Двухспектральное фоточувствительное устройство

Авторы патента:

Будтолаев Андрей Константинович (RU)

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 2708553:

Акционерное общество "НПО "Орион" (RU)

Изобретение относится к двухспектральным фотоприемным устройствам, предназначенным для детектирования излучений в ближнем УФ спектральном диапазоне и среднем ИК спектральном диапазоне. Устройство согласно изобретению содержит фоточувствительные элементы с барьером Шоттки для независимой регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Кристалл фоточувствительных элементов состоит из GaP эпитаксиальной структуры, на которой расположены диоды Шоттки. При этом часть диодов расположена на эпитаксиальной поверхности с исходной концентрацией носителей и регистрирует ультрафиолетовое излучение, а вторая часть расположена на поверхности с повышенной приповерхностной концентрацией носителей заряда и регистрирует инфракрасное излучение. 1 ил.

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения и регистрации ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) излучений диапазона спектра. Устройство содержит фоточувствительные элементы с барьером Шоттки для независимой регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Кристалл фоточувствительных элементов (ФЧЭ) состоит из эпитаксиальной структуры, на которой расположены диоды Шоттки. При этом часть диодов расположена на эпитаксиальной поверхности с исходной концентрацией носителей и регистрирует ультрафиолетовое излучение, а вторая часть расположена на поверхности с повышенной приповерхностной концентрацией носителей заряда и регистрирует инфракрасное излучение.

Изобретение предназначено для работы в двух спектральных диапазонах: ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном (ИК), и является двухспектральным фотоприемным устройством, работающим как пороговый фотоприемник в ближнем УФ спектральном диапазоне (чувствительность обеспечивается за счет собственного поглощения), а в среднем ИК спектральном диапазоне, работающим как обнаружитель мощных оптических сигналов (чувствительность обеспечивается за счет поглощения на свободных носителях заряда и разделении «горячих» носителей на барьере Шоттки с более низкой высотой барьера).

В настоящее время одним из основных направлений совершенствования оптико-электронных систем является использование многоспектральных фоточувствительных устройств, чувствительных в нескольких диапазонах спектра. Такие устройства значительно повышают информативность и достоверность систем. Подходящим материалом для создания современного оптико-электронного устройства с использованием многоспектрального фоточувствительного элемента является фосфид галлия (GaP). Выбор материала GaP в качестве основного для ФПУ обусловлен тем, что приемники на его основе обеспечивают высокую чувствительность в УФ диапазоне спектра и достаточную чувствительность в среднем ИК диапазоне спектра.

Известен мультиспектральный планарный фотодиод для детектирования излучения ИК-области спектра [US 006034407 A, H01L 31/00, опубл. 07.03.2000 г.]. Мультиспектральный фотодиод обеспечивает детектирование ИК-излучения в двух спектральных диапазонах. Матрица фоточувствительных элементов содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой первого типа проводимости, коротковолновый рабочий фоточувствительный слой, барьерный слой первого типа проводимости, длинноволновый рабочий фоточувствительный слой первого типа проводимости, верхний слой первого типа проводимости. При этом контакты всех фоточувствительных элементов матрицы расположены в одной плоскости. Это достигается за счет того, что контакты к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою матрицы за счет вытравливания областей в длинноволновом фоточувствительном слое.

Известно многоспектральное фотоприемное устройство [US 007217982 В2, H01L 29/72, опубл. 15.05.2007 г.], содержащее матрицу фоточувствительных элементов с контактами, состыкованными с контактами интегральной схемы считывания. Матрица фоточувствительных элементов содержит коротковолновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 3-8 мкм и длинноволновый рабочий фоточувствительный слой для поглощения диапазона спектра 7-14 мкм и соответствующие фоточувствительные элементы. Контакты матрицы фоточувствительных элементов и контакты интегральной схемы считывания выполнены в виде индиевых столбиков. Столбики к фоточувствительным элементам коротковолнового диапазона спектра подводятся к коротковолновому рабочему фоточувствительному слою за счет вытравливания областей в длинноволновом рабочем фоточувствительном слое, что обеспечивает расположение всех контактов матрицы в одной плоскости.

Известное многоспектральное фотоприемное устройство [патент RU 2426196, H01L 27/146], принятое в качестве прототипа, содержит матрицу фоточувствительных элементов с рабочим фоточувствительным слоем для регистрации ИК (3-5 мкм) диапазона и рабочим фоточувствительным слоем для регистрации ИК (8-12 мкм) диапазона. Матрица фоточувствительных элементов состоит из трех разновысоких областей - центральной и двух периферийных. При этом высота центральной области определена высотой рабочего фоточувствительного слоя регистрирующим ИК (3-5 мкм), а высота двух периферийных областей определена суммарной высотой фоточувствительного слоя регистрирующим ИК (3-5 мкм) и высотой фоточувствительного слоя регистрирующего ИК (8-12 мкм). Выполнение матрицы фоточувствительных элементов в виде трех разновысоких областей обеспечивает симметричность ее конструкции.

Аналоги и прототип предназначены только для регистрации ИК излучения, что ограничивает возможности их применения.

Эти устройства предназначены для регистрации излучений ИК диапазонов спектра.

Задачей предлагаемого изобретения является создание двухспектрального фотоприемного устройства для оптико-электронных систем, целью которого является регистрация объекта по ультрафиолетовому и инфракрасному спектру излучения.

Технический результат достигается тем, что двухспектральное фоточувствительное устройство, включающее фоточувствительные элементы для двух различных диапазонов спектра, содержит подложку GaP с концентрацией носителей n=10²¹ см^-3, эпитаксиальный слой GaP с концентрацией носителей n=10¹⁶ см^-3, область с повышенной приповерхностной концентрацией носителей n=10¹⁹ см^-3, к эпитаксиальному слою и области с повышенной приповерхностной концентрацией формируются барьеры Шоттки напылением Аu для регистрации УФ излучения и ИК излучение соответственно.

Двухспектральное фотоприемное устройство содержит кристалл с фоточувствительными элементами, исполненными на основе барьера Шоттки с рабочими длинами волн УФ и ИК диапазонов спектра. Кристалл с фоточувствительными элементами состоит из подложки фосфида галлия (концентрация 10²¹ см^-3), на которой выращен эпитаксиальный слой фосфида галлия (концентрация 10¹⁶ см^-3), на эпитаксиальном слое формируется область с повышенной приповерхностной концентрации (концентрация 10¹⁹ см^-3). К каждой из этих областей эпитаксиального слоя формируются диоды Шоттки (Au-GaP), к обратной стороне кристалла создается омический контакт (AuGe-GaP), в качестве контакта используется Аu, к диодам Шотки, и Аu с подслоем Ti, к омическому контакту.

Формирование диодов Шоттки к областям с разной концентрацией позволяет независимо регистрировать излучения двух разных спектральных диапазонов.

Изобретение поясняется рисунком на фиг. 1. Структура двухспектрального фоточувствительного элемента на основе барьера Шоттки Au-GaP.

Кристалл с фоточувствительными элементами в виде фотодиодов Шоттки изготовлен как однослойная эпитаксиальная структура на основе двухкомпонентного полупроводникового соединения GaP. Кристалл с фоточувствительными элементами содержит:

1 - подложку монокристаллического GaP (n⁺⁺=10²¹ см^-3);

2 - эпитаксиальный слой GaP (n=10¹⁶ см^-3);

3 - приповерхностный слой с повышенной концентрацией (n⁺=10¹⁹ см^-3), повышенная концентрация носителей в котором позволяет снизить барьер Шоттки (Au-GaP) с 1,3 В до 0,3 В, что в свою очередь позволяет регистрировать излучение среднего ИК диапазона;

4 - омический контакт AuGe;

5 - барьерное Аи толщиной 100 , позволяющее излучению УФ диапазона проникать и поглощаться в объеме полупроводника, контактная металлизация Аu к барьеру толщиной 3000 , что упрощает дальнейшую распайку;

6 - контактную металлизацию TiAu к омическому контакту.

Два вида фоточувствительных элементов на основе барьера Шоттки Au-GaP одного типа проводимости фоточувствительны в двух разных диапазонах: УФ и в среднем ИК.

Процесс формирования фотодиодов Шоттки для двух разных диапазонов происходит в едином технологическом процессе, что упрощает технологию изготовления.

Устройство отличается от прототипа тем, что регистрирует УФ излучение и среднее ИК излучение, тогда как прототип регистрирует излучения ИК, среднего и дальнего диапазона, регистрация излучения среднего ИК достигается тем, что в исходном материале в приповерхностном слое, в определенной области увеличиваем концентрацию носителей, тогда как в прототипе аналогичный слой формируется во время эпитаксиального выращивания.

Преимущества предложенного способа изготовления устройства в том, что он позволяет повысить возможности оптико-электронного устройства, не изменяя его геометрию, что не увеличивает затраты на изготовление корпуса этого устройства.

Двухспектральное фоточувствительное устройство, включающее фоточувствительные элементы для двух различных диапазонов спектра, отличающееся тем, что содержит подложку GaP с концентрацией носителей n=10²¹ см^-3, эпитаксиальный слой GaP с концентрацией носителей n=10¹⁶ см^-3, область с повышенной приповерхностной концентрацией носителей n=10¹⁹ см^-3, сформированные на эпитаксиальном слое и на области с повышенной приповерхностной концентрацией барьеры Шоттки, напылением Аu для регистрации УФ излучения и ИК излучения соответственно.

Похожие патенты:

Многоэлементный фотоприемник // 2703497

Многоэлементный фотоприемник с тонкой фоточувствительной базой, включающий матрицу фоточувствительных элементов из одного из полупроводниковых материалов CdxHg1-xTe, InSb, InGaAs, QWIP, соединенную со схемой считывания индиевыми микроконтактами, с антиотражающим покрытием, обеспечивающим минимальное отражение в спектральном диапазоне чувствительности фотодиодов, отличающийся тем, что антиотражающее покрытие создают с уменьшенными механическими напряжениями последовательным вакуумным напылением кремния методом электронно-лучевого испарения со скоростью осаждения 0,08 нм/с и слоя фторида иттрия методом резистивного испарения со скоростью осаждения 0,7 нм/с.

Изгибание датчика изображений с использованием растяжения // 2700283

Изобретение может быть использовано в оптических системах, которые обычно используются во многих устройствах, таких как фотоаппараты, телескопы, бинокли, офисное оборудование и научная аппаратура.

Изгибание датчика изображений с использованием растяжения // 2700283

Пиксел с переменным разрешением // 2699313

Изобретение относится к области получения изображений и касается фотодатчика. Фотодатчик имеет множество светочувствительных пикселов, сформированных на подложке.

Пиксел с переменным разрешением // 2699313

Детектор субтерагерцового излучения на основе графена // 2697568

Изобретение относится к области детекторов электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот с использованием нелинейного плазменного отклика двумерной электронной системы.

Твердотельное устройство формирования изображений, система формирования изображений и перемещаемый объект // 2688958

Твердотельное устройство формирования изображений включает в себя множество пикселей, включающих в себя узел фотоэлектрического преобразования, первый удерживающий участок, удерживающий заряды, переносимые из узла фотоэлектрического преобразования, второй удерживающий участок, удерживающий заряды, переносимые из первого удерживающего участка, и усилительный узел, выводящий сигнал на основе зарядов во втором удерживающем участке.

Устройство считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения (варианты) // 2688953

Использование: для обработки оптической информации. Сущность изобретения заключается в том, что устройство считывания сигналов с фотоприемной матрицы инфракрасного излучения содержит входную ячейку с емкостным трансимпедансным усилителем с инвертирующим и неинвертирующим входами, выполненным на основе операционного усилителя с включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи накопительным конденсатором, столбцовую шину, столбцовый зарядочувствительный усилитель со вторым операционным усилителем и включенным параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатором, дополнительно содержит вторую столбцовую шину, при этом одна столбцовая шина реализована в виде сигнальной столбцовой шины, а вторая столбцовая шина реализована в виде опорной столбцовой шины, емкостный трансимпедансный усилитель выполнен также с входом включения, в составе входной ячейки также выполнены транзистор начала интегрирования, транзистор сброса, первый и второй адресные транзисторы, транзистор начала интегрирования соединен своим истоком с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя, и первой обкладкой накопительного конденсатора, своим стоком транзистор начала интегрирования соединен с катодом фотодиода, затвор транзистора начала интегрирования соединен с входом включения емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся входом включения операционного усилителя, при этом указанные затвор и вход выполнены с возможностью подачи на них управляющего сигнала начала интегрирования, транзистор сброса своим стоком соединен с истоком транзистора начала интегрирования и первой обкладкой накопительного конденсатора, истоком транзистор сброса соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя, и второй обкладкой накопительного конденсатора, затвор транзистора сброса выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса входной ячейки, первый адресный транзистор своим стоком соединен с инвертирующим входом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся инвертирующим входом операционного усилителя, первой обкладкой накопительного конденсатора, истоком транзистора начала интегрирования, стоком транзистора сброса, исток первого адресного транзистора соединен с сигнальной столбцовой шиной, затвор первого адресного транзистора соединен с затвором второго адресного транзистора, причем затворы первого и второго адресного транзисторов выполнены с возможностью подачи на них сигнала считывания, второй адресный транзистор своим стоком соединен с выходом емкостного трансимпедансного усилителя, являющимся выходом операционного усилителя, со второй обкладкой накопительного конденсатора, с истоком транзистора сброса, а исток второго адресного транзистора соединен с опорной столбцовой шиной, неинвертирующий вход емкостного трансимпедансного усилителя, являющийся неинвертирующим входом операционного усилителя, выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, в составе столбцового зарядочувствительного усилителя выполнен второй транзистор сброса, при этом столбцовый зарядочувствительный усилитель выполнен с инвертирующим и неинвертирующим входами, являющимися соответственно инвертирующим и неинвертирующим входами второго операционного усилителя, неинвертирующий вход столбцового зарядочувствительного усилителя соединен с опорной столбцовой шиной, выполненной с возможностью подачи на нее опорного напряжения, инвертирующий вход столбцового зарядочувствительного усилителя соединен с первой обкладкой включенного параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, с сигнальной столбцовой шиной, со стоком второго транзистора сброса, исток второго транзистора сброса соединен со второй обкладкой включенного параллельно в цепь отрицательной обратной связи конденсатора, выполненного в виде линейного конденсатора с дискретным набором значений емкости, с выходом столбцового зарядочувствительного усилителя, являющегося выходом второго операционного усилителя, а затвор второго транзистора сброса выполнен с возможностью подачи на него сигнала сброса столбцового зарядочувствительного усилителя.

Модульная asic детектора визуализации // 2686867

Использование: для обнаружения излучения. Сущность изобретения заключается в том, что детекторная матрица системы визуализации включает в себя плиточный детектор, плиточный детектор включает в себя матрицу фотодатчиков, включающую в себя множество фоточувствительных пикселов, плиточный детектор дополнительно включает в себя матрицу сцинтилляторов, оптически связанную с матрицей фотодатчиков, плиточный детектор дополнительно включает в себя слой электронных схем или ASIC на подложке, который электрически соединен с матрицей фотодатчиков, слой электронных схем включает в себя множество отдельных и разделяемых областей обработки, при этом каждая область обработки включает в себя предварительно определенное число каналов, соответствующее подмножеству из множества пикселов фотодатчиков, области обработки находятся в электрическом соединении друг с другом, каждая область обработки включает в себя свои собственные электрические цепи опорного напряжения и напряжения смещения.

Оптически-управляемый ключ миллиметрового диапазона // 2685768

Настоящее изобретение относится к радиотехнике. Оптически-управляемый ключ содержит: управляющий источник света, фотопроводящий полупроводниковый элемент и линию копланарного волновода, причем управляющий источник света выполнен с возможностью облучения фотопроводящего полупроводникового элемента, линия копланарного волновода состоит из заземляющих участков и центрального проводника, конечные точки которого предназначены для соединения с линией передачи сигнала, причем заземляющие участки расположены с двух сторон в боковом направлении относительно центрального проводника и отделены от него материалом фотопроводящего полупроводникового элемента, причем фотопроводящий полупроводниковый элемент имеет по меньшей мере два состояния: состояние диэлектрика с малой электрической проводимостью (выключенное состояние) при отсутствии управляющего светового потока и состояние проводника с относительно высокой электрической проводимостью (включенное состояние) при наличии управляющего светового потока.