RU2310949C1 - Photodiode infrared detector - Google Patents
Photodiode infrared detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2310949C1 RU2310949C1 RU2006128300/28A RU2006128300A RU2310949C1 RU 2310949 C1 RU2310949 C1 RU 2310949C1 RU 2006128300/28 A RU2006128300/28 A RU 2006128300/28A RU 2006128300 A RU2006128300 A RU 2006128300A RU 2310949 C1 RU2310949 C1 RU 2310949C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- band gap
- working
- substrate
- type
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при создании фотоприемных устройств (ФПУ) для регистрации и измерения инфракрасного (ИК) излучения как в виде одиночных фотодиодов, так и в виде матриц фотодиодов.The invention relates to semiconductor technology and can be used to create photodetector devices (FPUs) for recording and measuring infrared (IR) radiation both in the form of single photodiodes and in the form of arrays of photodiodes.
Известен фотодиодный приемник ИК-излучения (патент США №4588446, МПК: 4 Н01L 21/385), содержащий прозрачную для излучения спектральной области фотоприема полупроводниковую подложку, полупроводниковую варизонную структуру, расположенную на подложке, причем варизонная структура выполнена в составе слоя, имеющего плавное увеличение ширины запрещенной зоны от подложки к поверхности, при этом подложка изготовлена из CdHgTe, а указанный слой получен посредством уменьшающего поверхностные токи утечки диффузионного отжига пленок Cd или Zn.Known photodiode infrared detector (US patent No. 4588446, IPC: 4 H01L 21/385) containing a semiconductor substrate transparent to the radiation of the spectral region of the photodetector, a semiconductor graded-gap structure located on the substrate, and the graded-gap structure is made up of a layer having a smooth increase the band gap from the substrate to the surface, while the substrate is made of CdHgTe, and the specified layer was obtained by reducing the surface leakage currents of diffusion annealing of Cd or Zn films.
Известен фотодиодный приемник ИК-излучения (патент США №4549195, МПК: 4 Н01L 27/14), содержащий прозрачную для излучения спектральной области фотоприема полупроводниковую подложку, полупроводниковую варизонную структуру, расположенную на подложке, причем варизонная структура выполнена в составе двух слоев, образующих p-n переход, из материалов, имеющих отличные друг от друга значения ширины запрещенной зоны, первый слой расположен на подложке и выполнен из материала с меньшей шириной запрещенной зоны, а второй слой из материала с большей шириной запрещенной зоны выполнен на первом слое, покрывая при этом периметр указанного первого слоя и частично подложку, с достижением уменьшения поверхностных токов утечки.Known photodiode infrared detector (US patent No. 4549195, IPC: 4 H01L 27/14) containing a semiconductor substrate transparent to the radiation of the spectral region of the photodetector, a semiconductor graded-gap structure located on the substrate, and the graded-gap structure is made up of two layers forming pn transition, from materials having different forbidden gap widths, the first layer is located on the substrate and is made of material with a smaller band gap, and the second layer is from a material with a larger width bandgap is formed on the first layer, thus covering the perimeter of said first layer and partially a substrate, with the achievement of reduction of surface leakage currents.
Ближайшим техническим решением является фотодиодный приемник ИК излучения (патент США №5880510, МПК: 6 Н01L 31/00), содержащий прозрачную для излучения спектральной области фотоприема полупроводниковую подложку, полупроводниковую варизонную структуру, расположенную на подложке, причем в составе варизонной структуры выполнен слой с противоположным типом проводимости относительно подложки и обеспечивающий уменьшение поверхностных токов утечки пассивирующий широкозонный варизонный слой, при этом положка, осуществляющая функцию рабочего слоя, и слой с противоположным типом проводимости относительно подложки выполнены из CdHgTe, а пассивирующий широкозонный слой получен посредством диффузионного отжига пленок Cd или Zn. Приведенное устройство изготовлено в виде фотодиодного приемника ИК-излучения матричного типа.The closest technical solution is a photodiode IR radiation detector (US patent No. 5880510, IPC: 6 H01L 31/00), containing a semiconductor substrate transparent to the radiation of the spectral region of the photodetector, a semiconductor graded-gap structure located on the substrate, and a layer with an opposite type of conductivity relative to the substrate and providing a decrease in surface leakage currents passivating wide-gap graded-gap layer, while the position acting as a working layer I and the layer with the opposite type of conductivity relative to the substrate are made of CdHgTe, and the passivating wide-gap layer is obtained by diffusion annealing of Cd or Zn films. The above device is made in the form of a photodiode detector of infrared radiation of a matrix type.
К недостаткам вышеперечисленных известных технических решений относятся: отсутствие достижения максимальной ампер-ваттной чувствительности, низкая предельная частота фотоприема, отсутствие однородности параметров по площади.The disadvantages of the above known technical solutions include: the lack of achieving maximum ampere-watt sensitivity, low limit frequency of photo reception, lack of uniformity of parameters over the area.
Отсутствие достижения максимальной ампер-ваттной чувствительности связано с конструктивными особенностями известных фотоприемников ИК-излучения. Конструктивные решения не устраняют в полной мере поверхностных токов утечки и допускают наличие поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда, что в результате приводит к недостаточно высокому квантовому выходу и, как следствие снижению ампер-ваттной чувствительности.The lack of achieving maximum ampere-watt sensitivity is associated with the design features of the well-known infrared photodetectors. Structural solutions do not completely eliminate the surface leakage currents and allow the presence of surface recombination of minority charge carriers, which as a result leads to an insufficiently high quantum yield and, as a result, a decrease in the ampere-watt sensitivity.
Низкая предельная частота фотоприема является следствием высокого последовательного сопротивления в слое p-типа, поскольку при высокочастотном приеме предельная частота фотодиодного приемника определяется не только временем диффузии-дрейфа носителей через базу, временем их пролета через область пространственного заряда (ОПЗ), а также величиной RsC, где Rs - последовательное сопротивление, включающее сопротивление растекания по базовому слою и контактные сопротивления, С - емкость p-n-перехода. Следует отметить, что в случае гетеродинного приема негативная роль Rs еще более существенна, так как наряду с частотным ограничением большая величина Rs приводит к сильному изменению рабочей точки (напряжение смещения) p-n-перехода вследствие протекания больших порядка 1÷10 мА токов, тогда как типичные мощности гетеродинного (опорного) пучка могут достигать единиц милливатт.The low limit frequency of the photodetector is a consequence of the high series resistance in the p-type layer, since in the case of high-frequency reception the limit frequency of the photodiode receiver is determined not only by the diffusion-drift time of the carriers through the base, by the time of their flight through the space charge region (SCR), and also by the value of R s C, where R s is the series resistance, including spreading resistance along the base layer and contact resistances, C is the pn junction capacitance. It should be noted that in the case of heterodyne reception, the negative role of R s is even more significant, since along with the frequency limitation, a large value of R s leads to a strong change in the operating point (bias voltage) of the pn junction due to the occurrence of large currents of the order of 1 ÷ 10 mA, then how typical power of the heterodyne (reference) beam can reach units of milliwatts.
Негативное влияние большой величины Rs является существенным и для низкочастотных фотодиодных приемников матричного и линейчатого типа. При изготовлении таких приемников технологический подход к созданию базового контакта предписывает делать его в виде рамки, обрамляющей матрицу или линейку фотодиодов таким образом, что последовательное сопротивление складывается из сопротивления растекания по базовому слою и имеет величину, различающуюся для центральных и периферийных элементов. Суммарный ток от отдельных p-n-переходов, текущий в базовом слое (от всех элементов или части элементов матрицы, что определяется режимом работы мультиплексора), может достигать такой величины, что падение напряжения в базовом слое, обусловленное им, сдвигает рабочую точку фоточувствительных элементов. Последнее эквивалентно усилению фотоэлектрической связи между элементами и приводит к дополнительному вкладу в шумы ФПУ.The negative influence of a large value of R s is significant for low-frequency photodiode detectors of matrix and line type. In the manufacture of such receivers, the technological approach to creating a basic contact requires that it be made in the form of a frame surrounding a matrix or a line of photodiodes in such a way that the series resistance is made up of the spreading resistance along the base layer and has a value different for the central and peripheral elements. The total current from individual pn junctions flowing in the base layer (from all elements or part of the matrix elements, which is determined by the operating mode of the multiplexer), can reach such a magnitude that the voltage drop in the base layer caused by it shifts the operating point of the photosensitive elements. The latter is equivalent to enhancing the photovoltaic coupling between the elements and leads to an additional contribution to the FPU noise.
При изготовлении фотодиодного приемника ИК-излучения в виде матрицы наличие большой величины Rs приводит к неоднородности параметров по площади матрицы, поскольку данная величина в обязательном порядке включает в себя сопротивление растекания по базовому слою, которое отличается по величине для центральных и периферийных элементов.In the manufacture of a photodiode infrared radiation detector in the form of a matrix, the presence of a large value of R s leads to heterogeneity of the parameters over the matrix area, since this value necessarily includes the spreading resistance along the base layer, which differs in magnitude for the central and peripheral elements.
Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:
- достижение максимальной ампер-ваттной чувствительности;- achievement of maximum ampere-watt sensitivity;
- повышение предельной частоты фотоприема;- increase the maximum frequency of photo reception;
- достижение однородности параметров по площади.- achieving uniformity of parameters over the area.
Технический результат достигается тем, что в фотодиодном приемнике инфракрасного излучения, содержащем прозрачную для излучения спектральной области фотоприема полупроводниковую подложку, полупроводниковую варизонную структуру, размещенную на подложке, в составе варизонной структуры выполнены со стороны подложки последовательно друг на друге: полученный сильным легированием высокопроводящий слой одного типа проводимости с фиксированным значением ширины запрещенной зоны; слой другого типа проводимости с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», с плавным нарастанием ее значения от значения, соответствующего ширине запрещенной зоны предыдущего слоя, и затем с более плавным спадом до значения, соответствующего ширине запрещенной зоны предыдущего слоя или меньше; рабочий слой того же типа проводимости, что у предыдущего слоя, с фиксированной шириной запрещенной зоны, равной значению окончания спада ширины запрещенной зоны в предыдущем слое и равной значению ширины запрещенной зоны в первом из указанных слоев или меньше, при этом в рабочем слое создан p-n переход, выходящий на его поверхность; слой, расположенный на p-n переходе рабочего слоя, с плавным нарастанием значения ширины запрещенной зоны от значения, соответствующего рабочему слою, и типом проводимости противоположным относительно рабочего слоя.The technical result is achieved by the fact that in a photodiode infrared detector containing a semiconductor substrate transparent to the radiation of the spectral region of the photodetector, the semiconductor graded-gap structure placed on the substrate, the graded-gap structure is made sequentially from one another on the substrate side: a highly conductive layer of the same type obtained by strong doping conductivity with a fixed value of the band gap; a layer of another type of conductivity with a change in the band gap in the form of a “hump”, with a gradual increase in its value from the value corresponding to the band gap of the previous layer, and then with a more gradual decline to a value corresponding to the band gap of the previous layer or less; a working layer of the same conductivity type as that of the previous layer, with a fixed band gap equal to the value of the end of the decay of the band gap in the previous layer and equal to the band gap in the first of these layers or less, while a pn junction was created in the working layer overlooking its surface; a layer located at the pn junction of the working layer, with a gradual increase in the band gap from the value corresponding to the working layer and the type of conductivity opposite to the working layer.
В фотодиодном приемнике в составе подложки выполнен буферный слой, на котором расположена варизонная структура.In the photodiode receiver, a buffer layer is made on the substrate, on which the graded-gap structure is located.
В фотодиодном приемнике на подложке в составе варизонной структуры выполнен дополнительный слой с плавно уменьшающейся шириной запрещенной зоны с увеличением расстояния от поверхности подложки, того же типа проводимости, что и у полученного сильным легированием высокопроводящего слоя.In the photodiode detector on the substrate, as part of the graded-gap structure, an additional layer is made with a gradually decreasing band gap with increasing distance from the substrate surface of the same conductivity type as that obtained by strong doping of the highly conductive layer.
Фотодиодный приемник выполнен в виде матрицы.The photodiode receiver is made in the form of a matrix.
В фотодиодном приемнике полупроводниковая варизонная структура выполнена из CdxHg1-xTe, послойная вариация ширины запрещенной зоны задана послойной вариацией состава.In the photodiode detector, the semiconductor graded-gap structure is made of Cd x Hg 1-x Te, the layer -by- layer variation of the band gap is specified by the layer-by-layer composition variation.
В фотодиодном приемнике дополнительный слой с плавно уменьшающейся шириной запрещенной зоны с увеличением расстояния от поверхности подложки выполнен с вариацией состава CdxHg1-xTe по толщине от соответствующего x=0,37 у подложки до состава с x=0,222 у границы со следующим слоем, полученный сильным легированием высокопроводящий слой с фиксированным значением ширины запрещенной зоны выполнен с фиксированным составом CdxHg1-xTe по толщине при x=0,222, слой с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», с плавным нарастанием ее значения и затем с более плавным спадом выполнен с вариацией состава CdxHg1-xTe по толщине от соответствующего x=0,222 у границы предыдущего слоя до x=0,35 и, наконец, до x=0,222 или до x=0,19 у границы с рабочим слоем, рабочий слой с фиксированной шириной запрещенной зоны выполнен с фиксированным составом CdxHg1-xTe по толщине с x=0,222 или x=0,19, слой, расположенный на p-n переходе рабочего слоя, с плавным нарастанием значения ширины запрещенной зоны выполнен с вариацией состава CdxHg1-xTe по толщине от с x=0,222 или x=0,19 на границе раздела с рабочим слоем до x=0,47 на поверхности варизонной структуры.In the photodiode detector, an additional layer with a gradually decreasing band gap with increasing distance from the substrate surface is made with a variation in the composition of Cd x Hg 1-x Te in thickness from the corresponding x = 0.37 at the substrate to a composition with x = 0.222 at the boundary with the next layer obtained by strong alloying, a highly conductive layer with a fixed value of the band gap is made with a fixed composition Cd x Hg 1-x Te in thickness at x = 0.222, a layer with a change in the band gap in the form of a "hump" with a smooth increase in its value and then m with a smoother drop, the composition of Cd x Hg 1-x Te was varied in thickness from the corresponding x = 0.222 at the boundary of the previous layer to x = 0.35 and, finally, to x = 0.222 or to x = 0.19 at the boundary with a working layer, a working layer with a fixed band gap is made with a fixed composition Cd x Hg 1-x Te in thickness with x = 0.222 or x = 0.19, a layer located at the pn junction of the working layer, with a smooth increase in the forbidden width zone is formed with a variation composition Cd x Hg 1-x Te with a thickness of x = 0,222 and x = 0,19 at the interface with the working layer to x = 0,47 on the surface varizonnyh th structure.
В фотодиодном приемнике подложка выполнена из GaAs.In the photodiode receiver, the substrate is made of GaAs.
В фотодиодном приемнике буферный слой выполнен прозрачным для излучения в спектральной области чувствительности фотоприемника.In the photodiode receiver, the buffer layer is transparent for radiation in the spectral sensitivity region of the photodetector.
В фотодиодном приемнике буферный слой выполнен в составе слоев CdTe и ZnTe.In the photodiode receiver, the buffer layer is composed of CdTe and ZnTe layers.
В фотодиодном приемнике дополнительный слой с плавно уменьшающейся шириной запрещенной зоны с увеличением расстояния от поверхности подложки выполнен n-типа с концентрацией легирующей примеси 3×1017 см-3, полученный сильным легированием высокопроводящий слой выполнен n-типа с концентрацией легирующей примеси n=Nп1×(10÷103) см-3, где Nп1 - концентрация легирующей примеси в рабочем слое, слой с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика» выполнен p-типа с концентрацией легирующей примеси n=Nп1×(0,5÷2) см-3, где Nп1 - концентрация легирующей примеси в рабочем слое, рабочий слой выполнен p-типа с концентрацией легирующей примеси Nп1=5×1016 см-3, при этом n область рабочего слоя выполнена с концентрацией свободных носителей заряда на уровне 1017÷1018 см-3, слой с плавным нарастанием значения ширины запрещенной зоны выполнен n-типа с концентрацией легирующей примеси такой же, как в рабочем слое p-типа.In the photodiode detector, an additional layer with a gradually decreasing band gap with increasing distance from the substrate surface is made of n-type with a concentration of
В фотодиодном приемнике дополнительный слой с плавно уменьшающейся шириной запрещенной зоны с увеличением расстояния от поверхности подложки выполнен толщиной 0,5÷1,5 мкм, полученный сильным легированием высокопроводящий слой выполнен толщиной 0,5÷3 мкм, слой с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика» выполнен толщиной 0,8÷2 мкм, рабочий слой выполнен толщиной 8,2 мкм, при этом n область рабочего слоя выполнена толщиной 2÷2,5 мкм, слой с плавным нарастанием значения ширины запрещенной зоны выполнен толщиной 0,1÷1,5 мкм.In the photodiode detector, an additional layer with a gradually decreasing band gap with an increase in the distance from the substrate surface is made with a thickness of 0.5 ÷ 1.5 μm, a highly conductive layer obtained by strong alloying is made with a thickness of 0.5 ÷ 3 μm, a layer with a change in the band gap in the form The “hump" is made with a thickness of 0.8 ÷ 2 μm, the working layer is made with a thickness of 8.2 μm, while n the region of the working layer is made with a thickness of 2 ÷ 2.5 μm, the layer with a smooth increase in the value of the band gap is made with a thickness of 0.1 ÷ 1.5 microns.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. Фиг.1 - изменение ширины запрещенной зоны с расстоянием от поверхности подложки варизонной гетероэпитаксиальной структуры и схема расположения слоев, где 1 - дополнительный слой с плавным снижением ширины запрещенной зоны, 2 - высокопроводящий слой с фиксированным значением ширины запрещенной зоны, 3 - слой с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», 4 - рабочий слой с фиксированным значением ширины запрещенной зоны, 5 - слой с плавным нарастанием ширины запрещенной зоны. Фиг.2 - профиль состава по толщине гетероэпитаксиальной варизонной структуры CdHgTe, выращенной молекулярно-лучевой эпитаксией на подложке GaAs.The invention is illustrated by the following description and the accompanying drawings. Figure 1 - change in the band gap with distance from the substrate surface of the graded-gap heteroepitaxial structure and the layout of the layers, where 1 is an additional layer with a smooth decrease in the band gap, 2 is a highly conductive layer with a fixed value of the band gap, 3 is a layer with a change in width band gap in the form of a "hump", 4 - a working layer with a fixed value of the band gap, 5 - a layer with a smooth increase in the band gap. Figure 2 is a thickness profile of the heteroepitaxial graded-gap CdHgTe structure grown by molecular beam epitaxy on a GaAs substrate.
Известно, что при изготовлении ИК фотодиодных приемников на основе варизонной структуры, наличие высокопроводящего слоя приводит к уменьшению последовательного сопротивления Rs (В.С.Варавин, В.В.Васильев, Т.И.Захарьяш, С.А.Дворецкий, Н.Н.Михайлов, В.Н.Овсюк, В.М.Осадчий, Ю.Г.Сидоров, А.О.Сусляков. «Фотодиоды с низким последовательным сопротивлением на основе варизонных эпитаксиальных слоев CdxHg1-xТе». Оптический журнал, том 66, №12, 1999 г., стр.69-72). Однако в приведенной публикации высокопроводящий слой представляет собой область с узкозонным составом CdHgTe, что приводит к дополнительному поглощению регистрируемого излучения в данном узкозонном слое при засветке со стороны подложки, и негативно сказывается на ампер-ваттной чувствительности. В предлагаемом изобретении уменьшение последовательного сопротивления осуществляется за счет создания сильнолегированного слоя (2) n типа проводимости (см. Фиг.1), который является высокопроводящим. Такое решение устраняет проблему поглощения излучения высокопроводящим слоем при ширине запрещенной зоны не менее чем в рабочем слое (4). В случае, когда ширина запрещенной зоны высокопроводящего слоя (2) совпадает с шириной запрещенной зоны рабочего слоя (4), поглощение отсутствует в результате наличия эффекта Мосса-Бурштейна. С увеличением ширины запрещенной зоны высокопроводщего слоя (2) эффект поглощения исчезает.It is known that in the manufacture of IR photodiode receivers based on the graded-gap structure, the presence of a highly conductive layer leads to a decrease in the series resistance R s (V.S. Varavin, V.V. Vasiliev, T.I. Zakharyash, S.A. Dvoretsky, N. N.Mikhailov, V.N. Ovsyuk, V.M. Osadchiy, Yu.G. Sidorov, A.O. Suslyakov “Photodiodes with low series resistance based on graded-gap epitaxial layers Cd x Hg 1-x Te.” Optical Journal , Volume 66, No. 12, 1999, pp. 69-72). However, in the publication cited, the highly conductive layer is a region with a narrow-gap composition of CdHgTe, which leads to additional absorption of the recorded radiation in this narrow-gap layer when exposed to light from the substrate, and negatively affects the ampere-watt sensitivity. In the present invention, the series resistance is reduced by creating a heavily doped layer (2) n of the conductivity type (see Figure 1), which is highly conductive. This solution eliminates the problem of absorption of radiation by a highly conductive layer with a band gap of not less than in the working layer (4). In the case where the band gap of the highly conductive layer (2) coincides with the band gap of the working layer (4), absorption is absent due to the Moss-Burshtein effect. With an increase in the band gap of the highly conductive layer (2), the absorption effect disappears.
В последнем случае дополнительным положительным эффектом является достижение отсечки излучения в коротковолновой части спектра холодным отсекающим фильтром, роль которого выполняет высокопроводящий слой (2) с шириной запрещенной зоны большей, чем у рабочего (4) слоя.In the latter case, an additional positive effect is the achievement of radiation cutoff in the short-wavelength part of the spectrum by a cold cut-off filter, whose role is played by a highly conductive layer (2) with a band gap greater than that of the working (4) layer.
Таким образом, наличие полученного сильным легированием высокопроводящего слоя обуславливает повышение предельной частоты фотоприема, достижение однородности параметров по площади, в частности при изготовлении ИК-фотодиодного приемника в виде матрицы за счет снижения последовательного сопротивления в рабочем p-слое.Thus, the presence of a highly conductive layer obtained by strong doping leads to an increase in the limiting frequency of photodetection, to achieve uniformity of parameters over the area, in particular, in the manufacture of an infrared photodiode detector in the form of a matrix by reducing the series resistance in the working p-layer.
С другой стороны, достижение максимальной ампер-ваттной чувствительности в предлагаемом устройстве реализуется также за счет присутствия слоев (3) и (5) (см. Фиг.1). Слой (5) с плавным нарастанием ширины запрещенной зоны устраняет влияние поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда и подавляет поверхностные токи утечки, а слой (3) с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика» запирает неосновные носители заряда в рабочем слое (4). В результате такого двустороннего воздействия на неосновные носители заряда, направленного на обеспечение их участия в формировании сигнала при фотоприеме, обеспечивается более высокий квантовый выход и, как следствие, повышается ампер-ваттная чувствительность.On the other hand, the achievement of maximum ampere-watt sensitivity in the proposed device is also realized due to the presence of layers (3) and (5) (see Figure 1). Layer (5) with a smooth increase in the band gap eliminates the effect of surface recombination of minority charge carriers and suppresses surface leakage currents, and layer (3) with a change in the band gap in the form of a “hump” closes minority charge carriers in the working layer (4). As a result of this two-sided impact on minority charge carriers, aimed at ensuring their participation in the formation of the signal during photodetection, a higher quantum yield is provided and, as a result, the ampere-watt sensitivity is increased.
Ширина запрещенной зоны в рабочем слое (4) может варьироваться в широких пределах, в зависимости от технических требований к параметрам фотоприемника по обнаружению излучения от удаленного объекта.The band gap in the working layer (4) can vary within wide limits, depending on the technical requirements for the parameters of a photodetector for detecting radiation from a distant object.
Величина и профиль ширины запрещенной зоны в слоях варизонной структуры определяется для каждого конкретного случая (ширина запрещенной зоны рабочего слоя, рабочая температура фотоприемника, физические параметры полупроводника) из учета требований подавления рекомбинации неосновных носителей заряда и обеспечения максимальной квантовой эффективности.The magnitude and profile of the band gap in the graded-gap structure layers is determined for each specific case (band gap of the working layer, operating temperature of the photodetector, physical parameters of the semiconductor) taking into account the requirements of suppressing the recombination of minority charge carriers and ensuring maximum quantum efficiency.
Фотодиодный приемник ИК-излучения содержит полупроводниковую подложку и выполненную на ней полупроводниковую варизонную структуру, которая в общем случае состоит из расположенных на подложке последовательно: высокопроводящего слоя, слоя с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», рабочего слоя с p-n переходом, слоя с плавным нарастанием ширины запрещенной зоны.The photodiode infrared radiation detector contains a semiconductor substrate and a semiconductor graded-gap structure made on it, which generally consists of sequentially arranged on the substrate: a highly conductive layer, a layer with a change in the band gap in the form of a "hump", a working layer with a pn junction, a layer with a gradual increase in the band gap.
Полупроводниковая подложка, например, из GaAs является прозрачной для ИК-излучения в области чувствительности фотоприемника. В составе подложки при необходимости выполнен буферный слой, включающий слои CdTe и ZnTe. Данный бислойный буфер предназначен для точного согласования решеток материала подложки и материала слоев варизонной структуры, выполняющей активную функцию в фотоприеме. Буфер так же как и подложка является прозрачным в спектральной области фотоприема.A semiconductor substrate, for example, of GaAs, is transparent to infrared radiation in the sensitivity region of the photodetector. If necessary, a buffer layer is made up of the substrate, including CdTe and ZnTe layers. This bilayer buffer is designed to precisely match the gratings of the substrate material and the material of the layers of the graded-gap structure, which performs an active function in the photodetector. The buffer, like the substrate, is transparent in the spectral region of the photodetector.
Полупроводниковая варизонная структура выполнена на основе CdHgTe, например, с составом, демонстрируемым на Фиг.2.The semiconductor graded-gap structure is based on CdHgTe, for example, with the composition shown in Figure 2.
На подложке или буферном слое подложки, в случае, когда он присутствует, в составе полупроводниковой варизонной структуры, сформирован (Фиг.1) дополнительный слой (1) с плавным снижением ширины запрещенной зоны. Слой предназначен для устранения влияния интерфейсных явлений на границе раздела подложка - варизонная структура на формирование сигнала при фотоприеме и выполняется по мере необходимости. В частности на Фиг.2, приведенной в качестве примера выполнения варизонной структуры, данный слой отсутствует. Он представляет собой варизонный слой p- или n-типа с шириной запрещенной зоны Eg, плавно меняющейся от Eg1 до Eg2 (Eg1>Eg2) и толщиной от 0,5 до 1,5 мкм. При этом вариация ширины запрещенной зоны задается вариацией состава по толщине. В частности, слой формируют так, что состав CdxHg1-xTe данного слоя плавно меняется от соответствующего x=0,37 до состава с x=0,222, при толщине 1,2 мкм и легируют индием с концентрацией n=3×1017 см-3.On the substrate or the buffer layer of the substrate, in the case when it is present, as part of the semiconductor graded-gap structure, an additional layer (1) is formed (Fig. 1) with a smooth decrease in the band gap. The layer is designed to eliminate the influence of interface phenomena at the substrate - graded-gap structure on signal formation during photodetection and is performed as necessary. In particular, in FIG. 2, given as an example of a graded-gap structure, this layer is absent. It is a graded-gap p- or n-type layer with a band gap Eg that varies smoothly from Eg 1 to Eg 2 (Eg 1 > Eg 2 ) and a thickness of 0.5 to 1.5 μm. In this case, the variation in the band gap is determined by the variation in composition over the thickness. In particular, the layer is formed so that the composition Cd x Hg 1-x Te of this layer smoothly changes from the corresponding x = 0.37 to the composition with x = 0.222 at a thickness of 1.2 μm and is doped with indium with a concentration of n = 3 × 10 17 cm -3 .
На дополнительном слое (1), если он присутствует в варизонной структуре, или на подложке расположен высокопроводящий слой, представляющий собой слой (2) с фиксированным значением ширины запрещенной зоны (Фиг.1). Он выполнен сильнолегированным, n типа проводимости, с Eg=Eg2, толщиной от 0,5 до 3,0 мкм, концентрацией n=Nп1×(10÷103) см-3, где Nп1 - концентрация легирующей примеси в рабочем слое (4). Фиксированная ширина запрещенной зоны обусловлена фиксированным составом по толщине. В частности, слой (2) формируют с постоянным составом CdxHg1-xTe, с x=0,222, толщиной 2,7 мкм и легируют индием с концентрацией n=3×1017 см-3.On an additional layer (1), if it is present in the graded-gap structure, or on the substrate there is a highly conductive layer representing a layer (2) with a fixed value of the band gap (Figure 1). It is made of heavily doped, n type conductivity, with Eg = Eg 2 , thickness from 0.5 to 3.0 μm, concentration n = Nп 1 × (10 ÷ 10 3 ) cm -3 , where Nп 1 is the concentration of the dopant in the working layer (4). The fixed band gap is due to a fixed thickness composition. In particular, layer (2) is formed with a constant composition of Cd x Hg 1-x Te, with x = 0.222, a thickness of 2.7 μm, and doped with indium with a concentration of n = 3 × 10 17 cm -3 .
На высокопроводящем слое (2) расположен слой (3) с изменением ширины запрещенной зоны в виде «горбика», другого типа проводимости, p-типа, с плавным нарастанием значения ширины запрещенной зоны от Eg2 до Eg3 и затем с более плавным спадом до Eg4, толщиной от 0,8 до 2,0 мкм, концентрацией p=Nп1×(0,5÷2) см-3, где Nп1 - концентрация легирующей примеси в рабочем слое (4). При этом вариация ширины запрещенной зоны задается вариацией состава по толщине. В частности, при Eg2=Eg4 слой формируют так, что состав CdxHg1-xTe данного слоя плавно меняется от соответствующего x=0,222 до x=0,35 и затем более плавно меняется до состава с x=0,222, при толщине 1 мкм и концентрации p=6×l015 см-3. При Eg2>Eg4 состав CdxHg1-xTe данного слоя плавно меняется от соответствующего x=0,222 до x=0,35 и затем более плавно меняется до состава с x=0,19. Последнее соответствует более длинноволновой области фотоприема. Тип проводимости данного слоя является вакансионным или получен путем легирования As.On the highly conductive layer (2) there is a layer (3) with a change in the band gap in the form of a “hump”, another type of conductivity, p-type, with a gradual increase in the band gap from Eg 2 to Eg 3 and then with a smoother decrease to Eg 4 , with a thickness of 0.8 to 2.0 μm, a concentration of p = Np 1 × (0.5 ÷ 2) cm -3 , where Np 1 is the concentration of the dopant in the working layer (4). In this case, the variation in the band gap is determined by the variation in the composition over the thickness. In particular, at Eg 2 = Eg 4 the layer is formed so that the composition Cd x Hg 1-x Te of this layer smoothly changes from the corresponding x = 0.222 to x = 0.35 and then changes more smoothly to the composition with x = 0.222, at a thickness of 1 μm and a concentration of p = 6 × l0 15 cm -3 . For Eg 2 > Eg 4, the composition of Cd x Hg 1-x Te of this layer smoothly changes from the corresponding x = 0.222 to x = 0.35 and then changes more smoothly to the composition with x = 0.19. The latter corresponds to the longer wavelength region of the photodetector. The type of conductivity of this layer is vacancy or obtained by doping As.
Слои (1)-(3) выполняются прозрачными для ИК излучения в области фотоприема.Layers (1) - (3) are transparent for IR radiation in the photodetector region.
Рабочий слой (4) p типа проводимости сформирован на слое (3) (см. Фиг.1) с фиксированной шириной запрещенной зоны, равной значению окончания спада ширины запрещенной зоны Eg4 в слое (3) и равной значению ширины запрещенной зоны Eg2 в высокопроводящем слое (2) или меньше ширины запрещенной зоны Eg2 в высокопроводящем слое (2). При этом в рабочем слое (4) создан p-n-переход, выходящий на его поверхность. Фотодиод создается путем легирования со стороны поверхности, формирующего область с типом проводимости противоположным типу проводимости рабочего слоя (4). Глубина области n-типа проводимости в рабочем слое (4) составляет от 2 до 2,5 мкм, концентрация свободных носителей заряда - на уровне 1017÷1018 см-3. Указанную область формируют путем легирования индием или легированием ионной имплантацией бора.The working layer (4) p of the conductivity type is formed on the layer (3) (see Figure 1) with a fixed band gap equal to the value of the end of the decay of the band gap Eg 4 in the layer (3) and equal to the band gap Eg 2 in highly conductive layer (2) or less than the band gap Eg 2 in the highly conductive layer (2). In this case, a pn junction is created in the working layer (4), which extends to its surface. A photodiode is created by doping from the side of the surface, forming a region with the type of conductivity opposite to the type of conductivity of the working layer (4). The depth of the n-type region of conductivity in the working layer (4) is from 2 to 2.5 μm, the concentration of free charge carriers is at the level of 10 17 ÷ 10 18 cm -3 . The specified region is formed by doping with indium or doping with ion implantation of boron.
Толщина рабочего слоя определяется желаемыми параметрами фотодиодного приемника и может составлять, например, 8,2 мкм. Концентрация легирующей примеси в рабочем слое (4) составляет Nп1=5×1016 см-3. Фиксированная ширина запрещенной зоны обусловлена фиксированным составом по толщине. В частности, рабочий слой (4) формируют с постоянным составом CdxHg1-xTe с x=0,222, что соответствует Eg4=Eg2, или с постоянным составом CdxHg1-xTe с x=0,19, что соответствует Eg4<Eg2.The thickness of the working layer is determined by the desired parameters of the photodiode receiver and can be, for example, 8.2 microns. The concentration of the dopant in the working layer (4) is Np 1 = 5 × 10 16 cm -3 . The fixed band gap is due to a fixed thickness composition. In particular, the working layer (4) is formed with a constant composition of Cd x Hg 1-x Te with x = 0.222, which corresponds to Eg 4 = Eg 2 , or with a constant composition of Cd x Hg 1-x Te with x = 0.19, which corresponds to Eg 4 <Eg 2 .
На поверхности области n-типа проводимости в рабочем слое (4) расположен слой (5) с плавным нарастанием значения ширины запрещенной зоны от значения Eg4 до значения Eg5 и типом проводимости, противоположным относительно рабочего слоя, то есть n-типа. Его толщина составляет от 0,1 до 1,5 мкм. При этом вариация ширины запрещенной зоны задается вариацией состава по толщине. В частности, слой формируют так, что состав CdxHg1-xTe данного слоя плавно меняется от соответствующего x=0,222 или x=0,19 до состава с x=0,47 на поверхности. Концентрация свободных носителей такая же, как и в области n-типа проводимости рабочего слоя (4) при тех же средствах ее достижения.On the surface of the n-type conduction region in the working layer (4), a layer (5) is located with a gradual increase in the band gap from the value of Eg 4 to the value of Eg 5 and the type of conductivity opposite to the working layer, i.e., n-type. Its thickness is from 0.1 to 1.5 microns. In this case, the variation in the band gap is determined by the variation in composition over the thickness. In particular, the layer is formed so that the composition Cd x Hg 1-x Te of this layer smoothly changes from the corresponding x = 0.222 or x = 0.19 to the composition with x = 0.47 on the surface. The concentration of free carriers is the same as in the region of n-type conductivity of the working layer (4) with the same means of achieving it.
Предлагаемый фотодиодный приемник ИК-излучения характеризуется последовательным сопротивлением Rs=8 Ом и квантовой эффективностью в максимуме чувствительности η=0,7, что соответствует теоретическому значению для непросветленной поверхности CdHgTe.The proposed photodiode infrared detector is characterized by a series resistance R s = 8 Ohms and quantum efficiency at a maximum sensitivity of η = 0.7, which corresponds to the theoretical value for the unenlightened CdHgTe surface.
В случае выполнения фотодиодного приемника ИК-излучения в виде матрицы малая величина Rs обеспечивает однородность рабочего напряжения смещения всех фотодиодов, задаваемого кремниевым мультиплексором.In the case of a photodiode receiver of infrared radiation in the form of a matrix, a small value of R s ensures uniformity of the working bias voltage of all the photodiodes specified by the silicon multiplexer.
Фотодиодный приемник ИК излучения работает следующим образом.Photodiode receiver of infrared radiation operates as follows.
Поток ИК-излучения проходит через подложку, слои (1)-(3), не поглощаясь ими, и попадает в рабочий слой (4) (Фиг.1). В рабочем слое (4) происходит поглощение прошедшего ИК-излучения и генерация неосновных носителей заряда, которые подтягиваются к p-n-переходу, захватываются им и создают фототок, формирующий сигнал фотоприема. При этом прямосмещенный p-n-переход, образованный слоями (2) и (3), обладает низким дифференциальным сопротивлением.The IR radiation stream passes through the substrate, layers (1) - (3), not absorbed by them, and enters the working layer (4) (Figure 1). In the working layer (4), the transmitted infrared radiation is absorbed and minority charge carriers are generated, which are pulled to the pn junction, captured by it, and create a photocurrent that forms the photodetector signal. In this case, the forward biased pn junction formed by layers (2) and (3) has a low differential resistance.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006128300/28A RU2310949C1 (en) | 2006-08-03 | 2006-08-03 | Photodiode infrared detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006128300/28A RU2310949C1 (en) | 2006-08-03 | 2006-08-03 | Photodiode infrared detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2310949C1 true RU2310949C1 (en) | 2007-11-20 |
Family
ID=38959558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006128300/28A RU2310949C1 (en) | 2006-08-03 | 2006-08-03 | Photodiode infrared detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2310949C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2529457C1 (en) * | 2013-07-17 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Infrared photosensitive structure and method of making same |
| RU2769232C1 (en) * | 2021-06-23 | 2022-03-29 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» | Structure photosensitive to infrared radiation and method for its manufacture |
-
2006
- 2006-08-03 RU RU2006128300/28A patent/RU2310949C1/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2529457C1 (en) * | 2013-07-17 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Infrared photosensitive structure and method of making same |
| RU2769232C1 (en) * | 2021-06-23 | 2022-03-29 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» | Structure photosensitive to infrared radiation and method for its manufacture |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106531822B (en) | A kind of photodetector | |
| KR101052030B1 (en) | Electromagnetic radiation converter | |
| RU75505U1 (en) | PHOTODIODIC STRUCTURE FOR INFRARED RADIATION RECEIVER | |
| EP0167305A2 (en) | Photodetector | |
| CN106356419B (en) | A kind of photodetector of the structure containing oxygen buried layer | |
| EP0401352B1 (en) | Multiple heterostructure photodetector | |
| US20080164554A1 (en) | Apparatus Comprising an Avalanche Photodiode | |
| EP0589024A1 (en) | Low capacitance x-ray radiation detector | |
| JP2017199935A (en) | Planar avalanche photodiode | |
| KR20000005121A (en) | Three colour sensor with a pin or nip series of layers | |
| RU2310949C1 (en) | Photodiode infrared detector | |
| EP1470574B1 (en) | High speed pin photodiode with increased responsivity | |
| Rutkowski | Planar junction formation in HgCdTe infrared detectors | |
| US20030087466A1 (en) | Phototransistor device | |
| US20060213551A1 (en) | Semiconductor photodetector and method for manufacturing same | |
| CN107240616A (en) | InGaAs/InP photistor infrared detectors with intrinsic Rotating fields | |
| KR100676733B1 (en) | UV detector having NIP Structure | |
| GB2029639A (en) | Infra-red photodetectors | |
| RU2240631C1 (en) | Photodetector | |
| CN115101612B (en) | High-speed PIN detector of double multiple quantum wells of silicon-based | |
| KR100654310B1 (en) | Method for p layer carrier intrinsic diffusion prevention of photo detector | |
| Xu et al. | GaN-based back-illuminated ultraviolet photodetector with an absorption layer compensation doping | |
| JPH0494579A (en) | Semiconductor photodetector | |
| JP2706180B2 (en) | Photoelectric conversion device | |
| JPH0330479A (en) | Infrared detector |