Фотоприемник на видимую область света

 

(19) (И) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3 Н 01 1. 31/00! aaa а а

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3487623/18-25 (22). 03.09.82 (46) 07.11..84. Бюл. 9 41 (72) A.Н.Именков, A.A.Ñòàìêóëoâ и Т.И.Таурбаев (71) казахский ордена трудового

Красного Знамени государственный университет им. C.Ð".Êèðoâà (53) 621.382 (088,8) (56) 1. Патент СИЛ 4034396, кл. 357-.30, опублик. 1977.

2. Алфсров «(.И. и др. Исследование каскадных солнечных элементов в системе Al-ба-As., т. 16, с.982(прОтотип). (54) (57) ФОТОПРИЕМНИК HA ВИДИГ1УЮ

ОБЛАСТЬ СВЕТА .на основе ",.s „А1 Asструктуры, содержащей варизонный узкозонный слой с p -n-переходом с ве.личиной пороговой энергии прямых переходов в области p -n-перехода 1,71,9 эВ, широкозонный слой (х)0,1) с градиентом энергии прямых переходов

7Ео варизонного слоя, направленным. от щирокозонного слоя, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью получения спектра фотоприемника, приближенного к кривой видности гла- за, при сохранении высокой квантовой эффективности, VE удовлетворяет условию о(ос 9 о1 < йЕ8 о и а щирокозонный слой имеет тлощинуЪ, удовлетворяющую условию

Ь «а сЫ,, где g — обратная крутизиа края поглощения в узкозонном слое; . К, - коэффициент поглощения на прямых переходах в узкозонном слое, aEt - интервал ивыененин ыирины ва. g

Я прещенной эоны в Са „A1 As при-изменении Х.от 0 до 1, — диааувионнан длина неосновныв носителей в ынроновон- С ном слое, м,з — коэффициент поглощения на не- Я прямых переходах в широкозонном слое при энергии фотона, равной пороговой энергии прямых переходов.

11230е9

Изобретение относится к преобразователям световой энергии в электрическую, в частности к фотоприемни.Кам, используемым в фотометрировании светового излучения к в кинофототехнике.

Для фотометрии и кинофототехники необходимы .фотоприемники со спектральной характеристикой, приближенной к кривой видности человеческого глаза, т.е. с максимумом.чувствительности на желто-зеленую область

2,1-2,4 эВ с плавным симметричным спаданием чувствительности к краям видимого диапазона и способные Ра-. ботать в широком интервале освещенностей, включая очень малые порядка

10 « -10 лк.

Известен фотоприемник на область . видимого света, выполненный на ос- 20 нове твердых растворов СВАв .t,F> (x=

=-0,32-0,52) или Ga<. Л1„.As (х=0,30,68 ) с Р-п-переходом в твердом растворе. Достоинством фотоприемника является низкий порог чувствительности к слабым световым потокам, обусловленный малым темновым током вследствие большой шкрины запрещенной зоны твердых растворов (1„72,0 ЗВ) И .

Недостатком фотоприемника является резко ассиметричный спектр фоточувтсвительности с крутым низкоэнергетичным и пологим высокоэнергетичным краем и расположение максимума чувствительности в красной области спектра 1,8-1Д9 эВ. Получение спектра Фотоответа, приближенного к кривой видности глаза, путем приближеhHH p -0-перехода к освещаемой по-, верхности неэффективно из-за сниже- 40 ния квантовой чувствительности вследствие большой поверхностной рекомбинации и увеличения темнового тока.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является фотоприемник на видимую область света на Основе Ga<.0,7) и градиентом энергии прямых переходов ч Е, варнзонного слоя, направленным от широкозонного слоя j2) . использование вариэонной структуры и широкозонного слоя на освещаемой поверхности позволяет устранить поверхностную рекомбинацию с указанного слоя и получить высокую фото- 6{) чувствительность, Однако у такого фотоприемника (E<) = 120-130 эВ/си {) ьх) = 1 мол,.

0 мкм), при этом в спектре фототока (фоточувствительноати) наблюдается 65 неизменность фоточувствительности в интервале энергий .фотона h0 = 2,02,3 эВ, т.е. нет лоКализации максимума в спектре и крутизна низкоэнергеткчного склона оказывается существенно больше, чем требуется для фотоприемников видимого диапа- зона. Такая спектральная характеристика получается потому, что при столь малых tV Esf полупроводник ведет себя практически как гомозонный.

Несоответствие спектра фотоответа фотоприемника кривой видности глаза приводит к ошибкам при фотометрированки световых потоков и при экспонировании объектов кинофототехники.

Целью изобретения является получение спектра фотоприемника, приближенного к кривой видимости глаза, при сокращении высокой квантовой эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что в Фотоприемник .на видимую область света на основе Ga,„A1 Asструктуры, содержащей. варизонннй узкозонный слой с p †- n-переходом с ве- личиной пороговой энергии прямых переходов в области р --и-перехода

1,7-1,9 эВ, широкозонный слой (x >

«0,1) с градиентом энергии прямых переходов VE варизонного слоя, направленным от широкозонного слоя, 7Е удовлетворяет условию о уЖ

АŠ— интервал и менения ширины запрещенной эоны в Ga +Al„As при изменении v от 0 до 1, L — диффузионная длина неосновных носителей в широкозонном слое;

Ы,в- коэфФициент поглощения на прямых перехода.-. в широкозонном слое при энергии Фотона, равной пороговой энергии прямых переходов..

Э

В данной конструкции фотоприемника ограничение низкоэнергетичнойчувствительности до края видимого диапазона достигается выбором энергии прямых переходов Е, совпадающей с,Е .для прямозонных составов, из дипазона 1,7-.1,95 эВ. Необходимая крутизна низкоэнергетичного края определяется величиной градиента энергии прямых переходов vE в вариэонном слое. Смещение максимума чувствительности на желто-зеленую область достигается уменьшением вклада низ1123069 коэнергетичных фотонов в варизонноь слое, Для низкоэнергетичных фотонов в случае, когда ширина объемного заряда w больше длины пути фотона в области сильного поглощения iv 1, длина пути ограничена и примерно составляет.

1 е (2)

1 Ео где Eo — минимальная энергия прямых 10 переходов на гетерогранице между варизонной и широкозонной слоями.

Зависимость плотности фототока Х от энергии фотона hQ, т.е. спектральная характеристика в низкоэнергетичной области при условии, что все электронно-дырочные пары разделяются $.-n-переходом„ .представлена как

X:g+ (1-Р ) =@4 (1-.. " ; (3) о где Ф вЂ” плотность потока фотонов; о заряд электрона.

Крутиз..а низкоэнергетичйого края спектра при величинах показателя степени экспоненты меньше единицы приблизительно составляет а{ ) ЗО о (4)

lVEî и .уменьшается с ростом (чЕа1 . Узкозонный варизонный слой вйполнять нецелесообразно как с меньшими 1oE j З5 чем удовлетворяющие условию (так как крутизна края будет столь же .большой, как у.известного фотоприемника), так и с большими l uEo) изза снижения квантовой фоточувстви- 40 тельности вследствие невозможности полного поглощения фотонов при малой толщине узкозонного слоя при vEo) >

)й- а . В частности, если принять значение ko, которое может меняться в некоторых пределах в зависимости от состава и уровня легирования твердого раствора, равным

10 см, то граничные условия для

gE будет следующими

100 эВ/смà)aEoj а 700 эВ/см.

Выбранное направление градиента энергии прямых переходов обеспечивает увеличение коэффициента собирания неосновных носителей р †.и-переходов с ростом энергии фотонов, так как с ростом Ь4 увеличивается м и носители генерируются ближе к узкозонной границе варизонного слоя. Это приводит к высокой квантовой фото- 60 чувствительности, высокоэнергетичным фотонам и дает возможность в совокупности с параметрами широкозонного слоя управлять положением макси-. мума чувствительности. 65

Крутизна высокоэнергетичного края в спектральной характеристике фотоприемника определяется выбором толщины широкозонного слоя в пределах

L сЪ С, (53

При величинах bvL увеличение коэффициента собирания высокоэнергетичных фотонов компенсируется увеличением нефотоактивного поглощения в широкозонном слое, которое обеспечивает крутизну высокоэнергетичного края„ пропорциональную крутизне низкоэнергетичного края. При значениях Ъ6 Ы, это нефотоактивное поглощение не столь велико, чтобы снизить чувствительность .фотоприемника в видимой области. ДОстоинством толстого слоя является возможность строго задавать крутизну высокоэнергетичного края сгектра и положение максимума выбором энергии прямых переходов Е и толщины b. Нефотоактивное поглощение в широкозонном слов лабораторных образцов предлагаемых фотоприемников обеспечивается выбором толщины этого слоя в пределах 26 микрон, что больше L, но меньше длины поглощения на непрямозонных переходах

\ !

L8 - еТеооетический расчет спектра фотоответа предложенного фотоприемника основан на изменении коэффициента поглощения в варизонном слое. Основные положения модели расчета: область собирания неосновных носителей расположена в узкозонной части, ширина области собирания О; отражение от поверхности отсутствует," вероятность собирания в области равна единице,. а за ее пределами равна нулю.

Выражение для фототока на различных участках спектра имеют вид Ма j Г Е Ч-Е001 ., .1-Е Р - q ) ЕХ

f 0 rt o Ь4аЕ оа 48 (Foa Eîo(oa Еoo t " 4о

Оа

**)-еюГ- 4, -М вЂ” а: а аз ав

1123069 ризонным узкозонным слоем 3, содержащим переход, и широкозонным слоем 4, примыкающим к узкозонному варизонному слою. Часть поверхности широкозонного слоя покрыта контактным слоем 5 из СаЛз. Слои 3 — 5 эпитаксиально нанесены на подложку 6 из СаЛя. К подложке и контактному слою выполнены омические металлические контакты 7 и 8.

Фотоприемник работает следующим образом.

На непокрытую контактным слоем часть фотоприемника падает световой поток от экспонируемого объекта или . от светового источника. В варизонном слое 3 (оиг.2 и 3) фотоприемника при этом вырабатывается электрический сигнал, пропорциональный освещенности объекта или светосиле источника излучения, Фотоприемник ре.гистрирует излучение в видимом диапазоне с максимумом чувствительности в желто-зеленой области 2,12,4 эВ и распределением чувствительности, пропорциональным кривой видности глаза. Выработанный электрический сигнал снимается с омических контактов 7 и 8 и используется для управления механизмом экспонирования кинофотоматериала или для фотометрирования световых потоков раз-. личной интенсивности

На фиг.1 приведена спектральная характеристика фотоприемника со следующими параметрами: Е = Ео в начале и в.конце роста варизонного

Ga1. Л1 АБ соответственно равна 1,90 и 1,-7 эВ. Величина градиента Е или ОЕ, ОпРеделеннаЯ как Разность Ео- в начале и в конце роста варизонного слоя, отнесенная к толщине этого слоя, составляет 360-405 эВ/см. Толщина.широкозонного слоя 3 мкм, а ве.личина в ней 0,8-.0,9. Концентра- ция доноров и акцепторов выбирается .в пределах (0,7-51 ° 10 о см" из условия равенства туннельного и.T-åìноватого за счет генерации носителей в слое объемного заряда токов.

Выбор концентрации в укаэанных пределах обеспечивает минимальный .порог фоточувствительности 10 4лк. Коэффициент собирания в максимуме у созданных фотоприемников составляет

0,8 на фотоны с энергией 2,18 эВ, средняя крутизна низкоэнергетичного края спектра 5 зВ ".

А

Б качестве базового, объекта при нят кремниевый фотоприемник со светоФильтром, отрезающим инфракрасную об-, ласть, который используется в настоящее время как фотоприемное устройство в новейших фотокинокамерах. ов 1 "оь

3. где Ы вЂ” плотность фототока, Ро — плотность потока фотонов, ж, — коэффициент поглощения на, )Q

"хвостах" зон;

Š— постоянная„ входящая в выражение для коэффициента поГлощения при hQ

Еоо : !5

Eo — пороговые энергии прямых переходов в узкозонном слое на гетерогранице с.широко-. .зонным слоем и на расстоянии а от нее соответственно;

"oo0 oe коэффициенты поглОщения на прямых переходах в узкозонном и щирокозонном слоях соответственно, ф 8- скорости изменения коэффициентов поглощенияю о,„ и к,z с увеличением энергйй фотонов М; ищ — коэффициент поглощения в широкозонном слое на непрямых переходах при энергии фото- 30 на, равной энергии прямых переходов в ней.

Далее приведены полученные расчет .ные спектры при разных значениях (7Е,) и следующих значениях конст- 35 руктивных параметров C =- 1,10х

Еоо 1к,8 эВ оа = оа = s "о =

04 .см 1 g 5 4 104 сМ 1

1, 1У cMð, Еоо =2 86 эВ, Е в

2,00 .эВ (х=0,8), b = 3 мкм,о(,з, =

10 см .

Влияние 6Ео на положение максимума чувствительности и крутизну низкоэнергетичного слоя спектра однозначно — крутизна уменьшается с рос- 45 том чЕ (, а максимум чувствительности смещается в сторону больших

М, и при чЕ ) больше 100,150 эВ/см находится в желто-зеленой области

2,1-2,4 ЗВ.

На фиг,1 показана спектральная характеристика предлагаемого варизонного фотоприемника (1) и кривая видности глаза.(2); на фиг.2 — струк тура предлагаемого фотоприемника, освещаемого световым потоком t на фиг.3 — координатное изменение пороговой энергии прямых, переходов

Ео (сплошная кривая) и ширина запретной зоны Eg .(штрихпунктирная лийия) в Фотоприемнике; на Фиг..4 — тео-60 ретические спектры фототока Фотоприемника при различных I 9Eо1 эВ/см:

1-.10, 2-200, 3-800, 4-1300, Данный Фотоприемник (Фиг.2) представляет собой гетероструктуру с ва 65 йо сравнению с базовым объектом предлагаемый фотоприемник обладает следующими преимуществами: нет ие1123069

2,0 обходимости в светофильтре, низкий темновой ток насыщения .10 А/ми вследствие большой величины запрещенной зоны в области р — t1-перехода (у кремния Fg = 1,1 эБ), темновой ток насыщения - 10 A/мм2, низкий порог фоточувствительности 10

10 " лк, высокая квантовая эффективность — до 0,8 в максимуме.

Предлагаемый фотоприемник может бытЬ применен в фотометрии оптического излучения и в качестве фотоприемного устройства в кинофотоаппаратуре и в экспонометрах.

1123069 г,а

82.

2,0

Составитель B.Князев

ТехредМ. Гергель Корректор A.Îáðó÷àp.Редактор Н.Пушненкова

Филиал ПЛП "Патент"., г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 8150/42 Тираж 682 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5