooled to 90 K, intended for correction, is presented in Fig. 1. The spectral characteristic of the photoresistor was obtained by a standard method using a Fourier spectrometer. The measurement error is 5% of the absolute value and not less than 0.2 microns in spectral resolution. The photoresistor is made of a Hg _x Cd _1-x Te solid solution with a composition x = 0.267 with a maximum spectral sensitivity in the region of 5.2 μm. Moreover, in the region of 2 μm, its sensitivity is ≈42% of the maximum. The purpose of the correction is to increase the sensitivity of the photodetector in the short-wavelength region of the spectrum. To solve this problem, the photoresistor (2) is installed on the optical axis of the installation, a diagram of which is presented in figure 2. A pulsed YAG is used as a source of corrective radiation: a Nd ⁺³ laser (1) with a radiation wavelength λ _u = 1.06 μm, pulse energy E _u = 1.3 · 10 ^-2 J, and pulse duration τ _u = 540 μs and a divergence of not more than 10 ^-4 rad.

Перед проведением обработки фоторезистора производится юстировка положения центра площадки чувствительного элемента фоторезистора на оптической оси луча лазера. При этом добиваются того, что площадка чувствительного элемента полностью перекрывается пятном лазерного излучения. Для регулирования плотности энергии импульса лазерного излучения, воздействующего на чувствительный элемент фоторезистора, на оптической оси установки размещается набор калиброванных на длине волны излучения фильтров-ослабителей (5) и фокусирующая линза из прозрачного в используемой области материала (6). Для регистрации энергии импульса лазерного излучения, воздействующего на фоторезистор, в оптический канал включается измеритель мощности и энергии излучения ИМО-2М (8, 9), на который посредством плоскопараллельной пластины (3) отводится часть излучения. В приемном отверстии головки ИМО-2М отведенный сигнал фокусируется с помощью линзы (7). Регистрация импульса производится фотодиодом ЛФД-2 (10) по отклоненному с помощью плоскопараллельной пластины (4) сигналу. В дальнейшем этот сигнал подается на 1-й канал двулучевого осциллографа (12). 2-й канал осциллографа используется для контроля переменного сигнала малой интенсивности с фоторезистора, выделенного и усиленного при помощи микровольтметра селективного В6-9 (11).Before processing the photoresistor, the position of the center of the site of the sensitive element of the photoresistor is aligned on the optical axis of the laser beam. At the same time, they ensure that the area of the sensitive element is completely blocked by a laser spot. To control the energy density of the laser pulse, acting on the sensitive element of the photoresistor, a set of attenuator filters calibrated at the radiation wavelength (5) and a focusing lens made of a material transparent in the used region (6) are placed on the optical axis of the setup. To register the pulse energy of the laser radiation acting on the photoresistor, an IMO-2M radiation and energy meter is included in the optical channel (8, 9), to which part of the radiation is extracted by means of a plane-parallel plate (3). In the receiving hole of the IMO-2M head, the diverted signal is focused using the lens (7). The pulse is recorded by the LFD-2 photodiode (10) by the signal deflected by means of a plane-parallel plate (4). Subsequently, this signal is fed to the first channel of a two-beam oscilloscope (12). The second channel of the oscilloscope is used to control an alternating low-intensity signal from a photoresistor isolated and amplified with a selective B6-9 microvoltmeter (11).

Документирование результатов воздействия корректирующего лазерного излучения на фоторезистор производится съемкой изображения, полученного на экране осциллографа (12) видеокамерой (13). Результаты регистрации записываются на персональный компьютер (14).Documentation of the effects of corrective laser radiation on the photoresistor is carried out by shooting the image obtained on the screen of the oscilloscope (12) with a video camera (13). The registration results are recorded on a personal computer (14).

Коррекция спектральной характеристики фотоприемника (2) заявляемым способом производится прямым фронтальным воздействием импульса лазерного излучения на чувствительный элемент полупроводникового фоторезистора на основе твердого раствора Hg_xCd_1-xTe.The correction of the spectral characteristics of the photodetector (2) by the claimed method is performed by the direct frontal influence of a laser pulse on the sensitive element of a semiconductor photoresistor based on Hg _x Cd _1-x Te solid solution.

Так как энергия кванта корректирующего лазерного излучения превышает ширину запрещенной зоны более чем на 10%, глубина его проникновения в материал не превышает 0,5 мкм. В результате в приповерхностной области структуры образуется тонкий слой, обедненный ионами ртути, которая является наиболее летучим компонентом твердого раствора Hg_xCd_1-xTe. Ионы ртути при правильно подобранной плотности энергии импульса диффундируют из положения в узлах решетки в междоузлия. При этом ширина запрещенной зоны данного слоя увеличивается по сравнению с исходным материалом, а диапазон спектральной чувствительности смещается в коротковолновую область, формируя дополнительный максимум спектральной характеристики фоторезистора в области длин волн 2 мкм. На фиг.3 представлена измененная спектральная характеристика фоторезистора после коррекции предложенным способом. Из фиг.3 видно, что чувствительность фоторезистора в коротковолновой области возросла при общем снижении чувствительности на длине волны 5,2 мкм примерно в 2 раза. При этом интегральная спектральная чувствительность уменьшилась примерно на 30% за счет увеличения чувствительности в области 2...4 мкм.Since the quantum energy of corrective laser radiation exceeds the band gap by more than 10%, its penetration into the material does not exceed 0.5 μm. As a result, a thin layer depleted in mercury ions is formed in the surface region of the structure, which is the most volatile component of the Hg _x Cd _1-x Te solid solution. Mercury ions with a correctly selected pulse energy density diffuse from the position at the lattice sites to the internodes. In this case, the band gap of this layer increases compared to the starting material, and the spectral sensitivity range shifts to the short-wavelength region, forming an additional maximum of the spectral characteristic of the photoresistor in the wavelength region of 2 μm. Figure 3 presents the modified spectral characteristic of the photoresistor after correction by the proposed method. From figure 3 it is seen that the sensitivity of the photoresistor in the short-wavelength region increased with an overall decrease in sensitivity at a wavelength of 5.2 μm by about 2 times. In this case, the integrated spectral sensitivity decreased by about 30% due to an increase in sensitivity in the region of 2 ... 4 μm.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Bartoli; Filbert J. (Upper Marlboro, MD); Hoffman; Craig A. (Columbia, MD); Meyer; Jerry R. (Catonsville, MD); Lindle; James R. (Bowie, MD) Laser hardened backside illuminated optical detector - 5459321, October 17, 1995.1. Bartoli; Filbert J. (Upper Marlboro, MD); Hoffman; Craig A. (Columbia, MD); Meyer; Jerry R. (Catonsville, MD); Lindle James R. (Bowie, MD) Laser hardened backside illuminated optical detector - 5459321, October 17, 1995.

2. Castro; Carlos A. (Garland, TX) Process for forming HgCdTe alloys selectively by IR illumination - United States Patent 4374678, February 22, 1983.2. Castro; Carlos A. (Garland, TX) Process for forming HgCdTe alloys selectively by IR illumination - United States Patent 4374678, February 22, 1983.

3. Castro; Carlos A. (Garland, TX) Process for forming semiconductor alloys having a desired bandgap - United States Patent 4376659, March 15, 1983.3. Castro; Carlos A. (Garland, TX) Process for forming semiconductor alloys having a desired bandgap - United States Patent 4376659, March 15, 1983.

4. Рогальский А. Инфракрасные детекторы: Пер. с англ. / Под ред. Войцеховского А.В. - Новосибирск: Наука, 2003. - 636 с.4. Rogalsky A. Infrared detectors: Trans. from English / Ed. Wojciechowski A.V. - Novosibirsk: Nauka, 2003 .-- 636 p.

5. Тарасов В.В., Якушенко Ю.Г. Тенденции развития тепловизионных систем второго и третьего поколений и некоторые особенности их моделирования. - М.: ОАО ЦНИИ "Циклон", МГИИГА и К, 2003. - 13 с.5. Tarasov VV, Yakushenko Yu.G. Trends in the development of thermal imaging systems of the second and third generations and some features of their modeling. - M.: Central Research Institute "Cyclone", MGIIGA and K, 2003. - 13 p.

Claims

A method for correcting the spectral characteristic of a semiconductor photoresistor based on pulsed irradiation of the site of its sensitive element with laser radiation, characterized in that the photoresistor is frontally exposed to laser radiation with a quantum energy exceeding the energy gap of the band gap of the semiconductor material of the photosensitive element by at least 0.1 quantities.