Детектор уф випромінювання з інтегрованим світлофільтром

Реферат: Детектор УФ випромінювання з інтегрованим світлофільтром містить напівпровідникову, наприклад n-кремнієву підкладку, на якій розташований УФ фотодіод з гребінчастим анодом, опорний фотодіод з гребінчастим анодом та світлофільтром перед ним. Анод з р+ областю під ним розташований в проміжках анода з р+ областю опорного діода. Обидва діоди мають спільний катод з n+ областю під ним, а світлофільтр, прозорість якого знижується при зменшенні довжини хвилі падаючого випромінювання, наприклад шар фосфоросилікатного скла, перекриває фоточутливу область опорного діода і виконаний як елемент його конструкції. UA 78835 U (12) UA 78835 U UA 78835 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до виміру інтенсивності УФ випромінювання в діапазоні хвиль 200-400 нм як вхідний перетворювач енергії УФ випромінювання в електричний сигнал і може бути використана для радіаційного контролю УФ випромінювання А, В і С діапазонів в умовах високогірного та космічного середовища, для потреб контрольних вимірів в медицині, виробництві та в системах зв'язку. Як вхідний перетворювач енергії для подібних детекторів в більшості використовуються кремнієві фотодіоди. Потік фотонів потрапляє до р-n переходу через напівпрозорий електрод з високолегованою областю під ним. Типовим представником цього класу перетворювачів енергії є діод S8553 фірми Hamamatsu //HAMAMATSL) PHOTONICS K.K., Solid State Division [1]. Поширеність застосування подібних приладів, незважаючи на невисоку квантову ефективність кремнію в УФ діапазоні, зумовлена їх дешевизною порівняно з фотодіодами на широкозонних матеріалах, відпрацьованістю існуючої кремнієвої технології, легкістю інтеграції в складніші пристрої. Чутливість фотодіода, освітлюваного через напівпрозору р+ область, описана, як представлено в статті "A silicon blue/UV selective stripe-shaped photodiode'V/ A. Pauchard *, P.-A. Besse, R.S. Popovic// Sensors and Actuators 76 (1999) 172-177 [2] таким виразом: q() X X R1()  T()S0 D e ()x dx X B e ()x dx    , (1) D   h де: h - енергія фотона, q - елементарний заряд, T - коефіцієнт прозорості вхідного вікна,  - внутрішня квантова ефективність,  - коефіцієнт поглинання світла, ХB - глибина потенціального бар’єра, ХD - товщина мертвого шару, S - частка неосновних носіїв, поглинутих в мертвому шарі, що не рекомбінували перед тим, як дістатися до металевого контакту. Втрата чутливості завдяки існуванню мертвого шару досить значна навіть для кращих зразків фотодіодів. Додаткову втрату чутливості вносить поглинання в високолегованій області над переходом, яка є невід'ємною частиною діода. Відомий кремнієвий діод, описаний в роботі "Fast Cmos Integrated Finger Photodiodes for a Wide Spectral Range", H. Zimmermann et al, Proceedings of the 32nd European Solid-state Device Research Conference Held Firenze, Italy, 24-26 Sept. 2002 [3], прийнятий заявниками як частковий прототип. Чутливість даного приладу в УФ діапазоні підвищено за рахунок гребінчастої форми анода, завдяки чому в проміжках анодної структури відсутня р+ область з мертвим шаром, до того ж, пари носіїв породжуються, починаючи з поверхні діода, в тонкому (порядку сотні нанометрів для ультрафіолету) робочому шарі. Однак висока чутливість таких діодів у видимому та ІЧ діапазоні змушує застосовувати додаткові світлофільтри, що або поглинають значну частину падаючого випромінювання, або коштують дорожче самого діода. Тому розробка кремнієвих фотоприймачів, малочутливих до видимого та ІЧ випромінювання досі актуальна. Відомий УФ фотодіод зі зменшеною чутливістю в видимому та ІЧ діапазонах, прийнятий заявниками як частковий прототип. Конструкція та принцип дії прототипу описані в роботі [2]. В даній конструкції ефект селективності досягнуто за рахунок використання залежності поглинання світла в кремнії від довжини хвилі та розділення носіїв, породжених фотонами різних енергій за рахунок створеного в структурі потенціального бар’єра на відстані 400 нм від вхідної поверхні. Сам УФ діод сформований в тонкому шарі, виконаному в р-підкладці. Анод діода з р+ областю під ним має гребінчасту структуру та виконаний на поверхні приладу. Катод фотодіода розташований на лицевій стороні приладу. На тильній стороні підкладки виконано додатковий анод, замкнений на катод. Носії, породжені малоенергетичними фотонами в шарах, розташованих нижче потенціального бар’єра, відводяться до нижнього переходу і рекомбінують. Недоліком даного прототипу є те, що в шарі вище потенціального бар’єра низькоенергетичні фотони також породжують пари носіїв, що створює струм завади, близький до струму сигналу. Крім того, мала товщина сформованої n-бази і обумовлена поглинанням кремнію мала глибина залягання потенціального бар’єра змусили розробників до створення тонкого (р+)-n переходу з формуванням досить низькоомної n-області, що значно збільшило електроємність діода і викликало необхідність застосування субмікронної структури анода з підвищеними втратами падаючої енергії на непрозорих ділянках анода. Крім того, такі діоди досить дорогі, що видно по переважному застосуванню раніше описаних типів фотодіодів. 1 UA 78835 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Задача корисної моделі - створення пристрою, вільного від вказаних недоліків вибраних прототипів. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що, маючи на меті створення пристрою з використанням кремнієвої технології, чутливого до УФ випромінювання, зі зменшеною чутливістю до видимого та ІЧ випромінювання та зменшеною електричною ємністю, заявники пропонують інтегрований пристрій, в склад якого входить УФ чутливий діод та електрично такий самий опорний діод, в топологію якого введений елемент, прозорість якого залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання, і ці діоди виконані на спільній напівпровідниковій підкладці з високоомного матеріалу та мають спільний катод, причому анод кожного діода знаходиться в проміжках анода іншого діода. Інтегральне виконання гарантує близькість електричних параметрів. Фотострум першого діода є функцією вимірюваного та заважаючого компонентів падаючого потоку, фотострум опорного діода залежить в основному від заважаючого компонента. Корисним сигналом є різниця фотострумів або різниця напруг на анодах діодів. Обидва струми описуються формулами, наведеними в [2] з поясненнями.  W  R 2 ( )   R1( ) W D   X  q( ) D   T( )(1  c )0 B e  (  )x dx   h W  D  (2), Для нашого випадку фактор с (частка носіїв, що не подолали потенціальний бар'єр) дорівнює 0 (бар'єр в базі відсутній), W - ширина смужки анода, D - відстань між смужками. Враховуючи наведені залежності, заявники пропонують наступне. 1. Детектор УФ випромінювання з інтегрованим світлофільтром, що згідно з фіг. 1 складається з напівпровідникової, наприклад n-кремнієвої, підкладки 1, на якій розташовані УФ чутливий діод з анодним електродом 2, контактною площадкою 9 і р+ областю 3 під ним та опорний діод з анодним електродом 4, контактною площадкою 8 і р+ областю 5 під ним, в топологію якого введений елемент 10, прозорість якого знижується при зменшенні довжини хвилі падаючого випромінювання, наприклад шар фосфоросилікатного скла, і ці діоди мають спільний катод 7 з n+ областю 6 під ним. Вихідний сигнал - диференціальний, власну чутливість обох діодів визначають за формулою 2. 2. Пристрій за п. 1, згідно з фіг. 2, як частково прозорий елемент застосовано сформовану р+ область 11. 3. Пристрій за п. 1, згідно з фіг. 3 р+ області 3 та 5 розширено майже до контакту, причому електричні характеристики обох діодів лишилися ідентичними, власну чутливість обох діодів визначають за формулою 1, а необхідне послаблення УФ складової випромінювання в опорному діоді отримане завдяки збільшеній товщині р+ області 5. Перелік графічних матеріалів 1. На Фіг. 1, 2 представлена схематична будова пристрою за п. 1 з умовним зображенням підкладки, УФ чутливого діода з анодним електродом, контактною площадкою і р+ областю під ним та опорного діода з анодним електродом, контактною площадкою і р+ областю під ним, фільтруючим елементом та спільний катод з п+ областю під ним. 2. На Фіг. 3, 4 представлена схематична будова пристрою за п. 1 з умовним зображенням підкладки, УФ чутливого діода з анодним електродом, контактною площадкою і р+ областю під ним та опорного діода з анодним електродом, контактною площадкою і р+ областю під ним, додатковою р+ областю та спільний катод з n+ областю під ним. 3. На Фіг. 5, 6 представлена схематична будова пристрою за п. 1 з умовним зображенням підкладки, УФ чутливого діода з анодним електродом, контактною площадкою і поширеною р+ областю під ним та опорного діода з анодним електродом, контактною площадкою і поширеною р+ областю під ним та спільний катод з n+ областю під ним. Робота заявленого пристрою: 1. Короткохвильове (УФ) та довгохвильове (видиме та ІЧ) випромінювання потрапляє одночасно на обидва діода. УФ складова потоку, що падає на опорний діод, послаблюється за рахунок поглинання фільтруючим шаром 10 перед попаданням до фоточутливої області діода. Таким чином, через обидва діоди з однаковою побудовою електрично активних елементів, мають різну освітленість і, відповідно, різний опір. При однакових струмах живлення діодів це призводить до різного падіння напруги на кожному з них. Сигнал, пропорційний УФ складовій потоку, отримується або на виході операційного підсилювача при підключенні обох анодів до його входів або визначається при безпосередньому вимірі різниці потенціалів на анодах. 2 UA 78835 U 5 2. Робота заявленого пристрою за п. 2 не має особливостей відносно п. 1, за винятком того, що УФ поглинаючий шар 11 опорного діода виконано, як додаткову непідключену р+ область. 3. Робота заявленого пристрою за п. 3 не має особливостей відносно п. 1, за винятком того, що при однакових електричних параметрах діодів для зменшення УФ засвічування опорного діода використано потовщення р+ області 5. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Детектор УФ випромінювання з інтегрованим світлофільтром, що містить напівпровідникову, наприклад n-кремнієву, підкладку, на якій розташований УФ фотодіод з гребінчастим анодом, опорний фотодіод з гребінчастим анодом та світлофільтром перед ним, який відрізняється тим, що анод (2) з р+ областю (3) під ним розташований в проміжках анода (4) з р+ областю (5) опорного діода, обидва діоди мають спільний катод (7) з n+ областю (6) під ним, а світлофільтр (10), прозорість якого знижується при зменшенні довжини хвилі падаючого випромінювання, наприклад шар фосфоросилікатного скла, перекриває фоточутливу область опорного діода і виконаний як елемент його конструкції. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що світлофільтр (11), що перекриває фоточутливу область опорного діода, виконано як непідключену р+ область заданої товщини. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що роль світлофільтра, який зменшує чутливість опорного діода до УФ випромінювання, виконує р+ область (5), товщина якої перевищує товщину р+ області (3). 3 UA 78835 U 4 UA 78835 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 5