RU2708553C1 - Two-spectral photosensitive device - Google Patents
Two-spectral photosensitive device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2708553C1 RU2708553C1 RU2019111256A RU2019111256A RU2708553C1 RU 2708553 C1 RU2708553 C1 RU 2708553C1 RU 2019111256 A RU2019111256 A RU 2019111256A RU 2019111256 A RU2019111256 A RU 2019111256A RU 2708553 C1 RU2708553 C1 RU 2708553C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- spectral
- photosensitive
- layer
- concentration
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 5
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 9
- HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N gallium phosphide Chemical group [Ga]#P HZXMRANICFIONG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 229910001258 titanium gold Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
Abstract
Description
Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) излучений диапазона спектра. Устройство содержит фоточувствительные элементы с барьером Шоттки для независимой регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Кристалл фоточувствительных элементов (ФЧЭ) состоит из эпитаксиальной структуры, на которой расположены диоды Шоттки. При этом часть диодов расположена на эпитаксиальной поверхности с исходной концентрацией носителей и регистрирует ультрафиолетовое излучение, а вторая часть расположена на поверхности с повышенной приповерхностной концентрацией носителей заряда и регистрирует инфракрасное излучение.The invention relates to photosensitive devices intended for the detection and registration of ultraviolet (UV) and infrared (IR) radiation in the spectral range. The device contains photosensitive elements with a Schottky barrier for independent registration of ultraviolet and infrared radiation. A crystal of photosensitive elements (PSE) consists of an epitaxial structure on which Schottky diodes are located. In this case, part of the diodes is located on the epitaxial surface with the initial concentration of carriers and registers ultraviolet radiation, and the second part is located on the surface with an increased surface concentration of charge carriers and registers infrared radiation.
Изобретение предназначено для работы в двух спектральных диапазонах: ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном (ИК), и является двухспектральным фотоприемным устройством, работающим как пороговый фотоприемник в ближнем УФ спектральном диапазоне (чувствительность обеспечивается за счет собственного поглощения), а в среднем ИК спектральном диапазоне, работающим как обнаружитель мощных оптических сигналов (чувствительность обеспечивается за счет поглощения на свободных носителях заряда и разделении «горячих» носителей на барьере Шоттки с более низкой высотой барьера).The invention is intended to operate in two spectral ranges: ultraviolet (UV) and infrared (IR), and is a two-spectral photodetector operating as a threshold photodetector in the near UV spectral range (sensitivity is ensured by intrinsic absorption), and in the average IR spectral range, working as a detector of powerful optical signals (sensitivity is ensured by absorption on free charge carriers and separation of “hot” carriers on a Schottky barrier with lower barrier height).
В настоящее время одним из основных направлений совершенствования оптико-электронных систем является использование многоспектральных фоточувствительных устройств, чувствительных в нескольких диапазонах спектра. Такие устройства значительно повышают информативность и достоверность систем. Подходящим материалом для создания современного оптико-электронного устройства с использованием многоспектрального фоточувствительного элемента является фосфид галлия (GaP). Выбор материала GaP в качестве основного для ФПУ обусловлен тем, что приемники на его основе обеспечивают высокую чувствительность в УФ диапазоне спектра и достаточную чувствительность в среднем ИК диапазоне спектра.Currently, one of the main directions for improving optoelectronic systems is the use of multispectral photosensitive devices sensitive in several spectral ranges. Such devices significantly increase the information content and reliability of systems. A suitable material for creating a modern optical-electronic device using a multispectral photosensitive element is gallium phosphide (GaP). The choice of GaP material as the main one for the FPU is due to the fact that the receivers based on it provide high sensitivity in the UV range of the spectrum and sufficient sensitivity in the middle IR range of the spectrum.
Известен мультиспектральный планарный фотодиод для детектирования излучения ИК-области спектра [US 006034407 A, H01L 31/00, опубл. 07.03.2000 г.]. Мультиспектральный фотодиод обеспечивает детектирование ИК-излучения в двух спектральных диапазонах. Матрица фоточувствительных элементов содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой первого типа проводимости, коротковолновый рабочий фоточувствительный слой, барьерный слой первого типа проводимости, длинноволновый рабочий фоточувствительный слой первого типа проводимости, верхний слой первого типа проводимости. При этом контакты всех фоточувствительных элементов матрицы расположены в одной плоскости. Это достигается за счет того, что контакты к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою матрицы за счет вытравливания областей в длинноволновом фоточувствительном слое.Known multispectral planar photodiode for detecting the radiation of the infrared region of the spectrum [US 006034407 A, H01L 31/00, publ. 03/07/2000]. Multispectral photodiode provides detection of infrared radiation in two spectral ranges. The matrix of photosensitive elements contains a sequentially arranged substrate, a buffer layer of the first conductivity type, a short-wavelength working photosensitive layer, a barrier layer of the first conductivity type, a long-wavelength working photosensitive layer of the first conductivity type, and an upper layer of the first conductivity type. Moreover, the contacts of all photosensitive elements of the matrix are located in the same plane. This is achieved due to the fact that the contacts to the photosensitive elements of the short-wavelength range of the spectrum are supplied to the short-wavelength working photosensitive layer of the matrix due to the etching of areas in the long-wavelength photosensitive layer.
Известно многоспектральное фотоприемное устройство [US 007217982 В2, H01L 29/72, опубл. 15.05.2007 г.], содержащее матрицу фоточувствительных элементов с контактами, состыкованными с контактами интегральной схемы считывания. Матрица фоточувствительных элементов содержит коротковолновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 3-8 мкм и длинноволновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 7-14 мкм и соответствующие фоточувствительные элементы. Контакты матрицы фоточувствительных элементов и контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде индиевых столбиков. Столбики к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою за счет вытравливания областей в длинноволновом рабочем фоточувствительном слое, что обеспечивает расположение всех контактов матрицы в одной плоскости.Known multispectral photodetector [US 007217982 B2, H01L 29/72, publ. May 15, 2007], containing a matrix of photosensitive elements with contacts docked with the contacts of the integrated readout circuit. The matrix of photosensitive elements contains a short-wavelength working photosensitive layer for absorbing a spectrum range of 3-8 μm and a long-wavelength working photosensitive layer for absorbing a spectrum range of 7-14 μm and corresponding photosensitive elements. The contacts of the photosensitive elements matrix and the contacts of the integrated reading circuit are made in the form of indium columns. The columns to the photosensitive elements of the short-wavelength range of the spectrum are supplied to the short-wavelength working photosensitive layer due to the etching of regions in the long-wavelength working photosensitive layer, which ensures the arrangement of all the matrix contacts in one plane.
Известное многоспектральное фотоприемное устройство [патент RU 2426196, H01L 27/146], принятое в качестве прототипа, содержит матрицу фоточувствительных элементов с рабочим фоточувствительным слоем для регистрации ИК (3-5 мкм) диапазона и рабочим фоточувствительным слоем для регистрации ИК (8-12 мкм) диапазона. Матрица фоточувствительных элементов состоит из трех разновысоких областей - центральной и двух периферийных. При этом высота центральной области определена высотой рабочего фоточувствительного слоя регистрирующим ИК (3-5 мкм), а высота двух периферийных областей определена суммарной высотой фоточувствительного слоя регистрирующим ИК (3-5 мкм) и высотой фоточувствительного слоя регистрирующего ИК (8-12 мкм). Выполнение матрицы фоточувствительных элементов в виде трех разновысоких областей обеспечивает симметричность ее конструкции.Known multispectral photodetector [patent RU 2426196, H01L 27/146], adopted as a prototype, contains a matrix of photosensitive elements with a working photosensitive layer for recording IR (3-5 μm) range and a working photosensitive layer for recording IR (8-12 μm ) range. The matrix of photosensitive elements consists of three differently high regions - the central and two peripheral ones. In this case, the height of the central region is determined by the height of the working photosensitive layer by detecting IR (3-5 μm), and the height of two peripheral regions is determined by the total height of the photosensitive layer by detecting IR (3-5 μm) and the height of the photosensitive layer of detecting IR (8-12 μm). The implementation of the matrix of photosensitive elements in the form of three differently high regions ensures the symmetry of its design.
Аналоги и прототип предназначены только для регистрации ИК излучения, что ограничивает возможности их применения.Analogs and prototype are intended only for registration of infrared radiation, which limits the possibility of their use.
Эти устройства предназначены для регистрации излучений ИК диапазонов спектра.These devices are designed to register the infrared radiation of the spectrum.
Задачей предлагаемого изобретения является создание двухспектрального фотоприемного устройства для оптико-электронных систем, целью которого является регистрация объекта по ультрафиолетовому и инфракрасному спектру излучения.The objective of the invention is the creation of a two-spectral photodetector for optoelectronic systems, the purpose of which is to register an object according to the ultraviolet and infrared radiation spectrum.
Технический результат достигается тем, что двухспектральное фоточувствительное устройство, включающее фоточувствительные элементы для двух различных диапазонов спектра, содержит подложку GaP с концентрацией носителей n=1021 см-3, эпитаксиальный слой GaP с концентрацией носителей n=1016 см-3, область с повышенной приповерхностной концентрацией носителей n=1019 см-3, к эпитаксиальному слою и области с повышенной приповерхностной концентрацией формируются барьеры Шоттки напылением Аu для регистрации УФ излучения и ИК излучение соответственно.The technical result is achieved by the fact that a two-spectral photosensitive device including photosensitive elements for two different spectral ranges contains a GaP substrate with a carrier concentration of n = 10 21 cm -3 , a GaP epitaxial layer with a carrier concentration of n = 10 16 cm -3 , a region with an increased near-surface carrier concentration n = 10 19 cm -3 ; Schottky barriers are formed by sputtering Au to detect UV radiation and IR radiation, respectively, to the epitaxial layer and the region with an increased near-surface concentration.
Двухспектральное фотоприемное устройство содержит кристалл с фоточувствительными элементами, исполненными на основе барьера Шоттки с рабочими длинами волн УФ и ИК диапазонов спектра. Кристалл с фоточувствительными элементами состоит из подложки фосфида галлия (концентрация 1021 см-3), на которой выращен эпитаксиальный слой фосфида галлия (концентрация 1016 см-3), на эпитаксиальном слое формируется область с повышенной приповерхностной концентрации (концентрация 1019 см-3). К каждой из этих областей эпитаксиального слоя формируются диоды Шоттки (Au-GaP), к обратной стороне кристалла создается омический контакт (AuGe-GaP), в качестве контакта используется Аu, к диодам Шотки, и Аu с подслоем Ti, к омическому контакту.The two-spectral photodetector contains a crystal with photosensitive elements based on the Schottky barrier with operating wavelengths of the UV and IR spectral ranges. A crystal with photosensitive elements consists of a gallium phosphide substrate (concentration 10 21 cm -3 ) on which an epitaxial layer of gallium phosphide is grown (concentration 10 16 cm -3 ), an area with an increased surface concentration (concentration 10 19 cm -3 is formed on the epitaxial layer) ) Schottky diodes (Au-GaP) are formed to each of these areas of the epitaxial layer, an ohmic contact (AuGe-GaP) is created to the back of the crystal, Au, to Schottky diodes, and Au to the Ti sublayer, to an ohmic contact are used.
Формирование диодов Шоттки к областям с разной концентрацией позволяет независимо регистрировать излучения двух разных спектральных диапазонов.The formation of Schottky diodes to regions with different concentrations makes it possible to independently register the radiation of two different spectral ranges.
Изобретение поясняется рисунком на фиг. 1. Структура двухспектрального фоточувствительного элемента на основе барьера Шоттки Au-GaP.The invention is illustrated in the drawing in FIG. 1. Structure of a two-spectral photosensitive element based on the Schottky Au-GaP barrier.
Кристалл с фоточувствительными элементами в виде фотодиодов Шоттки изготовлен как однослойная эпитаксиальная структура на основе двухкомпонентного полупроводникового соединения GaP. Кристалл с фоточувствительными элементами содержит:A crystal with photosensitive elements in the form of Schottky photodiodes is fabricated as a single-layer epitaxial structure based on a two-component semiconductor compound GaP. A crystal with photosensitive elements contains:
1 - подложку монокристаллического GaP (n++=1021 см-3);1 - substrate of single-crystal GaP (n ++ = 10 21 cm -3 );
2 - эпитаксиальный слой GaP (n=1016 см-3);2 - GaP epitaxial layer (n = 10 16 cm -3 );
3 - приповерхностный слой с повышенной концентрацией (n+=1019 см-3), повышенная концентрация носителей в котором позволяет снизить барьер Шоттки (Au-GaP) с 1,3 В до 0,3 В, что в свою очередь позволяет регистрировать излучение среднего ИК диапазона;3 - a near-surface layer with a high concentration (n + = 10 19 cm -3 ), an increased carrier concentration in which allows to reduce the Schottky barrier (Au-GaP) from 1.3 V to 0.3 V, which in turn allows the detection of radiation mid-IR range;
4 - омический контакт AuGe;4 - ohmic contact AuGe;
5 - барьерное Аи толщиной 100 
6 - контактную металлизацию TiAu к омическому контакту.6 - contact metallization of TiAu to ohmic contact.
Два вида фоточувствительных элементов на основе барьера Шоттки Au-GaP одного типа проводимости фоточувствительны в двух разных диапазонах: УФ и в среднем ИК.Two types of photosensitive elements based on the Schottky Au-GaP barrier of the same conductivity type are photosensitive in two different ranges: UV and average IR.
Процесс формирования фотодиодов Шоттки для двух разных диапазонов происходит в едином технологическом процессе, что упрощает технологию изготовления.The process of forming Schottky photodiodes for two different ranges occurs in a single technological process, which simplifies the manufacturing technology.
Устройство отличается от прототипа тем, что регистрирует УФ излучение и среднее ИК излучение, тогда как прототип регистрирует излучения ИК, среднего и дальнего диапазона, регистрация излучения среднего ИК достигается тем, что в исходном материале в приповерхностном слое, в определенной области увеличиваем концентрацию носителей, тогда как в прототипе аналогичный слой формируется во время эпитаксиального выращивания.The device differs from the prototype in that it detects UV radiation and average IR radiation, while the prototype detects IR, medium and far radiation, the average IR radiation is achieved by increasing the concentration of carriers in the source material in the surface layer in a certain area, then as in the prototype, a similar layer is formed during epitaxial growth.
Преимущества предложенного способа изготовления устройства в том, что он позволяет повысить возможности оптико-электронного устройства, не изменяя его геометрию, что не увеличивает затраты на изготовление корпуса этого устройства.The advantages of the proposed method of manufacturing the device is that it allows you to increase the capabilities of the optoelectronic device without changing its geometry, which does not increase the cost of manufacturing the housing of this device.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019111256A RU2708553C1 (en) | 2019-04-15 | 2019-04-15 | Two-spectral photosensitive device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019111256A RU2708553C1 (en) | 2019-04-15 | 2019-04-15 | Two-spectral photosensitive device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2708553C1 true RU2708553C1 (en) | 2019-12-09 |
Family
ID=68836426
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019111256A RU2708553C1 (en) | 2019-04-15 | 2019-04-15 | Two-spectral photosensitive device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2708553C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2810635C1 (en) * | 2023-07-25 | 2023-12-28 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Method for manufacturing dual-spectral photosensitive element based on schottky barrier using mesa technology |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6034407A (en) * | 1998-07-31 | 2000-03-07 | Boeing North American, Inc. | Multi-spectral planar photodiode infrared radiation detector pixels |
| US20050045910A1 (en) * | 2002-09-27 | 2005-03-03 | Taylor Scott M. | Photodiode having voltage tunable spectral response |
| RU2426144C1 (en) * | 2010-02-03 | 2011-08-10 | Михаил Сергеевич Афанасьев | Multispectral photo receiver |
| RU2426196C1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-08-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик Министерство промышленности и торговли Российской Федерации | Two-spectrum photo receiver |
| RU134700U1 (en) * | 2013-08-12 | 2013-11-20 | ООО "Производственно-технологический центр "УралАлмазИнвест" | TWO-SPECTRAL DIAMOND HYBRID PHOTO RECEIVER |
| RU135185U1 (en) * | 2013-09-09 | 2013-11-27 | ООО "Производственно-технологический центр "УралАлмазИнвест" | TWO SPECTRUM PHOTO RECEIVER |
-
2019
- 2019-04-15 RU RU2019111256A patent/RU2708553C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6034407A (en) * | 1998-07-31 | 2000-03-07 | Boeing North American, Inc. | Multi-spectral planar photodiode infrared radiation detector pixels |
| US20050045910A1 (en) * | 2002-09-27 | 2005-03-03 | Taylor Scott M. | Photodiode having voltage tunable spectral response |
| RU2426144C1 (en) * | 2010-02-03 | 2011-08-10 | Михаил Сергеевич Афанасьев | Multispectral photo receiver |
| RU2426196C1 (en) * | 2010-06-01 | 2011-08-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик Министерство промышленности и торговли Российской Федерации | Two-spectrum photo receiver |
| RU134700U1 (en) * | 2013-08-12 | 2013-11-20 | ООО "Производственно-технологический центр "УралАлмазИнвест" | TWO-SPECTRAL DIAMOND HYBRID PHOTO RECEIVER |
| RU135185U1 (en) * | 2013-09-09 | 2013-11-27 | ООО "Производственно-технологический центр "УралАлмазИнвест" | TWO SPECTRUM PHOTO RECEIVER |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2810635C1 (en) * | 2023-07-25 | 2023-12-28 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Method for manufacturing dual-spectral photosensitive element based on schottky barrier using mesa technology |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11888003B2 (en) | Photodetector | |
| JP4963120B2 (en) | Optical field effect transistor and integrated photo detector using the same | |
| US5149956A (en) | Two-color radiation detector array and methods of fabricating same | |
| US9410901B2 (en) | Image sensor, an inspection system and a method of inspecting an article | |
| US8860083B1 (en) | Low noise hybridized detector using charge transfer | |
| US5721429A (en) | Self-focusing detector pixel structure having improved sensitivity | |
| TW200402146A (en) | Photodetector circuits | |
| US20220223747A1 (en) | Electromagnetic wave detector | |
| US10115764B2 (en) | Multi-band position sensitive imaging arrays | |
| JPS6057714B2 (en) | Optical semiconductor device | |
| US10312391B2 (en) | Apparatus and method for single-photon avalanche-photodiode detectors with reduced dark count rate | |
| US20110101483A1 (en) | Two colour photon detector | |
| US10069032B2 (en) | Method of forming an infrared photodetector | |
| US4757210A (en) | Edge illuminated detector arrays for determination of spectral content | |
| WO2012161747A1 (en) | Passivated upstanding nanostructures and methods of making the same | |
| RU2708553C1 (en) | Two-spectral photosensitive device | |
| US10090426B2 (en) | Dark current mitigation with diffusion control | |
| US5517029A (en) | Dual-band IR scanning focal plane assembly having two monolithically integrated linear detector arrays for simultaneous image readout | |
| WO2013186773A1 (en) | Visible and near infra red optical sensor | |
| US20100295141A1 (en) | Two colour photon detector | |
| RU178899U1 (en) | Two-channel photodetector | |
| RU2790061C1 (en) | Method for manufacturing a two-spectrum photosensitive element based on a schottky barrier | |
| RU2426196C1 (en) | Two-spectrum photo receiver | |
| KR100332628B1 (en) | infrared detecting device | |
| TWI838208B (en) | Apparatus and method for operating the same |