Лавинный фотоприемник с расширенным спектральным диапазоном регистрации оптического излучения

Лавинный фотоприемник с расширенным спектральным диапазоном регистрации оптического излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к полупроводниковым приемникам, предназначенным для регистрации излучений и заряженных частиц.

Известен полупроводниковый фотоприемник по патенту RU, 1634065, кл. H01L 31/06, 1994 г. с повышенной фоточувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, в который введен дополнительный слой диэлектрика с конечной шириной запрещенной зоны. Это относится к определенному типу фотоприемников. В лавинном фотоприемнике повышение чувствительности прибора в коротковолновой области спектра возможно либо за счет увеличения количества носителей тока, генерируемых падающими фотонами этой области спектра, попадающих в область усиления, либо за счет уменьшения ограничивающих чувствительность темновых токов.

Известен лавинный фотоприемник по патенту RU, 2185689, кл. H01L 31/06, 2002 г. Из описания к патенту следует, что малый темновой ток обеспечивают малым объемом полупроводника, генерирующего ток под действием падающих на него фотонов. Уменьшение толщины активного слоя полупроводника и приближение его к поверхности прибора может существенно минимизировать темновые токи и повысить чувствительность фотоприемника в области коротковолнового оптического излучения, однако выполнение активного слоя малой толщины затруднено технологически. К тому же это приводит к значительному падению чувствительности фотоприемника в длинноволновой области спектра.

Известен лавинный фотоприемник по JP 6305077 A, кл. Н01L 31/10, 1998 г., содержащий полупроводниковый слой, р-n-переход и люминесцентный преобразователь, предназначенный для расширения спектрального диапазона чувствительности фотоприемника и выполненный в виде люминесцентной (флуоресцентной) пленки, локализованной в области р-n-перехода. Как следует из описания фотоприемника, его чувствительность может регулироваться изменением толщины упомянутой пленки. Однако при этом чувствительность в целом теряется за счет потерь при преобразовании, обусловленных структурой и свойствами люминесцентного материала, в частности его изотропностью.

Настоящее изобретение решает задачу повышения эффективности преобразования спектрального состава падающего без значимых потерь чувствительности фотоприемника путем снижения потерь, вызванных особенностями структуры люминесцентных слоев преобразователя.

Задача решается тем, что в лавинном фотоприемнике, включающем полупроводниковый слой, содержащий р-n переход, и преобразователь спектрального состава падающего излучения в виде люминесцентного слоя между преобразователем спектрального состава падающего излучения и полупроводниковым слоем выполнен слой оптически прозрачного материала с высоким коэффициентом преломления. Люминесцентный слой выполнен композиционным на основе оптически прозрачного полимера с включением одной или более переизлучающих (то есть поглощающих излучение одной области спектра и испускающих излучение другой области спектра) добавок для смещения спектра падающего излучения в область максимальной чувствительности фотоприемника. На поверхность преобразователя спектрального состава падающего излучения может быть также нанесен оптически прозрачный защитный слой.

Дополнительный слой материала с высоким коэффициентом преломления уменьшает потери при преобразовании, обусловленные изотропностью люминофоров. Композиционный слой обеспечивает эффективное преобразование энергии, поглощаемой одной из компонент слоя, в энергию возбуждения другой компоненты. Он может быть выполнен на основе оптически прозрачного вещества, например, полимера с включенной в его состав переизлучающей добавкой в виде люминофора, поглощающего свет сине-фиолетовой области спектра (от 200 нм до 480 нм) и излучающего в зеленой области спектра (от 450 нм до 600 нм), где фотоприемник обладает высокой чувствительностью. Более предпочтительным с точки зрения эффективности преобразования и степени расширения диапазона спектральной чувствительности является использование нескольких добавок, последовательно смещающих спектр из коротковолновой области в область наиболее высокой чувствительности фотоприемника (от 550 нм до 700 нм). Полимером может служить, например этилен, а добавками - комплексные соединения нитрата европия и металлов лантаноидного ряда в виде частиц изоморфных кристаллов, либо фторогерманатные соединения с дополнительными включениями люминофоров на основе галофосфата кальция, активированного сурьмой и марганцем, способные в совокупности обеспечить эффективность трансформации излучения до 90%. Могут быть использованы и другие люминесцентные добавки, характеристики поглощения и излучения которых отвечают необходимым требованиям («Полимерные пленочные материалы» /Под ред. В.Е.Гуля, М.: Химия, 1976, с.103-105; «Высокомолекулярные соединения», сер. Б, т.37, 1995 г., с.523-527).

Изобретение поясняется описанием примера выполнения фотоприемника и приложенными к нему графическими материалами. На фиг.1 представлен разрез фотоприемника; на фиг.2 - зависимость квантовой эффективности фотоприемника от длины волны падающего излучения с введенным в его состав преобразователем (сплошная линия) и без него (пунктирная линия); на фиг.3 и 4 - спектры поглощения (кривые 1 и 3) и излучения (кривые 2 и 4) первой и второй люминесцентных добавок соответственно, использованных при создании композиционного слоя.

Фотоприемник содержит диэлектрическую подложку 1, расположенный на подложке полупроводниковый слой 2, например р-типа проводимости, содержащий область 3 с повышенной, например n+, концентрацией носителей, при этом слой 2 и область 3 образуют р-n-переход, и электрод 4. Люминесцентный преобразователь спектра 5 расположен поверх полупроводникового слоя и выполнен в виде композиционного слоя, основой которого является полимер с внесенными в него первой и второй люминесцентными добавками. В качестве добавок использованы люминофоры с характеристиками поглощения и излучения, приведенными на фиг.3 и 4. Один из люминофоров переизлучает свет из сине-ультрафиолетовой области в зеленую (фиг.3), второй - из зеленой в красную (фиг.4). Оптимальная толщина композиционного слоя составляет 10-50 мкм. Между полупроводниковым слоем 2 и преобразователем 5 выполнен слой 6 оптически прозрачного материала с высоким коэффициентом преломления, например диэлектрика, позволяющий уменьшить потери, обусловленные изотропностью люминесцентного слоя. С целью упрощения технологического процесса изготовления фотоприемника упомянутый оптически прозрачный материал с высоким коэффициентом преломления может быть использован в качестве основы при создании композиционного слоя. На поверхность преобразователя может быть нанесен оптически прозрачный защитный слой 7.

Лавинный фотоприемник работает следующим образом.

К полевому электроду прикладываются напряжение, необходимое для создания в полупроводниковом слое, содержащем р-n-переход, области пространственного заряда (ОПЗ) с напряженностью поля, достаточной для лавинного усиления носителей тока, генерированных под действием фотонов, проникающих в полупроводниковый слой. Излучение, падающее на фотоприемник, претерпевает в преобразователе изменение спектрального состава. Излученные в направлении поверхности полупроводникового слоя фотоны преобразованного спектра, поглощаются ОПЗ, генерируют носители тока, которые лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока. Таким образом, преобразованием энергии фотонов коротковолновой части спектра в энергию фотонов той части спектра, где чувствительность фотоприемника наиболее высока, увеличивают количество носителей, попавших в область усиления тока, тем самым улучшают чувствительность фотоприемника в коротковолновой области спектра в несколько раз без потерь чувствительности в остальной части спектра падающего излучения, что подтверждается экспериментально определенными зависимостями квантовой эффективности фотоприемника от длины волны, представленными на фиг.2.

Фотоприемник по настоящему изобретению может быть использован для регистрации излучения в широком диапазоне спектра, в том числе в области глубокого ультрафиолета.

1. Лавинный фотоприемник, включающий полупроводниковый слой, содержащий р-n переход и преобразователь спектрального состава падающего излучения в виде люминесцентного слоя, отличающийся тем, что между преобразователем спектрального состава падающего излучения и полупроводниковым слоем выполнен слой оптически прозрачного материала с высоким коэффициентом преломления.

2. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что люминесцентный слой выполнен композиционным на основе оптически прозрачного полимера с включением одной или более переизлучающих добавок для смещения спектра падающего излучения в область максимальной чувствительности фотоприемника.

3. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что на поверхность преобразователя спектрального состава падающего излучения нанесен оптически прозрачный защитный слой.