CC BY
574
УДК 621.385.5
СЕЛЕКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ
В.В.Гаврушко, В.А.Ласткин
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Представлены результаты исследований кремниевых фотоприемников с селективной чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра. Показано, что по технико-экономическим показателям разработанные кремниевые фотодиоды в сравнении с фотоприемниками на основе широкозонных материалов являются более перспективными для использования в ближней ультроафиолетовой области спектра.
Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, фотоприемник, ионно-легированный фотодиод, селективная чувствительность, фильтр
The research data on silicon photodetectors with the selective sensitivity in the ultra-violet spectral range are presented in this article. It is shown that according to the technical-and-economic indexes the developed UV silicon photodiodes in comparison with photodetectors on the basis of wide-band materials are more perspective for using in near UV spectral ranges.
Keywords: ultra-violet rays, photodetector, ion-alloyed photodiode, selective sensitivity, filter
Введение
За последние годы в оптоэлектронике проявляется большой интерес к освоению ультрафиолетового (УФ) диапазона [1-8]. Это связано с потенциальными возможностями этого диапазона, позволяющими улучшить эксплуатационные характеристики систем, упростить их конструкцию и существенно снизить стоимость. Реализация новых технических решений в большой степени определяется возможностями основных элементов оптоэлектронных систем — фотоприемных устройств.
Датчики ультрафиолетового излучения находят сегодня самое широкое применение, как в мирных (пожарные датчики обнаружения пламени, охранные комплексы, диагностика плазмы, обнаружение коронных разрядов на линиях электропередачи энергии, мониторинг реактивных двигателей, зондирование атмосферы и т. д.), так и в военных целях (обнаружение факела двигателей стартующих ракет, слежение за воздушными целями, закрытая связь между искусственными спутниками).
Во многих случаях желательно, чтобы датчик имел высокую чувствительность в УФ диапазоне и низкую в других областях оптического спектра. Например, воздушная цель при работающих двигате-
лях оставляет за собой нагретый след в сотни метров. Если система обнаружения или наведения будет чувствительна в широкой области спектра, включая видимую и инфракрасную (ИК), то определение координат цели с высокой точностью станет невозможным. Однако если ограничить диапазон чувствительности УФ излучением, то можно будет зафиксировать только самые горячие газы, вырывающиеся из хвоста двигателя, или, например, обнаружить сам объект по его тени на фоне дневного неба. Определение координат объекта в этом случае станет намного более точным. Другой пример: использование нескольких оптических каналов, включая ультрафиолетовый, в датчиках противопожарных систем позволит существенным образом повысить их надежность и исключить ложные срабатывания, поскольку дает возможность отличить излучение пламени от солнечных бликов или излучения просто нагретых объектов.
Подавление чувствительности в видимой области может быть достигнуто при использовании широкозонных твердотельных фотодетекторов или вакуумных фотоэлементов. Вакуумные приборы отличаются большими размерами, невысокой надежностью и сравнительно дороги, что ограничивает их применение в современной электронике. Имеющийся в настоящее
время набор известных полупроводников с широкой запрещенной зоной позволяет принципиально реализовать любые технические требования. Однако технология широкозонных материалов и приборов часто вызывает значительные проблемы, оказывается чрезвычайно затратной, особенно когда речь идет о приемниках с большой чувствительной площадкой. Несомненно, среди прочих наибольший практический интерес могли бы представлять кремниевые фотоприемники. Кремний технологичен, имеет низкую стоимость, хорошо освоен промышленностью, и фотоприемники на основе кремния хорошо зарекомендовали себя в оптоэлектронике. Вместе с тем классические кремниевые фотоприемники отличаются высокой чувствительностью в широком спектральном диапазоне, включая видимый и ближний инфракрасный.
Подавить видимое излучение можно разными способами. Один из них — использовать светофильтры. Во втором случае можно пойти по пути формирования структуры прибора, слабочувствительной к видимой области спектра. В настоящей работе рассматриваются оба способа реализации селективного фотоприемника.
Выбор структуры
При выборе структуры и технологии фотоприемника прежде всего надо выполнить требование высокой чувствительности в УФ области. На рис.1 представлены типовые спектральные характеристики кремниевых фотодиодов с высокой чувствительностью в УФ области, полученные для инверсионного и мелкозалегающего ионнолегированного кремниевого приборов [9].
Длина волны, нм
Рис.1. Спектральные характеристики ионно-легированного (1) и инверсионного (2) фотодиодов
Видно, что чувствительность ионно-легированного фотодиода в ультрафиолетовой области практически совпадает с чувствительностью инверсионного фотодиода. Учитывая, что спектральная чувствительность фотодиода, полученного по инверсионной технологии, близка к предельно достижимой [10], можно говорить о высокой квантовой эффективности ионнолегированных фотодиодов в коротковолновой области. Последнее обстоятельство связано с наличием сильного электрического поля у поверхности прибора, созданного предельно резким концентрационным профилем. Несмотря на схожесть спектральных характеристик, мы отдали предпочтение фотодиодам, полученным с использова-
нием технологии ионного легирования, поскольку они обладают лучшей временной стабильностью и характеризуются значительно более широким диапазоном линейности световой характеристики.
Следует отметить у таких фотоприемников высокую чувствительность помимо УФ области также в видимом и ближнем ИК диапазонах. Высокая чувствительность в длинноволновой области связана с большой протяженностью области собирания фотоносителей из подложки, которая по нашим измерениям для базового материала марки КДБ-10 составила 27 мкм. Опыт показал, что значительное увеличение концентрации примеси подложки с 1015 до 1017 см-3 и связанное с этим снижение диффузионной длины неосновных носителей заряда до 7 мкм не привели к существенному падению длинноволновой чувствительности.
Эффективным способом уменьшения области собирания носителей является создание в структуре фотодиода тормозящего электрического поля для неосновных носителей, движущихся из подложки к p-n-переходу. Для этого перед имплантацией мышьяка можно создать приповерхностную область с неоднородным распределением акцепторов [11]. На рис.2 приведена спектральная характеристика ионнолегированного фотодиода с тормозящим электрическим полем. Для сравнения здесь же показана спектральная характеристика инверсионного фотодиода. Видно, что фотодиоды с неоднородно легированной базой обладают значительно меньшей чувствительностью в видимом и ИК диапазонах по сравнению с инверсионным фотоприемником. Так, на длине волны 950 нм было достигнуто уменьшение чувствительности в 40 раз, а эффективная диффузионная длина неосновных носителей сократилась до 0,6 мкм. При этом чувствительность фотодиода в ультрафиолетовой области практически сохранилась на таком же высоком уровне.
Длина волны, нм
Рис.2. Спектральные характеристики ионно-легированного фотодиода с тормозящим полем (1) и инверсионного фотодиода (2)
По-видимому, полученные результаты являются близкими к предельно достижимым для имеющихся у нас технологических возможностей и выбранной структуры фотоприемника. Дальнейшее снижение чувствительности в видимой области можно осуществить используя оптические фильтры.
Использование оптических фильтров
Известно, что добиться селективного пропускания света в УФ области можно с использованием тонких поверхностных слоев металла [12]. С целью проверки эффективности такого способа формирования спектральной чувствительности мы изготовили широкодиапазонные фотоприемники и нанесли тонкие слои двух металлов — алюминия и серебра. На рис.3 приведена спектральная характеристика после напыления слоя алюминия толщиной 20 нм. Как видно из полученной зависимости, пленка металла действительно обнаруживала область селективного пропускания УФ излучения при X < 300 нм. Однако при этом наблюдался дополнительный пик в видимой области с максимумом в районе 500 нм. Последнее обстоятельство делает использование пленки алюминия нецелесообразным.
Еще один способ формирования спектра чувствительности связан с использованием внешних фильтров, которые могут быть встроены в корпус прибора или нанесены непосредственно на освещаемую поверхность фотоприемника. Возможно применение как интерференционных [8], так и абсорбционных фильтров. На рис.5 представлена спектральная зависимость внутреннего квантового выхода широкодиапазонного фотоприемника с использованием внешнего фильтра из увиолевого стекла толщиной 4 мм. Здесь же для сравнения приведены характеристики классического инверсионного фотодиода и фотодиода с тормозящим полем. Как следует из полученных данных, чувствительность у фотодиода с фильтром наблюдалась только в УФ диапазоне от 300 до 400 нм, что делает такой приемник наиболее привлекательным в качестве солнечно-слепого. Естественно, что использование светофильтра привело к некоторой потере чувствительности фотоприемника, примерно на 40%.
Длина волны, нм
Длина волны,нм
Рис.3. Спектральная характеристика широкодиапазонного фотоприемника, покрытого пленкой алюминия толщиной 20 нм
Более интересные для практики результаты были получены при использовании поверхностных пленок серебра (рис.4). Здесь наблюдается пик чувствительности в области 300-350 нм и ослабление сигнала на порядок в видимой и ИК областях спектра. Следует отметить, что этому методу свойственен ряд ограничений, связанных с вполне определенным положением области пропускания и снижением чувствительности в максимуме спектральной характеристики. Кроме того, целесообразно провести исследование временной стабильности оптических характеристик тонкого слоя серебра.
зс
а
а
І
Ф
С
0 *
1 ф і
0
о
н
1
1,2
0,6
0,4
0,2
0
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Длина волны, нм
Рис.4. Спектральная характеристика широкодиапазонного фотоприемника, покрытого пленкой серебра толщиной 40 нм
Рис.5. Спектральные характеристики внутреннего квантового выхода широкодиапазонного фотодиода с фильтром из увио-левого стекла (1), фотодиода с тормозящим полем (2) и широкодиапазонного инверсного фотодиода (3)
Выводы
Возможна комбинация представленных здесь разных методов реализации селекции спектральной характеристики, что позволит добиться более глубокого подавления чувствительности в нежелательных областях спектра.
Высокая избирательность предлагаемых фотодиодов к ультрафиолетовой области спектра в сочетании с недорогой технологией производства кремниевых приборов делает их перспективными для практического использования в массовых оптоэлектронных устройствах.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, проект 2.1.2/11324.
Колежук К.В., Комащенко В.Н., Шереметова Г.И. Кор-жинский Ф.И., Чмиль В.М. Новое поколение фотоприемников ультрафиолетового излучения // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2003. №3. С.51-52.
Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А., Калинина Е.В., Константинов О.В., Поссе Е.А. Фотоприемники ультрафиолетового излучения на основе структур металл — широкозонный полупроводник // Физика и техника полупроводников. 2003. Т.37. Вып.8. С.968-973.
3. Алтухов А.А., Митягин А.Ю., Клочкова А.М., Орлова 2.
Г. А. Алмазные многоэлементные фотоприемные устройства // Новые компоненты для электронной аппаратуры.
2008. №3. С.3-6.
4. Айнбунд М.Р., Васильев Е.Г., Вилькин Е.Г. и др. Новые
фотокатоды УФ- и ИК-диапазонов для перспективных 3.
фотоприемных устройств // Прикладная физика. 2006.
№4. С.97-100.
5. Алтухов А.А., Ерёмин В.В., Киреев В.А., Митенкин А.В.
Ультрафиолетовый фотоприемник для спектрального 4.
диапазона 0,19—0,28 мкм на природном алмазе типа 2а // Прикладная оптика. 2006. №2. С.66-72.
6. Добровольский Ю.Г., Рюхин В.В., Шимановский А.Б. 5.
Кремниевые р-я-фотодиоды для ближней ультрафиолетовой области спектра // Компоненты для электронной аппаратуры. 2001. №4-5. С.44-46.
7. Katrunov K., Starzhinskiy N., Grinyov B., Galchinetskii L., 6.
Bendeberya G., Bondarenco E. Schottky structure nZnSe(O,Te)/Ni as candidates for selective ultraviolet detectors // Functional Materials. 2008. V.15. №3. Р.364-367.
8. Popovic R.S., Solt K., Falk U. and Stoessel Z. A Silicon Ultravio- 7.
let Detector // Sensors and actuators. 1990. A21-A23. Р.553-558.
9. 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. 8.
10. Hansen T.E. Silicon UV-Photodiodes Using Natural Inversion Layers // Physica Scripta. 1978. V.18. Р.471-475.
11. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Ласткин В.А. Усовершенст- 9.
вованный кремниевый УФ фотодиод, получаемый имплантацией мышьяка // Электроника: наука, технология,
бизнес. 2010. №2. С.72-73. 10.
12. Baertsh R.D. and Richardson J.R. An Ag-GaAs Schottky barrier Ultraviolet Detector // Appl. Phys. 1969. V.40. Р.229-235. 11.
Bibliography (Translitirated)
1. Kolezhuk K.V., Komashhenko V.N., Sheremetova G.I.
Korzhinskijj F.I., Chmil' V.M. Novoe pokolenie fotopriem- 12.
nikov ul'trafioletovogo izluchenija // Tekhnologija i kon-struirovanie v ehlektronnojj apparature. 2003. №3. S.51-52.
Blank T.V., Gol'dberg Ju.A., Kalinina E.V., Konstantinov O.V., Posse E.A. Fotopriemniki ul'trafioletovogo izluchenija na osnove Struktur metall — shirokozonnyjj poluprovodnik // Fizika i tekhnika poluprovodnikov. 2003. T.37. Vyp.8. S.968-973.
Altukhov A.A., Mitjagin A.Ju., Klochkova A.M., Orlova G.A. Almaznye mnogoehlementnye fotopriemnye ustrojjstva // Novye komponenty dlja ehlektronnojj apparatury. 2008. №3. S.3-6.
Ajjnbund M.R., Vasil'ev E.G., Vil'kin E.G. i dr. Novye foto-katody UF- i IK-diapazonov dlja perspektivnykh fotopriem-nykh ustrojjstv // Prikladnaja fizika. 2006. №4. S.97-100. Altukhov A.A., Erjomin V.V., Kireev V.A., Mitenkin A.V. Ul'trafioletovyjj fotopriemnik dlja spektral'nogo diapazona 0,19-0,28 mkm na prirodnom almaze tipa 2a // Prikladnaja optika. 2006. №2. S.66-72.
Dobrovol'skijj Ju.G., Rjukhin V.V., Shimanovskijj A.B. Kremnievye p-ft-fotodiody dlja blizhnejj ul'trafioletovojj oblasti spektra // Komponenty dlja ehlektronnojj apparatury. 2001. №4-5. S.44-46.
Katrunov K., Starzhinskiy N., Grinyov B., Galchinetskii L., Bendeberya G., Bondarenco E. Schottky structure nZnSe(O,Te)/Ni as candidates for selective ultraviolet detectors // Functional Materials. 2008. V.15. №3. R.364-367. Popovic R.S., Solt K., Falk U. and Stoessel Z. A Silicon Ultraviolet Detector // Sensors and actuators. 1990. A21-A23. P.553-558.
Gavrushko V.V., Ionov A.S., Lastkin V.A. Kremnievye fotopriemniki s vysokojj chuvstvitel'nost'ju k UF izlucheniju // Datchiki i Sistemy. 2009. № 6 (121). S.49-51.
Hansen T.E. Silicon UV-Photodiodes Using Natural Inversion Layers // Physica Scripta. 1978. V.18. R.471-475. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Lastkin V.A. Us-overshenstvovannyjj kremnievyjj UF fotodiod, poluchaemyjj implantaciejj mysh'jaka // Ehlektronika: nauka, tekhnologija, biznes. 2010. №2. S.72-73.
Baertsh R.D. and Richardson J.R. An Ag-GaAs Schottky barrier Ultraviolet Detector // Appl. Phys. 1969. V.40. R.229-235.
