Фоторезистор на основе insb

Предлагаемая полезная модель относится к чувствительным в инфракрасной области спектра полупроводниковым приемникам излучения и может быть использована при изготовлении фоторезисторов на основе антимонида индия. Фоторезистор на основе insb содержит сапфировую подложку и присоединенную к ней слоем диэлектрического клея пластину монокристаллического InSb p-типа с монополярной фотопроводимостью. На поверхность сапфировой подложки нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки в пластине InSb, в которой, со стороны сапфировой подложки сформирован приповерхностный p⁺-слой, разделенный на два несоприкасающихся участка, расположенных за границами фоточувствительной площадки, а с противоположной стороны пластины InSb выполнены металлические контакты с подконтактными p ⁺-областями. В частном случае выполнения между участками приповерхностного p⁺-слоя может быть выполнена канавка. При снятии сигнала с фоторезистора падение напряжения на области фоточувствительной площадки значительно превышает падение напряжения на приконтактных областях и контактах за счет шунтирующего приповерхностного p⁺-слоя и подконтактных p⁺-областей. Этим достигается снижение напряженности электрического поля в области контактов, что приводит к смещению начала рекомбинационных неустойчивостей в область более высоких напряжений и позволяет увеличить прикладываемое постоянное напряжение к фоторезистору и за счет этого увеличить его вольтовую чувствительность.

Предлагаемая полезная модель относится к чувствительным в инфракрасной (ИК) области спектра полупроводниковым приемникам излучения и может быть использована при изготовлении фоторезисторов на основе антимонида индия, чувствительных в спектральном диапазоне 3-5,5 мкм.

Известен фоторезистор на основе InSb (см. опубл. заявка Японии 04-053271 (A), МПК H01L 31/10, опубл. 20.02.1992 г.), содержащий приклеенную на сапфировое основание, прозрачное для излучения в диапазоне 3-5,5 мкм, пластину InSb толщиной 10 мкм с фоточувствительной площадкой. Однако, такая конструкция не является оптимальной для получения высоких значений вольтовой чувствительности.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому фоторезистор на основе InSb, содержащий соединенные слоем диэлектрического клея сапфировую подложку и пластину монокристаллического InSb с расположенной посередине фоточувствительной площадкой и металлическими контактами на периферии (см. опубл. заявка Японии 61-088115, МПК G01J 1/02, опубл. 06.05.1986 г.). В данной конструкции периферийная часть пластины выполнена большей толщины, чем площадка, что позволяет улучшить соотношение сигнал/шум и упростить изготовление прибора. Однако, такой фоторезистор не позволяет получить высокие значения вольтовой чувствительности на малоразмерных фоточувствительных площадках при увеличении рабочего напряжения из-за эффекта пролета носителей ("sweep-out") между контактами, что характерно для полупроводников с биполярной проводимостью, где времена жизни электронов и дырок равны (_n=_p), таких как InSb и CdHgTe.

Задачей, решаемой с помощью предложенной полезной модели, является создание конструкции фоторезистора на основе InSb с малоразмерными фоточувствительными площадками, в которой отсутствует эффект пролета носителей между контактами.

Техническим результатом при использовании предлагаемой полезной модели является повышение вольтовой чувствительности фоторезистора на основе InSb за счет увеличения рабочего напряжения.

Указанный технический результат достигается тем, что в фоторезисторе на основе InSb, содержащем соединенные слоем диэлектрического клея сапфировую подложку и пластину монокристаллического InSb с фоточувствительной площадкой и металлическими контактами, на сапфировую подложку нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки в пластине InSb, выполненной из кристалла InSb p-типа с монополярной фотопроводимостью, в которой со стороны сапфировой подложки сформирован приповерхностный p⁺-слой, разделенный на два несоприкасающихся участка, расположенных за границами фоточувствительной площадки, а с противоположной стороны пластины выполнены подконтактные p⁺-области. В частном случае выполнения между участками приповерхностного p⁺-слоя может быть выполнена канавка.

Принципиально отсутствие эффекта пролета носителей и больший фототок обеспечивают монокристаллы InSb p-типа с монополярной фотопроводимостью, в отличие от монокристаллов p-типа с биполярной фотопроводимостью и монокристаллов n-типа, благодаря справедливости соотношений для времен жизни _p>>_n и подвижностей µ_p<<µ _n. Поэтому при применении этого материала в соответствии с формулой S_u~_p·U_см/p (где S_u - вольтовая чувствительность, U_cм - напряжение смещения, p - концентрация дырок при рабочей температуре) повышения S _u можно добиться за счет увеличения напряжения смещения. Однако при напряженности электрического поля 8-10 В/см и выше в кристаллах возникают рекомбинационные неустойчивости в области контактов, приводящие к образованию S-образных участков на вольтамперных характеристиках, ограничивающих возможность повышения вольтовой чувствительности. Для уменьшения отрицательного влияния этих областей на вольтовую чувствительность фоторезистора в предложенной конструкции создаются подконтактные p⁺-области, а со стороны сапфировой подложки сформирован приповерхностный p ⁺-слой. Подконтактные p⁺-области уменьшают контактные сопротивления, а приповерхностный p⁺-слой шунтирует сопротивление пластины за пределами фоточувствительной площадки. При этом уменьшается падение напряжения на контактах и на участках пластины за пределами фоточувствительной площадки, за счет чего при том же рабочем напряжении увеличивается эффективное напряжение смещения на площадке, приводящее к увеличению чувствительности и уменьшается напряженность электрического поля за пределами площадки, что позволяет повысить прикладываемое к фоторезистору смещение и дополнительно увеличить чувствительность.

Металлический слой на поверхности сапфировой подложки нужен для формирования геометрии фоточувствительной площадки и для исключения попадания излучения на области пластины за пределами фоточувствительной площадки. Таким образом регистрируемое излучение попадает в пластину InSb через окно в металлическом слое, соответствующее размеру фоточувствительной площадки, через сапфировую подложку и диэлектрический эпоксидный клей, которые практически прозрачны в диапазоне спектра 3-5,5 мкм.

Разделение приповерхностного шунтирующего p⁺-слоя на два участка можно осуществлять разными методами, например, при его создании с применением фотолитографии или химическим травлением созданного сплошного слоя. Наиболее простым и экономичным является метод травления, при котором на месте фоточувствительной площадки создается канавка в пластине InSb, что является одним из частных случаев выполнения предложенной конструкции.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема предложенного фоторезистора, а на фиг.2 - его вольт-амперная характеристика.

Фоторезистор на основе InSb содержит сапфировую подложку 1 и пластину монокристаллического InSb 2 с фоточувствительной площадкой 3 и металлическими контактами 4, причем подложка 1 и пластина 2 соединены слоем диэлектрического клея 5. На сапфировую подложку 1 нанесен металлический слой 6 с окном для формирования фоточувствительной площадки 3 в пластине InSb 2. Со стороны сапфировой подложки 1 в пластине InSb 2 сформирован приповерхностный p⁺ -слой 7, разделенный на два несоприкасающихся участка, расположенных за границами фоточувствительной площадки 3. В пластине InSb также сформированы подконтактные p⁺-области 8, а в частном случае выполнения между участками приповерхностного легированного p⁺-слоя выполнена канавка 9.

Устройство работает следующим образом. ИК-излучение проходит через окно в металлическом слое, через сапфировую подложку и диэлектрический клей и поглощается в пластине антимонида индия, размер фоточувствительной площадки которой соответствует размеру окна. При этом сапфировая подложка, охлаждаемая до температуры жидкого азота, ограничивает поток фонового излучения и снижает уровень шума. Поглощенное в InSb излучение генерирует в пластине электронно-дырочные пары. Электроны, имеющие малое время жизни, захватываются на глубокие уровни в запрещенной зоне, а фототок определяется дырками, время жизни которых существенно выше. Переменное напряжение фотосигнала (вольтовая чувствительность), снимаемое с нагрузочного сопротивления в цепи фоторезистора, пропорционально прикладываемому постоянному напряжению к фоторезистору. При этом падение напряжения на фоточувствительной площадке значительно превышает падение напряжения за ее пределами как за счет шунтирующего p⁺-слоя, созданного на остальной части пластины, так и за счет подконтактных p⁺-областей. Таким образом достигается снижение напряженности электрического поля в области контактов, что приводит к смещению начала рекомбинационных неустойчивостей (S-образный участок вольтамперной характеристики) в область более высоких напряжений, что позволяет увеличить прикладываемое постоянное напряжение к фоторезистору и увеличить вольтовую чувствительность.

При реализации предложенной конструкции в качестве материала пластины использовались кристаллы InSb p-типа, легированные германием, имеющие при температуре жидкого азота концентрацию дырок p=(0,5-2)·10¹³ см^-3, подвижность дырок µ_р=(6-8)·10³ см² /В·сек, время жизни дырок _p>2 мкс и время жизни электронов _n<0,01 мкс. Металлизация сапфировой подложки осуществлялась электронно-лучевым испарением навески хрома в вакуумной камере. Толщина слоя хрома составляла 0,2 мкм. Формирование геометрии фоточувствительной площадки длиной 0,1 мм и шириной 0,3 мм осуществлялось стандартным методом фотолитографии с химическим травлением хрома. Приповерхностный легированный p⁺-слой толщиной не более 1 мкм с удельным сопротивлением ~10^-4 Ом·см формировался диффузией цинка при температуре 270-280°C в течение 50-60 мин в вакуумной камере. Источником диффузанта служил электролитически нанесенный на поверхность пластины слой цинка толщиной 1,5-3 мкм. После проведения диффузии цинк удалялся в концентрированной соляной кислоте. Разделение этого слоя на два участка производилось при помощи канавки, которая выполнялась химико-динамическим травлением в смеси на основе фтористоводородной кислоты, перекиси водорода и винной кислоты через фоторезистивную маску. Для соединения сапфировой подложки с пластиной InSb использовался диэлектрический клей марки ХСК, созданный на основе смеси связующих эпоксидных смол СЭДМ-3 и УП-650В и отвердителя - ароматического диамина УП-583Д, который является продуктом взаимодействия формальдегида и фенола с диэтилентриамином. После полимеризации клея с помощью химико-механического полирования и химико-динамического травления толщина пластины InSb уменьшалась до величины 30-50 мкм. Формирование подконтактных p⁺-областей производилось ионным легированием бериллия в свободные от фоторезиста области по заданному рисунку фотошаблона. После ионной имплантации бериллия, удаления фоторезиста и низкотемпературного активационного отжига в имплантированных подконтактных областях достигается концентрации акцепторов ~10 ¹⁸ см^-3 на глубине ~0,3 мкм. Для фоточувствительной площадки длиной 0,1 мм создание таких приповерхностных и подконтактных слоев p⁺-типа увеличило рабочее напряжения смещения от (0,1-0,3) В в прототипе до (8-10) В с соответствующим увеличением вольтовой чувствительности Su (500 K) до ~10⁵ В/Вт. Вольт-амперная характеристика изготовленного фоторезистора представлена на фиг.2. Следует отметить, что предложенная конструкция фоторезистора позволяет уменьшить расстояние от границы фоточувствительной площадки до металлического контакта, когда требуется уменьшить габаритные размеры фоторезисторов и фотоприемных устройств на их основе.

Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает увеличение вольтовой чувствительности фоторезистора на основе InSb.

1. Фоторезистор на основе InSb, содержащий соединенные слоем диэлектрического клея сапфировую подложку и пластину монокристаллического InSb с фоточувствительной площадкой и металлическими контактами, отличающийся тем, что на сапфировую подложку нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки в пластине InSb, выполненной из кристалла InSb p-типа с монополярной фотопроводимостью, в которой со стороны сапфировой подложки сформирован приповерхностный p⁺-слой, разделенный на два несоприкасающихся участка, расположенных за границами фоточувствительной площадки, а с противоположной стороны пластины выполнены подконтактные p⁺-области.

2. Фоторезистор на основе InSb по п.1, отличающийся тем, что между участками приповерхностного легированного p⁺ -слоя выполнена канавка.