Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 1, стр. 68-70

1. ВВЕДЕНИЕ

Чувствительность приемных устройств, использующих многоэлементные матрицы Шоттки-диодов, как и других многоэлементных приемников, зависит от отношения площади, занимаемой непосредственно фоточувствительной поверхностью ко всей площади приемника, включая и считывающую структуру. При использовании в качестве считывающей системы ПЗС-регистров, в состав многоэлементного приемника должны входить электроды передачи зарядов и сигнальные шины сдвигового регистра, стоп – канальные области, электроды считывающих затворов и т.д. По этой причине, относительная доля фоточувствительной площади в многоэлементных Шоттки-матрицах (иногда ее называют коэффициентом заполнения), мала. Например, в одной из первых двухкоординатных матриц Шоттки диодов, она составляла лишь 16.4%. Путем уменьшения размеров элементов считывающей структуры, стоп – каналов и других нефоточувствительных областей, удалось повысить коэффициент заполнения, при сохранении достаточно большого динамического диапазона считывающей структуры. Так, в одной из последних разработок фирмы RCA, в матрице IrSi Шоттки-диодов, состоящих из 160 × 244 элементов, коэффициент заполнения составил 39%. Предполагается дальнейшее уменьшение размеров нефоточувствительных областей матрицы, что согласно предположениям, должно увеличить коэффициент заполнения до максимальной величины, равной 83%.

Для увеличения коэффициента заполнения матрицы, можно также использовать оптическую преломляющую пластинку из прозрачного в ИК-области материала (кремния, германия), которую устанавливают в непосредственном контакте с той поверхностью матрицы, через которую происходит освещение приемных элементов. Эта пластинка должна изменять ход лучей таким образом, чтобы излучение фокусировалось только на фоточувствительные участки матрицы.

В последние годы разработан ряд новых фотоприемников: диодов Шоттки, МОП (металл-оксид-полупроводник) и МДП (металл–диэлектрик–полупроводник) структуры. Основными недостатками известных фотоприемников являются их низкая фоточувствительность и узкая область спектральной чувствительности. По сравнению с ДШ (диод Шоттки) и МДП-структур, фототранзистор одновременно выполняет роль предусилительного каскада.

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Изготовлен фототранзистор (ПТШ – полевой транзистор Шоттки) с барьером Шоттки на основе контакта IrSi–Si индуцированного и р-канальный встроенного типа (рис. 1). Канал был сформирован внедрением ионов бора с энергией 50 кэВ и дозой 2 × 10¹² см^–2. Истоки и стоки полевых транзисторов сформированы диффузией фосфора с поверхностным сопротивлением 8 Оm/□ и диффузией бора 6 Оm/□ на глубину 1.5 мкм. Затвор из IrSi получен ранее описанным методом. При работе ПТШ (полевой транзистор Шоттки) подложка 1 и исток 2 заземляются, а сток 3 соединяется через нагрузочное сопротивление с положительным полюсом источника. Таким образом, контакт Шоттки образованный методу пленками IrSı и кремнием 5, становится обратносмещенным. Поэтому пленка IrSi удерживает положительный заряд так, что полевой транзистор находится в открытом состоянии. При этом течет канальный ток, величина которого определяется нагрузочным сопротивлением и сопротивлением канала.

Исследованы вольт-амперные характеристики затвора полевого транзистора, управляемого барьером Шоттки, на основе контакта IrSi–Si. Зависимость токов затвора от напряжения показаны на рис. 2.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При увеличении напряжения ток затвора увеличивается, что, объясняется действием сил зеркального изображения темновой ток барьера Шоттки, описывается формулой:

где S – площадь, А – эффективная постоянная Ричардсона, T – температура, φ_Б – высота потенциального барьера.

Согласно [1, 2] в режиме насыщения тока стока напряженность электрического поля в стоковой части канала на границе метал (IrSi)–полупроводник пропорциональна напряжению затвор–сток, поэтому изменение барьера равна:

а ток обратносмещенного барьера или

Зависимость тока затвора ПТШ с индуцированным каналом показывает, что напряжения ИК-излучением транзисторной структуры, положительный заряд, удерживаемый в пленке IrSı, разряжается в кремниевую пленку, образуя фототок в цели затвора. Поэтому наблюдается падения напряжения на затворе в виде [3, 4]:

где I_Ф – фототок, R_ИЗ – сопротивление канала исток – затвор.

Изменение напряжения на затворе:

(где g – крутизна, I_C – ток проходящая через канал) вызывает изменение тока через канал на

Чувствительность к излучению фототранзистора определяется:

где Ф – мощность ИК-излучению.

На рис. 3 приведена зависимость фототока в области насыщения от напряжения на полевом электроде.

Разработанный фотоприемник имеет следующие параметры:

– область спектральной чувствительности: 7.5–14.1 мкм;

– абсолютная токовая чувствительность при λ = 9 мкм; S_λ = 6 mA/Bm;

– рабочая температура: 50–55 К;

– обнаружительная способность: D = = 10¹¹ см Гц^–1/2 ∙ Вт^–1;

– инерционность: τ ≤ 5 × 10^–9 с.

Рассмотренный ИК-детектор может быть совмещен с элементами интегральных схем, что открывает широкие перспективы для его использования в многоэлементных инфракрасных фотоприемниках большой степени интеграции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявлено что, зависимость тока затвора ПТШ с индуцированным каналом показывает, что напряжения с ИК-излучением транзисторной структуры, положительный заряд, удерживаемый в пленке IrSi, разряжается в кремниевую пленку, образуя фототок в цели затвора. Поэтому наблюдается падения напряжения на затворе.