Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии конструирования полупроводниковых датчиков ультрафиолетового излучения (УФИ). Технический результат изобретения - повышение селективности измерений УФИ в C-диапазоне и расширение арсенала используемых для этой цели средств. Сущность: датчик содержит подложку, слой полупроводника, чувствительного к УФИ, и электродную систему (ЭС), выполненную с образованием высокоомных параллельных участков в слое полупроводника, при этом высокоомный чувствительный элемент выполнен из эпитаксиально выращенного на подложке слоя AlN, подложка изготовлена из монокристаллического сапфира, ЭС сформирована в плоскости раздела подложки со слоем полупроводника. Наиболее предпочтительным является выполнение ЭС в виде пары встречных гребенок с образованием в слое полупроводника параллельных участков со значением коэффициента формы не более 0,01. 2 з.п.ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии конструирования полупроводниковых датчиков ультрафиолетового излучения (УФИ).

Известен датчик УФИ, содержащий полупроводниковую структуру с одним барьером, включающую слой некристаллического полупроводника с высоким удельным сопротивлением на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, источник напряжения и электродную систему (ЭС), сформированную с возможностью подачи напряжения смещения от источника напряжения к полупроводниковой структуре (патент JP 4-81352, H 01 L 31/09, 1992).

Для повышения квантовой эффективности датчика он дополнительно содержит слой аморфного гидрогенизированного сплава Si_1-xC_x:H, нанесенный между подложкой и чувствительным к УФИ слоем (патент SU 1806425, H 01 L 31/101, 1993).

Однако данный датчик обладает низкой чувствительностью в "жесткой" области от 180 до 280 нм (C - диапазоне) УФИ, что усугубляется расположением электрода на световоспринимающей поверхности. Кроме того, известный датчик сложен в конструктивном отношении.

Для повышения чувствительности датчика к УФИ на входе светового потока установлен рассеивающий элемент, содержащий Si0₂ (патент DE 4434858, G 01 J 1/42, 1994).

Однако рассеивающий элемент поглощает "жесткое" УФИ, что снижает чувствительность измерений в данной области.

Наиболее близким к заявляемому является датчик УФИ, содержащий подложку, слой полупроводника, чувствительного к УФИ, и ЭС, выложенную с образованием высокоомных (не менее 1 МОм/см²) параллельных участков в слое полупроводника (патент JP 5-33549, H 01 L 31/09, 1993).

Недостатком данного датчика является широкая полоса принимаемого спектра частот УФИ, что имеет следствием низкие чувствительность, селективность и помехозащищенность измерений в C-диапазоне УФИ.

Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение селективности измерений УФИ в C- диапазоне и расширение арсенала используемых для этой цели средств.

Решение указанной задачи заключается в том, что в датчик УФИ, содержащий подложку, слой полупроводника, чувствительного к УФИ, и ЭС, выполненную с образованием высокоомных параллельных участков в слое полупроводника, внесены следующие изменения: а) высокоомный чувствительный элемент выполнен из эпитаксиально выращенного на подложке слоя нитрида алюминия (AlN); б) подложка изготовлена из монокристаллического сапфира; в) ЭС сформирована в плоскости раздела подложки со слоем полупроводника.

Решение указанной технической задачи основано на использовании впервые установленного авторами неизвестного ранее явления резкого (на несколько порядков) уменьшения электрического сопротивления слоя нитрида алюминия, эпитаксиально выращенного на структурозадающей подложке, под действием УФИ С-диапазона. В этих условиях действие на AlN излучений с длинами волн, находящимися вне пределов С-диапазона, УФИ не оказывает влияния на уровень выходного сигнала датчика. Поэтому предлагаемый датчик является солнечнослепым.

Выбор сапфира в качестве материала подложки обусловлен тем, что в предлагаемой конструкции используются следующие свойства сапфира: - высокое удельное сопротивление; - монокристаллическая структура; - стабильность электрических параметров при воздействии УФИ; - прозрачность для УФИ, что обеспечивает возможность работы при освещении со стороны подложки.

Расположение ЭС в плоскости раздела подложки со слоем AlN увеличивает активную поверхность датчика, поскольку не закрывается фоточувствительная область. Такая ЭС защищена от воздействия пыли и влаги, поэтому нет необходимости нанесения дополнительных защитных слоев, которые могли бы внести искажения в выходной сигнал. Кроме того, расположение ЭС на границе слоев AlN и сапфира технологично по выполнению.

Наиболее предпочтительным является выполнение ЭС в виде пары встречных гребенок с образованием в слое полупроводника параллельных участков с низким значением коэффициента формы (не более 0,01), что имеет следствием увеличение уровня выходного сигнала.

Коэффициент формы устанавливают по формуле: где К - интегральный коэффициент формы;
l - расстояние между зубцами смежных гребенок ЭС, мкм;
b - длина зубца гребенки ЭС, мкм;
n - количество параллельно включенных фоторезисторов, образованных между зубцами смежных гребенок ЭС.

Целесообразно выполнение ЭС из вольфрама (W), карбида кремния (SiC) или сэндвич-структуры SiC/W, поскольку W и SiC хорошо совмещаются со структурами сапфира и AlN, что обеспечивает возможность эпитаксиального наращивания используемых материалов, а также работоспособность датчика при высокой температуре.

На фиг. 1 приведена схема датчика УФИ в варианте со спиралеобразной ЭС.

На фиг. 2 приведена схема датчика УФИ в варианте с гребенчатой ЭС.

На фиг. 3 приведен график спектральной чувствительности датчика УФИ с гребенчатой ЭС.

Полупроводниковый датчик УФИ (фиг. 1) содержит подложку 1, слой полупроводника 2, чувствительного к УФИ, и ЭС 3 с контактными площадками 4, выполненную с образованием высокоомных параллельных участков в слое полупроводника 2. Подложка 1 изготовлена из монокристаллического сапфира, слой 2 выполнен из AlN, эпитаксиально выращенного на подложке 1, а ЭС 3 сформирована в плоскости раздела подложки 1 со слоем полупроводника 2. В данном варианте ЭС 3 имеет спиралеобразную форму.

Датчик изготавливают следующим образом. На подложку 1 из монокристаллического сапфира наносят одним из методов технологии микроэлектроники слой проводникового материала с последующим формированием в нем ЭС 3 с помощью фотолитографии. Далее производят эпитаксиальное наращивание AlN на подложку 1. При этом ЭС 3 оказывается расположенной между подложкой 1 и слоем 2 из AIN. Контактные площадки 4 вскрывают с помощью фотолитографии и подключают к внешней измерительной схеме.

Датчики имеют темновое сопротивление 4·10⁹ - 6·10¹⁰ Ом, при этом наименьшим сопротивлением (4·10⁹ Ом) обладает датчик с ЭС из Mo, а наибольшим - из SiC/W (6·10¹⁰ Ом). Изменение электрического сопротивления элемента 2 под действием УФИ преобразуется внешней измерительной схемой в выходной токовый сигнал датчика.

В табл. 1 приведены основные технические характеристики датчиков УФИ фиг. 1 с ЭС 3, изготовленной из различных материалов: W, SiC, SiC/W, Мо, отснятые при подаче к контактным площадкам 4 напряжения 12 В и облучении датчиков от источника УФИ мощностью 10 и 20 мкВт, равномерно распределенной в C-диапазоне. Как видно из таблицы, датчики фиг. 1 обладают следующими значениями основных технических характеристик:
- максимальная чувствительность датчиков наблюдается в диапазоне длин волн λ = 235 - 240 нм;
- темновой ток - 2,1·10¹⁰ - 3,2·10^-9 A;
- рабочий ток - от 5,2·10⁷ до 1,8·10^-6 А (резкие различия рабочего и темнового тока вызваны соответствующим падением сопротивления датчиков под действием УФИ).

Значения чувствительности датчиков рассчитаны по формуле:

где η - чувствительность, мА/Вт;
I_p - рабочий ток (ток при наличии УФИ), мА;
P - мощность УФИ, Вт.

В отношении данного критерия наблюдаются наибольшие различия вариантов датчиков. Так, чувствительность датчика с ЭС из Mo минимальная и составляет 5,5·10^-2 - 6,2·10^-2 А/Вт, тогда как чувствительность датчика с ЭС из сэндвич-струкуры SiC/W максимальная и составляет 9,0·10^-2 - 9,2·10^-2 А/Вт.

В табл. 2 приведены основные технические характеристики датчиков фиг. 2 с ЭС 3, изготовленной из сэндвич-структуры SiC/W в виде пары встречных гребенок при следующих значениях коэффициента формы: 0,00003; 0,0001; 0,01 и 0,1. Значения интегрального коэффициента формы рассчитаны по формуле (I). Так, например, для ЭС, характеризуемой значениями l = 30 мкм, b = 7640 мкм, n = 175, из формулы (I) следует
K = 30/(7640-175)=0,00003.

Темновое сопротивление датчиков 6·10¹⁰ - 3·10¹⁴ Ом.

Данные табл. 2 получены при подаче к контактным площадкам 4 напряжения 12 В и облучении датчиков от источника УФИ мощностью 10 и 20 мкВт, равномерно распределенной в C-диапазоне. Как видно из таблицы и графика фиг. 3, максимальная чувствительность датчиков наблюдается в диапазоне длин волн 235 - 240 нм; темновой ток - 4,0·10^-14 - 2,1·10^-10 А; рабочий ток - 2,1·10^-11 - 1,8·10^-6 А. Чувствительность датчиков с К ≅ 0,01 составляет 1,6·10^-5 - 9,2·10^-2 А/Вт. Датчики с К=0,1 обладают низкой чувствительностью, равной 2·10^-6 А/Вт. При облучении датчика УФИ со стороны подложки значения технических характеристик измерений лежат в том же диапазоне как при плоской форме подложки, так и при подложке, изготовленной в форме линзы и сфокусированной на источник УФИ.

Предлагаемый датчик по сравнению с прототипом обладает узкой полосой спектра принимаемых частот. Как видно из фиг. 3 и приведенных таблиц, новый датчик принимает лишь УФИ C-диапазона, вследствие чего он обладает высокой селективностью и помехозащищенностью по входному сигналу. Использование нового датчика УФИ не только расширяет арсенал используемых измерительных средств, но и предоставляет дополнительные удобства в возможности подачи сигнала через подложку (поскольку она оптически прозрачна), служащую одновременно защитной крышкой датчика, а также, при необходимости, фокусирования принимаемых лучей (в варианте с выполнением подложки в виде линзы).

Формула изобретения

1. Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения, содержащий подложку, слой полупроводника, чувствительного к ультрафиолетовому излучению, и электродную систему, выполненную с образованием высокоомных параллельных участков в слое полупроводника, отличающийся тем, что подложка изготовлена из монокристаллического сапфира, чувствительный элемент выполнен из эпитаксиально выращенного на подложке слоя нитрида алюминия, а электродная система сформирована между подложкой и слоем полупроводника в плоскости их раздела.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электродная система выполнена в виде пары встречных гребенок с образованием в слое полупроводника параллельно включенных фоторезисторов из расчета значения интегрального коэффициента формы

где К - интегральный коэффициент формы;
l - расстояние между зубцами смежных гребенок электродной системы, мкм;
b - длина зубца гребенки электродной системы, мкм;
n - количество параллельно включенных фоторезисторов, образованных между зубцами смежных гребенок электродной системы.

3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что электродная система из W, SiC или сэндвич-структуры SiC/W.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4