УДК 621.384.4

А.В. Корляков, канд. физ.-мат. наук, В.В. Лучинин, д-р техн. наук, М.В. Четвергов, аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет. Центр микротехнологии и диагностики.
E-mail: cmid@eltech.ru

СЕНСОРЫ "ЖЕСТКОГО" УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ШИРОКОЗОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Обобщена информация о достижениях в области разработки и создания датчиков "жесткого" УФ излучения, способных работать в экстремальных условиях. Основное внимание уделено датчикам на основе фосфида галлия, нитридов галлия и алюминия, карбида кремния и алмаза.

Введение

Твердотельные фоточувствительные элементы "жесткого" ультрафиолетового излучения

Введение

В настоящее время в приборостроении резко возрос интерес к освоению ультрафиолетовой (УФ) области спектра в связи с интенсификацией работ по созданию полупроводниковых лазеров на основе композиций широкозонных материалов (InGaN/GaN – SiC, GaN/AIN – SiC) [1-4], что обеспечивает возникновение миниатюрной оптопары в ранее недостижимой области спектра. В связи с этим представляет несомненный интерес анализ современного состояния в области датчиков УФ излучения. Фотоприемники с чувствительностью в УФ диапазоне уже сейчас нашли широкое применение во многих областях науки и техники: астрофизические исследования в космосе, спектрозональные исследования Земли, спектрофотометрия, колориметрия, медико-биологические исследования. Представляет интерес регистрация УФ излучения Солнца и искусственных источников ультрафиолета в области 180-400 нм и, в частности, в диапазонах А – 320-400 нм, В – 275-320 нм, С – 180-275 нм.

В качестве примеров потребности датчиков наиболее "жесткого" УФ излучения диапазона С может быть выделена диагностика "озоновых дыр" (на рис. 1 представлен спектр солнечного излучения, прошедшего к поверхности Земли при наличии озонового слоя и в так называемой "озоновой дыре"), а также регистрация интенсивности облучения ультрафиолетом объектов, работающих в открытом космосе. В последнем случае к фотоприемникам УФ излучения могут предъявляться особые требования к стабильности параметров в условиях радиационного воздействия и возможности эффективного разделения при регистрации УФ излучения и космического радиационного фона.

Рис. 1. Спектр солнечного излучения, прошедшего к поверхности Земли при наличии озонового слоя (1) и в "озоновой дыре" (2) [5]

Известно, что спектральная чувствительность фотоприемников в УФ области спектра определяется многими факторами, главным из которых является ширина запрещенной зоны базового материала. Для изготовления твердотельных УФ фотоприемников используются: кремний, широкозонные соединения A^IIIB^V A^IIB^VI, карбид кремния и алмаз. Для регистрации "жесткого" УФ наиболее перспективны материалы с широкой запрещенной зоной (более 3 эВ). Однако круг применяемых материалов определяется не только значением ширины запрещенной зоны. Необходимо учитывать такие факторы, как коэффициент отражения и коэффициент преломления материала в УФ области спектра. Фоточувствительность УФ фотоприемников существенно зависит от эффективности разделения носителей заряда, возбужденных коротковолновым светом в приповерхностной области; при этом жесткие условия накладываются на характеристики поверхности (малая плотность поверхностных состояний, низкая скорость поверхностной рекомбинации). При выборе исходного материала важную роль играет и уровень разработки технологии его получения, а также состояние методов обработки. Требование высокой фоточувствительности в УФ области спектра определяет и особенности конструкции фотоприемников [5].

Настоящая статья имеет цель обобщить информацию о современных достижениях в области разработки и создания датчиков "жесткого" УФ излучения диапазона С (180-275 нм), способных работать в экстремальных условиях. В обзор не вошли приборы на основе аморфного кремния и соединений А В. Основное внимание уделено датчикам на основе фосфида галлия, нитридов галлия и алюминия, карбида кремния и алмаза.

Твердотельные фоточувствительные элементы
"жесткого" ультрафиолетового излучения

Твердотельные фотоприемники "жесткого" УФ излучения на основе широкозонных материалов реализуются в виде фоторезисторов, фотодиодов на основе -переходов, -структур и диодов Шоттки, полевых фототранзисторов с барьером Шоттки или на базе МДП-структур.

Фоторезисторы. Они являются наиболее простым типом приемников излучения (рис. 2). Используется фоточувствительность материалов, как в области собственного поглощения, так и в примесной области. Высокую селективность и избирательность спектральной чувствительности удается получить лишь у фоторезисторов, изготовленных на основе монокристаллических материалов.

Рис. 2. Структура пленочного фоторезистора

К преимуществам фоторезисторов следует отнести относительную дешевизну изготовления, большой диапазон номиналов сопротивлений, а также простоту выполнения фоточувствительных элементов со сложной конфигурацией. Недостатками фоторезисторов являются значительная инерционность, температурная и времененная нестабильность характеристик. Среднее значение постоянной времени фоторезисторов лежит, как правило, в диапазоне от единиц микросекунд до сотен миллисекунд. С ростом освещенности инерционность уменьшается, что в певую очередь связано с увеличением проводимости.

Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления от энергии фотона для фоторезистора GaP:Cu

Фоторезисторы на основе GaP обладают высокой чувствительностью в УФ области вплоть до мкм. Созданные на основе слоев GaP:Cu, выращенных методами жидкостной эпитаксии, такие фоторезисторы имеют высокий коэффициент усиления (рис. 3). Темновые и световые характеристики таких УФ фоторезисторов линейны до напряженности электрического поля 10⁴ В/см. Спад фоточувствительности УФ фоторезисторов в 2 раза происходит на частотах модуляции света 400-800 Гц [5].

Фоторезисторы на основе нитрида галлия, нитрида алюминия и твердых растворов Al_xGa_1-_xN являются перспективными датчиками УФ излучения [6]. Варьируя соотношением Al/Ga в твердом растворе, можно получать датчики с различной спектральной чувствительностью в широком диапазоне спектра от 3,4 эВ (GaN) до 6,2 эВ (AlN). На рис. 4 изображены спектральные характеристики коэффициента пропускания нитрида галлия и фототока чувствительного элемента, созданного на основе GaN.

В Центре микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета на базе композиции AIN-Al₂O₃ была разработана технология изготовления датчиков наиболее коротковолнового УФ излучения. Разработанный датчик "жесткого" ультрафиолета (рис. 5) представляет собой фоторезистивную структуру, где в качестве чувствительной области выступает слой нитрида алюминия [7], который относится к наиболее широкозонным прямозонным материалам. Слои нитрида алюминия наносились двумя способами: методом ионно-химического осаждения [8] и методом сублимации в квазизамкнутом объеме [9]; при этом толщины слоев составляли 0,5-1,0 мкм. В качестве подложки были использованы пластины монокристаллического сапфира. Особенностью данной структуры является то, что функцию электродов выполняет слой вольфрама, причем формирование проводящей структуры осуществляется до нанесения слоя нитрида алюминия.


Рис. 4. Спектральные характеристики коэффициентов пропускания для твердого раствора AI_xGa_1-_xN в зависимости от состава: 1) х = 0,61, 2) х = 0,55, 3) х = 0,46, 4) х = 0 (а) и фототока фоторезнстора на основе GaN (б)	Рис. 5. Конструкция УФ датчика на основе композиции AlN-Al₂O₃

Разработанная конструкция датчика не требует нанесения защитных слоев, которые могут негативно отразиться на спектральной чувствительности прибора. На рис. 6 изображена спектральная характеристика датчика "жесткого" УФ излучения на основе композиции AlN-Al₂O₃, который обеспечивает высокую чувствительность в диапазоне 180-280 нм и имеет максимум спектральной чувствительности на длине волны 217 нм. Основные характеристики прибора представлены ниже.

Структуры на основе AlN выгодно отличаются положением спектра чувствительности в области "жесткого" ультрафиолета (см. рис. 1), стабильностью параметров, а также возможностью работы прибора при высоких температурах и повышенных уровнях радиации.

Спектральный диапазон, нм	180-280
Максимальная спектральная чувствительность, нм	217
, В	12 (1000)
, А	10^-9
, А	10^-6 – 10^-5
(в озоновой "дыре")	10³ – 10⁴ (~100)
Размер чувствительной области, мм	3´3
Чувствительность, А/Вт	0,015
Быстродействие (RC), с	0,5

Рис. 6. Спектральная чувствительность датчика на основе композиции AlN-Al₂O₃

Рис. 7. Спектральная характеристика чувствительного элемента датчика УФ-излучения на основе алмаза

Фоторезисторы на алмазе, который обладает уникальным сочетанием ценных свойств (большая ширина запрещенной зоны, высокая теплопроводность, химическая и радиационная стойкость и др.), чрезвычайно перспективны для регистрации "жесткого" УФ. К настоящему времени фото проводим ость природных и синтетических монокристаллов алмаза изучена достаточно подробно [10]. Опубликованы также данные по фотопроводимости пленок алмаза, выращенных из газовой фазы (наиболее распространенный метод синтеза искусственных слоев алмаза) (рис. 7) [11].

На основе поликристаллических пленок алмаза были созданы фоторезистивные датчики УФ излучения. Полученные экспериментальные данные позволяют заключить, что поликристаллические пленки газофазного алмаза обладают фотопроводимостью в УФ диапазоне, большей чем фотопроводимость некоторых природных монокристаллов алмаза [11].

В плане практической реализации были изготовлены опытные образцы УФ фоторезисторов на природном алмазе со следующими параметрами:

Спектральный диапазон, нм	205-280
Ширина пика, нм	0,015
Чувствительность, А/Вт	0,5
Темновое сопротивление, ГОм	0,015

Фотодиоды. Фотодиоды, чувствительные в УФ области, представлены структурами на основе -переходов (рис. 8,а), -структур (рис. 8,б), а также на основе барьера Шоттки (рис. 8,в).

Рис. 8. Фотодиодные структуры на основе:
-переходов (а), - структур (б), барьеров Шоттки (в)

У фотодиодов на основе -перехода имеется много преимуществ, главным из которых является малая инерционность.

Спектральная характеристика фотодиода подобна аналогичной характеристике фоторезистора. Длинноволновая граница чувствительности определяется значением ширины запрещенной зоны, а спад в коротковолновой области спектра объясняется тем, что коэффициент поглощения растет и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы, где время жизни неосновных носителей заряда мало и меньшая часть генерированных светом носителей доходит до электронно-дырочного перехода. Следовательно, положение коротковолновой границы фоточувствительности зависит от ширины базы и скорости поверхностной рекомбинации.

Линейная зависимость фототока от интенсивности света является большим преимуществом фотодиодов перед фоторезисторами. Темновое сопротивление фотодиода может быть много больше, чем у фоторезистора, поскольку оно определяется обратным током электронно-дырочного перехода, который имеет небольшое значение. Соответственно отношение темнового сопротивления к сопротивлению при освещении у фотодиода также выше.

Зависимость спектральных характеристик от температуры определяется главным образом температурной зависимостью коэффициента собирания. Влияние оказывают температурные изменения коэффициента поглощения света, ширины запрещенной зоны полупроводника, диффузионной длины неосновных носителей.

Фотодиоды являются более быстродействующими фотоприемниками, чем фоторезисторы и применяются для регистрации излучения, модулированного по интенсивности. Высокое быстродействие может быть получено в -структуре (см. рис. 8,б), если поглощение света происходит в высокоомной области, а также в фотодиодах на основе барьера Шоттки (см. рис. 8,в).

Фотоприемники на основе GaP представляют большой интерес для тех областей применения, когда требуется селективное детектирование УФ излучения. Собственное поглощение GaP начинается с 2,27 эВ, но из-за реализации непрямых переходов при этой энергии квантов оно мало и остается таковым вплоть до энергий ~2,7 эВ. Сильное поглощение начинается лишь при энергии квантов больше 2,27 эВ.

Одним из типов УФ фотоприемников на основе GaP являются приборы, созданные с использованием поверхностно-барьерных структур металл – фосфид галлия. В качестве исходного материала используются как объемные монокристаллы, так и эпитаксиальные слои. В качестве металла для полупрозрачного барьерного контакта наиболее часто используют Аu и Ni (10...20 нм). Такие поверхностно-барьерные структуры обладают свойствами, близкими к идеальной модели контакта металл-полупроводник.

Рис. 9. Спектральные характеристики фотоприемников на основе барьера Шоттки к GaP:
а – широкополосного; б – селективного

Фотодиоды с барьером Шоттки на основе GaP чувствительны в диапазоне 200...500 нм, имеют максимум фоточувствительности при мкм и обладают токовой чувствительностью примерно 0,22 А/Вт (рис. 9,а). Линейная зависимость фототока от падающего излучения сохраняется в достаточно широком диапазоне. С повышением температуры фоточувствительность слабо изменяется. Напряжение пробоя фотодиодов при Т=300 К составляет 5-15 В. Использование серебра в качестве материала контакта позволяет создать селективный фотоприемник (рис. 9,б), где серебро выполняет функцию контакта и светофильтра одновременно [12].

Фотоприемники на основе SiC обладают повышенной температурой и радиационной устойчивостью. Карбид кремния – широкозонный полупроводник. Значение его ширины запрещенной зоны меняется от 2,39 эВ (3С-SiC) до 3,32 эВ (2H-SiC). На основе карбида кремния можно создавать как УФ фоторезисторы, так и фотодиоды с барьером Шоттки и с -переходом. Наиболее известными фотоприемниками УФ диапазона на SiC являются фотодиоды с барьером Шоттки (рис. 10) со следующими типичными параметрами [13-15]:

Напряжение питания, В	1
Сила темнового тока, фА	0,2
Сила фототока, нА	20-50
Чувствительность, мА/Вт	145

Фотодиоды на основе нитрида галлия, нитрида алюминия и твердых растворов Al_xGa_1-_xN являются наиболее перспективными чувствительными элементами в УФ области. На основе композиции Al_xGa_1-_xN созданы все вышеперечисленные диодные структуры (рис. 11-13) [16, 17].


Рис. 10. Конструкция (а) и спектральная характеристика (б) фотоприемника на основе барьера Шоттки к SiC	Рис. 11. Конструкция (а) и спектральная характеристика (б) фотоприемника на основе GaN -перехода

Рис. 12. Конструкция (а) и спектральная характеристика (б) фотоприемника на основе барьера Шоттки к р-GaN	Рис. 13. Конструкция (а) и спектральная характеристика (б) фотоприемника на основе -перехода в твердом растворе AlGaN

Фототранзисторы. Для регистрации УФ излучения используются полевые фототранзисторы, в основе функционирования которых лежит изменение концентрации носителей заряда в канале, а следовательно, его проводимости за счет освещенности. Базовые конструкции полевых фототранзисторов на основе барьеров Шоттки и МДП-структур представлены на рис.14.

Рис. 14. Структуры чувствительных элементов на основе полевого транзистора с барьером Шоттки (а) и МДП транзистора (б)

Достоинством полевого фототранзистора является высокое выходное сопротивление, вследствие чего могут быть обеспечены хорошие пороговые характеристики Особенностью полевого фототранзистора является также низкая инерционность вследствие отсутствия инжекции и диффузионной емкости на входе. К другим особенностям фотоприемников с усилением (по сравнению с фотодиодами) можно отнести более низкую температурную и временную стабильность характеристик, более высокий уровень шума, сужение диапазона линейности выходной характеристики. Эти недостатки удается в некоторых случаях преодолеть, разделяя на монокристалле фоточувствительный и усилительный элементы.

Фототранзисторы на основе МДП структур (рис. 14,б) отличаются высоким быстродействием, малыми шумами, высоким входным сопротивлением. Для них характерны достаточно низкий порог фоточувствительности в режиме нестационарного обеднения, возможность управления фоточувствительностью внешним электрическим полем, а также высокая радиационная стойкость.

Фототранзисторы на основе барьера Шоттки обладают высокой фоточувствительностью, обеспечивающей еще более высокое быстродействие по сравнению с фототранзисторами на основе МДП-структур.

В литературе имеются данные по полевым транзисторам, чувствительным в УФ области спектра, на основе карбида кремния (рис 15) [18] и композиций нитрида галлия – твердые растворы Al_xGa_1-_xN (рис. 16).


Рис. 15. Структуры полевых карбидокремниевых фототранзисторов: МДП (а) и барьер Шоттки (б) и характеристики (в) и (г) – темновые, (д) и (е) при освещении ртутной лампой	Рис. 16. Структура (а) и спектральная характеристика выходного тока (б) полевого транзистора с барьером Шоттки на основе композиции AlGaN/GaN

* * *

Представленный обзор в области твердотельных датчиков "жесткого" УФ излучения показывает, что, к сожалению, имеющиеся в литературе данные по параметрам созданных приборов весьма скупы. Фактически отсутствуют такие характеристики, как чувствительность фотоприемных элементов, их инерционность, зависимость параметров от температуры, а также устойчивость к воздействию радиации. В настоящее время в Центре микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета совместно с ЭНПО "Специализированные электронные системы" проводится комплекс работ по исследованию устойчивости УФ фотоприемных устройств на основе нитрида алюминия и карбида кремния к воздействию экстремальных факторов (высокие температуры – более 400 °С и уровни радиации – флюенс нейтронов более 1015 нейтрон/см²). Полученные предварительные результаты позволяют прогнозировать возможность эксплуатации приборов в условиях спецвоздействий.

Перспективность широкозонных материалов GaN, A1N, SiC и композиций на их основе для датчиков "жесткого" ультрафиолета безусловно определяется также совместимостью материалов и технологий при создании УФ оптопар "излучающий – фотоприемный элемент".

Список литературы

1. Edmobd, G. Bulman, H.S. Kong, M. Leonardo, K. Doverspike, W. Weeks, J. Niccum, S.T. Sheppard, G. Negley, D. Slater, J.D. Brown, J.T. Swindell, T. Overocker, J.F. Schetzina, Y.-K. Song, M. Kiihal and A. Nunnikko. Nitride-Based Emitters on SIC Substrates // Materials Science Forum. Vols. 264-268(1998) 1998. P. 1421-1424. TransTech Publications, Switzerland.

2. Beaumont, F. Calle, S. Haffouz, E. Monroy, M. Leroux, E. Calleja, P. Lorcnzini, E. Munoz and P. Gibart // Blue-U.V. Homojunction GaN LEDs Fabricated by MOVPE. Materials Science Forum. Vols. 264-268 (1998) pp. 1425-1428, 1998, Trans Tech Publications. Switzerland.

3. Nagatomo and H. Saitou. Electroluminescence of GaN pn Diodes // Materials Science Forum. Vols. 264-268 (1998). Trans Tech Publications, Switzerland. 1998.

4. Calcagnile, G. Coli, R. Rinaldi, R. Cingolani, H. Tang, A.E. Botchkarev, VV. Kini, A. Salvador and H. Morko. Ultraviolet Stimulated Emission in GaN/AIGaN Multiple Quantum Wells // Materials Science Forum. Vols. 264-268 (1998). pp. 1433-1436. 1998. Trans Tech Publications, Switzerland.

5. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра / И.Д. Анисимова, И.М. Викулин, Ф.А. Заитов, Ш.Д. Курмашев; Под ред. В.И. Стафеева. M.: Радио и связь, 1984. 216с.

6. Ferguson, S. Liang, C.A. Tran, R.F. Karlicek, Z.C. Feng, Y. Lu and C. Joseph. An Investigation of Breakdown Mechanisms in AI(GaN) MSM Photodetectors // Materials Science Forum. Vols. 264-268 (1998). P. 1437-1440, 1998, Tram Tech Publications, Switzerland.

7. Положительное решение от 31.03.99 по заявке № 99105813/28(006554) от 03.03.98. Лучинин В.В„ Корляков А.В., Костромин С.В., Четвергов М.В., Сазанов А.П. "Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения".

8. Kazak-Kazakevich, A.V. Korlyakov, S.V. Kostromin. V.V. I.uchinin. Ion-chemical epitaxy of SiC-AIN composition, E-MRS. France, Strasbourg, Spring Meeting, 1996. pp. A-26.

9. Luchinin V.V., Chetvergov M.V., Korlyakov A.V.,Kostromin S.V., Sazanov A.P., Popov V.A. A1N/A1203 Composition Based Hard Ultraviolet Radiations Sensor. EUROSENSORS XIII. The 13 th European Conference on Solid-State Transducers, September 12-15,1999. The Hague, The Netherlands. P. 505-508.

10. Хитковский В.Д., Алтухов А.А., Камальдивов В.А., Татьянииа Н.А., Гладков П.В. Использование природного алмазного сырья для изготовления перспективных полупроводниковых приборов // Материалы IV Межрегионального симпозиума "Тонкие пленки в электронике", Москва – Улан-Удэ, 1993.

11. Grornov D.V., Kvaskov V.B., Maltsev P.P., Nikiforov A.Y., Telets V.A. Ultraviolet Sensors Based on the Natural Diamond // EurosensorsX, Lenven, Belgium, 8-11 September, 1996.

12. Орлова Т.А. Исследование контактов металл-фосфид галлия и разработка УФ фотоприемников на их основе / Автореферат дисс. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук, Санкт-Петербург -1999.

13. Edmond, H.S. Kong, and C.H. Carter, Jr., High Temperature Rectifiers, UV Photodiodes, and Blue LEDs in 6H-SiC. Proc. 4th Intl. Conf. Amorph. & Crystal SiC & Other IV-IV Materials Santa Clara, CA. P. 344-351 (October 1991).

14. Brown, E.T. Downey, M. Ghezzo, J.W. Kretchmer, R. J. Saia, Y.S. Liu, J.A. Edmond, G. Gati, J.M. Pimbley and W.E. Schneider. Silicon Carbide UV Photodiodes. IEEE Trans. on Electron Devices. 1993. Vol. 40, N. 2. P.325-333.

15. Verenchikova and V.I. Sankin. Ultraviolet Photodetector Using a Cr-SiC Surface-Barrier Diode. Sov. Tech. Phvs. Lett. October 1988. Vol. 14, N. 10, P.756-758.

16. Xu, A. Salvador, A.E. Botchkarev, W. Kirn, C. Lu, H. Tang, H. Morko, G. Smith, M. Estes, T. Dang and P. Wol. High Speed, Low Noise Ultraviolet Photodetectors Based on GaN p-i-n and AlGaN(p)-GaN(i)-GaN(n) Structures // Materials Science Forum. 1998. Vols. 264-268. P. 1441-1444, 1998, TransTech Publications, Switzerland.

17. Kuek, M.A. Wong, Т.А. Fisher, B.D. Nener, E.E. Dept and D.L. Pulfrey. Modelling AlGaN/GaN UV photodetectors.

18. Grekhov, P.A. Ivanov, T.P. Samsonova, A.F. Shulekin and M.I. Vexler. SiC-Based Phototransistor with a Tunnel MOS Emitter // IEEE Transactions on Electron Devices. March 1999. Vol. 46, N. 3.

Наверх