CC BY
17
ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.382.4
О ТОКОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ
НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
В.В.Гаврушко, А.С.Ионов*, О.Р.Кадриев, В.А.Ласткин*
ON CURRENT SENSITIVITY OF DIFFERENTIAL PHOTO RECEIVERS BASED ON SILICON
V.V.Gavrushko, A.C.Ionov*, O.R.Kadriev, V.ALastkin*
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
*ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, [email protected]
Приводятся результаты исследования токовой чувствительности дифференциальных фотоприемников на основе кремния. Фотоприемники имели ярко выраженную коротковолновую спектральную характеристику с максимумом в ультрафиолетовой области. При изменении размеров приемной площадки от 6 до 24 мм2 монохроматическая токовая чувствительность для всех фотоприемников при Amax = 0,36 мкм имела близкое значение около 0,06 А/Вт. Анализ особенностей структуры дифференциальных фотоприемников показал, что полученные значения Si близки к предельно достижимым. Ключевые слова: дифференциальный фотоприемник, кремний, длина волны, токовая чувствительность, размеры фотоприемника
This paper presents the research results on current sensitivity of differential photodetectors based on silicon. The photodetectors had pronounced shortwave spectral characteristic with a maximum in the ultraviolet region. When resizing the receiving area from 6 to 24 mm2, monochromatic current sensitivity for all photodetectors with Amax = 0.36 |jm had similar values about 0.06 A/W. Analysis of the structure of differential photodetectors revealed that the obtained values of Si are close to the maximum achievable ones. Keywords: differential photodetector, silicon, wavelength, current sensitivity, photodetector dimensions
Введение
По сравнению с традиционными фотоприемниками на основе кремния дифференциальные имеют сравнительно узкую спектральную характеристику с ярко выраженным максимумом в ультрафиолетовой области. Они обладают достоинствами, связанными с невысокой стоимостью кремниевой технологии, возможностью в широких пределах изменять размеры фоточувствительных площадок, возможностью получения селективной спектральной характеристики. Известны работы, в которых приводятся описания конструкции, методы изготовления, спектральные характеристики приборов [1-4]. Вместе с тем в литературе нет сведений об одном из важнейших параметров таких фотоприемников, связанных со значением их абсолютной чувствительности. В настоящей работе приводятся результаты исследования абсолютной токовой чувствительности дифференциальных фотоприемников с различными размерами чувствительных площадок.
Структура, конструкция фотоприемников и методика исследований
Размеры приемных площадок фотоприемников задавались путем параллельного включения ряда подобных модулей, собранных в одном корпусе. Каждый модуль представлял собой систему из 16 одинаковых по размеру фотодиодов, разбитых на две груп-
пы, как это показано на рис.1. Технология фотодиодов первой группы обеспечивала высокую чувствительность в широком спектральном интервале [5], а чувствительность фотодиодов второй группы была подавлена в УФ области путем создания центров рекомбинации в приповерхностной области [6,7]. Вместе с тем спектральная чувствительность обоих фотодиодов была практически идентичной в ИК и видимой областях. Чувствительные площадки располагались в шахматном порядке, равномерно заполняя поле зрения фотоприемника.
Рис.1. Топология дифференциального фотоприемника
1
га
ъ
о о Он
(Л
0,8
Й о
Рн
о,б
0,4
0,2
0,2
0,3
0,4
0,8
0,5 0,6 0,7
Рис.2. Спектральная квантовая чувствительность фотодиодов
0,9
При использовании дифференциального усилителя можно было сформировать селективную спектральную чувствительность фотоприемника за счет вычитания сигналов рядом расположенных площадок соседних групп. Пример типичного спектрального распределения квантовой чувствительности дифференциального канала приведен на рис.2.
Измерение токовой чувствительности производилось на заданной длине волны (монохроматическая чувствительность). С этой целью был использован УФ светодиод, спектр излучения которого приведен на рис.3. Пик излучения приходился на 0,36 мкм с полушириной спектра 0,013 мкм, что хорошо согласовалось с максимумом спектральной чувствительности фотоприемника. Значение токовой чувствитель-
ности определялось путем сравнения сигналов исследуемого фотоприемника с известным. Фотоприемники последовательно располагались на одинаковом расстоянии от излучателя, превышающем размеры излучателя в 50-100 раз. В качестве приемника сравнения использовался фотодиод ФДУК-10 [8].
Конструктивно фотоприемник, содержащий один модуль, был смонтирован в стандартном метал-лостеклянном корпусе типа КТ-2, а фотоприемники, содержащие большее число модулей монтировались в плоские корпуса типа КТ-93.
Результаты исследований и их обсуждение
Данные о числе модулей, размерах и числе фоточувствительных площадок, общей площади фото-
0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,4
Л, цт
Рис.3. Спектр излучения светодиода
Данные о приемных площадках и результатах измерений
Тип ФП (корпуса) Число модулей Размер элементарной площадки, мм2 Число площадок Общая площадь фотоприемника, мм2 Величина сигнала (мВ)
ФДУК-10 — 25 1 25 7,75
КТ-2 1 0,24 16 6 0,85
КТ-93 2 0,24 32 12 1,52
КТ-93 3 0,24 48 18 2,35
КТ-93 4 0,24 64 24 3,03
приемников, а также измеренных сигналах, приведены в таблице. При паспортной чувствительности фотоприемника сравнения Si = 0,157 А/Вт полученные зависимости токовой чувствительности от размера приемной площадки приведены на рис.4. Как видно, при увеличении суммарной площади приемных площадок в 4 раза токовая чувствительность имела близкие значения. Обращает на себя внимание повышенное значение Si для одномодульного фотоприемника. Это можно связать с увеличением облученности фотодиодов из-за отражения сигналов от цилиндрических стенок сравнительно глубокого корпуса КТ-2. При плоской конструкции корпуса наблюдались близкие для разного числа модулей значения Si, около 0,06 А/Вт, и эти данные можно использовать для анализа. Близкие значения токовой чувствительности с увеличением размеров приемной площади за счет параллельного включения модулей позволяют в широких пределах увеличивать чувствительность к освещенности, которая пропорциональна площади фотоприемника. Необходимое число модулей может набираться на заключительных операциях сборки приборов, без изменений основных технологических операций. Это является одним из преимуществ таких фотоприемников.
Из полученных результатов видно, что абсолютная чувствительность дифференциальных фотоприемников имела меньшее значение, чем у классических фотоприемников. Поскольку полезный сигнал в рабочей области спектра формировался только одной из каждой пары площадок, то чувствительность дифференциального фотоприемника принципиально должна иметь меньшее значение. Интересно провести сравнение полученных значений с максимально достижимыми для такого типа фотоприемников.
Расчет токовой чувствительности для 100% квантового выхода при X = 0,36 мкм [9] дает значение 0,29 А/Вт. Целесообразно провести оценку полученной нами чувствительности применительно к основному каналу. Если учесть, что площадь чувствительных площадок этого канала составляла 32% от общей площади фотоприемника, а также неизбежное снижение чувствительности из-за вычитания сигналов от вспомогательного канала (в нашем случае это 12%), то расчетное значение Si составит 0,213 А/Вт.
Следует отметить еще одну проблему, связанную с высоким значением коэффициента отражения света, достигающим 57% для полированной поверхности кремния на этой длине волны [10]. С целью снижения потерь на отражение в технологии фото-
0,09 0,08 ■ 0,07 -
>
1 0-04 "
Я
м 0,03 ■— 0,02 ■ 0,01 ■—
о -1-----
О 5 10 15 20 25 30
Photosensitive area, mm2 Рис.4. Зависимость чувствительности фотоприемников от площади приемных площадок
приемников было предусмотрено нанесение просветляющего покрытия из двуокиси кремния толщиной 0,06 мкм. Если учесть, что внутренний квантовый выход может отличаться от единицы, то суммарные потери с учетом отражения составят 26% относительно расчетных значений, что можно считать вполне удовлетворительным результатом.
Таким образом, можно заключить, что измеренные для кремниевых дифференциальных фотоприемников значения Si ~ 0,06 А/Вт близки к предельно достижимым для такого типа приборов. Полезным результатом является опробованная возможность увеличения чувствительности фотоприемников к освещенности за счет параллельного включения однотипных модулей.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках проектной части государственного задания, проект №3.35 72.2017/ПЧ.
1. Yukiko Takiba, Hiroshi Suzunaga. Pat. №7196311B2 US, МКИ H01L 27/15 Semiconductor photosensor.
2. Пат. 8532 U BY, МКИ H01L 27/15 Фотоприемник / В.И. Блынский, С.А. Малышев. Заявл. 29.12.2011. Опубл. 30.08.2012.
3. Гаврушко В.В, Ионов А.С., Кадриев О.Р., Ласткин В.А. Коротковолновый дифференциальный фотоприемник на основе кремния. // Журнал технической физики. 2017. Т.87. Вып. 2. С.310-311.
4. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Кадриев О.Р., Ласткин В.А. Дифференциальный фотоприемник // Тр. 24 Междунар. конф. по фотоэлектронике и приборам ночного видения. М., 2016. С.166-167.
5. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Ласткин В.А. Кремниевые фотоприемники с высокой чувствительностью к УФ излучению // Датчики и системы. 2009. №6 (121). С.49-51.
6. Горшков А.П., Карпович И.А., Павлова Е.Д., Волкова Н.С. Влияние облучения ионами He+ на спектры фоточувствительности гетероструктур с квантовыми ямами и точками In(Ga)As/GaAs // ФТП. 2012. №46 (12). С.1542-1546.
7. Пат. 156627 РФ, МПК H01L 31/068 Кремниевый дифференциальный фотоприемник / В.В.Гаврушко, А.С.Ионов, О.Р.Кадриев и др. Заявл. 05.05.2015. Опубл. 10.11.2015. Бюл. №31.
8. Войцеховский А.В., Кульчицкий Н.А., Мельников А.А.,и др. Фотоприёмники и фотоприемные устройства для спектрального диапазона 0,19...1,1 мкм на фотодиодах из
кремния и твёрдых растворов InGaN // Нано и микросистемная техника. 2012. №6 (143). C.30-40.
9. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. Т.2. С.346.
10. Green M.A., Keevers M.J. Optical properties of intrinsic silicon at 300 K // Progress in Photovoltaics. 1995. Vol.3. №3. P.189-192.
References
1. Yukiko Takiba, Hiroshi Suzunaga. Semiconductor photosensor. Patent US, no. 7196311 (B2), 2007.
2. Blynskii V.I. Malyshev S.A. Fotopriemnik [Photodetector]. Patent BY, no. 8532 U, 2012.
3. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Kadriev O.R., Lastkin V.A. Korotkovolnovyi differentsial'nyi fotopriemnik na osnove kremniia [Silicon-based shortwave differential photodetector]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki - Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2017, v.62, no.2, p.338-340.
4. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Kadriev O.R., Lastkin V.A. Differentsial'nyi fotopriemnik [Differential photodetector]. Trudy 24 Mezhdunarodnoi konferentsii po fotoelektronike i priboram nochnogo videniia [Proc. 24th Int. Scientific and Engineering Conf. on Photoelectronics and Night- Vision Devices]. Moscow, 2016, pp. 166-167. (In Russian).
5. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Lastkin V.A. Kremnievye fotopriemniki s vysokoi chuvstvitel'nost'iu k UF izlucheniiu [Silicon photodetectors with high UV sensitivity]. Datchiki i Sistemy - Sensors and Systems, 2009, no. 6(121), pp. 49-51.
6. Gorshkov AP., Karpovich I.A., Pavlova E.D., Volkova N.S. Vliianie oblucheniia ionami He+ na spektry fotochuvstvitel'nosti geterostruktur s kvantovymi iamami i tochkami In(Ga)As/GaAs [Effect of He+ ion irradiation on the photosensitivity spectra of In(Ga)As/GaAs quantum well and quantum dot heterostructures]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov - Semiconductors, 2012, v. 46, no.12, p.1506-1509.
7. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Kadriev O.R., Lastkin V.A., Sapozhnikov A.A. Kremnievyi differentsial'nyi fotopriemnik [Silicon-based differential photodetector]. Patent RF, no. 156627, 2015.
8. Voitsekhovskii A.V., Kul'chitskii N.A., Mel'nikov A.A., Nesmelov S.N., Dziadukh S.M. Fotopriemniki i fotopriemnye ustroistva dlia spektral'nogodtapazona 0,19...1,1 mkm na fotodiodakh iz kremniia i tverdykh rastvorov InGaN [Photodetectors and photodetector dvices for the spectral range 0.19...1.1 microns on silicon photodiodes and InGaN solid solutions]. Nano- i mikrosistemnaia tekhnika - Nano- and Microsystems Technology, 2012, vol. 6 (143), pp. 30-40.
9. Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices. New York, John Wiley & Sons, 1981. 868 p. (Russ. ed.: Zi S. Fizika poluprovodnikovykh priborov. Vol. 2. Moscow, "Mir" Publ., 1984, p. 346.).
10. Green M.A., Keevers M.J. Optical properties of intrinsic silicon at 300 K. Progress in Photovoltaics, 1995, vol. 3, no.3, pp. 189-192.
