УДК 621.383.52:546.48'49'24

ФОТОДИОДЫ И ФОТОДИОДНЫЕ МАТРИЦЫ
НА ОСНОВЕ CdхHg1-хTe

Л. А. Бовина, В. И. Стафеев
Государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение "Орион"»,
Москва, Россия

          Изложены результаты разработки и исследований основных характеристик одноэлементных фотодиодов из соединений ртуть - кадмий - теллур (КРТ), в том числе в гетеродинном режиме с быстродействием до 1 ГГц, на спектральные диапазоны
3-5 и 8-12 мкм. Изложены особенности топологии и технологии матричных фотоприемников форматов 32х32, 128х128, 384х288, 4х16, 4х48, 2х96, 4х128, 2х256 на спектральные диапазоны 3-5 и 8-12 мкм, изготовленных как на объемных монокристаллах, так и эпитаксиальных слоях, выращенных различными технологическими методами. Проанализированы проблемы временной и температрурной стабильности фотодиодов из КРТ и возможные пути совершенствования параметров МФП.

          Твердый раствор CdхHg1Te (КРТ) является основным полупроводниковым материалом современной ИК-техники. Изменением соотношения кадмия и ртути можно обеспечить получение оптимальной спектральной харатеристики для требуемой области спектра. На основе этого материала возможно создание как фоторезисторов и спрайт-фотоприемников, так и фотодиодов, вплоть до сверхбыстродействующих. Интерес с КРТ особенно возрос после создания на его основе матричных фотоприемников.
          В ГУП «НПО "Орион"» разработки фотодиодов были начаты в начале 70-х, а матричных фотоприемников в середине 80-х гг. Были разработаны одноэлементные фотодиоды [1], в том числе сверхбыстродействующие [2], квадрантные, линейчатые, матричные многорядные [3] и "смотрящего" типа [4] форматов 4х16, 4х48, 2х96, 4х128, 2х256, 32х32, 128х128 и 384х288. К настоящему времени созданы фотоприемники на спектральные диапазоны: 1,5-3, 3-5 и 8-12 мкм в конструкциях с термоэлектрическим охлаждением, с дроссельной системой охлаждения или системой охлаждения типа Сплит-Стирлинга. Они изготавливались как на объемных монокристаллах (Гиредмет), так и на эпитаксиальных слоях, выращиваемых различными технологическими методами: молекулярно-лучевой эпитаксией - МЛЭ (ИПФ СО РАН), жидкостной эпитаксией (Гиредмет) и методом испарение-конденсация-диффузия-ИКД (НИИПФ) [5-7].
          Фотодиоды обычно изготавливались на объемных монокристаллах, однако сверхбыстродействующие создавались на эпитаксиальных слоях, выращенных методом ИКД.
          На рис. 1 представлена частотная зависимость порогового сигнала в гетеродинном режиме для фотодиода с размером фоточувствительной площадки 300х300 мкм. При частоте 600 МГц порог равен 6 · 10-20 Вт/Гц, а при 1 ГГц - 4 ·10-19 Вт/Гц.

 

Рис. 1. Частотная зависимоть гетеродинного порога фотодиодов на основе КРТ
на длину волны 10,6 мкм (S = Ж300 мкм):
1, 2 - I = 5 мА; 3 - I = 10 мА

          На рис. 2 приведены вольт-амперные характеристики фотодиодов на спектральный диапазон 3-5 мкм при 80 и 200 К. Оптимальное рабочее смещение 30-50 мВ.
          Ширина запрещенной зоны КРТ, в отличие от антимонида индия, суживается при повышении температуры и происходит сдвиг спектральной характеристики в коротковолновую область. Поэтому возможно использование фотодиодов из КРТ на диапазон 3-5 мкм не только при азотной температуре, но и при термоэлектрическом охлаждении до температур 190-200 К.
          На рис. 3 приведены частотные зависимости спектра шума фотодиода на 8-12 мкм при температуре 80 К при двух уровнях засветки: комнатным фоном при температуре 180 °С
(кривая 1) и уменьшенном в 10 раз (кривая 2).
          Фотодиоды изготовляются методом ионного легирования в пластинах КРТ с концентрацией носителей порядка 1016 см-3, т. е. намного более высокой, чем в фоторезисторах. Это обеспечивает возможность хорошей очистки и защиты поверхности. Поэтому они менее чувствительны к воздейстию проникающих излучений и повышенных температур хранения. За время испытаний: 8 лет хранения при нормальных условиях, многократные термоудары: -60 -+60 °С, выдержка в течение 150 ч при Т = 70 °С и в течение
300 ч при Т = 60 °С не привели к заметным изменениям обнаружительной способности [8].

 

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление фотодиодов:
для l = 8-12 мкм при Т = 80 К: кривая 1 - ВАХ; кривая 2 - дифференциальное сопрпотивление;
для l = 3-5 мкм: кривая 3 - ВАХ при Т = 80 К; кривая 4 - ВАХ при Т = 200 К

 

Рис. 3 Частотные зависимости спектра шума фотодиода на 8-12 мкм
при температуре 80 К при двух уровнях засветки:
комнатным фоном при апертуре 180 оС (кривая 1) и уменьшенным в 10 раз (кривая 2)

          Многорядные матрицы форматов 4хN или 2хN разрабатывались для использования в режиме временной задержки и накопления - ВЗН-режим [3]. ВЗН-режим обеспечивает возможность получения в N1/2-раз большую обнаружительную способность, уменьшает ее разброс по каналам, благодаря резервированию повышается процент выхода и стабильность параметров в процессе эксплуатации.
          Матричные фотоприемники состоят из расположенных в фокальной плоскости матрицы фотодиодов и кремниевой БИС, обеспечивающей считывание, предварительное усиление, мультиплексирование фотосигналов с каждого фоточувствительного элемента и вывод их из холодной зоны по четырем каналам.
          Шаг в каждой линейке равен 60 мкм при размере фоточувствительных площадок
(30±5)х(30±5) мкм. Для четкого выделения фоточувствительных площадок вокруг p-n- переходов сформирован дополнительный p-n-переход-стоп-канал. Он разделяет фотодиоды и собирает фотоносители, созданные светом между ними. Мультиплексор и фотодиодная матрица с помощью индиевых столбиков стыковались с контактным растром.
          Свет на фотодиодную матрицу попадает через подложку эпитаксиального слоя. Подложка толщиной
600 мкм была из Cd0,96Zn0,04Te. Обнаружительная способность МФП, включающей четыре линейки по 128 элементов, при суммировании по двум фотодиодам (2х256) D* больше 6 · 1010Вт-1·см·Гц1/2, а при суммировании по четырем (4х128) - около 9 · 1010Вт-1·см·Гц1/2.
          "Смотрящие" матрицы включают в себя матрицу фоточувствительных элементов формата NxN, аналогичную ей матрицу ключей, изготовленную по n-МОП технологии на кремнии и расположенные по бокам кремниевые мультиплексоры, осуществляющие построчное накопление и считывание сигналов с фотодиодов и их вывод из "холодной" зоны. Матрица ключей и фотодиодная матрица стыкуются с помощью индиевых столбиков [4].
          В матрицах формата 32х32 шаг был 100 или 70 мкм, в МФП формата 128х128 -40, а в МФП 384х288 -
35 мкм с размером p-n-перехода 20 мкм. Суммарная высота индиевых столбиков 10 мкм при диаметре 15 мкм. Число "сигнальных" выводов в МФП "смотрящего" типа всего два при общем числе выводов из "холодной" зоны с учетом термодатчиков не более 20 вне зависимости от формата матрицы.
          Конструкции МФП предусматривают возможность системы охлаждения как дроссельного типа, так и типа Сплит-Стирлинг.
          Большим преимуществом МФП на основе фотодиодов является практически полное отсутствие тепловыделения. Кремниевая матрица ключей и мультиплексор потребляют не более 50-60 мВт.
          МФП изготавливались на эпитаксиальных слоях, выращенных методом ИКД
(ГУП «НПО "Орион"»), жидкофазной эпитаксией (Гиредмет) и методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) (ИПФ СО РАН). МФП разрабатывались и изготовлялись на диапазоны 1,5-2,5; 3-5 и 8-12 мкм.
          Средняя ампер-ваттная чувствительность МФП на диапазон 8-12 мкм была около 4 А/Вт, а для МФП формата 128х128 с граничной длиной волны 2,8 мкм при Т = +300 К она равнялась 1,1 А/Вт при
D* = 2,4 · 1010Вт-1·см·Гц1/2.
          Ампер-ваттная чувствительность МФП на слоях, выращенных методом МЛЭ, была, как правило, раза в полтора ниже, чем на слоях, полученных жидкофазной эпитаксией. Причины такого различия остаются пока непонятными.
          Одной из сложных технологических проблем в изготовлении МФП является стыковка фотодиодной матрицы с матрицей ключей. Этот процесс предъявляет жесткие требования к гладкости и плоскостности стыкуемых поверхностей. Кремниевые пластины естественно полностью удовлетворяют этим требованиям. Эпитаксиальные слои КРТ не могут перед изготовлениеми p-n-переходов полироваться из-за возникновения механодоноров, существенно ухудшающих их свойства. Эпитаксиальные слои, получаемые методом МЛЭ, имеют достаточно совершенную поверхность, хотя в ней встречаются отдельные острые иглы. Слои, выращенные методом жидкофазной эпитаксии, нередко имеют волнистую поверхность.

 

          Л и т е р а т у р а

          1. Б о в и н а Л. А., С т а ф е е в В. И., М е щ е р я к о в а В. П., К л ю к и н Л. К. Фотоэлектрические свойства p-n- перехода в СdхHg1-хTe.// Физика и техника полупроводников. 1973. Т. 7. N 12.
          2. С т а ф е е в В. И., К у л и к о в К. М., Г р и г о р ь е в В. К., Л о ж н и к о в В. Е., Б о в и н а Л. А. Влияние СО2-лазера на характеристики фотодиодов из СdхHg1-хTe. Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы: Тр. IV Всесоюзного симпозиума. - Львов, 1975. Ч. 5.
          3. Б о в и н а Л. А., Б у р л а к о в И. Д., И л ь и н Ю. К., К л и м а н о в Е. А., М а н с в е т о в Н. Г., С о л я к о в В. Н., С т а ф е е в В. И. Многорядные КРТ-фотоприемные устройства для спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм. //Оптический журнал. 1996. N 6.
          4. Б о в и н а Л. А., Б о л т а р ь К. О., Б у р л а к о в И. Д., К л и м а н о в Е. А., П о т р а ш и н А. И., С а г и н о в Л. Д., С т а ф е е в В. И., Т и м о ф е е в А. А. Фокальные матрицы на основе КРТ-фотодиодов для спектральных диапазонов 3-5 и 8-12 мкм. //Там же.
          5. Б о в и н а Л. А., С т а ф е е в В. И., М е щ е р я к о в а В. П., Г р и г о р ь е в В. К., Б а н и н Е. С. Эпитаксиальные слои СdхHg1-хTe и p-n-переходы на их основе. Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы: Тр. III Всесоюзного симпозиума. - Львов, 1972.
          6. Б о в и н а Л. А., Г о л о в и н С. В. Тонкие слои КРТ, полученные методом "горячей стенки". Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы: Матер. VIII Всесоюзного симпозиума. - Львов, 1991. Ч. II.
          7. Г о л о в и н С. В., Г о р ш к о в А. В., Б о в и н а Л. А., Б о л т а р ь К. О., С т а ф е е в В. И. Свойства эпитаксиальных слоев СdхHg1-хTe, выращенных из паровой фазы в квазизамкнутой системе//Оптический журнал. 1996.N 6.

 

CADMIUM MERCURY TELLURIDE PHOTODIODES AND FOCAL PLANE ARRAYS

L. A. Bovina, V. I. Stafeev
The State Unitary Enterprise «RD&P Center "Orion"», Moscow, Russia

          Single element Cadmium Mercury Telluride (CMT) LWIR and MWIR photodiodes have been investigated. High speed up to 1 GHz heterodyne mode detectors are included. Topology and technology features of 32x32, 128x128, 384x288, 4x16, 4x48, 2x96, 2x128, 2x256 LWIR and MWIR Focal Plane Arrays (FPA) produced on the base of CMT cristals and epitaxial layers are discussed. Temporary and temperature photodiodes stability and future FPA development are analyzed.

Содержание журнала "Прикладная физика" № 2, 1999 г.