Способ детектирования электромагнитного излучения и устройство для его осуществления



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

 

H01L27/14 - содержащие полупроводниковые компоненты, чувствительные к инфракрасному излучению, свету, коротковолновому электромагнитному или корпускулярному излучению, и предназначенные для преобразования энергии этих излучений в электрическую энергию или для управления электрической энергией с помощью таких излучений (компоненты, чувствительные к излучению, конструктивно связанные только с одним или несколькими электрическими источниками света H01L 31/14; соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42)

Владельцы патента RU 2503090:

Сторожевых Михаил Сергеевич (RU)
Чапнин Валерий Алексеевич (RU)
Юрьев Владимир Артурович (RU)
Арапкина Лариса Викторовна (RU)
Чиж Кирилл Всеволодович (RU)

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.

 

Заявляемые способ и устройство относятся к фотоэлектронике, в частности к фотоэлектрическим устройствам, предназначенным для работы в качестве приемников электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн 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.

Известен способ преобразования энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию посредством фотоэлемента (RU 2222846 [1]), который содержит расположенные на металлической пластине слои полупроводника n- и р-типа с р-n-переходом между ними и прозрачный электропроводящий слой. При этом в указанный слой полупроводника n-типа дополнительно введены наночастицы металла размером много меньше длины волны излучения, при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)·10-2 объемных долей. В результате повышается КПД устройства.

К недостаткам указанного прибора можно отнести отсутствие возможности для управления функциональными характеристиками такого фотоэлемента, в частности фоточувствительностью. Кроме того, известный способ непригоден для заявляемого устройства для детектирования электромагнитного излучения.

Известен способ управления фоточувствительностью фотоприемника (детектора) лазерного излучения посредством внешних полей. Фотоприемник (детектор) выполнен на основе полностью обедненной легированной сверхрешетки GaAs, перекрывающей весь диапазон от 0,8 до 1,4 мкм (Horikoshi Y., Рооg К.// Appl. Phys. A. - 1985, v.37, р.47; Херман М. «Полупроводниковые сверхрешетки». Изд-во «Мир», 1989, с.240 [2]). Фотовозбужденные электроны и дырки сразу после рождения разделяются полем легированной сверхрешетки, что приводит к высокой квантовой эффективности прибора. Благодаря полному обеднению легированная сверхрешетка ведет себя как очень высокоомный материал, позволяющий прикладывать вдоль слоев сильные электрические поля с помощью селективных п+- р+-переходов. Чувствительность прибора на длине волны 1,3 мкм достигает 90% от исходного межзонного фотоотклика при 0,85 мкм, а внешний квантовый выход при 0,85 мкм достигает 65%. Такая высокая фоточувствительность достигается очень большой величиной электрического поля, состоящего из внутреннего поля объемного заряда и внешнего приложенного электрического поля.

Однако приложение высоких напряженностей электрических полей приводит к увеличению токов утечки, шумов и электрическому пробою полупроводниковых слоев сверхрешетки. Кроме того, известный способ непригоден для заявляемого устройства для детектирования электромагнитного излучения.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известный способ управления фоточувствительностью детектора лазерного излучения в ИК-диапазоне (RU 2418344 [3]). Способ предназначен для детектора, изготовленного из квантовой проволоки на основе InSb и легированного примесью донорного типа, и предусматривает воздействие на детектор внешних полей.

Диаметр квантовой проволоки примерно равен величине эффективного Боровского радиуса для электрона в материале квантовой проволоки, а в качестве внешнего воздействия используют магнитное поле с индукцией от 2 до 5 Тл.

Однако известный способ непригоден для заявляемого устройства для детектирования электромагнитного излучения.

Известен фотоприемник на основе примесного компенсированного полупроводника, в котором один из двух контактов выполнен в виде двух или более элементов, размещенных один от другого на расстоянии, обеспечивающем смыкание областей объемного заряда. При этом в рабочем режиме между элементами протекает ток, управляемый нестационарным зарядом в объеме полупроводника, что приводит к повышению коэффициента фотоэлектрического усиления при сохранении значительной квантовой эффективности (SU 1816166 [4]).

Недостатком известного устройства является его относительно низкая чувствительность.

Известны фотодетекторы, чувствительные в среднем диапазоне ИК-излучения и обладающие селективной (или близкой к ней) спектральной характеристикой.

Например, такие как Ge, легированный Zn, Сu или Нg, или детекторы на основе твердых растворов Cd×Hg1-×Te (RU 2310949 [5]), которые имеют высокую чувствительность с максимумом на λ=4,5 мкм, но требуют глубокого охлаждения или обладают ограниченным временным разрешением.

Недостатком данных детекторов является сложность интеграции процесса их изготовления в стандартную монолитную кремниевую технологию.

Известен фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с квантовыми ямами, включающий подложку из полуизолирующего GaAs с буферным слоем i-GaAs, первый контактный слой n-GaAs, систему чередующихся слоев Al×Ga1-×As и GaAs, причем в один из материалов системы чередующихся слоев введена примесь кремния до уровня легирования 2·1018 см-3 и второй контактный слой - n-GaAs (Levine B.F. et al, Electe. Zett. 1988, v.24, p.747-749 [6]). Мольная доля Al (x) в тройном соединении постоянна и равна 0,31. Уровень легирования Si в GaAs составляет 2·1018 см-3. Сверхрешетка содержит 50 слоев каждого соединения (периодичность решетки равна 50). Слои GaAs разделены слоями широкозонного Al×Ga1-×As. Электронные состояния εn в GaAs локализованы в квантовых ямах. Уровни энергии Si в соседних слоях GaAs не перекрываются из-за большой толщины слоя Al×Ga1-×As. На границе слоев GaAs и Al×Ga1-×As возникает гетеропереход.

Система чередующихся слоев с большой разницей между их толщинами может быть охарактеризована как «структура с разнесенной сверхрешеткой» в отличие от обычной сверхрешетки, где соседние слои имеют соизмеримую толщину.

Известный фотодетектор работает следующим образом. Излучение с энергией ε=hω, равной величине энергетического зазора между уровнями εn в квантовой яме GaAs и зоной свободных состояний, обеспечивает переход I электронов в эту зону, и при наличии внешнего тянущего поля Е (вызывающего наклон зонной энергетической диаграммы) возникает эффект фотопроводимости, величина ΔG которого определяется выражением ΔG=Δnev, где Δn - концентрация фотовозбужденных электронов; v - скорость; е - заряд электрона.

Известный фотодетектор имеет следующие недостатки.

В состоянии термодинамического равновесия электроны перераспределяются между примесными уровнями кремния Si и уровнем εn в потенциальной яме в GaAs. Термическое возбуждение электронов с уровня Si на уровень εn (процесс II) и их обратная рекомбинация (процесс III) приводят к тому, что уровень εn оказывается заселенным не полностью. Последнее обстоятельство ограничивает квантовый выход и уменьшает эффект фотопроводимости, так как не все электроны возбуждаются квантами hω (процесс I) в свободную зону.

Другим недостатком известного фотодетектора является наличие темнового тока (имеющего прыжковый характер) по примесным состояниям (процесс III).

Недостатком известного детектора является сложность интеграции процесса его изготовления в стандартную монолитную кремниевую технологию.

Помимо этого, данный детектор в отличие от заявляемого устройства предназначен для работы в режиме фотосопротивления, т.е. в нем измеряется изменение величины фототока под действием регистрируемого излучения, а не изменение эдс, и не предназначен для регистрации излучения в фотовольтаическом режиме.

Ближайшим техническим решением к заявленному является фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с квантовыми ямами включающий подложку из полуизолирующего GaAs с буферным слоем i-GaAs, первый контактный слой n-GaAs, систему чередующихся слоев Al×Ga1-×As и GaAs, причем в один из материалов системы чередующихся слоев введена примесь кремния до уровня легирования 2·1018 см-3, и второй контактный слой n-GaAs. При этом примесь кремния введена в слой Al×Ga1-×As в виде моноатомного слоя, расположенного на расстоянии не большем Дебаевской длины экранирования от одной из границ раздела чередующихся слоев (RU 2022411 [7]).

Недостатком известного детектора является сложность интеграции процесса его изготовления в стандартную монолитную кремниевую технологию. Кроме того, детекторы данного типа предназначены для работы исключительно в режиме фотосопротивления и не предназначены для детектирования излучения в фотовольтаическом режиме.

Заявляемые способ и устройство детектирования электромагнитного излучения 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.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что область потенциального барьера выполнена в виде р-n-перехода.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что область потенциального барьера выполнена в виде p-i-n-перехода.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что область потенциального барьера выполнена в виде р-р+-перехода.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что область потенциального барьера выполнена в виде n-n+-перехода.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что область потенциального барьера выполнена в виде барьера Шоттки.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что область потенциального барьера выполнена в виде гетероперехода.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что область потенциального барьера выполнена в виде комбинации барьеров.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что квантово-размерные объекты представляют собой квантовые точки.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что квантово-размерные объекты представляют собой квантовые ямы.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что квантово-размерные объекты представляют собой квантовые нити.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что квантово-размерные объекты представляют собой квантовые кольца.

Указанный результат в части устройства достигается также тем, что массив квантово-размерных объектов состоит из комбинации квантово-размерных объектов.

Создание опорной эдс за счет пространственного разделения зарядов позволяет получить регистрируемую физическую величину (эдс), изменение которой за счет воздействия детектируемого излучения на массив квантово-размерных объектов обеспечивает функционирование устройства по назначению.

Облучение 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 позволяет создать опорную эдс; применение излучения с энергией частиц в области фундаментального поглощения в структурах обеспечивает необходимую эффективность фотоэлектрического преобразования (квантовый выход внутреннего фотоэффекта).

Использование инжекции носителей заряда через потенциальный барьер вследствие облучения таких структур излучением с энергией частиц, достаточной для инжекции носителей заряда, позволяет альтернативным способом создать опорную эдс, обеспечивая необходимую эффективность (квантовый выход) фотоэлектрического преобразования.

Облучение квантово-размерных объектов детектируемым (регистрируемым) электромагнитным излучением приводит к изменению зарядового состояния квантово-размерных объектов и, как следствие, в зависимости от типа квантово-размерных объектов и энергетической структуры потенциального барьера повышает или понижает эффективность фотоэлектрического преобразования опорного излучения и, как следствие, повышает или понижает величину опорной эдс (эдс, возникающей на структуре вследствие ее облучения опорным излучением), что и позволяет детектировать регистрируемое электромагнитное излучение.

Изменение опорной эдс вследствие облучения эдс, возникающей на структуре вследствие ее облучения опорным излучением структуры детектируемым (регистрируемым) электромагнитным излучением является полезным сигналом устройства.

Формирование на основе полупроводниковых материалов структуры с потенциальным барьером и создание в его области массива квантово-размерных объектов благодаря фотовольтаическому эффекту позволяет создавать опорную эдс и детектировать регистрируемое электромагнитное излучение благодаря изменению под его воздействием заряда квантово-размерных объектов, изменению

вследствие этого эффективности фотоэлектрического преобразования и величины эдс.

Наличие источника опорного излучения для облучения области потенциального барьера необходимо для создания опорной эдс, а прибора, регистрирующего изменение эдс при облучении устройства детектируемым электромагнитным излучением, - для регистрации полезного сигнала, в частности, в системах индикации, визуализации, измерения.

Потенциальный барьер может быть выполнен практически любым, выбранным из числа известных. Каждый из них имеет свои преимущества.

Например, когда область потенциального барьера выполнена в виде p-n-перехода, то при необходимой эффективности фотоэлектрического преобразования область p-n-перехода может быть выполнена компактной.

При выполнении области потенциального барьера в виде p-i-n-перехода возможно более точное управление спектром фоточувствительности детектора посредством точного позиционирования массива квантово-размерных объектов в нужной зоне собственной области структуры. Помимо этого, за счет увеличения толщины i-области структуры возможно увеличение числа слоев и общей толщины многослойных массивов квантово-размерных объектов, встроенных в собственную область структуры.

Если область потенциального барьера выполнена в виде р-р+-перехода, то возможно создание однополярных барьеров p-типа с омическим контактом к р+-области. Если область потенциального барьера выполнена в виде n-n+-перехода, то возможно создание однополярных барьеров n-типа с омическим контактом к n+-области. Комбинация барьеров данного типа позволяет создавать структуры типа n+-n-р-p+ и упрощает создание омических контактов как к анодной, так и к катодной области детектора.

Если область потенциального барьера выполнена в виде барьера Шоттки, то возможно повышение быстродействия и радиационной стойкости детектора.

Если область потенциального барьера выполнена в виде гетероперехода, то возможно управление спектральными (энергетическими) характеристиками излучения, используемого для создания опорной эдс, и выбор оптимального конструкторского решения в части используемого источника излучения для создания опорной эдс.

При выполнении области потенциального барьера в виде комбинации барьеров возможно управление электрофизическими и фотоэлектрическими характеристиками и топологической структурой детектора, в частности при его применении в качестве элемента интегральной схемы.

Если квантоворазмерные объекты представляют собой квантовые точки, то возможно создание детекторов с одинаковой чувствительностью к излучению любой поляризации, а также конструирование детекторов с заранее заданными и изменяемыми в широких пределах спектральными характеристиками.

Если квантово-размерные объекты представляют собой квантовые ямы, то возможно создание многодиапазонных детекторов.

Если квантово-размерные объекты представляют собой квантовые нити, то возможно посредством их упорядочения вдоль избранного направления в кристалле создавать детекторы, чувствительные к направлению поляризации детектируемого излучения.

Если квантово-размерные объекты представляют собой квантовые кольца, то возможно детектирование электромагнитного излучения не только в инфракрасном диапазоне длин волн, но и, как следует из расчета энергетического спектра и распределения плотности заряда дырочных состояний, локализованных на квантовых кольцах SiGe, встроенных в матрицу Si (Кучинская П.А., Зиновьев В.А., Ненашев А.В., Армбристер В.А., Володин В.А., Двуреченский А.В. // «Квантовые кольца SiGe на поверхности Si(100)». Материалы электронной техники. - 2011, №4 [9]), в субмиллиметровой области спектра.

Если массив квантово-размерных объектов состоит из комбинации квантово-размерных объектов, то возможно как конструирование детекторов, объединяющих в себе ранее указанные свойства, присущие отдельным квантово-размерным объектам, так и придание детекторам новых качеств, возникающих вследствие взаимодействия наноструктур между собой.

Сущность заявляемых способа и устройства детектирования электромагнитного излучения поясняются примерами реализации и графическими материалами. На фиг.1 представлена структурная схема устройства детектирования электромагнитного излучения. На фиг.2 схематически представлен поперечный разрез собственно детектора, входящего в состав устройства детектирования электромагнитного излучения. На фиг.3 представлена зависимость обнаружительной способности инфракрасного детектора на основе кремниевого p-n-перехода с набором слоев квантовых точек германия от степени опустошения массива квантовых точек.

Пример 1.

Устройство для детектирования электромагнитного излучения содержит формируемую на основе полупроводниковых материалов структуру 1 (собственно детектор) с потенциальным барьером, в области которого создан массив квантово-размерных объектов, источник 2 опорного излучения для облучения структуры с целью создания опорной эдс и прибор 3, регистрирующий изменение эдс при облучении устройства детектируемым электромагнитным излучением 4 от источника 5. В качестве источника 2 опорного излучения для облучения области потенциального барьера может быть использован любой источник, подходящий для этой цели. Например, в качестве опорного излучения может быть применено излучение полупроводникового лазера или светодиода или поверхностный плазмон-поляритон, подводимый к области потенциального барьера по волноводу. В качестве прибора 3, регистрирующего изменение эдс при облучении устройства детектируемым электромагнитным излучением, также выбирается любое устройство, подходящее для этой цели. Например, в многоэлементных или матричных детекторах может быть применена КМОП-схема считывания (мультиплексор), являющаяся модификацией схемы считывания, применяемой для формирования сигнала в кремниевых фотоприемных матрицах, в то время как в одноэлементных детекторах может быть использован подходящий по характеристикам вольтметр.

Например, авторами для регистрации сигнала от одноэлементного детектора использовался селективный нановольтметр.

Детектор (формируемая на основе полупроводниковых материалов структура) изготавливался следующим образом: методом сверхвысоковакуумной молекулярно-лучевой эпитаксии формировалась полупроводниковая структура 6, содержащая область потенциального барьера 7 со встроенным в нее многослойным массивом квантово-размерных объектов 8. Фотоприемные площадки детектора формировались методом фотолитографии и химического травления. Омические контакты к полупроводниковой структуре формировались термическим или плазменным напылением по разные стороны от области потенциального барьера (на чертеже не показаны).

Устройство для детектирования электромагнитного излучения с реализацией способа детектирования электромагнитного излучения функционирует следующим образом.

В качестве примера рассмотрим созданный инфракрасный детектор 1 на основе кремниевого p-n-перехода, сформированного на подложке Si(001), в области пространственного заряда которого на плоскости (001) выращен набор слоев (плотных двумерных массивов) квантовых точек Ge с определенной эффективной толщиной каждого слоя осажденного германия, разделенных слоями кремния с толщиной, исключающей взаимодействие слоев квантовых точек Ge между собой. Опорная эдс в такой структуре создавалась лазерным излучением от источника 2 с энергией квантов в области фундаментального поглощения Si, а в принципе, может быть создана любым (не обязательно электромагнитным) излучением с достаточной энергией частиц. Изменение опорной эдс происходило из-за изменения зарядового состояния массива германиевых точек вследствие воздействия инфракрасного излучения 4 от источника 5 с длиной волны в интервале 2-5 мкм, соответствующем энергетической структуре сформированных квантовых точек Ge в кремнии. Спектральный диапазон такого детектора в определенной степени зависит от типа и геометрических параметров германиевых квантовых точек, их слоевой плотности (что определяется условиями роста и контролируется методом сканирующей туннельной микроскопии), количества слоев и рабочей температуры детектора.

Пример 2.

Реализация изобретений осуществлялась аналогично примеру 1, но в качестве потенциального барьера использовался кремниевый p-i-n-переход, в собственной области которого сформирован набор слоев (двумерных массивов) параллельных квантовых нитей SiGe, упорядоченных во всех слоях вдоль одного и того же кристаллографического направления, разделенных слоями кремния с определенной толщиной, исключающей взаимодействие слоев квантовых нитей SiGe между собой. Опорная эдс в такой структуре создавалась излучением светодиода (источника 2) с энергией квантов в области фундаментального поглощения Si, а в принципе, может быть создана любым (не обязательно электромагнитным) излучением с достаточной энергией частиц. Изменение опорной эдс происходило из-за изменения зарядового состояния массива квантовых нитей вследствие воздействия инфракрасного излучения 4 от источника 5 с длиной волны в интервале 1,5-5 мкм, соответствующем энергетической структуре сформированных квантовых нитей SiGe в кремнии. Спектральный диапазон такого детектора зависит от геометрических параметров квантовых нитей, их состава (соотношения между содержанием Si и Ge), слоевой плотности (что определяется условиями роста и контролируется методом сканирующей туннельной микроскопии), количества слоев и рабочей температуры детектора. Отличительной особенностью такого детектора является сильная зависимость его спектральной чувствительности от угла между направлением, в котором лежат квантовые нити, и плоскостью поляризации детектируемого излучения.

Пример 3.

Реализация изобретений осуществлялась аналогично примеру 1, но в качестве потенциального барьера использовался кремниевый р-р+-переход, в области пространственного заряда которого сформирован набор слоев (двумерных массивов) квантовых колец SiGe, разделенных слоями кремния с определенной толщиной, исключающей взаимодействие слоев квантовых колец SiGe между собой. Опорная эдс в такой структуре создавалась излучением светодиода (источника 2) с энергией квантов в области фундаментального поглощения Si, а в принципе, может быть создана любым (не обязательно электромагнитным) излучением с достаточной энергией частиц. Изменение опорной эдс происходило из-за изменения зарядового состояния массива квантовых колец вследствие воздействия инфракрасного излучения 4 от источника 5 с длиной волны в интервале 1,5-4 мкм, соответствующем энергетической структуре сформированных квантовых колец SiGe в кремнии. Спектральный диапазон такого детектора зависит от геометрических параметров квантовых колец, их химического состава (соотношения между содержанием Si и Ge), слоевой плотности (что определяется условиями роста и контролируется методом сканирующей туннельной микроскопии), количества слоев и рабочей температуры детектора. Отличительной особенностью такого детектора является теоретически предсказанная возможность детектирования электромагнитного излучения не только в инфракрасном диапазоне длин волн, но и как следует из расчета энергетического спектра и распределения плотности заряда дырочных состояний, локализованных на квантовых кольцах SiGe, встроенных в матрицу Si (Кучинская П.А., Зиновьев В.А., Ненашев А.В., Армбристер В.А., Володин В.А., Двуреченский А.В. // «Квантовые кольца SiGe на поверхности Si(100)». - Материалы электронной техники. - 2011, №4 [9]), в субмиллиметровой области спектра.

Пример 4.

Реализация изобретений осуществлялась аналогично примеру 1, но в качестве потенциального барьера использовался p-i-n-гетеропереход p-Si×Ge1-×/i-Siy(z)Ge1-y(z)/n-Si(001) (комбинация p-i-n-перехода и гетероперехода) с плавным изменением содержания Ge y(z) от 0 до х в собственной области (i-области) гетероструктуры, в которой сформирован набор слоев (двумерных массивов) квантовых точек Ge с определенной эффективной толщиной каждого слоя осажденного германия, разделенных слоями кремния с толщиной, обеспечивающей взаимодействие слоев квантовых точек Ge между собой и межслоевое упорядочение квантовых точек Ge. Опорная эдс в такой структуре создавалась излучением вольфрамовой лампы с инфракрасным светофильтром (источника 2) с энергией квантов в области фундаментального поглощения SiGe, а в принципе, может быть создана любым (не обязательно электромагнитным) излучением с достаточной энергией частиц. Изменение опорной эдс происходило из-за изменения зарядового состояния массива германиевых точек вследствие воздействия инфракрасного излучения 4 от источника 5 с длиной волны в интервале 2,5-5 мкм, соответствующем энергетической структуре массива сформированных квантовых точек Ge в переходном (варизонном) слое SiGe. Спектральный диапазон такого детектора зависит от типа и геометрических параметров германиевых квантовых точек, их слоевой плотности (что определяется условиями роста и контролируется методом сканирующей туннельной микроскопии), количества слоев квантовых точек Ge, толщины разделительных слоев Si и рабочей температуры детектора, а также от состава переходного (варизонного) слоя SiGe. Отличительной особенностью такого детектора является то, что в качестве опорного излучения может быть использовано излучение с энергией квантов в области фундаментального поглощения SiGe, имеющее большую длину волну по сравнению с излучением с энергией квантов в области фундаментального поглощения Si.

Пример 5.

Реализация изобретений осуществлялась аналогично примеру 1, но в качестве потенциального барьера использовался кремниевый n-n+-переход в комбинации с барьером Шоттки Pt/n-Si, в области пространственного заряда которого сформирован набор квантовых ям n-SiGe, легированных фосфором, разделенных слоями кремния с определенной толщиной, исключающей взаимодействие квантовых ям SiGe между собой. Опорная эдс в такой структуре создавалась излучением светодиода (источника 2) с энергией квантов в области фундаментального поглощения Si или излучением более длинноволнового лазера, обеспечивающим инжекцию носителей тока через барьер Шоттки Pt/n-Si в n-область структуры, а в принципе, может быть создана любым (не обязательно электромагнитным) излучением с достаточной энергией частиц. Изменение опорной эдс происходило из-за изменения зарядового состояния квантовых ям вследствие воздействия инфракрасного излучения 4 от источника 5 с длиной волны в интервале 2,5-4 мкм, соответствующем энергетической структуре сформированных квантовых ям SiGe в кремнии. Спектральный диапазон такого детектора зависит от геометрических параметров квантовых ям, их химического состава (соотношения между содержанием Si и Ge), количества слоев и рабочей температуры детектора. Отличительной особенностью такого детектора является, например, высокая радиационная стойкость.

Пример 6.

Реализация изобретений осуществлялась аналогично примеру 1, но в качестве потенциального барьера использовался кремниевый р+-р-n-n+-переход (комбинация переходов р-p+ и n-n+), в области пространственного заряда которого сформирован набор квантовых ям p-SiGe, легированных бором, разделенных слоями кремния с определенной толщиной, исключающей взаимодействие квантовых ям SiGe между собой. Опорная эдс в такой структуре создавалась излучением светодиода (источника 2) с энергией квантов в области фундаментального поглощения Si, а в принципе, может быть создана любым (не обязательно электромагнитным) излучением с достаточной энергией частиц. Изменение опорной эдс происходило из-за изменения зарядового состояния квантовых ям вследствие воздействия инфракрасного излучения 4 от источника 5 с длиной волны в интервале 2-4,5 мкм, соответствующем энергетической структуре сформированных квантовых ям SiGe в кремнии. Спектральный диапазон такого детектора зависит от геометрических параметров квантовых ям, их химического состава (соотношения между содержанием Si и Ge), количества слоев и рабочей температуры детектора. Отличительной особенностью такого детектора является простота формирования омических контактов к обоим полюсам диода.

1. Способ детектирования электромагнитного излучения при помощи структур, формируемых на основе полупроводниковых материалов, с потенциальным барьером и массивом квантово-размерных объектов в области барьера, включающий создание опорной эдс за счет пространственного разделения зарядов, возникающих при облучении таких структур 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 и регистрацию изменения эдс при облучении структуры детектируемым электромагнитным излучением.

2. Устройство для детектирования электромагнитного излучения, содержащее формируемую на основе полупроводниковых материалов структуру с потенциальным барьером, в области которого создан массив квантово-размерных объектов, источник опорного излучения для облучения структуры для создания опорной эдс и прибор, регистрирующий изменение эдс при облучении устройства, детектируемым электромагнитным излучением.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что область потенциального барьера выполнена в виде р-n-перехода.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что область потенциального барьера выполнена в виде p-i-n-перехода.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что область потенциального барьера выполнена в виде р-р+-перехода.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что область потенциального барьера выполнена в виде n-n+-перехода.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что область потенциального барьера выполнена в виде барьера Шоттки.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что область потенциального барьера выполнена в виде гетероперехода.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что область потенциального барьера выполнена в виде комбинации барьеров.

10. Устройство по п.2, отличающееся тем, что квантово-размерные объекты представляют собой квантовые точки.

11. Устройство по п.2, отличающееся тем, что квантово-размерные объекты представляют собой квантовые ямы.

12.Устройство по п.2, отличающееся тем, что квантово-размерные объекты представляют собой квантовые нити.

13. Устройство по п.2, отличающееся тем, что квантово-размерные объекты представляют собой квантовые кольца.

14. Устройство по п.2, отличающееся тем, что массив квантово-размерных объектов состоит из комбинации квантово-размерных объектов.



 

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.

Изобретение относится к твердотельному устройству захвата изображения. В твердотельном устройстве захвата изображения участок фотоэлектрического преобразования, участок удержания зарядов, участок переноса и узел считывания формируются в кармане p-типа.

Изобретение относится к датчикам электромагнитного излучения и, в частности, к массивам твердотельных датчиков изображения, имеющим световые рецепторы с размерами меньше дифракционного предела, и к цветовым фильтрам, с которыми они используются.

Изобретение относится к твердотельному датчику изображения, способу его изготовления и аппарату для съемки. Твердотельный датчик изображения включает в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, вторую полупроводниковую область второго типа проводимости, расположенную в контакте с нижней поверхностью первой полупроводниковой области и функционирующую в качестве области накопления зарядов, третью полупроводниковую область, включающую в себя боковые поверхности, окруженные второй полупроводниковой областью, четвертую полупроводниковую область второго типа проводимости, расположенную на удалении от второй полупроводниковой области, и затвор переноса, который образует канал для переноса зарядов, накапливаемых во второй полупроводниковой области, в четвертую полупроводниковую область.

Изобретение может найти применение для регистрации излучений в ядерной физике, в физике высоких энергий, а также при создании цифровых рентгеновских аппаратов, преимущественно маммографов.

Устройство считывания с временной задержкой и накоплением сигналов с многоэлементных фотоприемников инфракрасного излучения относится к области интегральной микроэлектроники и предназначено для систем обработки оптической информации.

Изобретение относится к фотоэлектрическому преобразующему устройству, имеющему конфигурацию светонаправляющего тракта. Сущность изобретения: фотоэлектрический преобразующий элемент для создания светового тракта к упомянутому участку фотоэлектрического преобразования включает в себя средний участок и периферийный участок, имеющий показатель преломления, отличающийся от показателя преломления среднего участка, в пределах некоторой плоскости, параллельной светоприемной поверхности участка фотоэлектрического преобразования, и в пределах другой плоскости, расположенной ближе к светоприемной поверхности, чем упомянутая некоторая плоскость, и параллельной светоприемной поверхности, причем периферийный участок выполнен неразрывным со средним участком и окружает средний участок, показатель преломления периферийного участка больше, чем показатель преломления изолирующей пленки, а толщина периферийного участка в пределах упомянутой другой плоскости меньше, чем толщина периферийного участка в пределах упомянутой некоторой плоскости.

Изобретение относится к твердотельным устройствам захвата изображения и способам изготовления таких устройств. Способ для изготовления твердотельного устройства захвата изображений, которое включает в себя подложку, включающую в себя блок фотоэлектрического преобразования, и волновод, скомпонованный на подложке, причем волновод соответствует блоку фотоэлектрического преобразования и включает в себя сердечник и оболочку, включает в себя первый этап и второй этап, причем на первом этапе и втором этапе элемент, который должен быть сформирован в сердечник, формируют в отверстии в оболочке посредством высокоплотного плазмохимического осаждения из паровой фазы, причем после первого этапа на втором этапе элемент, который должен быть сформирован в сердечник, формируют посредством высокоплотного плазмохимического осаждения из паровой фазы при условиях, в которых соотношение радиочастотной мощности на стороне задней поверхности подложки к радиочастотной мощности на стороне лицевой поверхности подложки превышает соотношение на первом этапе.

Изобретение относится к устройствам формирования изображений. Техническим результатом является повышение качества изображения.

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в фотоприемных устройствах инфракрасного диапазона. .

Изобретение относится к твердотельному датчику изображения, способу его изготовления и камере. .

Изобретение относится к устройствам захвата изображения. Твердотельное устройство захвата изображения включает в себя множество пикселей, причем каждый из множества пикселей содержит участок фотоэлектрического преобразования, сконфигурированный для генерации зарядов в соответствии с падающим светом, участок удержания заряда, сконфигурированный так, чтобы включать в себя первую полупроводниковую область первого типа проводимости, и участок передачи, сконфигурированный так, чтобы включать в себя электрод передающего затвора, который управляет потенциалом между участком удержания заряда и узлом считывания. Участок удержания заряда включает в себя управляющий электрод. Вторая полупроводниковая область второго типа проводимости расположена на поверхности полупроводниковой области между управляющим электродом и электродом передающего затвора. Третья полупроводниковая область первого типа проводимости расположена под второй полупроводниковой областью. Третья полупроводниковая область расположена в более глубоком местоположении, чем первая полупроводниковая область. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности передачи заряда от участка удержания заряда к плавающей диффузионной области. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх