Матричный приемник излучения

Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ИК излучению и может использоваться при изготовлении матричных приемников излучения (МПИ), например, на область спектра 3-5 мкм на основе антимонида индия. Матричный приемник излучения состоит из несущей подложки и матричного фотодиодного чувствительного элемента на основе кристалла InSb n-типа проводимости, толщина базовой области которого не превышает диффузионной длины неосновных носителей, а фотодиоды соединены через индиевые микростолбики с большой интегральной схемой считывания и обработки сигналов, в котором на поверхность базовой области кристалла InSb нанесен прозрачный для излучения в полосе поглощения InSb диэлектрический слой, присоединенный к несущей подложке, причем на границе раздела InSb-диэлектрик сформирован положительный эффективный заряд величиной, определяемой по формуле:

,

где T - рабочая температура (K),

n₀ - концентрация равновесных электронов в базовой области при рабочей температуре (см^-3). Наличие диэлектрического слоя создает в кристалле у поверхности базовой области потенциальный барьер для дырок, который препятствует их оттоку к поверхности, при этом они дают вклад в сигнал, тем самым увеличивая токовую чувствительность структуры на 25-30%.

Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ИК-излучению и может использоваться при изготовлении матричных приемников излучения (МПИ), например, на область спектра 3-5 мкм на основе антимонида индия. Применение антимонида индия обусловливает получение высших значений фотоэлектрических параметров МПИ благодаря высшей по сравнению с другими полупроводниковыми материалами квантовой эффективности и наилучшей отработанности технологий получения совершенных исходных кристаллов и изготовления матричных фотодиодных кристаллов.

Современные МПИ данного типа представляют собой микросборку из двух основных элементов: матричного фотодиодного кристалла из антимонида индия и кремниевой БИС считывания и обработки сигналов, определенным образом скоммутированных между собой. При этом микросборка охлаждается до рабочей температуры матричного кристалла (~80K).

Известен МПИ (см. Proceedings of SPIE, Vol, 4086 (2000), pp.155-157, Fig 1), являющийся аналогом предлагаемой конструкции, в котором тонкий (15-20) мкм матричных фотодиодный кристалл из InSb состыкован посредством индиевых микростолбиков с кремниевой БИС. При этом каждый р-n переход и общие контакты матричного кристалла состыкованы с соответствующими топологическими элементами БИС, а засветка кристалла производится с обратной стороны - со стороны базовой области. Недостатком такого МПИ является низкая надежность стыковки из-за разрывов микростолбиков, а также пониженная токовая чувствительность всего массива элементов МПИ.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому МПИ (см. патент РФ 55206 U1, МПК H01L 31/0296, опубл. 27.07.2006 г.), который в отличие от аналога имеет дополнительную деталь - кремниевую несущую подложку, к которой присоединен тонкий матричный кристалл базовой областью, через которую, как и в аналоге, производится облучение. Несущая подложка уменьшает отличия линейных размеров матричного кристалла и БИС, возникающие при термоциклированиях, связанных с включением и выключением МПИ, что избавляет конструкцию от недостатка низкой надежности МПИ. Однако, недостатком прототипа остается пониженная токовая чувствительность всего массива элементов МПИ.

Заявляемая полезная модель решает задачу повышения токовой чувствительности всего массива элементов МПИ, при этом техническим результатом является ее увеличение на 25-30%.

Указанный технический результат достигается тем, что в матричном приемнике излучения, состоящем из несущей подложки и матричного фотодиодного чувствительного элемента на основе кристалла InSb n-типа проводимости, толщина базовой области которого не превышает диффузионной длины неосновных носителей, а фотодиоды соединены через индиевые микростолбики с большой интегральной схемой считывания и обработки сигналов, на поверхность базовой области кристалла InSb нанесен прозрачный для излучения в полосе поглощения InSb диэлектрический слой, присоединенный к несущей подложке, причем на границе раздела InSb-диэлектрик сформирован положительный эффективный заряд величиной, определяемой по формуле:

где T - рабочая температура (K),

n₀ - концентрация равновесных электронов в базовой области при рабочей, температуре (см^-3).

Наличие диэлектрического слоя, имеющего на границе с InSb положительный эффективный заряд, величина которого соответствует условию (1), создает в кристалле у поверхности базовой области потенциальный барьер для дырок, которые в этом случае не создают потока к поверхности, а дают вклад в сигнал, тем самым увеличивая токовую чувствительность структуры.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема заявляемого МПИ. Такой МПИ состоит из тонкого (не более диффузионной длины) кристалла InSb n-типа проводимости 1, в котором на одной стороне сформированы p⁺-области (p⁺ -n переходы матрицы) и омические контакты к базовой области с поверхностными металлическими контактами 2, а на обратную сторону (поверхность базовой области) нанесен диэлектрический слой 3, на границе с которым сформирован положительный эффективный заряд , по величине соответствующий формуле (1). Диэлектрический слой присоединен к несущей подложке 4, а фотодиоды и омические контакты на обратной стороне соединены через индиевые микростолбики 5 с кремниевой БИС 6.

Были изготовлены следующие 3 партии МПИ с матричными кристаллами InSb толщиной (15-18) мкм и значениями щ в пределах (0,9÷1,1)·10¹⁵ см^-3 при Т=80K:

- партия 1 - по предложению;

- партия 2 - по предложению, но с невыполнением условия (1);

- партия 3 - по прототипу.

Диэлектрический слой в партиях 1 и 2 наносили методом анодного окисления в безводных электролитах различных составов в вольтстатическом или гальваностатическом режимах в зависимости от того, какие значения требовалось получить. Толщина слоя, которая во всех случаях составляла ~400° A, не влияет на достижение технического результата и выбиралась исходя из оптимальных условий обеспечения точности измерения величины при контроле. Для контроля значения в этих партиях на пластины-спутники из того же слитка, обработанные вместе с рабочими пластинами, анодным окислением наносили диэлектрические слои вместе с пластинами рабочих партий. Затем на них формировали МДП-структуры напылением на диэлектрический слой алюминиевых контактов 1 мм. На МДП-структурах измеряли вольт-фарадные характеристики, из расчета которых (по методике работы M.V.Whelan "Philips Res. Repts", 20, pp.620-632, 1965) определяли знак и значение , относящееся к данной партии.

В остальном процессы изготовления элементов МПИ и их сборки в партиях были одинаковыми. После сборки измеряли средние значения токовой чувствительности на длине волны =4,9 мкм при Т=80K для всего массива элементов МПИ каждой партии.

С применением тех же процессов, но без нанесения диэлектрического слоя параллельно изготовлена партия МПИ, соответствующих прототипу, на которых также измерялись значения .

Результаты измерений и вместе с отличительными особенностями для МПИ всех 3-х партий представлены в таблице. В таблице представлено также численное выражение условия (1), полученное подстановкой значений n ₀ и температуры измерений.

Таблица
партии	Наличие диэлектрического слоя
1 (по предложению)	+	+1,28·10 -7	2,2
2 (по предложению но с невыполнением условия 1)	+	+3,2·10 -8	1,71
3 (по прототипу)	-	-	1,65
Численное выражение условия (1) для партий 1, 2:

Из данных таблицы следует, что при реализации предложения (наличие диэлектрического слоя и выполнение условия (1)), среднее значение на 30% выше, чем при невыполнении условия (1) предложения или при отсутствии диэлектрического слоя по прототипу.

Полученные результаты объясняются следующим. Сигнал фотодиодов матрицы создается неосновными фотоносителями заряда, т.е. неравновесными дырками в случае базы n-типа, прошедшими через р-n переход. В случае неконтролируемых условий на поверхности базовой области часть этих дырок образует поток к этой поверхности и не дает вклад в сигнал, что имеет место в аналоге и прототипе. Такой поток уменьшается или прерывается, если в кристалле у поверхности базовой области имеется потенциальный барьер для дырок. Таким барьером является приповерхностная область n⁺-типа, когда на поверхности концентрация электронов на порядок величины или больше превышает концентрацию электронов в объеме базовой области.

Приповерхностная область n⁺ -типа удобно создать за счет электронов, наведенных положительным поверхностным зарядом. Такой заряд создают, контролируют и стабилизируют при и за счет нанесения на поверхность диэлектрической пленки. В этом случае заряд на границе раздела полупроводник-диэлектрик является эффективным и он складывается из заряда, встроенного в диэлектрик и заряда непосредственно на границе.

Заряд наводит в приповерхностной области кристалла заряд противоположного знака, величина которого в раз меньше ( - относительная диэлектрическая проницаемость кристалла). При этом наведенный заряд распределен экспоненциально по глубине на длине экранирования Дебая, определяемой формулой

где ₀ - диэлектрическая пронициаемость вакуума,

к - постоянная Больцмана,

e - элементарный заряд.

Считая, что на поверхности n⁺ -области концентрация электронов в 10 и более раз превышает n ₀, и допустив аппроксимацию распределения электронов в дебаевской области в виде прямоугольного треугольника с вершиной на поверхности кристалла, требование к заряду в этой области можно представить как

Такой заряд наводит в раз больший эффективный заряд на границе раздела полупроводник-диэлектрик, т.е.

После подстановки фундаментальных постоянных и значения е для InSb в формулу (5) получаем формулу (1) для положительного значения , обеспечивающего формирование у поверхности базовой области барьера для сигнальных дырок, направляющего их в р-n переход, что и приводит к увеличению токовой чувствительности элементов матричного кристалла и МПИ в целом.

Таким образом реализация предложения, а именно нанесение диэлектрического слоя на поверхность базовой области фотодиодного матричного кристалла из InSb n-типа проводимости и формирование при этом положительного эффективного заряда на границе раздела InSb-диэлектрик, значение которого соответствует выполнению условия (1), обеспечивает повышение уровня токовой чувствительности элементов МПИ с таким кристаллом на ~30%.

Матричный приемник излучения, состоящий из несущей подложки и матричного фотодиодного чувствительного элемента на основе кристалла InSb n-типа проводимости, толщина базовой области которого не превышает диффузионной длины неосновных носителей, а фотодиоды соединены через индиевые микростолбики с большой интегральной схемой считывания и обработки сигналов, отличающийся тем, что на поверхность базовой области кристалла InSb нанесен прозрачный для излучения в полосе поглощения InSb диэлектрический слой, присоединенный к несущей подложке, причем на границе раздела InSb-диэлектрик сформирован положительный эффективный заряд величиной, определяемой по формуле:

,

где T - рабочая температура (К),

n₀ - концентрация равновесных электронов в базовой области при рабочей температуре (см^-3).