-

1. (19) BY (11) 6298
(13) U
(46) 2010.06.30
(51) МПК (2009)
H 01L 31/04
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ОПТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
(21) Номер заявки: u 20090984
(22) 2009.11.25
(71) Заявитель: Сычик Василий Андрее-
вич (BY)
(72) Авторы: Сычик Василий Андреевич;
Шумило Виктор Степанович (BY)
(73) Патентообладатель: Сычик Василий
Андреевич (BY)
(57)
Полупроводниковый преобразователь оптических излучений, включающий фоточув-
ствительную структуру типа p-n переход с омическими контактами и просветляющий
слой, отличающийся тем, что фоточувствительной является полупроводниковая структу-
ра из последовательно соединенных слоев pvar-p-n переход из широкозонного полупро-
водника - nvar-n-слой из узкозонного полупроводника, которая посредством сильно-
легированного n+
-слоя узкозонного полупроводника размещена на металлическом
основании, а посредством сильнолегированного р+
слоя широкозонного полупроводника
соединена с проводящим просветляющим слоем из светопрозрачного материала, при этом
р+
и n+
-слои сформированы толщиной (0,2…0,6)Ld, где Ld - диффузионная длина носите-
лей заряда, слои pvar, nvar и p-n переход выполнены толщиной (0,4…0,8)Ld, n-слой узко-
зонного полупроводника сформирован толщиной (0,7…0,9)Ld.
(56)
1. Патент России 02122259, МПК7
, H 01L 31/18.
2. Заявка Великобритании 2023927, МПК 4
, H 01L 31/06.
Фиг. 1
BY6298U2010.06.30

2. BY 6298 U 2010.06.30
2
Полезная модель относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с
потенциальным барьером, в частности к преобразователям оптических излучений, и мо-
жет быть использована в электронно-оптических и космических системах в качестве дат-
чиков оптических излучений.
Известен полупроводниковый преобразователь оптических излучений [1], фотопреоб-
разователь которого конструктивно размещен в полой камере, заполненной активной сре-
дой, и отделен от излучателя стенкой полой камеры, прозрачной для оптических
излучений. Однако такой преобразователь оптических излучений обладает сложной кон-
струкцией, невысоким рабочим напряжением и недостаточно высокой стабильностью.
Прототипом предлагаемой полезной модели является полупроводниковый преобразо-
ватель оптических излучений [2], который содержит фоточувствительную структуру типа
p-n переход, полупроводниковый слой из фосфида индия и галлия, просветляющий слой и
омические контакты, причем просветляющий слой и электрод контактируют с пассиви-
рующим слоем перехода, оканчивающегося электродом.
Недостатки прототипа:
а) невысокое выходное напряжение сигнала, поскольку он содержит сложную струк-
туру, причем дополнительные полупроводниковые слои слаболегированы, обладают боль-
шим внутренним сопротивлением;
б) отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между
омическими контактами и фоточувствительной структурой, что приводит к существенно-
му снижению выходного тока и выходного напряжения;
в) узкий оптический диапазон ∆λ, воспринимаемый фоточувствительной структурой.
Техническим результатом полезной модели является повышение выходного напряже-
ния и расширение диапазона спектральной чувствительности оптических излучений в
сторону инфракрасной области.
Поставленная задача достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе оп-
тических излучений, включающем фоточувствительную структуру типа p-n переход с
омическими контактами и просветляющий слой, фоточувствительной является полупро-
водниковая структура из последовательно соединенных слоев pvar-p-n переход из широко-
зонного полупроводника - nvar-n-слой из узкозонного полупроводника, которая
посредством сильнолегированного n+
-слоя узкозонного полупроводника размещена на ме-
таллическом основании, а посредством сильнолегированного р+
-слоя из широкозонного
полупроводника соединена с проводящим просветляющим слоем из светопрозрачного ма-
териала, при этом р+
- и n+
-слои выполнены толщиной (0,2…0,6)Ld, где Ld - диффузионная
длина носителей заряда, слои pvar и nvar и p-n переход выполнены толщиной (0,4…0,8)Ld, a
n-слой из узкозонного полупроводника сформирован толщиной (0,7…0,9)Ld.
Сущность полезной модели поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображена конструкция
полупроводникового преобразователя оптических излучений (ППОИ), а на фиг. 2 - его
зонная диаграмма.
Конструктивно ППОИ состоит из полупроводниковой pvar-p-n переход - nvar-n фото-
чувствительной структуры, включающей pvar-слой 1 из широкозонного полупроводника,
p-n переход 2 из широкозонного полупроводника, варизонный слой nvar 3 и n-слой 4 из уз-
козонного полупроводника, который посредством сильнолегированного n+
-слоя 5 из того
же узкозонного полупроводника электрически контактирует с металлическим основанием
6; pvar-слой 1 контактирует с сильнолегированным р+
-слоем 7, на котором размещен про-
водящий просветляющий слой 8 из светопрозрачного материала. По периметру на прово-
дящем просветляющем слое 8 размещен металлический омический контакт 9 с внешним
выводом 10. p-n переход, выполненный из широкозонного полупроводника с шириной за-
прещенной зоны Еg2, например GaAs, методом термической диффузии, обеспечивает раз-
деление фотогенерированных носителей заряда полупроводниковой фоточувствительной
структурой. Для эффективного поглощения квантов оптического излучения (фотонов) с

3. BY 6298 U 2010.06.30
3
энергиями Eg1 ≤ hν ≥ Eg2 и исключения появления области с высокой рекомбинацией но-
сителей заряда на p-области p-n перехода 2 сформирован методом молекулярно-лучевой
эпитаксии, жидкофазной или газофазной эпитаксии слаболегированный p-варизонный
слой 1, представляющий твердый раствор интерметаллического соединения nm
2
m
x1 BAA x1−
.
Параметр степени концентрации компонента в растворе X изменяется от нуля до едини-
цы, причем со стороны р+
-слоя 7 он представляет материал этой области, например
nm
2 BA , а со стороны p-области p-n перехода 2 - материал этого слоя, то есть соединения
nm
1 BA . Например, если материалом p-области p-n перехода 2 является GaAs с Eg2 = 1,43 эВ,
а материалом р+
-слоя 7 широкозонного полупроводника является AlAs с Eg1 = 2,15 эВ, то
p-варизонный слой 1 реализуется из материала GaxAl1-xAs, причем структура нижней гра-
ницы слоя с параметром х = 1 представляет GaAs, а структура верхней границы слоя
представляет AlAs с параметром X = 0. Толщина pvar-слоя 1 определяется скоростью из-
менения его ширины запрещенной зоны от Eg1 до Eg2 при изменении X от 0 до 1 и диффу-
зионной длиной фотогенерированных неравновесных носителей заряда Ld. pvar-слой 1
создает градиент напряженности электрического поля, ускоряя перенос фотогенерирован-
ных носителей заряда. Для достижения оптимального разделения генерированных в
р-варизонном слое 1 носителей заряда ширина этого слоя не должна превышать диффузи-
онной длины избыточных носителей заряда и составляет (0,4-0,8)Ld, причем она макси-
мальная для полупроводников с высокой подвижностью носителей заряда. Толщина
сильнолегированного р+
-слоя 7, сформированного молекулярно-лучевой эпитаксией с од-
новременным легированием, выбирается из условия минимизации сопротивления, исклю-
чения влияния границы р+
-слой 7 - проводящий просветляющий слой 8 на разделенные
заряды p-n перехода и должна быть ниже Ld. Как показали результаты эксперимента, оп-
тимальная толщина р+
-слоя 7 составляет (0,2-0,6)Ld, причем она возрастает для полупро-
водников с высокой подвижностью носителей заряда, а концентрация легирующей
примеси NA = (1020
÷1021
) см-3
.
С целью расширения диапазона оптических излучений в сторону инфракрасной об-
ласти используется узкозонный n-слой 5 и слаболегированный варизонный слой nvar 3. Ва-
ризонный слой nvar 3 сформирован методом молекулярно-лучевой или газофазной
эпитаксии, представляющий твердый раствор интерметаллического соединения
nm
2
m
x1 BAA x1−
. Параметр степени концентрации компонента в растворе X изменяется от ну-
ля до единицы, причем со стороны n-слоя 4 из узкозонного полупроводника он представ-
ляет материал этого слоя - nm
2 BA , а со стороны n-области p-n перехода 2 - материал этой
области, то есть соединение nm
1 BA . Например, если материалом n-области p-n перехода
является GaAs с Eg2 = 1,43 эВ, а материалом n-слоя 4 - InAs с Eg3 = 0,36 эВ, то n-вари-
зонный слой nvar 3 реализуется из материала GaxIn1-xAs, причем структура верхней грани-
цы слоя с параметром X = 1 представляет GaAs, а структура нижней границы слоя
представляет InAs с параметром X = 0. Толщина n-варизонного слоя 3 аналогична толщи-
не р-варизонного слоя 1 и выбирается из тех же условий, то есть составляет (0,4-0,8)Ld.
n-слой 4 выполнен из узкозонного полупроводника и слаболегирован донорной примесью
Nd ≅ 1015
см-3
. Он контактирует с сильнолегированным n+
-слоем 5 из того же узкозонно-
го полупроводника, который легирован донорной примесью с концентрацией
Nd ≅ (1019
÷1020
) см-3
, обладает высокой электропроводностью и практически без потерь
передает фотогенерированные носители заряда на металлическое основание 6, являющее-
ся внешним выводом ППОИ. Толщина n+
-слоя 5 выбирается аналогично р+
-слою 7 и со-
ставляет (0,2-0,6)Ld. Акцепторные уровни слаболегированного рvаr-слоя 1, донорные
уровни nvаr-слоя 3 и n-слоя 4 узкозонного полупроводника находятся в зоне энергий
∆ED,A = (0,2…0,1) эВ и эффективно взаимодействуют с фотонами дальнего инфракрасного

4. BY 6298 U 2010.06.30
4
диапазона, слаболегированный n-слой 4 с Eg3 = 0,36 эВ взаимодействует с фотонами
ближнего инфракрасного диапазона. Варизонные слои pvar, nvar с энергией возбуждения от
2,15 до 1,43 эВ и от 1,43 до 0,35 эВ, легированные примесью (1015
-1016
) см-3
, взаимодейст-
вуют с фотонами видимой области и ближнего инфракрасного диапазона. В результате
ППОИ эффективно реагирует на оптическое излучение с энергией фотонов от видимой
области спектра до дальнего инфракрасного диапазона. Проводящий просветляющий слой
8 выполнен из светопрозрачного материала, например окиси олова-индия. Его толщина
выбирается из условия максимума электропроводности, минимума потерь энергии воз-
действующего оптического потока и, как показали результаты эксперимента, составляет
0,2…0,8 микрон.
По периметру, по краю проводящего просветляющего слоя 8 нанесен слой из прово-
дящего материала толщиной (1,0…2) мкм и шириной (1…2) мм, к которому методом
сварки, пайки присоединен внешний вывод 10 из высокопроводящего металла.
Полупроводниковый преобразователь оптических излучений работает следующим об-
разом.
При воздействии квантов оптического излучения (фотонов) на рабочую поверхность
фоточувствительной структуры ППОИ со стороны электропроводящего просветляющего
слоя 8 фотоны с энергиями Eν ≤ Eg1 проходят просветляющий слой, сильнолегированный
широкозонный р+
-слой 7 и достигают фоточувствительной структуры. В ее слоях pvar 1,
nvar 3, узкозонном n-слое 4, то есть в диапазоне энергий от 2,15 до 0,36 эВ, а также на при-
месных уровнях этих слоев с энергиями ∆ED,A от 0,2 до 0,1 эВ генерируются избыточные
неравновесные носители заряда. Избыточная концентрация фотогенерированных электро-
нов и дырок в каждом из фоточувствительных слоев определяется в соответствии с зави-
симостями:
∆n = βηIντn, ∆p = βηIντn, (1)
где β - квантовый выход носителей заряда; η - коэффициент поглощения оптического из-
лучения; Iν - интенсивность потока оптического излучения; τn, τр - время жизни неоснов-
ных электронов и дырок.
Фотогенерированные в р-варизонном слое 1 и обедненных областях p-n перехода 2, в
n-варизонном слое 3 и узкозонном n-слое 4 носители заряда, а также на их примесных до-
норных и акцепторных уровнях электроны и дырки разделяются p-n переходом 2, причем
электроны под действием электрического поля p-n перехода 2, электрических полей слоев
pvar 1 и nvar 3 устремляются к сильнолегированному слою n+
5 и металлическому основа-
нию 6, а дырки в указанных слоях и областях движутся под действием сил электрического
поля варизонных слоев и p-n перехода 2 к сильнолегированному р+
-слою 7, проводящему
просветляющему слою 8 и омическому контакту 9. Омический контакт 9 находится под
положительным потенциалом вследствие притока к нему дырок, а металлическое основа-
ние 6 - под отрицательным потенциалом ввиду притока электронов. Вследствие разделе-
ния фотогенерированных электронов и дырок через p-n переход 2 течет электрический ток
ф
a
sa I1
kT
eU
expII −





−





= (2)
и возникает фотоЭДС в фоточувствительной структуре ППОИ, максимальное значение
которой при холостом ходе
)I/Iln(
e
kT
UE sфam0 == , (3)
где Iф - максимальная плотность фототока, соответствующая интенсивности потока опти-
ческих излучений; Is - ток насыщения p-n перехода; Ua - приложенное к p-n переходу соб-
ственное напряжение.

5. BY 6298 U 2010.06.30
5
В общем случае при заданной интенсивности оптического потока фотонов концентра-
ция фотогенерированных избыточных носителей ∆n и ∆p определяется выражением (1), а
фототок Iф определяется из зависимости:
Iф = е(∆nµn + ∆рµр). (4)
Поскольку фоточувствительной структурой ППОИ активно поглощается широкий
спектр фотонов с энергиями от Eg1 до энергии узкозонного n-слоя 4 с Eg3 и с энергиями
донорного ED и акцепторного ЕА уровней, то избыточные концентрации носителей заряда
∆n и ∆p в предложенном устройстве значительно выше, следовательно, выше выходное
напряжение и ток, чем у прототипа, а также существенно возрастает диапазон энергии фо-
тонов в спектре оптического излучения от видимой области до дальней инфракрасной.
Создано экспериментальное устройство - полупроводниковый преобразователь опти-
ческих излучений с фоточувствительной структурой pvar-p-n переход - nvar-n узкозонный
полупроводник, которое является преобразователем с p-n переходом на основе арсенида
галлия. n+
-слой 5 выполнен из InAs, легированный Те с концентрацией ND ≅ 5⋅1019
см-3
и
толщиной 1,2 мкм; n-слой 4 выполнен также из InAs с концентрацией примеси Те
ND ≅ 2⋅1015
см-3
и толщиной 0,5 мкм; варизонный слой nvar 3 выполнен из соединения
GaxIn1-xAs, легирован Те с концентрацией ND ≅ 1015
см-3
и толщиной 0,5 мкм. Ширина его
запрещенной зоны изменяется от 1,43 до 0,36 эВ. p-n переход 2 из GaAs включает
n-область, легированную Те с концентрацией ND ≅ 1016
см-3
и легированную Cd p-область
с концентрацией NA ≅ 1016
см-3
. Суммарная толщина p-n перехода 0,45 мкм. Варизонный
слой pvar 1 выполнен на основе соединения GaxAl1-xAs, причем параметр X изменяется от 0
до 1 и соответственно ширина запрещенной зоны от 1,43 до 2,15 эВ. Слой pvar 1 легирован
Cd с концентрацией NA ≅ 1015
см-3
, обладает толщиной 0,6 мкм; р+
-сильнолегированный
слой 7 выполнен из AlAs, легированного Cd с концентрацией NA ≅ 5⋅1019
см-3
, его толщина
составляет 0,4 мкм; проводящий просветляющий слой 8 выполнен из оксида олово-индий
толщиной 0,3 мкм. Металлическое основание 6 представляет слой Аl толщиной 0,2 мм с
нанесенным слоем теллура толщиной 0,1 мкм; верхний омический контакт 9 представляет
слоистую структуру Cd-Al-Ni толщиной соответственно 0,1-1-1 мкм.
Экспериментальный полупроводниковый преобразователь оптических излучений раз-
мером полезной площади 10×5 мм при интенсивности оптического излучения с энергией
P∑ = 65 мВт/см2
позволяет получать Iamax = 0,2 A; Uвыхmax = 1,4 В; диапазон спектральной
чувствительности ∆λ = 0,4…13 мкм. Для прототипа одинаковых размеров эти параметры
составляют: Uam = 0,78 В; Iamax = 25 мА; ∆λ = 0,4…1 мкм.
Технико-экономические преимущества предлагаемого полупроводникового преобра-
зователя оптических излучений в сравнении с прототипом и аналогами:
1) более чем в 5 раз возрастает выходной электрический ток;
2) более чем в 1,5 раза возрастает выходное напряжение;
3) более чем в 10 раз расширяется диапазон спектральной чувствительности.
Промышленное освоение предлагаемого полупроводникового преобразователя опти-
ческих излучений возможно на предприятиях электронной промышленности.

6. BY 6298 U 2010.06.30
6
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.