Твердотельный гейгеровский детектор с активной схемой восстановления

Авторы патента:

H01L31/101 - чувствительные к инфракрасному, видимому или ультрафиолетовому излучению

Владельцы патента RU 2360326:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Пульсар" (RU)

Использование: в системах приема оптической информации с высокой эффективностью регистрации светового излучения при помощи лавинных фотодиодов со схемой гашения гейгеровского разряда. В твердотельный гейгеровский детектор с активной схемой восстановления, содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления, введен дополнительный резистор гашения. Первый электрод дополнительного резистора гашения соединен со вторым электродом резистора гашения, истоком ключевого транзистора восстановления, затвор которого соединен с первым электродом резистора гашения, а сток соединен со вторым электродом дополнительного резистора гашения и шиной питания детектора. Ключевой транзистор восстановления изготовлен в виде транзистора со встроенным каналом. Изобретение обеспечивает увеличение динамического диапазона детектора, а также увеличение эффективности регистрации. 1 ил.

Изобретение относится к системам с высокой эффективностью регистрации светового излучения при помощи лавинных фотодиодов со схемой гашения гейгеровского разряда.

Известен твердотельный гейгеровский однофотонный детектор (IEEE Photonics Technology Letters, Vol.15, No.7, July 2003, p.963-965), содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения.

К шине напряжения смещения приложено напряжение, превышающее пробойное напряжение лавинного фотодиода, что обеспечивает работу устройства в гейгеровском режиме. При попадании кванта оптического излучения в активную область детектора, в нем развивается самогасящийся гейгеровский разряд. Гашение, то есть прекращение разряда, происходит из-за падения на р-п-переходе напряжения до значений ниже пробойного, что обеспечивает схема гашения разряда.

В данном случае схема гашения лавинного разряда является пассивной, и представляет собой последовательно включенное с лавинным фотодиодом сопротивление. Развитие лавины, перезаряд паразитной емкости детектора и нарастание тока во внешней цепи происходят достаточно быстро (около 2-5 нс). После прекращения лавинного разряда происходит восстановление детектора в исходное состояние путем зарядки емкости диода через сопротивление схемы гашения до исходного напряжения, превышающего пробойное. Время восстановления определяется RC-цепи и может составлять 20-40 нс. В течение этого времени детектор невосприимчив к регистрируемому излучению и его динамический диапазон уменьшается. В этом устройстве из детекторов формируют многоэлементные приемники, поэтому важно, чтобы схемы гашения и восстановления в каждом одиночном детекторе были компактными, занимали небольшую площадь и не закрывали активную часть детектора от излучения.

Известен твердотельный гейгеровский однофотонный детектор с активным восстановлением (XVI The 16-th European Conference on Solid-State Transducers. September 15-18, 2002, Prague, Czech Republic, p.482-483), содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления.

Недостаток такого устройства заключается в том, что: 1) схема восстановления достаточно громоздка, содержит компаратор, инвертор, другие схемы, обеспечивающие открытие транзистора восстановления с задержкой, достаточной для гашения лавинного процесса в фотодиоде, и требует значительной площади для размещения, что ограничит минимальные размеры одиночного детектора, а тем самым, и количество детекторов в многоэлементном приемнике, ограничивая его динамический диапазон; 2) формирование схемы восстановления требует полноценного КМОП технологического процесса, что усложняет и удорожает устройство в целом; 3) внутренние суммарные задержки схемы восстановления могут превышать требуемое время задержки восстановления детектора в исходное состояние, во избежание чего потребуется использование высококачественного КМОП технологического процесса с проектными нормами не хуже 0,5-1,0 мкм, что также приведет к удорожанию устройства в целом.

Известен твердотельный гейгеровский однофотонный детектор с активным восстановлением (US 6,541,752 В2, Apr.1, 2003), содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления.

Данное устройство является ближайшим к предлагаемому техническому решению.

Устройство работает следующим образом. Лавинный ток фотодиода, протекая через резистор гашения, приводит к изменению напряжения на его первом электроде. Это напряжение поступает через блок задержки на блок восстановления, который обеспечивает открытие транзистора восстановления. Тем самым шунтируется резистор гашения и происходит быстрое восстановление детектора в исходное состояние.

Недостаток такого устройства заключается в том, что схема восстановления также достаточно громоздка, требует значительной площади для размещения, что приведет к затенению активной части детектора и ограничению минимальных размеров одиночного детектора, а значит, к уменьшению эффективности регистрации и ограничению динамического диапазона многоэлементного устройства. Формирование схемы восстановления требует полноценного КМОП технологического процесса, что усложняет и удорожает устройство.

Техническим результатом изобретения является увеличение динамического диапазона детектора, а также эффективности регистрации.

Технический результат достигается тем, что твердотельный гейгеровский детектор с активной схемой восстановления, содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления, при этом детектор содержит дополнительный резистор гашения, первый электрод которого соединен со вторым электродом резистора гашения, истоком ключевого транзистора восстановления, затвор которого соединен с первым электродом резистора гашения, а сток соединен со вторым электродом дополнительного резистора гашения и шиной питания детектора, причем ключевой транзистор восстановления изготовлен в виде транзистора со встроенным каналом.

Технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

В заявляемом техническом решении исходный резистор гашения как бы разделен на два последовательно включенных резистора: резистор гашения и дополнительный резистор гашения. Состояние ключевого транзистора определяется величиной падения напряжения на резисторе гашения. При восстановлении детектора, в начальные моменты времени, постоянная времени определяется также произведением суммы величин резисторов гашения на емкость детектора, что обеспечивает необходимую задержку для гашения лавинного процесса в диоде. Однако, когда падение напряжения на резисторе гашения станет меньше порогового напряжения ключевого транзистора, он замыкается и шунтирует дополнительный резистор гашения, значительно уменьшая время восстановления детектора.

Тем самым, новая совокупность признаков позволяет сделать заключение о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

На чертеже приведена принципиальная схема детектора в случае, когда на шину напряжения смещения приложено отрицательное напряжение смещения, а шина питания детектора, импульсы тока в которой могут являться информационными сигналами, близка к потенциалу земли. В качестве ключевого транзистора используется nМОП транзистор со встроенным каналом.

На чертеже изображено: 1 - лавинный фотодиод, 2 - резистор гашения, 3 - дополнительный резистор гашения, 4 - ключевой транзистор восстановления, 5 - шина напряжения смещения, 6 - шина питания детектора, 7 - паразитная емкость лавинного фотодиода.

Как показано на Фиг.1, анод лавинного фотодиода 1 детектора соединен с шиной напряжения смещения 5, а катод - с первым электродом резистора гашения 2 и затвором ключевого транзистора восстановления 4, исток которого соединен со вторым электродом резистора гашения 2 и первым электродом дополнительного резистора гашения 3, второй электрод которого соединен со стоком ключевого транзистора восстановления 4 и шиной питания детектора 6. Параллельно фотодиоду подключена паразитная емкость 7.

Устройство работает следующим образом.

Исходно ток через лавинный фотодиод 1 не протекает, и к нему приложено напряжение больше пробойного. Поскольку ток не протекает и через резистор гашения 2, то напряжение затвор-исток ключевого транзистора восстановления 4 равно нулю, а поскольку транзистор со встроенным каналом (его пороговое напряжение отрицательно), то он замкнут и шунтирует дополнительный резистор гашения 3. При попадании Кванта оптического излучения в активную область фотодиода 1, в нем развивается лавинный разряд и начинает протекать ток, вследствие чего напряжение на затворе ключевого транзистора восстановления 4 начинает уменьшаться относительно напряжения на его истоке. Когда эта разность превысит значение порогового напряжения транзистора, он разомкнется, и весь ток фотодиода потечет через последовательно соединенные резисторы гашения 2 и 3. При дальнейшем увеличении тока, падение напряжения на этих резисторах приведет к уменьшению напряжения на фотодиоде до значений, меньших пробойного, и прекращению дальнейшего развития лавинного процесса.

При восстановлении детектора, в начальные моменты времени, постоянная времени определяется произведением суммы величин резисторов гашения 2 и 3 на сумму емкостей подключенных элементов, что обеспечивает необходимую задержку для гашения лавинного процесса в диоде. Однако, когда падение напряжения на резисторе гашения 2 станет меньше порогового напряжения ключевого транзистора восстановления 4, он замыкается и шунтирует дополнительный резистор гашения 3.

Пусть величина резистора гашения 2 R₂ равна 40 кОм, величина дополнительного резистора гашения 3 R₃ равна 360 кОм, пороговое напряжение ключевого транзистора восстановления 4 равно -0,3 В, разность напряжений на шинах питания детектора 6 и напряжения смещения 5 составляет 50 В, пробойное напряжение лавинного фотодиода 46 В, а его емкость 0,05 пФ. При развитии лавинного разряда и возрастании тока до 7,5 мкА, падение напряжения на резисторе R2 составит 40 кОм×7,5 мкА=0,3 В и ключевой транзистор 4 разомкнется. Приложенное к фотодиоду напряжение уменьшится на (40 кОм+360 кОм)×7,5 мкА=3 В, то есть до 47 В. Дальнейшее увеличение тока до 10 мкА приведет к уменьшению до 46 В и прекращению лавинного процесса.

Восстановление начнется с постоянной времени, равной 0,05 пФ×(40 кОм+360 кОм)=20 нс, однако уже через 6 нс напряжение на резисторах уменьшится с 4 В до 4×ехр(-6 нс/20 нс) В=3 В, а, значит, напряжение затвор-исток ключевого транзистора восстановления 4 превысит пороговое и он замкнется. С этого момента восстановление детектора продолжится с постоянной времени 0,05 пФ×40 кОм=2 нс. Суммарное время восстановления не превысит 8 нс, т.е. уменьшится в 2,5 раза.

Формирование встроенного канала в транзисторе осуществляется при его изготовлении путем изменения дозы легирования области канала и не требует дополнительных технологических операций. В то же время, активная схема восстановления содержит транзистор только одного типа проводимости, что существенно упрощает технологический процесс.

Преимущество предлагаемого технического решения заключаются в том, что оно позволяет: 1) увеличить динамический диапазон построенных на основе одиночных детекторов многоэлементных приемников за счет возможности размещения большего числа таких детекторов на отведенной площади; 2) увеличить эффективность регистрации света за счет меньшего затенения детектора активной схемой восстановления; 3) упростить схему и использовать менее сложные технологические процессы формирования активной схемы восстановления.

Твердотельный гейгеровский детектор с активной схемой восстановления, содержащий лавинный фотодиод, анод которого соединен с шиной напряжения смещения, катод соединен с первым электродом резистора гашения, ключевой транзистор восстановления, отличающийся тем, что детектор содержит дополнительный резистор гашения, первый электрод которого соединен со вторым электродом резистора гашения, истоком ключевого транзистора восстановления, затвор которого соединен с первым электродом резистора гашения, а сток соединен со вторым электродом дополнительного резистора гашения и шиной питания детектора, причем ключевой транзистор восстановления изготовлен в виде транзистора со встроенным каналом.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при создании фотоприемных устройств (ФПУ) для регистрации и измерения инфракрасного (ИК) излучения как в виде одиночных фотодиодов, так и в виде матриц фотодиодов.

Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор // 2300825

Изобретение относится к устройствам для регистрации отдельных фотонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи, для телекоммуникационных технологий в системах защиты передаваемой информации, диагностике и тестировании больших интегральных схем, в спектроскопии одиночных молекул, астрономии, медицине.

Фотолюминесцентный излучатель, полупроводниковый фотоэлемент и оптрон на их основе // 2261502

Фотоприемное устройство для ик-области спектра // 2069922

Фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с квантовыми ямами // 2022411

Полупроводниковый фотоприемник // 1806425

Двухспектральный фотоприемник (варианты) // 2388115

Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения на основе нитрида алюминия и способ его изготовления // 2392693

Фоточувствительная к инфракрасному излучению структура и способ ее изготовления // 2396635

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники

Способ снижения спектральной плотности флуктуаций диффузионного тока фотодиода в области высоких частот // 2435252

Изобретение относится к фотоэлектронике и может использоваться в пороговых фотоприемных устройствах для регистрации коротких импульсов электромагнитного излучения оптического и инфракрасного (ИК) диапазона

Ик фотодиод с высоким отношением сигнал/шум и способ повышения отношения сигнал/шум в ик фотодиоде // 2456707

Ик-фотодиод с высоким отношением сигнал/шум и способ повышения отношения сигнал/шум в ик-фотодиоде // 2473151

Способ детектирования электромагнитного излучения и устройство для его осуществления // 2503090

Изобретения могут быть использованы в устройствах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, оптической пеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля. Изобретения направлены на повышение чувствительности и обеспечение оптического управления характеристиками фотовольтаического детектора, в частности динамическим диапазоном и чувствительностью. Указанный результат в части способа достигается тем, что способ предусматривает создание опорной эдс за счет пространственного разделения зарядов, возникающих при облучении структур, формируемых на основе полупроводниковых материалов и включающих в себя потенциальный барьер и массив квантово-размерных объектов в области барьера, излучением с энергией частиц в области фундаментального поглощения в структурах или при инжекции носителей заряда через потенциальный барьер вследствие облучения таких структур излучением с энергией частиц, достаточной для инжекции носителей заряда, облучение квантово-размерных объектов детектируемым электромагнитным излучением, регистрацию изменения эдс при облучении структуры детектируемым электромагнитным излучением. Указанный результат в части устройства достигается тем, что оно содержит формируемую на основе полупроводниковых материалов структуру с потенциальным барьером, в области которого создан массив квантово-размерных объектов, источник опорного излучения для облучения структуры с целью создания опорной эдс и прибор, регистрирующий изменение эдс при облучении устройства детектируемым электромагнитным излучением. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 пр., 3 ил.

Фоточувствительная структура и селективное фотоприемное устройство на ее основе // 2510101

Группа изобретений относится к нанооптоэлектронике. В фоточувствительной структуре, представляющей собой чувствительную к терагерцовому излучению при температуре эффективного фототока многослойную полупроводниковую гетероструктуру с квантовой ямой, выполненной в виде слоя узкозонного твердого раствора, содержащего Hg и Te и заключенного между барьерными слоями широкозонного трехкомпонентного твердого раствора CdyHg1-yTe, где у составляет величину в предпочтительном интервале от 65% до 72%, узкозонный слой квантовой ямы сформирован из трехкомпонентного твердого раствора Hg1-xCdxTe с содержанием Cd, определяемым величиной x в интервале от 4% до 12%, причем ширина квантовой ямы выбрана для заданного терагерцового поддиапазона частот принимаемого излучения при температуре 4,2K или 77K в зависимости от содержания Cd в соответствии с таблицей 1, представленной в описании изобретения. В случае осуществления заявляемой фоточувствительной структуры в виде целевого терагерцового фотоприемного устройства - селективного фотоприемного устройства, в последнем, содержащем чувствительную к терагерцовому излучению фотоприемную линейку, представляющую собой последовательно распределенные и имеющие эффективную фоточувствительность в различных терагерцовых поддиапазонах при температуре 4,2K или 77K участки многослойной полупроводниковой гетероструктуры с рабочим детекторным слоем на квантовой яме, сформированным из узкозонного трехкомпонентного твердого раствора Hg1-xCdxTe и заключенным между барьерными слоями широкозонного трехкомпонентного твердого раствора CdyHg1-yTe, где у составляет величину в предпочтительном интервале от 65% до 72%, и средство поддержания указанной температуры, для участков многослойной полупроводниковой гетероструктуры с выделенными терагерцовыми поддиапазонами частот принимаемого излучения, задаваемыми следующими интервалами величин энергии принимаемого излучения ħω: 8-16, 16-24, 24-32, 32-40, 40-48, 48-56, 56-64 мЭв, ширина квантовой ямы равна 11 нм при содержании Cd в рабочем детекторном слое на квантовой яме - Hg1-xCdxTe на последовательно распределенных участках фотоприемной линейки в соответствии с указанными терагерцовыми поддиапазонами частот принимаемого излучения при температуре 4,2K, определяемым, соответственно следующими интервалами величин x: 7.1-7.9, 7.9-8.7, 8.7-9.4, 9.4-10.1, 10.1-10.9, 10.9-11.5, 11.5-12.2%, или при температуре 77°K, определяемым, соответственно следующими интервалами величин x: 5-5.9, 5.9-6.7, 6.7-7.5, 7.5-8.3, 8.3-9.0, 9.0-9.8, 9.8-10.5%. Группа изобретений обеспечивает возможность повышения технологичности изготовления целевых терагерцовых фотоприемных устройств за счет создания конструктивных условий функционирования фотоприемного элемента на уровне стабильной высокой чувствительности в различных поддиапазонах в широком интервале частот терагерцового принимаемого излучения при температуре 4,2K или 77K в зависимости от ширины квантовой ямы - толщины рабочего детекторного слоя, выполненного из трехкомпонентного твердого раствора Hg1-xCdxTe, и от содержания Cd (величины x) в интервале от 4% до 12%. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

Фоточувствительная к инфракрасному излучению структура и способ ее изготовления // 2529457

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники, конкретно к фотоприемным устройствам ИК-диапазона длин волн и к технологии их изготовления. Сущность изобретения состоит в том, что в фоточувствительной к инфракрасному излучению структуре, содержащей последовательно соединенные подложку, верхний слой которой выполнен из CdTe, нижний варизонный слой, изготовленный из Hg1-xCdxTe, в котором значение x плавно уменьшается от значения, находящегося в пределах (хД+0,1)÷1, до значения xД, детекторный слой, изготовленный из Hg1-xCdxTe, где x=xД=0,2-0,3, а также последовательно соединенные верхний варизонный слой, изготовленный из Hg1-xCdxTe, в котором значение x плавно увеличивается от значения xД до значения, находящегося в пределах (xД+0,1)÷1, изолирующий слой, изготовленный из CdTe, диэлектрический слой, изготовленный из SiO2, диэлектрический слой, изготовленный из Si3N4, и верхний, прозрачный для инфракрасного излучения проводящий слой, в детекторный слой дополнительно введены чередующиеся барьерные слои и слои квантовых ям, изготовленные из Hg1-xCdxTe, минимальное количество которых равно трем, с возможным добавлением числа пар чередующихся слоев от 1 до 100, при этом на границах между слоем квантовых ям и барьерным слоем значения x ступенчато изменяются в пределах xБ=0,5-1,0 и xЯ=0-0,15 при толщине каждого из барьерных слоев 20-100 нм и толщине каждого из слоев квантовых ям 5-20 нм. Также предложен способе изготовления предлагаемой структуры. Изобретение обеспечивает возможность расширения диапазона рабочих частот фоточувствительной структуры и расширения области ее применения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Полупроводниковый диод средневолнового инфракрасного диапазона спектра // 2570603

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, предназначенным для детектирования и испускания инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре и может быть использовано, например, в устройствах, измеряющих характеристики сред, содержащих газообразные углеводороды, и в волоконно-оптических датчиках, измеряющих состав жидкости по методу исчезающей волны, для которых указанная полоса совпадает с максимумом фундаментального поглощения измеряемого компонента, например спирта или нефтепродуктов. Полупроводниковый диод для средневолнового инфракрасного диапазона спектра (1) содержит гетероструктуру с подложкой (2) и плоские эпитаксиальные p- и n-области (3, 4), p-n-переход (5), контакты (6, 7), мезу травления (10), при этом контакт (7) к неактивной области (8) расположен сбоку от активной области (9), а его поперечный размер выбирают исходя из максимального размера мезы, а минимальное расстояние между краями мезы и чипа выбирают исходя из размера чипа. Меза имеет расширение в направлении к световыводящей поверхности и имеет, как и контакты, прямоугольную форму с округлениями. Диод согласно изобретению обеспечивает повышенную яркость и фоточувствительность к излучению в средней инфракрасной области спектра. 16 з.п. ф-лы, 9 ил.