Фотодіод на основі гетероструктури

Реферат: Фотодіод на основі гетероструктури містить поглинач оптичного випромінювання та нанесену на поглинач плівку і омічні контакти до них. Крім цього, поглинач оптичного випромінювання виконаний у вигляді полірованої полікристалічної підкладки p-Si, а як фронтальний шар - плівка n-ТiO2. UA 92084 U (54) ФОТОДІОД НА ОСНОВІ ГЕТЕРОСТРУКТУРИ UA 92084 U UA 92084 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фотоелектроніки, а саме до напівпровідникових фотодіодів і може бути використана як фотоприймач в оптико-електронних системах. Відома конструкція фотодіода на основі гетероструктури (Raid A. Ismail. Characteristics of pCu2O/n-Si Heterojunction Photodiode made by Rapid Thermal Oxidation. Journal of semiconductor technology and science, Volume 9, Issue 1, 2009, Pages 51-54), який складається з монокристалічної кремнієвої підкладки n-типу провідності та тонкої плівки Сu2О, нанесеної методом термічного окислення. Найбільш близьким до запропонованого технічного рішення є фотодіод на основі анізотипної гетероструктури n-CdO/p-Si (Fahrettin Yakuphanoglua, Mujdat Caglarb, Yasemin Caglarb, Saliha Ilican. Electrical characterization of nanocluster n-CdO/p-Si heterojunction diode. Journal of Alloys and Compounds, Volume 506, 2010, Pages 188-193), який містить поглинач оптичного випромінювання та нанесену на поглинач плівку n-CdO. Плівка n-CdO напилена методом спін коутінгу, а як поглинач оптичного випромінювання використовується монокристалічна підкладка p-Si товщиною 600 мкм і питомим опором 1-10 Ом-см. Омічним контактом для плівки n-CdO служить алюміній, а для p-Si - золото. При освітленні даного 2 гетеропереходу (100 мВт/см ) він володіє наступними параметрами: напруга холостого ходу -6 Uxx=0,12 В, струм короткого замикання Iкз=0,53·10 А. Основним недоліком такого технічного рішення є низька якість та хімічна стійкість плівок напилених методом спін коутінгу, які використовуються як фронтальний шар, а також висока вартість підкладок монокристалічного кремнію. В основу запропонованого рішення поставлена задача підвищити якість, хімічну та механічну стійкість фронтального шару фотодіоду на основі гетероструктури та зменшити його вартість. Поставлена задача вирішується шляхом заміни компонентів гетероструктури в фотодіоді на основі анізотипної гетероструктури, який містить поглинач оптичного випромінювання та нанесену на поглинач плівку n-типу провідності згідно запропонованого рішення, поглинач оптичного випромінювання виконаний у вигляді полірованої полікристалічної підкладки p-Si, а нанесена на підкладку плівка n-ТіО2 має щільну структуру. При цьому фронтальний контакт фотодіоду виконаний у вигляді прошарку індію, напиленого на плівку n-ТіО2. В запропонованому фотодіоді тонка плівка ТіО2 виконує роль фронтального широкозонного вікна та просвітлюючого покриття. Діоксид титану (ТіО2) є одним з найперспективніших матеріалів серед елементарних прозорих провідних оксидів. Тонкі плівки ТіО2 широко використовуються у різних тонкоплівкових фотоелектричних пристроях завдяки високому коефіцієнту пропускання світла у видимому діапазоні, великому значенню показника заломлення, широкому діапазону значень питомого електричного опору, стабільності параметрів у часі. Такі властивості роблять можливим використання плівок діоксиду титану для просвітлюючих покриттів, оптичних фільтрів, сонячних елементів, газових сенсорів. Кремній є найпоширенішим напівпровідниковим матеріалом в електроніці та фотовольтаїці. У зв'язку з великими запасами кремнію і відпрацьованій технології можливе промислове виробництво фотоперетворювачів на його основі. Однак основною перешкодою для зниження вартості фотоперетворювачів на основі монокристалічного кремнію є дорожнеча технології його отримання. У полікристалічного кремнію більш низька собівартість, оскільки для його отримання використовується більш проста технологія. Тому актуальним є використання дешевого полікристалічного кремнію. Відомо, що в даний час виготовляються високоефективні фотоперетворювачі на основі полікристалічного кремнію. Завдяки своїм фізичним властивостям ТіО2 і полі-Si є перспективними матеріалами для застосування в різних фотоелектричних приладах. Запропоноване рішення пояснюється кресленням. На фігурі схематично показано запропонований фотодіод на основі гетероструктури. Конструкція містить поглинач оптичного випромінювання, виконаний у вигляді полірованої полікристалічної підкладки кремнію р-типу провідності 1, на яку нанесена тонка плівка ТіО 2 nтипу провідності 2. На плівці 2 розташований фронтальний електричний індієвий контакт 3. На + тиловій стороні підкладки 1 нанесено шар алюмінію 4 і утворена р область 5, які формують тиловий електричний контакт. Принцип дії запропонованого фотодіоду полягає у наступному. При падінні оптичного випромінювання зі сторони вікна 2 фотодіоду на межі поділу анізотипного гетеропереходу n-ТіО2/p-Si відбувається генерація електронно-діркових пар. Під дією вбудованого електричного поля в області просторового заряду відбувається розділення генерованих неосновних носіїв заряду. Електрони з р-області рухаються в n-область, а дірки з 1 UA 92084 U 5 10 15 20 25 n-області рухаються в р-область. Внаслідок розділення неосновних носіїв заряду виникає фотоЕРС. При замиканні фронтального 3 та тилового 4,5 контактів через зовнішнє коло протікає фотострум, який виконує корисну роботу. Крім цього при прикладанні зворотного зовнішнього зміщення до фотодіода при падінні на нього оптичного випромінювання внаслідок генерації елекронно-діркових пар збільшується величина зворотного струму. Для виготовлення запропонованого фотодіоду на основі гетероструктури використовували полікристалічний кремній р-типу провідності. Значення питомої електропровідності та -3 концентрації носіїв заряду цих кристалів при кімнатній температурі (295 К) становили σ=9.5·10 -1 -1 14 -3 Ом ·см і р=2·10 см , відповідно. -3 Напилення тонкої плівки n-ТіО2 2 з концентрацією електронів n=4.8·10 см , товщиною 0,3 мкм, проводилося на свіжо поліровану поверхню полікристалічної підкладки p-Si 1 методом реактивного магнетронного розпилення мішені чистого титану в суміші газів аргону та кисню при постійній напрузі. Парціальні тиски аргону та кисню складають 0,7 Па та 0,02 Па, відповідно, при постійній потужності магнетрона - 350 Вт. Протягом процесу напилення температура підкладки підтримується на рівні 300 °C. Фронтальний електричний контакт 3 до тонкої плівки діоксиду титану 2 формується методом термічного осадження індію при температурі підкладки 150 °C. Тиловий омічний контакт до p-Si 1 отримували нанесенням шару А1 4 методом термічного випаровування у високому вакуумі. Для дифузії атомів А1 у приповерхневій області Si проводили термічний відпал (при температурі близько 800 К протягом 20 хвилин), при цьому + утворюється р - шар 5 який знижує контактний опір. При інтенсивності освітлення 80 мВт/см вихідні параметри запропонованого фотодіоду: 2 напруга холостого ходу Uxx=0,2 В, густина струму короткого замикання Ікз=0, 36 мА/см . Запропонована конструкція передбачає підвищення хімічної та механічної стійкості фотодіоду та зменшення його собівартості. Це досягається завдяки тому, що в запропонованому фотодіоді використовується хімічно та механічно стійкіший фронтальний шар (ТіО2), та дешевший базовий шар (полікристалічний кремній) в порівнянні з прототипом. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Фотодіод на основі гетероструктури, який містить поглинач оптичного випромінювання та нанесену на поглинач плівку і омічні контакти до них, який відрізняється тим, що поглинач оптичного випромінювання виконаний у вигляді полірованої полікристалічної підкладки p-Si, а як фронтальний шар - плівка n-ТiO2. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2