Исследование физических процессов определяющих основные рабочие параметры фотоприемников на сонове легированного кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

САНКТ- ПЕГГ ЕРБУРГСКИИ ГОСЩРОЖШШИ ЭЖЦРОТЕШНЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ОСНОВНЫЙ РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ ФОГОПРИЫШтКОВ НА ОСНОВЕ ЛЕГИРОВАННОГО ПРЕМИЯ

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников

и диэлектриков

На правах рукописи

Гареев Газинур ЗиятдиновиЧ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фиэико - математических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете.

Научны!» консультант -кандидат физико-математических наук, доцент Луцкая О.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Косогов О,В. кандидат физико-математических наук, вед.н.с. Курбатов А.Л.

Ведущая организация -Научно-исследовательский институт "Гириконд"

Защита диссертации состоится "<£/" ^1ддз

в //^часов на заседании специализированного совета К 063.36. Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университе

Автореферат разослан

«I

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Окунев Ю.1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Использование ИК излучения для передачи информации - это (гаоть науки, развитие которой стимулируется в основном нужда-специальной техники. Такую информации может нести как собст-шое тепловое излучение объекта, так и отраженный от объекта рок излучения, который регистрируется для его опознавания.

Когда распространение излучения идет в атмосфере, предстанет интерес не весь ИК диапазон спектра, а только те его уча, которые приходятся на прозрачные области ("окна") атмос-?ы.

В ряде случаев для решения проблемы передачи изображения с лощыо твердотельных матриц используют регулярные массивы фото-зствительных элементарных детекторов, построенных либо на ос-зе узкозонных собственных материалов, либо на основе легиро-«юго кремния. Оставляя в стороне очевидные (с точки зрения зствительности й температуры) преимущества узкозонных

гериалов типа А В , А В , отметим, что на сегодня един-

енным материалом, на основе которого возможно создание БИС с гическим вводом информации, является кремний. Примером тому чут служить приборы с зарядовой связью и с зарядовой инжекнией ЗС, ПЗИ).

В евязи с этим представляется актуальным развивать исследо-гоя физических процессов, определяющих фотоэлектрические и половый характеристики фотоприемников на основе легированного змния. Четкое понимание этих процессов позволит выбрать опти-тьные режимы работы таких фотоприемников. Кроме того, значи-тьный интерес представляет сравнительный анализ фотоприемников основе узкозонных материалов и легированного кремния, работа-IX в одинаковых спектральных диапазонах.

Фотоприемники на основе кремния, легированного "мелкими" шесями (В, Р,Аэ , В ) обладают чувствительностью в дальней области и требуют глубокого охлаждения (Т< 10 К), что связано «алой энергией ионизации примесных центров. Низкая рабочая «пература обуславливает высокую стоимость и малый рабочий ре-)с криогенной системы. Применение "глубоко«" примеси в кремнии

в принципе позволяет наблюдать примесную фотопроводимость " "о} тх" прозрачности атмосферы при сравнительно высоких температурах (до 140 К), следствием чего является резкое снижение массо-габаритных характеристик и энергопотребления при одновременном увеличении рабочего ресурса и надежности.

Таким образом, исследование Логоэлектрических и пороговых характеристик ИК фотоприемников на основе легированного кремни; является весьма актуальной задачей, и результаты могут иметь в£ жное значение при разработке перспективных Тепловчзионных систе

Целью настоящей работы являлось исследование физических процессов, определяющих, фотоэлектрические и пороговые характеру стики Ж фотоприемников, выбор оптимальных режимов работы этих фотоприемников, а также сравнительный анализ ИК фотоприемников на основе различных материалов.

Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих основных задач:

1. Разработка теоретической модели и исследование температурной зависимости чувствительности ИК фотоприемников на основе легированного кремния. Расчет температур максимальной фоточувст витёльности.

2. Анализ физических процессов, определяющих частотную зависимость чувствительности ИК фотоприемников на основе легированного кремния. Выбор оптимального диапазона рабочих частот.

3. Исследование процесса накопления зарядов в элементарной ячейке матричных Ж фотоприемников на основе легированного креы нкя.

4. Анализ процесса считывания сигнальных зарядов в ИК фото приемнике типа ПЗИ.

5. Исследование влияния.глубокого охлаждения на работу ИК фотоприемников на основе легированного кремния.

6. Исследование спектральных и пороговых характеристик ИК фотоприемников на основе различных материалов.'

Научная новизна.

I. Разработана теоретическая модель температурной зависимо оти чувствительности ИК фотоприемников на основе легированного кремния. Рассчитаны температуры максимальной фоточувствительнос

■и ИК детекторов на основе £н , легированного ва, 1м , Т1 , £е . Проведены измерения температурной зависимости чувствитель-гости ИК фотоприемников на основе 51 : 1п , Т1 , 5е , .

2. На основе анализа физических процессов, определяющих гастотные характеристики ИК фотоприемников на основе легирован-юго кремния, выбран оптимальный диапазон рабочих частот.

3. Исследован процесс накопления зарядов в ИК фотоприемнике 1а основе легированного кремния с аккумуляцией основных носите-гей заряда.

4. Проведен анализ процесса считывания сигнального заряда в К фотоприемнике типа ПЗИ.

5. Исследовано влияние глубокого охлаждения на работу ИК тотоприемника на основе легированного кремния.

Научные положения, выносите на защиту.

1. В условиях глубокого охлаждения параметры ИК фотоприем-шка на основе легированного кремния определяются эффектом "выгораживания" энергетических уровней атомов мелких примесей (В и '), а также квантовым размерным эффектом, как в аккумулирующих :лоях (при накоплении фотозарядов), так и в инверсных каналах :читывашщих ПЗС.

2. Оптимальный диапазон рабочих температур ИК фотоприемни-сов на основе легированного кремния определяется снизу темпера-'урой фонового излучения, сверху - температурой максимальной фо-?очувствительности. Фоточуветвительность может резко возрастать ФУ точной компенсации фоновой мелкой примеси.

3. В строчных и двумерных ИК фотоприемниках типа ПЗИ на ос-юве легированного кремния повышение эффективности считывания (ютозарядов и снижение инерционности изображения достигается при {оллектировании фотозарядов периферийным электродом взамен тра-1Иционной инжекции зарядов в подложку.

Практическая ценность работы.

Разработана и экспериментально подтверждена теоретическая годель температурной зависимости фоточувстиительности ИК фото-триемников на оснопо легированного кремния. Рассчитаны предель-ше температуры максимальной фоточувствительноети.

Исследованы процессы накопления и считывания сигналы«,* фотозарядов в перспективных ПК г&отоприешиках на основе па-ванного кремния.

Исследовано влияние глубокого охлаждения на работу № фот( приемников на основе легированного кремния.

Разработана и апробирована оригинальная методика измерена пороговых и накопительных характеристик ИК фотоприэмников на основе различных материалов.

Результаты проведенных исследований позволяют выбрать опт мальные режимы работы и оптимальные типы ИК фотоприемников' для перспективных: тепловизионных систем.

Апробация результатов работы.

Результаты диссертационной работы докладывались а обеужда лись на научно-технических конференциях и семинарах во ВНИИ Те левидения и в ЛЭТИ в 1983-92 гг.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано II печатных paco-;.

Структура и объем работа.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 61 источник, и приложения. Оснс ная часть работы изложена на 108 страницах машинописного текст Работа содержит 21 рисунок и .4 таблицы.

СОдаРЕШЕ-РАБОТЫ'"

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сф< «улировеяа ее цель. Показана научная новизна и практическая ц< ность полученных результатов. Приведены основные научные поло; ния, выносимые на защиту.

В главе I проведена классификация современных и перспект: ных ИК фотоприемных устройств (ШУ) как по технологии изготов. ния, так и по методам считывания сигнала. Отмечается, что мои литные ФПУ предпочтительнее с точки зрения надежности, в то в мя как в 4ИУ с гибридной структурой возможна раздельная оптим зация фотосекции и считывающей части. По методам считывания с

нала монолитные ФПУ подразделяются на (йоточуютвительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС), приборы с зарядовой инткекцией (ФПЗИ), приборы с зарядовой экстракцией (®ЗЭ), ¿Рютоприемники с внутренним интегрированием сигнала (ФВИС), Фотоприемники с блокированной примесной зоной (ФБПЗ), ШУ с гибридно!» структурой могут быть реализованы на основе фотонных приемников, либо на основе пироэлектрикоп, не требующих охлаждения. Сделан сравнительный -анализ ФПУ на осчс че узкозонннх материалов и легированного кремния. Показаны преимущества различных ФПУ в зависимости от конкретных системных задач и условий применения.

В главе 2 теоретически исследованы физические процессы, определяющие основные рабочие параметры ИК фотоприемников на основе легированного кремния.

Рассмотрен процесс накопления заряда в ИК ФПУ аккумуляцией основных носителей заряда. Проведен расчет ширины области локализации аккумулированных основных носителей заряда и энергии основного состояния (нулевой злектри-^ской подзоны). Показана реалистичность приближения квантового электрического предела для заполненной потенциальной ямы (в конце периода накопления) при низких температурах и сильных электрических полях.

Проведен анализ Физических процессов, определяющих частотные характеристики ПК й>ПУ на основе ¿'Г , легированного глубокой "примесью ( $'1 : X), Рассмотрены переходные процессы при импульсных изменениях электрического .юля с учетом эффектов нестацио-• парной инжекции из контактов и возбуждения волн перезарядки ловушек. Показано влияние отих эффектов на частотные спектры сигнала и шумов. Рассчитаны оптимальные диапазоны рабочих частот для конкретных I® ЗЛУ,

Проанализирован процесс считывания сигнальнмх зарядов- в перспективном Ш ФПУ типа ПЗИ. Рассмотрен процесс инжс-кшш заряда в линейном ПЗИ с периферийным коллектором. Развит численный метод решения уравнения непрерывности для данной задачи. Показано, что предлагаемый метод считывания практически устраняет перекрестные" электрические наводки и уменьшает инерционность изображения. Рассчитаны зависимости эффективности коллектирования сигнальных зарядов от величины зарядовых пакетов и длительности импульсов инжекции.

Исследована температурная зависимость чувствительности ИК ШУ на основе Si : X. Разработана теоретическая модель этой зависимости с учетом температурных зависимостей коэффициента рекомбинации и подвижности носителей заряда, а также эгМекта неполной ионизации атомов мелкой <?юновой примеси - бора. Показано, что в диапазоне температур от Т = 30 К ("истощение" бора) до характерной температуры Т* фоточувствительносгь практически не меняется. Однако возможен рост йоточувствительности при точной компенсации фоновой примеси бора. Резкий спад при Т > Тх обусловлен термической ионизацией глубокой примеси. Поэтому Т*-оптимальная рабочая температура ПК $ПУ с точки зрения рабочего ресурса и энергопотребления криогенной системы. Рассчитаны температурные зависимости чувствительности ИК ФПУ на основе SilGa, SL:T6 , а также температуры максимальной фоточувствительности для ряда материалов ( -SI : Ga , 11 , Se , Z/i ).

Исследовано влияние глубокого охлаждения на работу считывающих ЛЗС !1 МОП-структур в ИК ФПУ. Показано, что глубокое охлаждение до Т blip (20-30 К в условиях космического и земного фонов) приводит к ряду эффектов, влияющих на работу ПЗС и М0П-структуп. Эти 3<WeKTH обусловлены "вымораживанием" уровней мелких примесей (В и Р) в слабо и умеренно-легированных областях. ПЗС и МОП-структур. Кроме того, в инверсных каналах ЦЗС и МОП-структур при низких температурах и высоких полях реализуется квантовый размерный эффект.

В главе 3 приводятся и обсуждаются результаты экспериментальных исследований ИК ФПУ. Разработана и апробирована оригинальная методика измерения спектральных, пороговых и накопительных характеристик ИК ФПУ различных типов. Отличительны»™ особенностями экспериментальной установки являются: I) возможность измерения накопительных характеристик ИК ФПУ в интервале температур 77- 300 К; 2) снижение почти на порядок нижнего предела измерения обнаружительной способности в режиме ограничения фоном благодаря использованию охлаждаемого экрана-хладопровода в оптическом криостате.

Проведены измерения спектральных и пороговых характеристик йоторезистсров на основе St : ( In , ТI ), HgK Cd,..x Те ; гЬотоди-одоз л поперхностно-барьерных структур на основе hi As , IhSb

Р&ьх ^Цк ^ ; МОП-структур на основе 51 : г* . Отмечается перспективность после соответствующей доработки применения Ж ФПУ на основе : ¿Г/; , : Т1 в тепловизионных системах ближнего и среднего диапазонов. Фотоприемники йирмы Застоя на основе 1п А& , 1п , Нс/.^Те перекрывают спектральный диапазон 2-22 мкм, их пороговые характеристики близки к предельны».!. Оптические криостаты этих ®1У имеют значительный ресурс при малых мяссог."* аритных параметрах. Однако формат современных ШУ на основе этих материалов не превышает 256x256 элементов. Поверхностно-барьерные структуры на основе Р(и-х & перспективны для диапазона 2-2,7 мкм, поскольку могут работать без охлаждения, и в многоэлементных ФЛ на их основе не будет доминировать проблема структурного шума.

ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана теоретическая модель температурной зависимости чувствительности ПК ФПУ на основе легированного кремния. Показано,.что' оптимальный диапазон'рабочих температур таких ФПУ определяется снизу температурой ограничения флуктуациями фонового излучения, а сверху - температурой максимальной фоточувствительности, при этом фоточувствительность может резко возрастать при точной компенсации мелкой фоновой примеси.

2. Проведен анализ процесса считывания сигнальных зарядов в ИК ФПУ типа ЛЗИ на основе легированного кремния. Развит численный метод решения уравнения непрерывности для данной задачи. Показано, что предлагает)!} высокоэффективный способ считывания практически устраняет перекрестные электрические наводки и уменьшает инерционность изображения.

3. Исследовано влияние глубокого охлаждения на работу накопительных и считываящих МОП-структур в ИК <ЖУ на основе легированного кремния. Показано, что б условиях глубокого охлаждения параметры Ж ФПУ определяются эффектом "вымораживания" уровней мелких примесей, а также квантовым размерным эффектом как в аккумулирующих слоях (при накоплении), так и в инверсных каналах считывающих ПЗС.

4. Проведен анализ физических процессов, определяющих частотные характеристики ПК ФПУ на основе легированного кремния.

Покапано влияние эф<?>ектов нестационарной инжекции из контактов и возбуждения волн перезарядки ловушек на частотные спектры сигнала и шума. Рассчитаны оптимальные диапазоны рабочих частот таких ФПУ.

0. Разработана методика исследования температурной зависимости чувствительности примесных фоторезисторов. Проведены измерения спектральных и пороговых характеристик (Тоторезисторов на основе кремния, легированного индием и таллием. Показана перспективность такого материала после соответствующей доработки для многоэлементных ФПУ спектрального диапазона 3-5мкм.

6. Исследованы накопительные, спектральные и температурные характеристики МОП-структур на основе легированного кремния

( :2п ) по оригинальной методике. Экспериментальная температурная зависимость фоточувствительности подтверждает разработанную теоретическую модель.

7. Проведены исследования спектральных и пороговых характеристик фотоприемников на основе 1ь/4$ , ,1п£6 , Ид^Сс/^Те при различных температурах в диапазоне длин волн 2-22 мкм. Измеренные значения.удельной обнаружительной способности близки к предельным, ограниченным флуктуаииями фонового излучения.

8. Исследованы спектральные и пороговые характеристики поверхностно-барьерных структур на основе Рб^Сс/^^ . Показана перспективность этого материала для Ш ШУ в диапазоне длин волн 2 - 2,7 мкы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гареев Г.З. Анализ физических процессов, определяющих частотные характеристики примесных ИК ФПУ //Тез. докл. 25-ой научно-технической конференции ВШИ Телевидения, Ленинград,-21-24 апреля 1984 г., - Л., 1984. - С.45-46.

2. Гареев Г.З. О выборе оптимальной рабочей температуры ИК ФПУ //Тез.докл. 25-ой научно-технической конференции ВНИИ Телевидения, Ленинград, 21-24 апреля 1984 г. - Л., 1984. - С.47-48.

3. Бытенский Л.И., Гареев Г.З., Махмутов Ф.М. Твердотельные приемники изображения на примесном кремнии /-'Научно-технический сборник. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. Спец. выпуск. - Л., 1986. - С.36-46.

4. Бытенский Л.И., Гареев Г.3;, Махмутов Ф.М. Анализ процесса считывания ТВ сигнала через боковой коллектор в ПЗИ с аккумуляцией основных носителей тока //Научно-технический сборник. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. Вып.2. - Л., 1987. - С.47-56.

5. Бытенский Л.И., Гареев Г.З., Махмутов Ф.М. Температурная зависимость чувствительности фоторезистора на основе примр-сного кремния //Научно-технический сборник. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. Вып.6. - Л., 1988. - С.64-72.

6. Гареев Г.З. Температурная зависимость фоточувствительности примесных ИК детекторов //Научно-технический сборник. Течника средств связи. Сер. Техника телевидения. Спец.выпуск. -Л., 1988. - С.61-69

7. A.c. № 276189 СССР, ШШ"б01 Л/00. Тепловой приемник длинноволнового лазерного излучения // Гареев Г.З., Бытенский

Л.И., Махмутов «.М. (СССР). - » 315842 / Заявл. 03.07.87; опубл. 01.06.88.

8. A.c. № 292710 СССР, ШИ*б'01 31/00. Твердотельный приемник изображения с инжекцией заряда, работающий в режиме накопления // Гареев Г.З., Бытенский Л.И., Махмутов Ф.М. (СССР). -№ 3168786 / Заявл. 21.04.87; опубл. 03.05.89.

9.. Гареев Г.З. Твердотельный приемник длинноволнового лазерного излучения // Тез. докл. 30-ой научно-технической конференции ВНИИ Телевидения, Ленинград, 29-32 апреля 1989 г.- Л,. 1989. - С.52-53.

Ю. Гареев Г.З. Влияние глубокого охлаждения на работу ФПЗС // Тез. докл. 30-ой научно-технической конференции ВНИИ Телевидения, Ленинград, 29-32 апреля 1989 г. -Л., 1989. - С.53-54.

II. Абакумов В.Ю., Блохин Ю.Н., Гареев Г.З., Луцкая О.Ф. Исследование спектральных и пороговых характеристик фоточувствительных структур на основе твердых растворов Сс/ХS // Язв. Ленингр. электротехн. ин-та. Вып.433. - Л., 1991. - С.28-30.