Фоторезистор на основе cdhgte

Предлагаемая полезная модель относится к чувствительным в инфракрасной (ИК) области спектра полупроводниковым приемникам излучения и может быть использована при изготовлении фоторезисторов на основе полупроводниковых соединений. Фоторезистор содержит сапфировое основание, на поверхность которого нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки, и присоединенную к основанию диэлектрическим клеем прозрачную для ИК излучения подложку с нанесенной на нее гетероэпитаксиальной структурой, состоящей из слоев фоточувствительного материала CdHgTe n-типа проводимости, включающих нижний варизонный слой, рабочий слой постоянного состава и верхний варизонный слой, которые содержат фоточувствительную площадку и расположенные за ее границами соединенные с металлическими контактами участки, выполненные в виде меандра, причем ширина колена меандра должна быть больше двух диффузионных длин дырок в рабочем слое гетероэпитаксиальной структуры. В частном случае выполнения фоточувствительная площадка может быть смещена в сторону анода. Предложенная конструкция обеспечивает повышение вольтовой чувствительности за счет увеличения эффективного времени жизни неосновных носителей заряда, обусловленного увеличением расстояния между контактами путем введения меандра, и практического отсутствия рекомбинации неосновных носителей заряда как на верхней и нижней, так и на боковых поверхностях рабочего слоя CdHgTe.

Предлагаемая полезная модель относится к чувствительным в инфракрасной (ИК) области спектра полупроводниковым приемникам излучения и может быть использована при изготовлении фоторезисторов на основе полупроводниковых соединений.

Известен фоторезистор на основе CdHgTe, в котором на диэлектрической подложке закреплена гетероэпитаксиальная структура, состоящая из подложки CdZnTe или GaAs или Si, на которую нанесены последовательно эпитаксиальные варизонный слой Cd_xHg_1-xTe, рабочий слой постоянного состава и верхний варизонный слой Cd_xHg _1-xTe, a также просветляющее покрытие (см. пат. РФ 2244366, МПК 7 H01L 31/09, опубл. 10.01.2005 г.). При этом получить высокую вольтовую чувствительность при большом времени жизни (7-18 мкс) неосновных носителей заряда самой эпитаксиальной структуры в данной конструкции фоторезистора не удается, так как вольтовая чувствительность при максимальном напряжении смещения ограничена временем «пролета» носителя расстояния между контактами, которое, как правило, составляет 30-100 мкм и равно длине фоточувствительной площадки.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели фоторезистор, содержащий сапфировое основание, на поверхность которого нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки, и присоединенную к основанию диэлектрическим клеем пластину фоточувствительного материала с металлическими контактами (см. пат РФ 121102, МПК H01L 31/09, опубл. 10.10.2012 г.). В данной конструкции засветка осуществляется со стороны сапфирового основания, а в качестве фоточувствительного материала используется монокристаллический InSb р-типа с монополярной фотопроводимостью, когда время жизни () основных носителей заряда (дырок) существенно выше времени жизни неосновных носителей заряда (электронов), _р>>_n. Однако, максимальная температура работы фоторезисторов из антимонида индия ограничена величиной 100-110 К, выше которой чувствительность резко уменьшается, что ограничивает область их применения.

Предлагаемая полезная модель решает задачу реализации большого времени жизни неосновных носителей заряда эпитаксиальной структуры за счет увеличения расстояния между контактами фоторезистора при малой длине фоточувствительной площадки.

Техническим результатом при использовании полезной модели является увеличение вольтовой чувствительности фоторезистора.

Указанный технический результат достигается тем, что фоторезистор содержит сапфировое основание, на поверхность которого нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки, и присоединенную к основанию диэлектрическим клеем прозрачную для ИК излучения подложку с нанесенной на нее гетероэпитаксиальной структурой, состоящей из слоев фоточувствительного материала CdHgTe n-типа проводимости, включающих нижний варизонный слой, рабочий слой постоянного состава и верхний варизонный слой, которые содержат фоточувствительную площадку и расположенные за ее границами соединенные с металлическими контактами участки, выполненные в виде меандра, причем ширина колена меандра должна быть больше двух диффузионных длин дырок в рабочем слое гетероэпитаксиальной структуры. В частном случае выполнения фоточувствительная площадка может быть смещена в сторону анода.

Применение фоточувствительного материала CdHgTe n-типа проводимости обусловлено тем, что подвижность дырок, определяющая скорость амбиполярного дрейфа носителей, значительно меньше подвижности электронов (µ_n/µ _р~200).

Вольтовая чувствительность (Su) фоторезистора прямо пропорциональна прикладываемому напряжению смещения (U _см) к металлическим контактам и эффективному времени жизни носителей заряда (_эфф). Эффективное время жизни носителей заряда определяется выражением:

где S₁ - скорость поверхностной рекомбинации на нижней и верхней поверхностях рабочего фоточувствительного слоя, d - толщина рабочего фоточувствительного слоя, S₂ - скорость поверхностной рекомбинации на боковых поверхностях рабочего фоточувствительного слоя, а - ширина рабочего фоточувствительного слоя, _р - время жизни неосновных носителей заряда эпитаксиальной структуры. Время пролета носителей (_пр) связано с расстоянием (L) от области генерации электронно-дырочных пар в фоточувствительной площадке до области рекомбинации на металлическом контакте для материала CdHgTe n-типа проводимости следующим выражением:

где µ_р - подвижность дырок (500 см² В^-1 с^-1). Чем меньше расстояние между контактами, тем меньше время пролета и _эфф. Увеличение эффективного времени жизни носителей заряда повышает величину вольтовой чувствительности.

Для получения высокой вольтовой чувствительности путем реализации высокого времени жизни носителей в исходном материале предложено увеличение расстояния между контактами путем введения меандра и снижения влияния эффекта пролета носителей, так как амбиполярный дрейф носителей в электрическом поле фоторезистора из CdHgTe n-типа лимитирутся дырками (n>>р). Так, при расстоянии от фоточувствительной площадки до металлического контакта не менее L1,5 мм (длина меандра) при U_см1,5 В реализуется время жизни носителей эпитаксиальной структуры _р15 мкс.

Выполнение участков фоточувствительного слоя, в котором осуществляется дрейф носителей, в виде меандра, позволяет уменьшить длину фоторезистора по сравнению с фактической длиной пролета неосновных носителей заряда, что имеет значение для миниатюризации габаритных размеров и практического применения фоторезистора. Причем ширина колена меандра должна быть больше двух диффузионных длин дырок в рабочем слое гетероэпитаксиальной структуры для устранения вклада боковых поверхностей в эффективное время жизни носителей заряда (1). При ширине колена меандра фоторезистора больше двух диффузионных длин вкладом поверхностной рекомбинации на боковых поверхностях можно пренебречь.

Снизить габаритный размер фоторезистора можно также за счет уменьшения длины балластного участка меандра за границами фоточувствительной площадки, расположенного в сторону металлического контакта, имеющего положительный потенциал (анод), и, тем самым, минимизировать вклад тепловых генерационно-рекомбинационных шумов балластной области в обнаружительную способность фоторезистора, что является одним из частных случаев исполнения предложенной конструкции.

Использование гетероэпитаксиальной структуры CdHgTe с варизонными слоями позволяет полностью исключить поверхностную рекомбинацию носителей заряда на нижней и верхней поверхностях рабочего слоя CdHgTe и повысить вольтовую чувствительность.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема фоторезистора, на фиг.2 приведено распределение состава (мольная доля CdTe) по толщине в рабочем и варизонных слоях гетероэпитаксиальной структуры.

Фоторезистор на основе cdhgte содержит сапфировое основание 1, на поверхность которого нанесен металлический слой 2 с окном для формирования освещенной зоны фоточувствительной площадки. К основанию 1 слоем диэлектрического клея 3 присоединена прозрачная для ИК излучения в заданном диапазоне подложка 4 и гетероэпитаксиальная структура, состоящая из: рабочего слоя постоянного состава 5 фоточувствительного материала CdHgTe n-типа проводимости, нижнего варизонного слой 6 и верхнего варизонного слоя 7, которые содержат фоточувствительную площадку 8 и расположенные за ее границами соединенные с металлическими контактами 9 участки 10, выполненные в виде меандра, причем ширина колена меандра больше двух диффузионных длин дырок в рабочем слое гетероэпитаксиальной структуры.

Устройство работает следующим образом. ИК излучение проходит через сапфировое основание 1, окно в металлическом слое 2, через слой диэлектрического клея 3, подложку гетероэпитаксиальной структуры 4 и поглощается в рабочем слое фоточувствительного материала CdHgTe n-типа проводимости 5, размер фоточувствительной площадки которого соответствует размеру окна. При этом, сапфировое основание 1, охлаждаемое до температуры жидкого азота, ограничивает поток фонового излучения и снижает уровень шума. Поглощенное в CdHgTe излучение генерирует в пластине электронно-дырочные пары, которые под действием приложенного электрического поля смещения дрейфуют с амбиполярной подвижностью (в данном случае подвижностью неосновных носителей заряда - дырок) от области генерации фоточувствительной площадки по участку эпитаксиального рабочего слоя CdHgTe, выполненного в виде меандра, в сторону металлического контакта, имеющего отрицательный потенциал (катод). Переменное напряжение фотосигнала, снимаемое с нагрузочного сопротивления в цепи фоторезистора, пропорционально прикладываемому постоянному напряжению к фоторезистору и времени жизни неосновных носителей заряда эпитаксиальной структуры до наступления эффекта пролета носителей (2).

Предложенная конструкция была разработана для фоторезисторов с биполярной фотопроводимостью на основе гетероэпитаксиальных структур Cd_xHg_1-xTe n-типа проводимости, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на прозрачной для ИК излучения подложки из арсенида галлия. В качестве рабочего слоя материала пластины использовалась гетероэпитаксиальная структура Cd_0,3Hg_0,7Te с варизонными слоями Cd _xHg_1-xTe на верхней и нижней поверхностях рабочего слоя Cd_0,7Hg_0,3Te. На фиг.2 приведено распределение состава (мольная доля CdTe) по толщине в рабочем и варизонных слоях гетероэпитаксиальной структуры. Рабочий слоя имел при температуре жидкого азота концентрацию электронов n=(1-2)10¹⁴ см^-3, подвижностью электронов µ_n=(1-1,5)10 ⁵ см²/В сек, время жизни дырок _р15 мкс, и обеспечивал спектральный диапазон чувствительности в области окна прозрачности атмосферы 3-5 мкм.

Выделение из гетероэпитаксиальной структуры Cd_0,3Hg _0,7Te фоточувствительных элементов фоторезисторов осуществлялось стандартными фотолитографическими способами и последующей дисковой резкой материала подложки гетероэпитаксиальной структуры на индивидуальные фоточувствительные элементы. В качестве материала металлического контакта использовался индий, осаждаемый из электролита на основе водного раствора кислого сернокислого индия на специально подготовленную поверхность гетероэпитаксиальной структуры. Ионами аргона при ускоряющем напряжении 1 кЭв через фоторезистивную маску производилось удаление материалов гетероэпитаксиальной структуры между блоками фоточувствительных элементов, имеющих размер 1,8×0,5 мм, одновременно с созданием участков в виде меандра.

Металлизация сапфировой подложки производилась электронно-лучевым испарением навески хрома в вакуумной камере. Толщина хрома составляла 0,2 мкм. Формирование геометрии фоточувствительной площадки длиной 0,1 мм и шириной 0,3 мм производилось стандартным методом фотолитографии с химическим травлением хрома.

Для соединения сапфировой подложки с выделенным из гетероэпитаксиальной структуры Cd_0,3Hg_0,7Te фоточувствительным элементом 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.

В предложенной конструкции фоторезистора, у которого фоточувствительная площадка смещена в сторону анода, расстояние от границы фоточувствительной площадки до металлического контакта (длина меандра) составило 1,5 мм при ширине колена меандра 0,125 мм. При этом обеспечивается минимальный вклад генерационно-рекомбинационных шумов балластной области в обнаружительную способность фоторезистора. Уровень вольтовой чувствительности Su_max (800 Гц) составил не менее 150·10³ В/Вт.

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

1. Фоторезистор на основе CdHgTe, содержащий сапфировое основание, на поверхность которого нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки, и присоединенную к основанию диэлектрическим клеем прозрачную для ИК-излучения подложку с нанесенной на нее гетероэпитаксиальной структурой, состоящей из слоев фоточувствительного материала CdHgTe n-типа проводимости, включающих нижний варизонный слой, рабочий слой постоянного состава и верхний варизонный слой, которые содержат фоточувствительную площадку и расположенные за ее границами соединенные с металлическими контактами участки, выполненные в виде меандра, причем ширина колена меандра больше двух диффузионных длин дырок в рабочем слое гетероэпитаксиальной структуры.

2. Фоторезистор на основе CdHgTe по п.1, отличающийся тем, что фоточувствительная площадка смещена в сторону анода.