Фотовольтаический приемник ультрафиолетового диапазона на основе алмаза

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой микрофотоэлектроники, конкретно к способам изготовления фотоприемников на основе сбора заряда в потенциальных ямах. Сущность: способ включает изготовление алмазной подложки в виде пластины и нанесение на нее металлических контактов. В качестве подложки отбирают алмазные пластины с концентрацией азота не более 2·10¹⁹ см^-3. Одни контакты несут потенциал подложки и являются общими для внешней цепи, а под другими контактами создаются потенциальные ямы, накапливающие разделенные на барьере "металл-полупроводник" носители путем поддержания на этих контактах относительно подложки "плавающего" потенциала. Технический результат изобретения: сокращение полосы обнаруживаемого фотоприемником УФ-излучения для снижения вероятности сигнала от ложного источника от сотен НМ до 50 нм и доведения порога чувствительности вплоть до близкого к физическому при λ_max=220 нм. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой микрофотоэлектроники, конкретно к способам изготовления фотоприемников на основе сбора заряда в потенциальных ямах. Класс Н 01 L. Подкласс 31/075.

Известны способы получения фотовольтаических приемников ультрафиолетового излучения с высокими фотоэлектрическими параметрами. См. например:

1. И.Д.Анисимова, В.И.Стафеев. "Фотоприемники ультрафиолетового диапазона на основе широкозонных соединений А₃В₅." Москва. Ж. «Прикладная физика» №2. 1999 г.

2.Патент США №4772335, кл.136/238. «Фотогальванический прибор, чувствительный к УФ-излучению».

3.Патент RU №2034372, C1 H 01 L 31/18. «Способ получения УФ-преобразователя».

Эти способы предусматривают получение P-N переходов на контакте Шоттки или путем легирования аморфного кремния и доведения ширины запрещенной зоны до необходимой для регистрации УФ-излучения, после чего фотовольтаический сигнал снимается с областей разного типа проводимости.

За прототип выбран первый способ получения фотоприемников из указанных выше способов. Этот способ включает создание на подложке из широкозонных соединений типа GaP, GaAs и их тройного соединения GaP_xAs_1-x фотодиода Шоттки, в котором разделение электронно-дырочных пар происходит на барьере контакта «металл-полупроводник» непосредственно на поверхности в области поглощения квантов высоких энергий.

Недостатками указанных способов, как и всех известных способов изготовления, является широкая, величиной в несколько сотен нм полоса поглощения УФ-излучения, а также отсутствие в структуре фотоприемников функции накопления генерированного излучением заряда и, следовательно, невозможность регулировки величины напряжения фотоответа и порога чувствительности.

Целью настоящего изобретения является сокращение полосы обнаруживаемого фотоприемником УФ-излучения от сотен нм до 50 нм (для снижения фоновых помех) и получение порога чувствительности вплоть до близкого к теоретическому Р_пор=5*10^-15 Вт/Гц^1/2 при λ_max=220 нм на частоте до 2 кГц, ограниченной постоянной фотоответа τ_ф=250 мксек.

Указанная совокупность отличительных признаков не обнаружена автором в источниках патентной и научно-технической литературы.

Функционирование фотовольтаического приемника на основе алмаза, полученного заявленным способом, основано на разделении носителей на контакте металл-полупроводник (алмаз). Один из типов разделенных носителей накапливается в потенциальной яме, созданной внешним источником напряжения под электродом диода Шоттки, который может быть выполнен из полупрозрачного для УФ-излучения. Другой тип носителей для установления электронейтральности накапливается по периметру потенциальной ямы, образуя двойной электрический слой в объеме алмаза. Заряд в потенциальной яме наводит «плавающий» потенциал на отключенный от источника напряжения электрод диода Шоттки. Потенциал, образующий яму, поддерживается разделительным конденсатором и явлениями поляризации, присущими алмазу. См. фиг.1.

Сквозной ток через структуру отсутствует из-за диэлектрических свойств алмаза. После прекращения воздействия УФ-излучения заряд из потенциальной ямы стекает через разделительный конденсатор и входную емкость усилителя на большую емкость «массы». Разделительный конденсатор необходим для предохранения воздействия высокого напряжения на вход усилителя при кратковременном подключении внешнего источника напряжения. Потенциальную яму можно углубить, подав на «плавающий» электрод больший потенциал. Потенциал на электрод можно подавать как положительный, так и отрицательный. При отрицательном потенциале яма несет положительный потенциал и туда стекаются электроны, подвижность которых в алмазе выше, чем у дырок.

Пример реализации.

На подложку из алмаза с концентрацией азота 1·10¹⁹ см^-3 методом напыления в вакууме наносились контакты из алюминия толщиной 0,8 мкм с подслоем титана 0,05 мкм. Размер контактов 0,5 мм × 2 мм. Расстояние между контактами составляло 0,5 мм. Один из контактов на алмазной подложке соединялся с «массой» корпуса предусилителя на базе микросхемы TLS 271 ASD с коэффициентом усиления К=100. Другой контакт через разделительный конденсатор типа МБМ 0,047 мкФ подсоединялся к входу усилителя. Далее сигнал поступал на селективный усилитель У-2-8. В отсутствии УФ-излучения напряжение шума составило 80 мкВ в полосе 160 Гц на частоте 180 Гц. Если привести напряжение шума к входу предусилителя, то шум фотоприемника составит 5 нВ/Гц^1/2. При подаче ультрафиолетового излучения мощностью 1·10^-6 Вт на активную площадь фотоприемника S=1 мм² был получен сигнал 7 мВ без предусилителя. Обнаружительная способность D* составила:

Спектральная характеристика фотовольтаического приемника ультрафиолетового диапазона представлена на фиг.2.

Как видно из рисунка, ширина спектральной характеристики на уровне 0,1 не превышает 50 нм.

Фотоприемники с чувствительностью в ультрафиолетовом диапазоне спектра представляют интерес в таких областях применения, как экология, медицина, промышленное и научное приборостроение (спектрометрия, хроматография, астрофизические исследования), астронавигация, аппаратура оборонного назначения.

Способ изготовления фотовольтаического приемника ультрафиолетового диапазона на основе алмаза, включающий изготовление алмазной подложки в виде пластины и нанесение на нее металлических контактов, отличающийся тем, что в качестве подложки отбирают алмазные пластины с концентрацией азота не более 2·10¹⁹ см^-3, при этом одни контакты несут потенциал подложки и являются общими для внешней цепи, а под другими контактами создаются потенциальные ямы, накапливающие разделенные на барьере "металл-полупроводник" носители путем поддержания на этих контактах относительно подложки "плавающего" потенциала.