Фоточувствительный элемент на основе эпитаксиального слоя cdhgte

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному излучению, и может использоваться при изготовлении фотоприемников (ФП) на основе эпитаксиального слоя CdHgTe. Новым в заявленном фоточувствительном элементе (ФЧЭ) является использование двухслойного антиотражающего покрытия PbF₂-Аl₂О ₃, наносимого на подложку, через которую поступает регистрируемое излучение, причем толщина слоя А1₂O ₃2000 . Общая толщина двухслойного покрытия варьируется в зависимости от положения максимума спектральной чувствительности ФЧЭ. Данное покрытие снижает коэффициент отражения регистрируемого излучения до 1-2% на подложках из материалов, показатель преломления которых n лежит в пределах 2,0<n<3,5. Этому условию удовлетворяет большинство материалов, традиционно используемых для изготовления подложек для эпитаксиальных слоев CdHgTe: CdTe, Zn _xCd_1-xTe, GaAs.

Предлагаемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению, и может использоваться при изготовлении фотоприемников (ФП) на область спектра 1-14 мкм на основе эпитаксиального слоя CdHgTe.

Во всех современных ФП для достижения высокой чувствительности применяют антиотражающее покрытие, снижающее потери, связанные с отражением регистрируемого излучения от освещаемой поверхности фоточувствительного элемента (ФЧЭ). Известно, что теоретически с помощью многослойного интерференционного покрытия можно уменьшить отражение от любой реальной поверхности практически до нуля (см., например, «Интерференционные фильтры для ИК-области спектра», ЦНИИ информации технико-экономических исследований, обзор №3341, стр.7, 12, 13, Москва, 1983 г.).

Однако, для ФЧЭ, температура которых в процессе эксплуатации изменяется в широких пределах, в частности таких, как ФЧЭ на основе CdHgTe, работающих в диапазоне температур +60°С - -196°С, применение многослойных покрытий затруднено по следующим причинам:

- температурной зависимости показателей преломления отдельных слоев;

- неодинаковых температурных коэффициентов линейного расширения пленкообразующих материалов;

- трудоемкой технологии и дорогостоящего специализированного оборудования;

- большой суммарной толщины многослойного покрытия.

Поэтому в таких ФП применяют, как правило, однослойные антиотражающие покрытия из материала с показателем преломления более низким, чем у материала подложки.

Известно, что в воздухе коэффициент отражения от поверхности прозрачной оптической среды при падении света по нормали уменьшается практически до нуля при условии, что

где n_покр - показатель преломления антиотражающего покрытия;

n_подл - показатель преломления материала подложки. (см. Т.Н.Крылова «Интерференционные покрытия», Ленинград, «Машиностроение», 1973 г., стр.29).

Однако для полупроводниковых ФП, и особенно ФП на основе CdHgTe, имеются дополнительные существенные ограничения на выбор материала антиотражающего покрытия, связанные с технологией изготовления и условиями эксплуатации прибора. Кроме требований по оптическим свойствам: прозрачности в требуемой области спектра и величине показателя преломления, важными являются механические и химические свойства материала, которые не должны изменяться под воздействием повышенных температур и химических реактивов в процессе изготовления ФП.

Известен ФЧЭ на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, содержащий подложку из CdTe, через которую поступает регистрируемое излучение, на одной стороне которой сформированы фоточувствительные площадки с р-n переходами, а на другой - антиотражающее покрытие из ZnS.

Данный ФЧЭ, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип (см. IEEE Transaction on Electron Devices, ED-27, №1, 1980 г., pp 154-160, фиг.5а).

ZnS прозрачен в требуемой области спектра и по своим механическим и химическим свойствам удовлетворяет условиям изготовления и эксплуатации ФП на основе CdHgTe.

Однако, показатель преломления ZnS (n˜2,2), существенно отличается от оптимального для подложки CdHgTe

В результате ˜ 10% регистрируемого излучения отражается от подложки, что приводит к заметному снижению чувствительности ФП. Очевидно, что для достижения максимального антиотражающего эффекта с помощью покрытия из ZnS необходимо, чтобы материал подложки имел показатель преломления n˜5,0. К сожалению, известные в настоящее время материалы, пригодные в качестве подложек для эпитаксиального выращивания CdHgTe (CdTe, ZnCdTe, GaAs) не отвечают этому требованию. Показатели преломления этих материалов лежат в пределах 2,0<n<3,5 (n_CdTe =2,67, n_CdTe=2,69, n_CdTe =3,2).

Настоящее предложение решает задачу повышения чувствительности ФП на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, выращенного на подложке с показателем преломления n, где 2,0<n<3,5.

Для решения этой задачи в известном ФЧЭ на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, содержащем подложку из материала с показателем преломления n, где 2,0<n<3,5, прозрачную для регистрируемого излучения, на одной стороне которой расположена фоточувствительная структура, а на другой - антиотражающее покрытие, антиотражающее покрытие выполнено из двух слоев: слоя PbF₂ и нанесенного на него слоя Аl₂O₃ толщиной не более 2000 А.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, на котором схематически представлен предлагаемый ФЧЭ в разрезе.

ФЧЭ содержит подложку 1, прозрачную для регистрируемого излучения. На одной стороне подложки 1 сформирована фоточувствительная структура 2, подсоединяемая к системе считывания

и обработки сигнала (на чертеже не показана). На другую сторону подложки 1 нанесено двухслойное антиотражающее покрытие, состоящее из слоя 3 PbF₂ и слоя 4 Аl ₂О₃. PbF₂ является оптимальным антиотражающим покрытием для материалов с показателем преломления 2,0-3,5. Действительно, показатель преломления PbF ₂ равен 1,65. Поэтому, согласно формуле (I) слой РbF ₂ будет эффективно снижать отражение от таких материалов.

К сожалению, покрытие только из PbF₂ , являясь оптимальным по своим оптическим свойствам, не отвечает необходимым требованиям по механической прочности и химической стойкости. Поэтому антиотражающее покрытие из РbF ₂ не нашло практического применения в ФП на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, так как в процессе изготовления фотоприемника покрытие сильно повреждается, вплоть до его разрушения. Для обеспечения необходимой механической прочности и химической стойкости на слой PbF₂ дополнительно нанесен слой Аl ₂O₃ толщиной не более 2000 А. Показатель преломления Аl₂О₃ в среднем ИК-диапазоне (n˜1,6) близок к показателю преломления PbF₂ (n=l,65), a его механическая прочность и химическая стойкость широко известна. Что касается прозрачности в рабочей области спектра ФП на CdHgTe (1-14 мкм), то при длинах волн свыше 5,5 мкм наблюдается существенный рост поглощения в этом материале. Однако, как показали проведенные авторами исследования, при толщине слоя Аl₂О₃2000 А в спектральном диапазоне до 12 мкм (рабочий диапазон ФП на основе CdHgTe) поглощение не превышает 2% и, следовательно, не может привести к заметному снижению чувствительности ФП.

Общая толщина двухслойного покрытия РbF₂ -Аl₂О₃ определяется в соответствии с максимумом спектральной чувствительности данного ФЧЭ (которая может изменяться в зависимости от конкретного состава соединения и определяется из условия , где n_покр - показатель преломления антиотражающего покрытия РbF₂-Аl ₂О₃;

d - общая толщина двухслойного антиотражающего покрытия;

_max - длина волны, соответствующая максимуму чувствительности ФЧЭ. Таким образом, толщина слоя PbF ₂ будет равна разности общей толщины антиотражающего покрытия и слоя Аl₂О₃.

Заявляемый ФЧЭ работает традиционным образом. Регистрируемые излучения поступают на фоточувствительную структуру через подложку, прозрачную в рабочей области спектра. С помощью покрытия РbF ₂-Аl₂О₃ при использовании традиционных подложек CdTe, ZnCdTe, GaAs отражение регистрируемого излучения снижается до величины 1-2%.

Были изготовлены и испытаны экспериментальные ФЧЭ на основе эпитаксиального слоя CdHgTe с использованием предлагаемого антиотражающего покрытия и антиотражающего покрытия из ZnS.

На подложках из GaAs и Zn_xCd_1-xTe (x=0,04) в эпитаксиальных слоях CdHgTe р-типа формировались фотодиодные матрицы формата 384×288. Регистрируемое излучение поступало через подложку, на которую наносилось двухслойное антиотражающее покрытие РbF₂-Аl₂ О₃. На контрольные образцы наносилось антиотражающее покрытие из ZnS. Общая толщина двухслойного покрытия составляла от 0,23 мкм для _max=1,5 мкм до 1,82 мкм для _mах=12 мкм. Толщина слоя Al ₂O₃ на различных образцах варьировалась от 500 до 2000 . При толщине слоя А1₂O ₃ меньше 500 не на всех образцах удавалось избежать повреждений покрытия.

Минимальная толщина слоя А1₂O ₃ зависит от совершенства обработки поверхности подложки и совершенства слоя PbF₂. В настоящее время, как правило, в слое PbF₂ имеют место ростовые микродефекты, приводящие к возможности проколов слоя Аl ₂О₃ при его толщине менее 500 . С усовершенствованием технологии возможно применение слоя Аl₂О₃ гораздо меньшей толщины, что предпочтительнее с точки зрения оптических характеристик покрытия.

Исследование полученных образцов показали, что чувствительность фотодиодных матриц с антиотражающим покрытием РbF₂-Аl₂ О₃ увеличивалось на 30% при использовании подложек из GaAs и на 20% - из ZnCdTe по сравнению с чувствительностью аналогичных ФЧЭ с традиционным антиотражающим покрытием из ZnS.

Фоточувствительный элемент на основе эпитаксиального слоя CdHgTe, содержащий подложку из материала с показателем преломления n, где 2,0<n<3,5, прозрачную для регистрируемого излучения, на одной стороне которой расположена фоточувствительная структура, а на другой - антиотражающее покрытие, отличающийся тем, что антиотражающее покрытие выполнено из двух слоев: слоя PbF ₂ и нанесенного на него слоя Al₂O ₃ толщиной не более 2000 .