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



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

 


Владельцы патента RU 2456707:

Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Изобретения могут использоваться в пороговых фотоприемных устройствах для регистрации слабого электромагнитного излучения инфракрасного диапазона. ИК фотодиод с высоким отношением сигнал/шум (S/N) содержит сильнолегированный слой (1) основного p-n перехода, сильнолегированный слой (2) дополнительного p-n перехода, общую базу (3) основного и дополнительного p-n переходов, подложку (5). Общая база (3) имеет область 4 пространственного заряда основного p-n перехода. К каждому из слоев структуры сформирован омический контакт (6, 7, 8). Сумма толщин сильнолегированного слоя основного p-n перехода и области пространственного заряда основного p-n перехода, расположенной в общей базе, удовлетворяет условию, определяемому математическим выражением. Для повышения отношения сигнал/шум (S/N) в ИК фотодиоде регистрируют диффузионный ток дополнительного p-n перехода и сумму диффузионного тока и фототока основного p-n перехода, а затем диффузионный ток дополнительного p-n перехода используют для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода. Достигается увеличение отношения сигнал/шум (S/N) ИК фотодиода за счет использования диффузионного тока дополнительного p-n перехода, шумы которого коррелированны с шумами диффузионного тока основного (регистрирующего ИК излучение) p-n перехода, для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретения относятся к фотоэлектронике и могут использоваться в пороговых фотоприемных устройствах для регистрации слабого электромагнитного излучения инфракрасного (ИК) диапазона.

Известен фоточувствительный полупроводниковый прибор (фотодиод) с низким уровнем темнового тока (US patent 4,242,695), в котором для уменьшения диффузионного тока и обусловленных им шумов фотодиода сформирован дополнительный p-n переход, расположенный со стороны подложки, на расстоянии, меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе от основного.

Недостатком данного полупроводникового прибора является отсутствие омического контакта к p области дополнительного p-n перехода, что исключает возможность использования диффузионного тока дополнительного p-n перехода для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.

В известном фотодиоде для увеличения отношения сигнал/шум уменьшают диффузионный ток основного p-n перехода, так как уменьшение среднего значения диффузионного тока приведет к уменьшению его спектральной плотности шума.

Недостаток известного способа увеличения отношения сигнал/шум заключается в том, что не используют корреляцию шумов диффузионных токов основного и дополнительного p-n переходов, что не позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум в фотодиоде.

Задачей изобретений является увеличение отношения сигнал/шум (S/N) ИК фотодиода за счет использования диффузионного тока дополнительного p-n перехода, шумы которого коррелированны с шумами диффузионного тока основного (регистрирующего ИК излучение) p-n перехода, для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.

Технический результат достигается тем, что ИК фотодиод с высоким отношением сигнал/шум содержит сильнолегированный слой основного p-n перехода, сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода, а также общую базу основного и дополнительного p-n переходов, толщина которой меньше диффузионной длины неосновных носителей в общей базе. Каждый из расположенных последовательно слоев - сильнолегированный слой основного p-n перехода, общая база основного и дополнительного p-n переходов, а также сильнолегированный слой дополнительного p-n p-n перехода - соединен с микросхемой считывания и обработки сигнала отдельным индиевым столбиком. При этом сильнолегированный слой основного p-n перехода, регистрирующий ИК излучение, расположен со стороны подложки, а сумма толщин сильнолегированного слоя основного p-n перехода и области пространственного заряда основного p-n перехода, расположенной в общей базе, удовлетворяет условию:

где

- толщина области пространственного заряда основного p-n перехода;

ε - диэлектрическая проницаемость,

ε0 - электрическая постоянная,

q - заряд электрона,

Nb - концентрация легирующей примеси в общей базе,

Еg - ширина запрещенной зоны,

- толщина сильнолегированного слоя основного p-n перехода,

α - коэффициент поглощения.

Для повышения отношения сигнал/шум в ИК фотодиоде, содержащем сильнолегированный слой основного p-n перехода, сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода, а также общую базу основного и дополнительного p-n переходов, регистрируют сумму диффузионного тока и фототока основного p-n перехода, а также диффузионный ток дополнительного p-n перехода. Затем диффузионный ток дополнительного p-n перехода используют для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.

На фиг.1 изображен фотодиод с коррелированной обработкой сигнала и шума, который может использоваться в качестве ячейки матричного ИК фотоприемника.

На фиг.2 изображен фотодиод (вид сверху).

Рассматриваемый фотодиод содержит:

1 - сильнолегированный слой основного p-n перехода;

2 - сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода;

3 - общую базу основного и дополнительного p-n переходов;

4 - область пространственного заряда основного p-n перехода, расположенную в общей базе;

5 - подложку;

6 - индиевый столбик, соединенный с омическим контактом к сильнолегированному слою основного p-n перехода;

7 - индиевый столбик, соединенный с омическим контактом к общей базе основного и дополнительного p-n переходов;

8 - индиевый столбик, соединенный с омическим контактом к сильнолегированному слою дополнительного p-n перехода;

9 - пассивирующий диэлектрик;

10 - металлический слой.

Сильнолегированный слой 1 основного p-n перехода сформирован со стороны подложки 5 и предназначен для регистрации ИК излучения. Между сильнолегированным слоем 2 дополнительного p-n перехода и сильнолегированным слоем 1 основного p-n перехода расположена общая база 3 основного и дополнительного p-n переходов. Толщина d общей базы 3 удовлетворяет условию d<L, где L - диффузионная длина неосновных носителей в общей базе. Область 4 пространственного заряда основного p-n перехода расположена в общей базе 3. Сильнолегированный слой 1 основного p-n перехода соединен с помощью омического контакта, металлического слоя и индиевого столбика 6 с микросхемой считывания и обработки сигнала. Общая база 3 основного и дополнительного p-n переходов соединена с помощью омического контакта, металлического слоя и индиевого столбика 7 с микросхемой считывания и обработки сигнала. Сильнолегированный слой 2 дополнительного p-n перехода соединен через омический контакт и индиевый столбик 8 с микросхемой считывания и обработки сигнала, т.е. к каждому из слоев структуры сформирован омический контакт.

Коррелированная обработка сигнала и шума в рассматриваемом фотодиоде может быть реализована при выполнении двух условий.

Во-первых, диффузионный ток основного и дополнительного p-n переходов должен определяться процессами тепловой генерации и рекомбинации в общей базе.

Это условие выполняется, если концентрация легирующей примеси в общей базе основного и дополнительного p-n переходов существенно меньше, чем концентрация легирующей примеси в сильнолегированных слоях, прилегающих к общей базе, т.е. при выполнении неравенств:

Nb<<N1 и Nb <<N2,

где Nb - концентрация легирующей примеси в общей базе основного и дополнительного p-n переходов,

N1 - концентрация легирующей примеси в сильнолегированном слое основного p-n перехода, прилегающего к подложке,

N2 - концентрация легирующей примеси в сильнолегированном слое дополнительного p-n перехода.

Во-вторых, регистрируемое ИК излучение должно полностью поглощаться в сильнолегированном слое 1 основного p-n перехода, прилегающем к подложке, а также в области 4 пространственного заряда основного p-n перехода.

Второе условие выполняется, если сумма толщин области 4 пространственного заряда основного p-n перехода и сильнолегированного слоя 1 основного p-n перехода, прилегающего к подложке, удовлетворяет условию

где

- толщина области пространственного заряда основного p-n перехода;

ε - диэлектрическая проницаемость,

ε0 - электрическая постоянная,

q - заряд электрона,

Nb - концентрация легирующей примеси в общей базе,

Eg - ширина запрещенной зоны,

- толщина сильнолегированного слоя основного p-n перехода,

α - коэффициент поглощения.

Как было отмечено выше, основной и дополнительный p-n переходы имеют общую базу, толщина которой меньше диффузионной длины. Поэтому в случае когда на основной и дополнительный p-n переходы подано обратное смещение, часть термогенерированных в какой-либо небольшой области базы носителей заряда может диффундировать к основному p-n переходу, а часть - к дополнительному, что обуславливает корреляцию шумов диффузионного тока основного и дополнительного p-n переходов. Таким образом, при засветке со стороны подложки рассматриваемого фотодиода, на основной и дополнительный p-n переходы которого подано обратное смещение, ток основного p-n перехода будет представлять собой сумму диффузионного тока и фототока, а ток дополнительного p-n перехода - диффузионный ток, шум которого коррелирован с шумом диффузионного тока основного p-n перехода.

Из сказанного следует, что диффузионный ток дополнительного p-n перехода может быть использован для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода, что позволит увеличить отношение сигнал/шум рассматриваемого ИК фотодиода. При этом, в простейшем случае, коррелированная обработка сигнала и шума основного p-n перехода представляет собой вычитание диффузионного тока дополнительного p-n перехода из суммы диффузионного тока и фототока основного p-n перехода.

1. ИК фотодиод с высоким отношением сигнал/шум, содержащий сильнолегированный слой основного p-n перехода, сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода, а также общую базу основного и дополнительного p-n переходов, толщина которой меньше диффузионной длины неосновных носителей в общей базе, отличающийся тем, что каждый из расположенных последовательно слоев - сильнолегированный слой основного p-n перехода, общая база основного и дополнительного p-n переходов, а также сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода соединен с микросхемой считывания и обработки сигнала отдельным индиевым столбиком, при этом сильнолегированный слой основного p-n перехода, регистрирующий ИК излучение, расположен со стороны подложки, а сумма толщин сильнолегированного слоя основного p-n перехода и области пространственного заряда основного p-n перехода, расположенной в общей базе, удовлетворяет условию
, где
- толщина области пространственного заряда основного p-n перехода;
ε - диэлектрическая проницаемость,
ε0 - электрическая постоянная,
q - заряд электрона,
Nb - концентрация легирующей примеси в общей базе,
Eg - ширина запрещенной зоны,
- толщина сильнолегированного слоя основного p-n перехода,
α - коэффициент поглощения.

2. Способ повышения отношения сигнал/шум в ИК фотодиоде, содержащем сильнолегированный слой основного p-n перехода, сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода, а также общую базу основного и дополнительного p-n переходов, заключающийся в том, что регистрируют сумму диффузионного тока и фототока основного p-n перехода, а также диффузионный ток дополнительного p-n перехода, а затем диффузионный ток дополнительного p-n перехода используют для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники. .

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.
Наверх