Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК
ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК

ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: для регистрации и измерения светового излучения. Сущность изобретения: гетеропереходный фотоприемник состоит из подложки из монокристаллического кремния, на которую нанесен слой поликристаллического As4S3 и двух контактов, алюминиевого контакта, нанесенного на слой As4S3, и контакта из алюминия, хрома или теллура, нанесенного с противоположной стороны кремниевой подложки. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2069921
Класс(ы) патента: H01L31/05
Номер заявки: 92004994/25
Дата подачи заявки: 05.11.1992
Дата публикации: 27.11.1996
Заявитель(и): Технический университет Молдовы (MD)
Автор(ы): Циуляну Дмитрий Иванович[MD]; Коломейко Эдуард Петрович[MD]; Малков Сергей Аркадьевич[MD]; Мельник Олег Николаевич[MD]
Патентообладатель(и): Технический университет Молдовы (MD)
Описание изобретения: Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам, а именно к фотоприемникам и может быть использовано для регистрации и измерения светового излучения.
Известен гетеропереходный фотоприемник (M. Persin and Ved Mitra. Electrical and Photovaltaic Properties of a Heterojunction between As-Fe-Ge Film and Crystalline silicon "Thin Solid Films", 1980, vol. 70, N 1, р. 85 - 90), выполненный в виде двухслойной структуры из стеклообразного халькогенида мышьяка и монокристаллического кремния. При этом слой стеклообразного халькогенида выполнен из пленки As-Te-Ge.
Недостатком известного гетеропереходного фотоприемника является сравнительно узкий спектральный диапазон чувствительности. Это обусловлено незначительным различием ширины запрещенных зон материалов, образующих гетеропереход, Eg(As-Te-Ge) 1,34 эВ, Eg(Si) 1,11 эВ, а также работой фотоприемника в вертикальном режиме, при котором область объемного заряда мала и общий уровень фотоответа снижен из-за недостаточно эффективного разделения носителей на границе раздела. Спектральный диапазон чувствительности этого фотоприемника 0,65oC1,1 мкм.
Кроме того, недостатком известного фотоприемника является неравномерность спектральной чувствительности в измеряемом диапазоне.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является гетеропереходный фотоприемник (Андриеш А.М. и др. Стеклообразный сульфид мышьяка и его сплавы. Кишинев. Штиинца, 1981, с. 37), выполненный в виде двухслойной структуры из стеклообразного халькогенида мышьяка и монокристаллического кремния, причем слой стеклообразного халькогенида выполнен из трисульфида мышьяка (As2S3).
Выполнение слоя стеклообразного халькогенида из As2S3 оказывает влияние на расширение спектрального диапазона фоточувствительности. Это достигается вследствие значительного различия ширины запрещенных зон Еg материалов, образующих гетеропереход. Так, Еg(As2S3) 2,35 эВ и Еg(Si) 1,11 эВ. Так как вклад в фотопроводимость дают носители, возбуждаемые в обоих компонентах гетероперехода, область спектральной чувствительности складывается из областей спектральной чувствительности каждого из компонентов, как As2S3, так и Si и составляет 0,4oC1,1 мкм.
Использование в качестве халькогенида трисульфида мышьяка As2S3 увеличивает фотоответ в высокоэнергетической области.
Недостатком известного гетеропереходного фотоприемника являются слабая фоточувствительность в области длин волн менее 0,42 мкм и высокая неравномерность (селективность) спектра фотопроводимости.
Задача изобретения расширение области спектральной чувствительности в сторону высокоэнергетической части спектра, а также получение равномерной спектральной характеристики.
Это достигается тем, что в гетеропереходном фотоприемнике, выполненном в виде двухслойной структуры из монокристаллического кремния и халькогенидного полупроводника в качестве последнего используют поликристаллический диморфит (As4S3). Это позволяет сделать вывод, что техническое решение соответствует критерию "новизна".
Увеличение фоточувствительности в высокоэнергетической области λ 0,25oC0,42 мкм достигается вследствие того, что при вакуумном напылении предварительно синтезированного диморфита образуется матрица с мелкокристаллическими a и β фазами диморфита. В результате этого создаются крупномасштабные флуктуации потенциала и глубокие потенциальные ямы для возбужденных светом электронов. Поэтому, несмотря на то, что диморфит поглощает электромагнитные излучения из видимого диапазона длин волн, фотоотклик в этом диапазоне отсутствует. Возбужденные носители остаются в этих потенциальных ямах. Для получения фотоотклика энергия возбуждающего кванта должна быть выше стенок (барьеров) потенциальных ям. Но так как пространственное распределение и энергетический масштаб флуктуаций потенциала хаотичен, то энергия кванта возбуждения должна быть выше уровня протекания заряда.
В данном случае эта энергия выше 2,9 эВ, т.е. длина волны менее 0,42 мкм. Наличие глубоких потенциальных ям в слое диморфита приводит также к накоплению в нем вблизи границы раздела возбужденных носителей и укорачиванию длины экранирования. Вследствие того, приложенное внешнее поле распространяется, главным образом, в монокристалле кремния, что дает возможность управлять уровнем фотоотклика в спектральном диапазоне соответствующем поглощению света в кремнии путем подбора величины приложенного внешнего направления. В этой связи электрическое смещение фотоприемника задается из условия выравнивания уровня фотоотклика вследствие поглощения света в кремнии и диморфите, что обуславливает достижение неселективности в спектральном диапазоне фоточувствительности 0,4 1,0 мкм.
Таким образом, предложенный гетеропереходный фотоприемник обладает по сравнению с прототипом повышенной фоточувствительностью в области длин волн менее 0,42 мкм и селективной спектральной характеристикой в области длин волн 0,4 1,0 мкм.
Совокупность признаков, отличающих предлагаемый гетеропереходный фотоприемник от прототипа, является новой, поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг. 1 представлена схема гетеропереходного фотоприемника; на фиг. 2
спектральные характеристики гетеропереходного фотоприемника и прототипа.
Фотоприемник состоит из подложки 1 монокристаллического кремния, на которую нанесен слой 2 диморфита (As4S3), контакта 3, нанесенного на слой 2 и контакта 4, нанесенного с противоположной стороны кремниевой подложки. Контакт 3 выполнен из алюминия, контакт 4 может быть выполнен из алюминия, хрома или теллура. Источник 5 электрического напряжения подключен своими полюсами к контактам 3 и 4 через сопротивление 6 нагрузки.
Кривые 1 и 2 (фиг. 2) показывают спектральное распределение чувствительности фотоприемника и прототипа соответственно. Кривая 1 показывает, что гетеропереходный фотоприемник обладает равномерной спектральной чувствительностью в диапазоне 0,4 1,0 мкм.
Гетеропереходный фотоприемник работает следующим образом. На контакты 3 и 4 фотоприемника (фиг. 1) подается электрическое напряжение (1 10 В) от источника 5. Если подложка 1 выполнена из кремния р-типа, то контакты 3 и 4 подключаются к полюсам источника 6, таким образом, чтобы подложка 1 обладала отрицательным потенциалом по отношению к слою 2; в случае выполнения подложки 1 из кремния n-типа подключение контактов 3 и 4 к полюсам источника 5 должно быть таким, чтобы подложка 1 обладала положительным потенциалом по отношению к слою 2. При освещении гетероперехода на границе раздела слоев 1 и 2 возникают неравновесные носители заряда, создающие в цепи фототок, пропорциональный освещенности. Электрический сигнал с сопротивления 6 нагрузки поступает на блок измерения.
Принцип действия фотоприемника основан на пространственном разделении неравновесных электронов и дырок потенциальным барьером неоднородной полупроводниковой структуры, представляющей собой контакт двух разных по химическому составу и топологической структуре полупроводниковых материалов: поликристаллического диморфита с шириной запрещенной зоны Eg(As4S3) 2,8 эВ и монокристаллического кремния n-типа или р-типа с шириной запрещенной зоны Eg(Si) 1,11 эВ. Неравновесные носители возникают при освещении полупроводника фотонами с энергией hν>Eg. Фотоны с энергией 1,11 эВ <hν>< 2,8 эВ свободно проходят через слой As4S3 и почти полностью поглощаются на поверхности монокристаллического кремния в области пространственного заряда гетероперехода, образуя неравновесные носители заряда. Так как область генерации фотоносителей и область, где они разделяются (область пространственного заряда), совмещены, эффективность фотопреобразования высока и практически постоянна во всем интервале энергий 1,11 эВ <hν>< 3,1 эВ. В интервале 2,8 эВ ≅hν ≅ 3,1 эВ фотоотклик падает из-за поглощения света в As4S3.
Фотоны с энергией hν< 1,11 эВ не поглощаются и соответственно не дают вклада в фотоответ, а фотоны с энергией 2,8 эВ < hν ≅ 3,1 эВ, поглощаясь в As4S3 частично (вследствие хаотичности потенциальных ям), застревают на дне потенциальных ям и вклад в фотоотклик также не максимален. Однако суммирование фотоотклика в Si и As4S3 в этом диапазоне энергий фотона пpиводит к повышению его уровня и обеспечению неселективности при заданном значении приложенного напряжения. Фотоны с энергией hν≥ 3,1 эВ поглощаются, вблизи поверхности слоя As4S3, не доходя до границы раздела, в результате чего в этой области фотоответ падает более существенно.
Таким образом, спектральная характеристика чувствительности гетеропереходного фотоприемника (фиг.2) имеет вид плато, ограниченного резким спадом чувствительности при энергиях 1,1 и 3,1 эВ.
Преимуществами предложенного гетеропереходного фотоприемника по сравнению с прототипом являются:
расширение спектрального диапазона применяемого излучения с 0,28 мкм - 1,1 мкм (прототип) с 0,42 1,1 мкм;
получение равномерной спектральной характеристики в диапазоне 0,4 1,0 мкм.
Эти преимущества являются следствием применения новой пары материалов для образования гетероперехода (монокристаллического кремния и поликристаллического диморфита As4S3), которые значительно различаются шириной запрещенной зоны (Eg(Si) 1,11 эВ; Eg (As4S3) 2,8 эВ) и топологической структурой. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".
Формула изобретения: Гетеропереходный фотоприемник, выполненный в виде двухслойной структуры из монокристаллического кремния и халькогенидного полупроводника, отличающийся тем, что в качестве халькогенидного полупроводника использован поликристаллический диморфит.