RU2488916C1 - Semiconductor infrared detector - Google Patents

Semiconductor infrared detector Download PDF

Info

Publication number
RU2488916C1
RU2488916C1 RU2012101130/28A RU2012101130A RU2488916C1 RU 2488916 C1 RU2488916 C1 RU 2488916C1 RU 2012101130/28 A RU2012101130/28 A RU 2012101130/28A RU 2012101130 A RU2012101130 A RU 2012101130A RU 2488916 C1 RU2488916 C1 RU 2488916C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
semiconductor
ohmic contact
substrate
active region
region
Prior art date
Application number
RU2012101130/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012101130A (en
Inventor
Елена Александровна Гребенщикова
Виктор Вениаминович Шерстнев
Дмитрий Андреевич Старостенко
Екатерина Вадимовна Куницына
Глеб Георгиевич Коновалов
Игорь Анатольевич Андреев
Юрий Павлович Яковлев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2012101130/28A priority Critical patent/RU2488916C1/en
Publication of RU2012101130A publication Critical patent/RU2012101130A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2488916C1 publication Critical patent/RU2488916C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: semiconductor infrared detector includes a semiconductor substrate (1) AIIIBV with an active region (2) in form of a disc with a hole in the centre based on a heterostructure made from solid solutions AIIIBV, a first ohmic contact (4) and a second ohmic contact (7). The first ohmic contact (4) is deposited on the surface (3) of the active region (2). The second ohmic contact (7) is deposited on the surface (6) of the peripheral region (8) of the semiconductor substrate (1), lying opposite the surface with the active region (2). There is at least one depression (10) in the surface (6) of the central region (9) of the semiconductor substrate (1) free from the second ohmic contact (7).
EFFECT: invention enables to make a semiconductor infrared detector which, along with a wider spectral sensitivity region in the middle infrared region of 2-5 mcm, has high quantum efficiency and lower density of backward current.
6 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, точнее к компактным фотоприемникам излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн, применяемым в различных областях науки и техники, в промышленности, а именно в спектроскопии, в медицине, оптических системах связи и передачи информации, в оптических сверхскоростных вычислительных и коммутационных системах.The invention relates to optoelectronic technology, more specifically to compact radiation photodetectors in the infrared (IR) wavelength range, used in various fields of science and technology, in industry, namely in spectroscopy, medicine, optical communication systems and information transfer, in optical superfast computing and switching systems.

Особенностью фотодиодов (ФД) для средней ИК-области спектра (3-5 мкм), работающих при комнатной температуре, является сравнительно слабая квантовая эффективность (20-40%).A feature of photodiodes (PD) for the mid-IR region of the spectrum (3-5 μm) operating at room temperature is the relatively weak quantum efficiency (20–40%).

Известен полупроводниковый приемник (см. патент US 3542477, МПК G01S 1/02, опубликован 24.11.1970), содержащий корпус с окном за которым находится полусферическое вогнутое зеркало, направляющее излучение на фотодиод.Known semiconductor receiver (see patent US 3542477, IPC G01S 1/02, published 24.11.1970), comprising a housing with a window behind which is a hemispherical concave mirror directing radiation to the photodiode.

К недостаткам известной конструкции следует отнести подверженность зеркала воздействиям окружающей среды в процессе эксплуатации, таким как механические, химические и термические. Кроме того, полусферическое зеркало сложно в изготовлении и достаточно громоздко.The disadvantages of the known design include the exposure of the mirror to environmental influences during operation, such as mechanical, chemical and thermal. In addition, a hemispherical mirror is difficult to manufacture and rather bulky.

Известен полупроводниковый приемник инфракрасного излучения (см. US 2010320552, МПК H01L 31/00 опубликована 23.12.2010), состоящий из подложки, фотодиода, сформированного на подложке, в котором взаимодействующие части отделены одна от другой диэлектрическим материалом. Световой поток проникает, по крайней мере, через часть диэлектрического материала. Над световым потоком расположена микролинза, а еще выше - цветной светофильтр.Known semiconductor infrared detector (see US 2010320552, IPC H01L 31/00 published December 23, 2010), consisting of a substrate, a photodiode formed on a substrate in which the interacting parts are separated from one another by dielectric material. The luminous flux penetrates at least through part of the dielectric material. A microlens is located above the luminous flux, and even higher is a color filter.

К недостаткам можно отнести то, что в известном приемнике инфракрасного излучения применяются внешние устройства (микролинза, светофильтр), усложняющие его конструкцию.The disadvantages include the fact that in the known infrared receiver, external devices (microlenses, light filters) are used, complicating its design.

Известен иммерсионный приемник инфракрасного излучения (см. R.Clark Jones. - "Immersed radiation detectors". - Appl. Opt., 1, p.607-613, 1962), в котором чувствительный элемент находится в оптическом контакте с линзой с высоким показателем преломления.Known immersion detector of infrared radiation (see R. Clark Jones. - "Immersed radiation detectors". - Appl. Opt., 1, p.607-613, 1962), in which the sensitive element is in optical contact with the lens with a high index refraction.

При использовании линз достижение высоких значений чувствительности для длин волн 3-5 мкм при комнатной температуре зачастую сопровождается получением узкого угла зрения ФД, определяемого геометрией линзы и узкой полосой чувствительности (с полушириной спектра ~0.6 мкм, что не удовлетворяет требованиям некоторых применений).When using lenses, achieving high sensitivity values for wavelengths of 3-5 μm at room temperature is often accompanied by obtaining a narrow angle of view of the photodiode determined by the geometry of the lens and a narrow sensitivity band (with a half-width of the spectrum of ~ 0.6 μm, which does not satisfy the requirements of some applications).

Известен полупроводниковый приемник инфракрасного излучения на основе гетероструктур InAs/InAs0.88Sb0.12/InAsSbP для спектрального диапазона 2,5-4,9 мкм (см. Шерстнев В.В., Старостенко Д., Андреев И.А., Коновалов ГГ., Ильинская Н.Д., Серебренникова О.Ю., Яковлев Ю.П. - ПЖТФ, 2011, т.37, в.1, с.11-17). Значение плотности обратных темновых токов таких ФД составляет (1,3-7,5)·10-2 А/см2 при напряжении обратного смещения 0,2 В. Дифференциальное сопротивление в нуле смещения достигает величины 700-800 Ом.Known semiconductor infrared detector based on InAs / InAs 0.88 Sb 0.12 / InAsSbP heterostructures for the spectral range of 2.5-4.9 μm (see Sherstnev V.V., Starostenko D., Andreev I.A., Konovalov G., Ilyinskaya N.D., Serebrennikova O.Yu., Yakovlev Yu.P. - PZhTF, 2011, vol. 37, v. 1, pp. 11-17). The density value of the reverse dark currents of such PDs is (1.3-7.5) · 10 -2 A / cm 2 at a reverse bias voltage of 0.2 V. The differential resistance at the bias zero reaches 700-800 Ohms.

Но такие приемники инфракрасного излучения характеризуются недостаточно высокой чувствительностью, которая в максимуме спектральной чувствительности составляет (5-8)·108 cм·Гц½·Bт-1.But such infrared detectors are characterized by insufficiently high sensitivity, which at the maximum of spectral sensitivity is (5-8) · 10 8 cm · Hz ½ · W -1 .

Известен полупроводниковый приемник инфракрасного излучения (см. заявка US 2004171183, МПК H01L 21/00, H01L 31/00, опубликована 02.09.2004), состоящий из полупроводниковой подложки и последовательно нанесенных на нее буферного и светопоглощающего слоев. Эпитаксиальный слой, содержащий активную область в форме выпуклой линзы, сформирован из InP на верхней поверхности светопоглощающего слоя. На верхней поверхности эпитаксиального слоя сформирован диэлектрический слой, исключая активную область. Первый металлический электрод p-типа сформирован на верхней поверхности диэлектрического слоя, второй металлический электрод n-типа сформирован на нижней поверхности подложки. Буферный слой состоит из кристаллической структуры, идентичной структуре подложки.Known semiconductor infrared detector (see application US 2004171183, IPC H01L 21/00, H01L 31/00, published 02.09.2004), consisting of a semiconductor substrate and sequentially deposited on it a buffer and light-absorbing layers. An epitaxial layer containing an active region in the form of a convex lens is formed of InP on the upper surface of the light-absorbing layer. A dielectric layer is formed on the upper surface of the epitaxial layer, excluding the active region. The first p-type metal electrode is formed on the upper surface of the dielectric layer, the second n-type metal electrode is formed on the lower surface of the substrate. The buffer layer consists of a crystalline structure identical to the structure of the substrate.

Ключевым элементом известного фотодиода является выпуклая линза, расположенная внутри полупроводникового кристалла в активной области из фосфида индия (InP). Такой материал чувствителен к излучению в видимом и ближнем ИК-диапазоне, но не может быть использован для применения в среднем ИК-диапазоне (2-5) мкм.A key element of the known photodiode is a convex lens located inside the semiconductor crystal in the active region of indium phosphide (InP). Such material is sensitive to radiation in the visible and near infrared range, but cannot be used for use in the average infrared range (2-5) microns.

Известен полупроводниковый приемник инфракрасного излучения (см. Письма в ЖТФ, том 37, вып.19, стр.95-103, 2011), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный полупроводниковый приемник инфракрасного излучения, включает полупроводниковую подложку InAs с кольцевой активной областью на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов InAsSb, первый омический контакт, нанесенный на поверхность кольцевой активной области, и второй сплошной омический контакт, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с кольцевой активной областью.A well-known semiconductor receiver of infrared radiation (see. Letters in ZhTF, volume 37, issue 19, pages 95-103, 2011), which coincides with the claimed solution for the largest number of essential features and adopted as a prototype. A known semiconductor infrared detector includes an InAs semiconductor substrate with a ring active region based on a heterostructure made of InAsSb solid solutions, a first ohmic contact deposited on the surface of the ring active region, and a second solid ohmic contact deposited on the entire surface of the semiconductor substrate, an opposite surface with a ring active region.

Достоинством известного полупроводникового приемника-прототипа является расширенный диапазон спектральной чувствительности в среднем ИК-диапазоне (2-5) мкм. Однако известный полупроводниковый приемник имеет недостаточную квантовую эффективность, и высокую плотность обратных токов.The advantage of the well-known semiconductor receiver prototype is the extended range of spectral sensitivity in the average IR range (2-5) microns. However, the known semiconductor receiver has insufficient quantum efficiency, and a high density of reverse currents.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого полупроводникового приемника инфракрасного излучения, который бы, наряду с расширенным диапазоном спектральной чувствительности в среднем ИК-диапазоне (2-5) мкм, имел повышенную квантовую эффективность и более низкую плотность обратных токов.The present invention was the development of such a semiconductor infrared radiation detector, which, along with an extended spectral sensitivity range in the mid-IR range (2-5) microns, had an increased quantum efficiency and lower density of reverse currents.

Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый приемник инфракрасного излучения включает полупроводниковую подложку AIIIBV с активной областью в форме диска с отверстием в центре на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV, первый омический контакт и второй омический контакт. Первый омический контакт нанесен на поверхность активной области. Второй омический контакт нанесен на поверхность периферийной области полупроводниковой подложки, противолежащую поверхности с активной областью. Новым является выполнение в поверхности полупроводниковой подложки, свободной от второго омического контакта, по меньшей мере одного углубления.The problem is solved in that the semiconductor infrared detector includes an III – V semiconductor substrate with a disk shaped active region with a hole in the center based on a heterostructure made of III – V solid solutions, a first ohmic contact and a second ohmic contact. The first ohmic contact is applied to the surface of the active region. A second ohmic contact is applied to the surface of the peripheral region of the semiconductor substrate, the opposite surface with the active region. New is the implementation in the surface of the semiconductor substrate, free from the second ohmic contact, at least one recess.

Площадь лицевой поверхности подложки, через которую падающий свет проникает в кристалл, должна быть существенно больше площади активной области в форме диска с отверстием в центре на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV.The surface area of the substrate through which incident light penetrates into the crystal should be significantly larger than the area of the active region in the form of a disk with a hole in the center based on a heterostructure made of III – V solid solutions.

Углубление может иметь любую округло-криволинейную поверхность (сферическую, эллиптическую, параболическую).The recess can have any round-curved surface (spherical, elliptical, parabolic).

Предпочтительно углубление может иметь глубину h, удовлетворяющую соотношению:Preferably, the recess may have a depth h satisfying the relationship:

λ<h<d, мкм,λ <h <d, μm,

где λ - длина волны падающего света с энергией, равной ширине запрещенной зоны активной области полупроводникового приемника инфракрасного излучения, мкм;where λ is the wavelength of the incident light with an energy equal to the band gap of the active region of the semiconductor infrared detector, microns;

d - толщина подложки, мкм.d is the thickness of the substrate, microns.

Предпочтительно углубления выполнять во всей поверхности полупроводниковой подложки, свободной от второго омического контакта. При этом углубления могут быть выполнены как вплотную друг к другу, так и отстоять друг от друга.Preferably, the recesses are made over the entire surface of the semiconductor substrate, free from the second ohmic contact. In this case, the recesses can be made both close to each other, and to stand apart from each other.

Было обнаружено, что настоящий полупроводниковый приемник, наряду с расширенным диапазоном спектральной чувствительности, обладает повышенной квантовой эффективностью в средней ИК-области спектра (2-5) мкм за счет дополнительного поглощения в активной области гетероструктуры фотонов, многократно переотраженнных от криволинейных поверхностей углублений в полупроводниковой подложке.It was found that this semiconductor receiver, along with an extended spectral sensitivity range, has increased quantum efficiency in the mid-IR region of the spectrum (2-5) microns due to the additional absorption in the active region of the heterostructure of photons repeatedly reflected from the curved surfaces of the recesses in the semiconductor substrate .

Расширение спектра чувствительности полупроводникового приемника для на основе узкозонных полупроводниковых соединений может быть достигнуто либо за счет тонких подложек, либо за счет использования сильно легированных подложек n-типа проводимости с вырождением электронов в зоне проводимости, в которых из-за эффекта Мосса-Бурштейна край поглощения сдвинут в коротковолновую область спектра (см. E.Burstein. - Phys.Rev., v.83, p.632, 1954). Настоящее изобретений поясняется чертежом, где:The expansion of the sensitivity spectrum of a semiconductor receiver based on narrow-gap semiconductor compounds can be achieved either through thin substrates or through the use of heavily doped n-type substrates with degeneration of electrons in the conduction band, in which the absorption edge is shifted due to the Moss-Burshtein effect into the short-wave region of the spectrum (see E. Burstein. - Phys. Rev., v. 83, p. 632, 1954). The present invention is illustrated in the drawing, where:

на фиг.1 показан вид сверху на полупроводниковый приемник-прототип;figure 1 shows a top view of a semiconductor receiver prototype;

на фиг.2 приведен поперечный разрез по А-А полупроводникового приемника-прототипа, показанного на фиг.1;figure 2 shows a cross section along aa of the semiconductor receiver of the prototype shown in figure 1;

на фиг.3 показан вид сверху на полупроводниковый приемник по настоящему изобретению;figure 3 shows a top view of the semiconductor receiver of the present invention;

на фиг.4 приведен поперечный разрез по Б-Б одного варианта воплощения полупроводникового приемника, показанного на фиг.3;FIG. 4 is a cross-sectional view along BB of one embodiment of the semiconductor receiver shown in FIG. 3;

на фиг.5 приведен поперечный разрез другого варианта воплощения полупроводникового приемника;5 is a cross-sectional view of another embodiment of a semiconductor receiver;

на фиг.6 показан вид снизу на другой вариант воплощения полупроводникового приемника по настоящему изобретению;6 is a bottom view of another embodiment of a semiconductor receiver of the present invention;

на фиг.7 приведен вид снизу на еще один вариант воплощения полупроводникового приемника по настоящему изобретению;7 is a bottom view of another embodiment of the semiconductor receiver of the present invention;

на фиг.8 приведены спектры фотоответа при температуре Т=300 К полупроводниковых приемников на основе InAs трех вариантов: 1 - полупроводниковый приемник-прототип (сплошной омический контакт на тыльной сторонеподложки); 2 - омический контакт расположен за пределами центральной области подложки диаметром 880 мкм; 3 - полупроводниковый приемник по настоящему изобретению (центральная область подложки диаметром 880 мкм заполнена вытравленными полусферами диаметром глубиной 60 мкм;Fig. 8 shows the photoresponse spectra at a temperature T = 300 K of InAs semiconductor receivers of three variants: 1 — prototype semiconductor receiver (continuous ohmic contact on the back of the substrate); 2 - ohmic contact is located outside the Central region of the substrate with a diameter of 880 microns; 3 - semiconductor receiver of the present invention (the central region of the substrate with a diameter of 880 μm is filled with etched hemispheres with a diameter of 60 μm in depth;

на фиг.9 приведены спектры фотоответа при температуре Т=300 К полупроводниковых приемников на основе GaSb трех вариантов: 4 - полупроводниковый приемник-прототип (сплошной омический контакт на тыльной стороне подложки); 5 - омический контакт расположен за пределами центральной области подложки диаметром 880 мкм; 6 - полупроводниковый приемник по настоящему изобретению (центральная область подложки диаметром 880 мкм заполнена вытравленными полусферами диаметром глубиной 60 мкм).figure 9 shows the spectra of the photoresponse at a temperature T = 300 K of GaSb-based semiconductor detectors of three options: 4 - prototype semiconductor receiver (continuous ohmic contact on the back of the substrate); 5 - ohmic contact is located outside the Central region of the substrate with a diameter of 880 microns; 6 - semiconductor receiver of the present invention (the Central region of the substrate with a diameter of 880 μm is filled with etched hemispheres with a diameter of 60 μm in depth).

Полупроводниковый приемник инфракрасного излучения по настоящему изобретению (см. фиг.3, фиг.4) включает подложку 1 AIIIBV, на которой выращена активная область 2 в форме диска с отверстием в центре на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV. На поверхности 3 кольцевой активной области 2 в ее средней части сформирован первый омический контакт 4. В отличие от полупроводникового приемника-прототипа (см. фиг.1, фиг.2), в котором второй омический контакт 5 нанесен на всю поверхность 6 полупроводниковой подложки 1, противолежащую поверхности 3 кольцевой активной области 2, в полупроводниковом приемнике инфракрасного излучения по настоящему изобретению (см. фиг.3 - фиг.4) второй омический контакт 7 нанесен лишь на поверхность 6 в периферийной области 8 полупроводниковой подложки 1, а в поверхности 6 центральной области 9 полупроводниковой подложки 1, свободной от второго омического контакта 7, выполнено по меньшей мере одно углубление 10 (см. фиг.4). Наибольший эффект достигается, когда углубления 10 выполнены во всей поверхности 6 центральной области 9 полупроводниковой подложки 1, свободной от второго омического контакта (см. фиг.5). При этом углубления 10 могут быть выполнены как вплотную друг к другу (см. фиг.6), так и отстоять друг от друга (см. фиг.7). Углубления 10 могут быть одинакового или различного размера.The semiconductor infrared detector of the present invention (see FIG. 3, FIG. 4) includes an AIIIBV substrate 1 on which a disk-shaped active region 2 is grown with a hole in the center based on a heterostructure made from AIIIBV solid solutions. On the surface 3 of the annular active region 2 in its middle part, the first ohmic contact 4 is formed. In contrast to the semiconductor receiver prototype (see FIG. 1, FIG. 2), in which the second ohmic contact 5 is applied to the entire surface 6 of the semiconductor substrate 1 opposite the surface 3 of the annular active region 2, in the semiconductor infrared detector of the present invention (see figure 3 - figure 4), the second ohmic contact 7 is applied only to the surface 6 in the peripheral region 8 of the semiconductor substrate 1, and on top 6 the central spine region 9 of the semiconductor substrate 1, free from the second ohmic electrode 7, comprises at least one recess 10 (see FIG. 4). The greatest effect is achieved when the recesses 10 are made in the entire surface 6 of the Central region 9 of the semiconductor substrate 1, free from the second ohmic contact (see figure 5). In this case, the recesses 10 can be made both close to each other (see Fig.6), and to defend from each other (see Fig.7). The recesses 10 may be the same or different size.

Пример. 1. Изготовление полупроводникового приемника инфракрасного излучения по настоящему изобретению может быть проиллюстрировано на примере гетероструктуры, например, состава InAs/InAs0,94Sb0,06/InAsSbP/InAS0,88Sb0,12/InAsSbP. Гетероструктуру выращивали методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложке толщиной 200 мкм n-InAs ориентации [100], легированной оловом до концентрации носителей 5×1018 см-3. В такой подложке (см. B.A.Matveev, M.Aydaraliev, N.V.Zotova, S.A.Karandashev, M.A.Remennyi, N.M.Stus, G.N.Talalakin. - Proc. SPIE, 4650, 173, 2002) происходит сдвиг фундаментального края поглощения в коротковолновую область спектра (сдвиг Мосса - Бурштейна), и она становится прозрачной для излучения с длиной волны больше 2,5 мкм, формируемого в активной области структуры. На подложке последовательно выращивали широкозонный эмиттерный слой InAsSbP толщиной 6,2 мкм, активный слой InAsSb0,12 толщиной 2,5 мкм, преднамеренно нелегированный (n~1×1015 см-3), и широкозонный эмиттерный слой из твердого раствора InAsSbP толщиной 1,4 мкм, легированный цинком до Р=2×1018 см-3. Для уменьшения деформации активной области между слоями и подложкой был выращен слой InAsSb0,06 толщиной 3,3 мкм. Широкозонный эмиттерный слой InAsSbP и слой InAsSb0.06 были получены N-типа за счет легирования Sn (оловом) до уровня 5×1017 см-3, при этом широкозонное "окно" P-InAsSbP легировали Mn (марганцем) до концентрации Р=(2-5)×1017 см-3. На выращенной структуре со стороны эпитаксиального слоя методом фотолитографии и травления были сформированы чипы в форме квадрата со стороной 950 мкм, на каждом из которых была сформирована активная область в форме диска с отверстем в центре. Внешний диаметр диска 770 мкм, диаметр отверстия 600 мкм и высота, отсчитываемая от верхнего эпитаксиального слоя, 18 мкм. За пределами диска с отверстием, т.е. внутри и снаружи, гетероструктура была стравлена до подложки. Площадь чувствительной площадки составила 0,1 мм2. Трехслойный первый омический контакт состава Cr/Au-Ge/Au, с внешним радиусом 350 мкм и шириной 15 мкм располагался в средней части диска с отверстием. Таким образом, только часть излучения, падающего на лицевую поверхность чипа, поглощалось дисковой структурой, а остальная часть излучения, падающая за пределами диска, свободно проникала в прозрачную для излучения подложку и достигала тыльной стороны чипа. После напыления многослойных контактов структура подвергалась термообработке в среде водорода для формирования первого и второго омических контактов. Затем чипы монтировались подложечной стороной на стандартный корпус для монтирования полупроводниковых чипов ТО-18 для проведения исследований электрических и фотоэлектрических характеристик при Т=300 К созданных полупроводниковых приемников инфракрасного излучения. Сопротивление Ro полупроводниковых приемников в нуле смещения измерялось в диапазоне (+10 мВ)÷(-10 мВ) и составляло для рассмотренных ниже приемников величину R0=5-30 Ом. Для изучения спектров чувствительности полупроводниковых приемников инфракрасного излучения использовался монохроматор SPM2 (Carl Zeiss). Измерения проводились по схеме синхронного детектирования с использованием прибора Stanford Research SR830.Example. 1. The manufacture of a semiconductor infrared detector of the present invention can be illustrated by the example of a heterostructure, for example, the composition InAs / InAs 0.94 Sb 0.06 / InAsSbP / InAS 0.88 Sb 0.12 / InAsSbP. The heterostructure was grown by liquid-phase epitaxy (LPE) on a substrate with a thickness of 200 μm n-InAs orientation [100] doped with tin to a carrier concentration of 5 × 10 18 cm -3 . In such a substrate (see BAMatveev, M. Aydaraliev, NVZotova, SAKarandashev, MARemennyi, NMStus, GNTalalakin. - Proc. SPIE, 4650, 173, 2002), the fundamental absorption edge shifts to the short-wavelength region of the spectrum (Moss - Burshtein shift), and it becomes transparent to radiation with a wavelength greater than 2.5 μm formed in the active region of the structure. On the substrate, a wide-gap InAsSbP emitter layer of 6.2 μm thick, an InAsSb active layer of 0.12 2.5 μm thick, intentionally undoped (n ~ 1 × 10 15 cm -3 ), and a wide-band InAsSbP solid-state emitter layer of thickness 1 were successively grown on a substrate , 4 microns, doped with zinc to P = 2 × 10 18 cm -3 . To reduce the deformation of the active region between the layers and the substrate, an InAsSb 0.06 layer with a thickness of 3.3 μm was grown. The wide-band InAsSbP emitter layer and the InAsSb 0.06 layer were obtained of the N type by doping with Sn (tin) to a level of 5 × 10 17 cm -3 , while the wide-gap P-InAsSbP window was doped with Mn (manganese) to a concentration of P = (2 -5) × 10 17 cm -3 . Chips in the form of a square with a side of 950 μm were formed on the epitaxial layer by the method of photolithography and etching on the grown structure, on each of which an active region in the form of a disk with a hole in the center was formed. The outer diameter of the disk is 770 μm, the diameter of the hole is 600 μm, and the height measured from the upper epitaxial layer is 18 μm. Outside the disc with the hole, i.e. inside and out, the heterostructure was etched to the substrate. The area of the sensitive area was 0.1 mm 2 . The three-layer first ohmic contact of the Cr / Au-Ge / Au composition, with an external radius of 350 μm and a width of 15 μm, was located in the middle of the disk with the hole. Thus, only part of the radiation incident on the front surface of the chip was absorbed by the disk structure, and the rest of the radiation incident on the outside of the disk freely penetrated the transparent substrate for radiation and reached the back of the chip. After spraying multilayer contacts, the structure was heat treated in a hydrogen medium to form the first and second ohmic contacts. Then, the chips were mounted on the substrate side on a standard case for mounting TO-18 semiconductor chips to conduct studies of the electrical and photoelectric characteristics at T = 300 K of the created semiconductor infrared radiation detectors. The resistance Ro of semiconductor receivers at the bias zero was measured in the range (+10 mV) ÷ (-10 mV) and amounted to R 0 = 5-30 Ohms for the receivers considered below. To study the sensitivity spectra of semiconductor infrared detectors, we used the SPM2 monochromator (Carl Zeiss). The measurements were carried out according to a synchronous detection scheme using a Stanford Research SR830 instrument.

Из одной гетероструктуры методами контактной фотолитографии и жидкостного химического травления были созданы три варианта полупроводникового приемника инфракрасного излучения. Схема первого варианта (приемника-прототипа) приведена на фиг.1 - фиг.2. Схема полупроводникового приемника инфракрасного излучения по настоящему изобретению показана на фиг.3, фиг.5. Третий вариант отличался от приемника инфракрасного излучения по настоящему изобретению, показанного на фиг.3, фиг.5, отсутствием углублений с тыльной стороны подложки. Со стороны эпитаксиального слоя все три вида приемников были идентичны. У полупроводникового приемника-прототипа второй омический контакт к подложке n-InAs состоял из последовательно нанесенных методом термического вакуумного напыления слоев Cr/Au-Te/Au и полностью закрывал подложечную поверхность фотодиодного чипа площадью 950×950 мкм2. Это, так называемый, сплошной контакт, традиционно применяемый при изготовлении оптоэлектронных приборов. Рассмотрим, как распределяются световые потоки для каждого из трех типов полупроводниковых приемников инфракрасного излучения. Для первого варианта полупроводникового приемника инфракрасного излучения (прототипа) световой поток, проходящий через отверстие диска, падает на подложку с нанесенным снаружи вторым сплошным омическим контактом и, в основном, поглощается на границе раздела подложка - второй омический контакт в области эвтектики. (Это подтверждается характером спектров фотоответа на фиг.8, кривая 1.). Второй вариант полупроводникового приемника инфракрасного излучения отличался от первого тем, что второй омический контакт нанесен на поверхность периферийной области полупроводниковой подложки, в то время как центральная область подложки диаметром 880 мкм была свободна от металлизации. Во втором варианте приемника световой поток, проходящий через отверстие диска, падает на поверхность подложки, свободную от второго омического контакта. В этом случае часть излучения в большей степени отражается от неметаллизированной центральной области подложки и частично поглощается активной областью в форме диска с отверстием в центре, давая вклад в увеличение фототока приемника (см. фиг.8, кривая 2). Однако в этом случае световые потоки не могут изменять угол падения и отражения от поверхности подложки. Третий вариант полупроводникового приемника инфракрасного излучения (по настоящему изобретению) отличался от двух предыдущих вариантов тем, что в поверхности центральной области полупроводниковой подложки, свободной от второго омического контакта, были выполнены углубления в виде полусфер глубиной 60 мкм, выполненные методом жидкостного химического травления. В третьем варианте полупроводникового приемника инфракрасного излучения световой поток, проходящий через отверстие диска, падает на поверхность подложки, в которой выполнены углубления. Отражаясь от криволинейной неметаллизированной поверхности подложки, образованной углублениями, световые потоки после многократного отражения изменяют свои направления в подложке и, в основном, либо поглощаются в активной области диска, либо выходят за пределы подложки (см. фиг.8, кривая 3).From one heterostructure using contact photolithography and liquid chemical etching, three versions of a semiconductor infrared detector were created. The scheme of the first option (receiver-prototype) is shown in figure 1 - figure 2. The circuit of the semiconductor infrared receiver of the present invention is shown in figure 3, figure 5. The third option was different from the infrared receiver of the present invention, shown in figure 3, figure 5, the absence of recesses on the back of the substrate. On the epitaxial layer side, all three types of receivers were identical. In the semiconductor prototype receiver, the second ohmic contact to the n-InAs substrate consisted of Cr / Au-Te / Au layers successively deposited by thermal vacuum spraying and completely covered the substrate surface of the 950 × 950 μm 2 photodiode chip. This is the so-called continuous contact, traditionally used in the manufacture of optoelectronic devices. Consider how the light fluxes are distributed for each of the three types of semiconductor infrared detectors. For the first version of the semiconductor infrared detector (prototype), the light flux passing through the hole of the disk falls on the substrate with the second solid ohmic contact deposited externally and is mainly absorbed at the substrate - second ohmic contact interface in the eutectic region. (This is confirmed by the nature of the photoresponse spectra in Fig. 8, curve 1.). The second variant of the semiconductor infrared detector was different from the first in that the second ohmic contact was applied to the surface of the peripheral region of the semiconductor substrate, while the central region of the substrate with a diameter of 880 μm was free from metallization. In the second version of the receiver, the light flux passing through the hole of the disk, falls on the surface of the substrate, free from the second ohmic contact. In this case, part of the radiation is reflected to a greater extent from the nonmetallized central region of the substrate and is partially absorbed by the active region in the form of a disk with a hole in the center, contributing to the increase in the photocurrent of the receiver (see Fig. 8, curve 2). However, in this case, the light flux cannot change the angle of incidence and reflection from the surface of the substrate. The third variant of the semiconductor infrared detector (according to the present invention) differed from the two previous versions in that, in the surface of the central region of the semiconductor substrate, free of the second ohmic contact, grooves were made in the form of hemispheres 60 μm deep, made by liquid chemical etching. In the third embodiment of the semiconductor infrared detector, the light flux passing through the hole of the disk falls on the surface of the substrate in which the recesses are made. Reflecting from the curved non-metallic surface of the substrate formed by the recesses, the light fluxes after repeated reflection change their directions in the substrate and are mainly either absorbed in the active region of the disk or extend beyond the substrate (see Fig. 8, curve 3).

В случае одного углубления (при тех же размерах) чувствительность возрастает в 1,05 раз.In the case of one recess (with the same dimensions), the sensitivity increases by 1.05 times.

Пример 2. Изготовление полупроводникового приемника инфракрасного излучения по настоящему изобретению может быть также проиллюстрировано на примере гетероструктуры, например, состава GaSb/Ga1-xInxASySb1-y/Ga1-xAlxASySb1-y. Гетероструктуру выращивали методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложке толщиной 200 мкм n-GaSb ориентации [100], легированной теллуром до концентрации носителей ~(1-5)·1017 см-3. Изготовление чипов и измерения проводились аналогично тем, что описаны выше для InAs. Исследовались фотодиоды с диапазоном спектральной чувствительности 1,5-2,5 мкм. Спектры фотоответа приведены на фиг.9.Example 2. The manufacture of a semiconductor infrared detector of the present invention can also be illustrated by the example of a heterostructure, for example, the composition of GaSb / Ga 1-x In x AS y Sb 1-y / Ga 1-x Al x AS y Sb 1-y . The heterostructure was grown by liquid phase epitaxy (LPE) on a substrate with a thickness of 200 μm n-GaSb orientation [100], doped with tellurium to a carrier concentration of ~ (1-5) · 10 17 cm -3 . Chip fabrication and measurements were carried out similarly to those described above for InAs. We studied photodiodes with a spectral sensitivity range of 1.5–2.5 μm. The response spectra are shown in Fig.9.

Проведенные измерения показали, что выполнение углублений в поверхности центральной области полупроводниковой подложки позволяет перераспределить потоки излучения в структуре и увеличить эффективную площадь сбора излучения. Об этом свидетельствуют результаты измерения фотоответа исследованных полупроводниковых приемников инфракрасного излучения. Чувствительность возрастает в 1,3-1,7 раз по сравнению с полупроводниковым приемником-прототипом. Соответственно возрастает квантовая эффективность преобразования излучения в фототек, которая проявляется в увеличении фотосигнала от фотодиода при освещении фотодиода светом данного спектрального диапазона.The measurements showed that the implementation of the recesses in the surface of the Central region of the semiconductor substrate allows you to redistribute the radiation fluxes in the structure and increase the effective area for the collection of radiation. This is evidenced by the results of measuring the photoresponse of the investigated semiconductor infrared radiation detectors. The sensitivity increases by 1.3-1.7 times in comparison with the semiconductor receiver prototype. Correspondingly, the quantum efficiency of the conversion of radiation into a photo library increases, which manifests itself in an increase in the photo signal from the photodiode when the photodiode is illuminated with light of this spectral range.

Claims (6)

1. Полупроводниковый приемник инфракрасного излучения, включающий полупроводниковую подложку AIIIBV с активной областью в форме диска с отверстием в центре на основе гетероструктуры, выполненной из твердых растворов AIIIBV, первый омический контакт, нанесенный на поверхность активной области, и второй омический контакт, нанесенный на поверхность периферийной области полупроводниковой подложки, противолежащей поверхности с активной областью, при этом в поверхности центральной области полупроводниковой подложки, свободной от второго омического контакта, выполнено по меньшей мере одно углубление.1. A semiconductor infrared detector including an III – V semiconductor substrate with a disk-shaped active region with a hole in the center based on a heterostructure made of III – V solid solutions, a first ohmic contact deposited on the surface of the active region, and a second ohmic contact deposited on the peripheral surface the area of the semiconductor substrate, the opposite surface with an active region, while in the surface of the Central region of the semiconductor substrate, free of the second ohmic one contact has at least one recess. 2. Полупроводниковый приемник по п.1, отличающийся тем, что во всей поверхности центральной области полупроводниковой подложки, свободной от второго омического контакта, выполнены углубления.2. The semiconductor receiver according to claim 1, characterized in that in the entire surface of the Central region of the semiconductor substrate, free from the second ohmic contact, recesses are made. 3. Полупроводниковый приемник по п.2, отличающийся тем, что углубления соприкасаются друг с другом.3. The semiconductor receiver according to claim 2, characterized in that the recesses are in contact with each other. 4. Полупроводниковый приемник по п.2, отличающийся тем, что углубления отстоят друг от друга.4. The semiconductor receiver according to claim 2, characterized in that the recesses are spaced from each other. 5. Полупроводниковый приемник по п.1, отличающийся тем, что поверхность углубления имеет криволинейную поверхность.5. The semiconductor receiver according to claim 1, characterized in that the surface of the recess has a curved surface. 6. Полупроводниковый приемник по п.1, отличающийся тем, что углубление выполнено глубиной h, удовлетворяющей соотношению:
λ<h<d, мкм,
где λ - длина волны падающего света с энергией, равной ширине запрещенной зоны активной области полупроводникового приемника инфракрасного излучения, мкм;
d - толщина подложки, мкм.
6. The semiconductor receiver according to claim 1, characterized in that the recess is made with a depth h satisfying the ratio:
λ <h <d, μm,
where λ is the wavelength of the incident light with an energy equal to the band gap of the active region of the semiconductor infrared radiation receiver, μm;
d is the thickness of the substrate, microns.
RU2012101130/28A 2012-01-11 2012-01-11 Semiconductor infrared detector RU2488916C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012101130/28A RU2488916C1 (en) 2012-01-11 2012-01-11 Semiconductor infrared detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012101130/28A RU2488916C1 (en) 2012-01-11 2012-01-11 Semiconductor infrared detector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012101130A RU2012101130A (en) 2013-07-20
RU2488916C1 true RU2488916C1 (en) 2013-07-27

Family

ID=48791653

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012101130/28A RU2488916C1 (en) 2012-01-11 2012-01-11 Semiconductor infrared detector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2488916C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9864138B2 (en) 2015-01-05 2018-01-09 The Research Foundation For The State University Of New York Integrated photonics including germanium
RU195799U1 (en) * 2019-08-27 2020-02-05 Общество с ограниченной ответственностью "АИБИ" SEMICONDUCTOR INFRARED RADIATION RECEIVER
RU199226U1 (en) * 2019-11-19 2020-08-24 Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" TWO-SPECTRAL PHOTODIODE FOR MEDIUM WAVE INFRARED RADIATION
RU203297U1 (en) * 2020-07-07 2021-03-31 Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" TWO WAVE PHOTODIODE FOR MEDIUM WAVE INFRARED RADIATION

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Старостенко Д.А. и др. Фотодиоды с расширенным спектральным диапазоном 1,5-4,8 мкм на основе гетероструктур InAs/InAs 0,88 b 0,12 /InAsSbP, работающие при комнатной температуре. Письма в ЖТФ, том 37, вып. 19, с.95-103, 12.10.2011. *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9864138B2 (en) 2015-01-05 2018-01-09 The Research Foundation For The State University Of New York Integrated photonics including germanium
US10295745B2 (en) 2015-01-05 2019-05-21 The Research Foundation For The State University Of New York Integrated photonics including germanium
US10571631B2 (en) 2015-01-05 2020-02-25 The Research Foundation For The State University Of New York Integrated photonics including waveguiding material
US10830952B2 (en) 2015-01-05 2020-11-10 The Research Foundation For The State University Of New York Integrated photonics including germanium
US11703643B2 (en) 2015-01-05 2023-07-18 The Research Foundation For The State University Of New York Integrated photonics including waveguiding material
RU195799U1 (en) * 2019-08-27 2020-02-05 Общество с ограниченной ответственностью "АИБИ" SEMICONDUCTOR INFRARED RADIATION RECEIVER
RU199226U1 (en) * 2019-11-19 2020-08-24 Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" TWO-SPECTRAL PHOTODIODE FOR MEDIUM WAVE INFRARED RADIATION
RU203297U1 (en) * 2020-07-07 2021-03-31 Общество с ограниченной ответственностью "ИоффеЛЕД" TWO WAVE PHOTODIODE FOR MEDIUM WAVE INFRARED RADIATION

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012101130A (en) 2013-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8750653B1 (en) Infrared nanoantenna apparatus and method for the manufacture thereof
US7732777B2 (en) Plasmon energy converter
KR20180008327A (en) A dual band photodetector and a method thereof
US5721429A (en) Self-focusing detector pixel structure having improved sensitivity
US9929291B2 (en) Photo-detector having plasmonic resonance and photon crystal thermal noise suppression
JP5444994B2 (en) Semiconductor photo detector
US8618622B2 (en) Photodetector optimized by metal texturing provided on the rear surface
US20140071525A1 (en) Optical filter
JP6918631B2 (en) Photodetector
EP3381057B1 (en) Photodetection device having a coating comprising trenches with a wide bandgap coating and production method
JP7024976B2 (en) Light receiving element and near infrared photodetector
RU2488916C1 (en) Semiconductor infrared detector
US10128386B2 (en) Semiconductor structure comprising an absorbing area placed in a focusing cavity
JP4856031B2 (en) Avalanche photodiode
JP5785698B2 (en) Light detection element
Piotrowski et al. Stacked multijunction photodetectors of long-wavelength radiation
CN116598369B (en) Low-noise single photon detector and preparation method thereof
CN109668627B (en) Optical detector with Helmholtz resonator
EP1204148A2 (en) Planar resonant cavity enhanced photodetector
JP7061753B2 (en) Light receiving element and near infrared photodetector
US20160111460A1 (en) Back-lit photodetector
EP2382672B1 (en) Method of making a photodiode and corresponding photodiode and electromagnetic radiation detector
US11251209B1 (en) Reduced volume dual-band MWIR detector
GB2206447A (en) Lensed photodetector
RU195799U1 (en) SEMICONDUCTOR INFRARED RADIATION RECEIVER