Способ коррекции спектральной характеристики полупроводникового фоторезистора лазерным излучением

Использование: для расширения области спектральной чувствительности фоторезисторов инфракрасного диапазона, что позволит корректировать область чувствительности инфракрасных фоторезисторов без демонтажа оптикоэлектронных систем, их содержащих, и без их замены. Сущность: коррекция производится прямым фронтальным воздействием импульса лазера с энергией кванта, превышающей ширину запрещенной зоны материала не менее чем на 0,1 E_g, на чувствительный элемент полупроводникового фоторезистора на основе твердого раствора. Технический результат: повышение равномерности спектральной характеристики за счет повышения чувствительности фотоприемника в коротковолновой области спектра. 3 ил.

 

Предлагаемый способ относится к области инфракрасной техники и может быть использован для коррекции спектральной характеристики фотоприемников инфракрасного диапазона без демонтажа их оптикоэлектронной системы.

В настоящее время широко известны фотоприемники инфракрасного (ИК) диапазона, применяемые для формирования, обработки и визуализации ИК изображений [5]. В таких приборах в качестве фоточувствительного материала используются [4] различные твердые растворы полупроводников с изовалентным замещением, в т.ч. тройные соединения AlGaAs, InGaAs, InAsSb, HgZnTe, HgMnTe, HgCdTe, а наиболее используемым из них является HgCdTe. В большинстве современных тепловизионных систем применяется построение оптикоэлектронной системы по сканирующей или смотрящей схеме. Крупноформатные матрицы фотодиодов и линейки фоторезисторов на основе этого материала созданы для регистрации ИК излучения в трех основных спектральных диапазонах длин волн: 1,8...2,4 мкм; 3...5 мкм и 8...14 мкм, причем в двух последних диапазонах у Hg_xCd_1-xTe нет альтернативы.

Все фотоприемники на основе полупроводниковых материалов являются селективными, т.е. область их спектральной чувствительности и максимальная спектральная чувствительность определяются выбором полупроводникового материала. При решении задач формирования, обработки и визуализации ИК изображений эта особенность в ряде случаев является недостатком. Так при возникновении задачи повышения чувствительности фотоприемника на длинах волн, неравных длине волны максимальной чувствительности, она может быть решена только заменой на фотоприемник с другим значением ширины запрещенной зоны, т.е. фотоприемник, изготовленный на основе другого полупроводника.

Известно, что в настоящее время для изменения физических свойств полупроводниковых материалов и приборных структур на их основе применяют лазерное излучение, в т.ч. и для твердых растворов Hg_xCd_1-xTe. Так, в [1] с помощью лазерного излучения предлагается формировать защитные слои для фотодиодов на основе этого материала, которые активизируются при повышенных уровнях интенсивности регистрируемого излучения. В [3] излучение, в том числе лазерное, предлагается применять для формирования слоев с заданной областью фоточувствительности в структурах из Hg_xCd_1-xTe с градиентом состава. Однако в данных аналогах не рассматривается задача коррекции спектральной характеристики ИК фотоприемников с помощью лазерного излучения.

Наиболее близким по существу к предлагаемому способу является способ формирования спектральной характеристики фоточувствительной структуры в двухслойной системе, состоящей из слоя HgTe, нанесенного на подложку из CdTe [2]. Для этой цели предлагается освещение слоя теллурида ртути через подложку из теллурида кадмия инфракрасным излучением, в том числе и лазерным импульсным. В результате взаимной диффузии ионов ртути и кадмия в области поглощения света образуется требуемый фоточувствительный слой, причем его спектральная характеристика определяется длиной волны используемого формирующего ИК излучения. Однако такой способ формирования области спектральной чувствительности применим только на стадии изготовления приборных структур. Кроме того, при применении указанного способа:

1) не гарантируется образование чувствительного слоя необходимой толщины;

2) образуется слой с градиентом состава по толщине (т.н. варизонная структура), который представляет собой область с высокой скоростью рекомбинации носителей заряда из-за возникающих в этом слое механических напряжений;

3) затрудняется точное определение области локализации фоточувствительного слоя по толщине многослойной структуры, что затрудняет задачу нанесения на этих структурах омических контактов на этапе изготовления фотоприемника.

По этим основным причинам указанный способ не используется ни для изготовления фотоприемников, ни для коррекции их спектральной характеристики.

Целью настоящего изобретения является создание способа коррекции спектральной характеристики как фоточувствительных структур в процессе их формирования, так и готовых фоторезисторов в процессе их эксплуатации с помощью лазерного излучения для повышения равномерности спектральной характеристики за счет повышения чувствительности фотоприемников в коротковолновой области.

Для достижения поставленной в настоящем изобретении цели предложено прямое фронтальное воздействие на фоторезистор на основе твердого раствора Hg_xCd_1-xTe лазерным излучением с энергией кванта, превышающей энергетический зазор ширины запрещенной зоны полупроводникового материала фоточувствительного элемента не менее чем на 0,1 его величины.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что новое изобретение отличается наличием фронтального освещения фоточувствительных структур лазерным излучением с энергией кванта, превышающим ширину запрещенной зоны полупроводникового материала не менее чем на 10%, что позволяет создавать в приповерхностной области структуры дополнительный чувствительный к освещению тонкий слой с большим значением ширины запрещенной зоны. При этом исключается возможность возникновения в фоточувствительном материале варизонных структур.

Это определяет соответствие заявляемого способа коррекции спектральной характеристики фоторезистора на основе твердого раствора Hg_xCd_1-xTe критерию "новизна".

В результате патентного поиска до даты подачи заявки не выявлено технических решений с данной совокупностью существенных признаков, содержащихся в настоящей заявке, что говорит об изобретательском уровне предлагаемого способа.

Исходная спектральная характеристика фоторезистора на основе твердого раствора Hg_xCd_1-xTe, охлажденного до 90 К, предназначенного для коррекции, представлена на фиг.1. Спектральная характеристика фоторезистора получена по стандартной методике, с использованием фурье-спектрометра. Погрешность измерения составляет 5% от абсолютной величины и не менее 0,2 мкм по спектральному разрешению. Фоторезистор изготовлен из твердого раствора Hg_xCd_1-xTe с составом х=0,267 с максимумом спектральной чувствительности в области 5,2 мкм. При этом в области 2 мкм его чувствительность составляет ≈42% от максимальной. Целью коррекции является увеличение чувствительности фотоприемника в коротковолновой области спектра. Для решения поставленной задачи фоторезистор (2) устанавливают на оптической оси установки, схема которой представлена на фиг.2. В качестве источника корректирующего излучения используется импульсный YAG: Nd⁺³ лазер (1) с длиной волны излучения λ_и=1,06 мкм, энергией в импульсе Е_и=1,3·10^-2 Дж, длительностью импульса τ_и=540 мкс и расходимостью не более 10^-4 рад.

Перед проведением обработки фоторезистора производится юстировка положения центра площадки чувствительного элемента фоторезистора на оптической оси луча лазера. При этом добиваются того, что площадка чувствительного элемента полностью перекрывается пятном лазерного излучения. Для регулирования плотности энергии импульса лазерного излучения, воздействующего на чувствительный элемент фоторезистора, на оптической оси установки размещается набор калиброванных на длине волны излучения фильтров-ослабителей (5) и фокусирующая линза из прозрачного в используемой области материала (6). Для регистрации энергии импульса лазерного излучения, воздействующего на фоторезистор, в оптический канал включается измеритель мощности и энергии излучения ИМО-2М (8, 9), на который посредством плоскопараллельной пластины (3) отводится часть излучения. В приемном отверстии головки ИМО-2М отведенный сигнал фокусируется с помощью линзы (7). Регистрация импульса производится фотодиодом ЛФД-2 (10) по отклоненному с помощью плоскопараллельной пластины (4) сигналу. В дальнейшем этот сигнал подается на 1-й канал двулучевого осциллографа (12). 2-й канал осциллографа используется для контроля переменного сигнала малой интенсивности с фоторезистора, выделенного и усиленного при помощи микровольтметра селективного В6-9 (11).

Документирование результатов воздействия корректирующего лазерного излучения на фоторезистор производится съемкой изображения, полученного на экране осциллографа (12) видеокамерой (13). Результаты регистрации записываются на персональный компьютер (14).

Коррекция спектральной характеристики фотоприемника (2) заявляемым способом производится прямым фронтальным воздействием импульса лазерного излучения на чувствительный элемент полупроводникового фоторезистора на основе твердого раствора Hg_xCd_1-xTe.

Так как энергия кванта корректирующего лазерного излучения превышает ширину запрещенной зоны более чем на 10%, глубина его проникновения в материал не превышает 0,5 мкм. В результате в приповерхностной области структуры образуется тонкий слой, обедненный ионами ртути, которая является наиболее летучим компонентом твердого раствора Hg_xCd_1-xTe. Ионы ртути при правильно подобранной плотности энергии импульса диффундируют из положения в узлах решетки в междоузлия. При этом ширина запрещенной зоны данного слоя увеличивается по сравнению с исходным материалом, а диапазон спектральной чувствительности смещается в коротковолновую область, формируя дополнительный максимум спектральной характеристики фоторезистора в области длин волн 2 мкм. На фиг.3 представлена измененная спектральная характеристика фоторезистора после коррекции предложенным способом. Из фиг.3 видно, что чувствительность фоторезистора в коротковолновой области возросла при общем снижении чувствительности на длине волны 5,2 мкм примерно в 2 раза. При этом интегральная спектральная чувствительность уменьшилась примерно на 30% за счет увеличения чувствительности в области 2...4 мкм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bartoli; Filbert J. (Upper Marlboro, MD); Hoffman; Craig A. (Columbia, MD); Meyer; Jerry R. (Catonsville, MD); Lindle; James R. (Bowie, MD) Laser hardened backside illuminated optical detector - 5459321, October 17, 1995.

2. Castro; Carlos A. (Garland, TX) Process for forming HgCdTe alloys selectively by IR illumination - United States Patent 4374678, February 22, 1983.

3. Castro; Carlos A. (Garland, TX) Process for forming semiconductor alloys having a desired bandgap - United States Patent 4376659, March 15, 1983.

4. Рогальский А. Инфракрасные детекторы: Пер. с англ. / Под ред. Войцеховского А.В. - Новосибирск: Наука, 2003. - 636 с.

5. Тарасов В.В., Якушенко Ю.Г. Тенденции развития тепловизионных систем второго и третьего поколений и некоторые особенности их моделирования. - М.: ОАО ЦНИИ "Циклон", МГИИГА и К, 2003. - 13 с.

Способ коррекции спектральной характеристики полупроводникового фоторезистора, основанный на импульсном облучении площадки его чувствительного элемента лазерным излучением, отличающийся тем, что на фоторезистор фронтально воздействуют лазерным излучением с энергией кванта, превышающей энергетический зазор ширины запрещенной зоны полупроводникового материала фоточувствительного элемента не менее чем на 0,1 его величины.