2.3.2 Полупроводниковый преобразователь фононных излучений лучистой энергии

Существующие устройства для преобразования фононных потоков лучистой энергии в электрическое напряжение на базе тепловизоров громоздки, дорого­стоящи и мало эффективны. Такую задачу может решать преобразователь фо­нонных потоков на основе матрицы фотодиодов [77], сформированных в объеме поликристаллического полупроводника. Однако в этих преобразователях ИК-излучения, вследствие отсутствия охлаждения матрицы и наличия открытых со стороны действия оптических потоков фоточувствительных компонентов, имеют место скоростные процессы рекомбинации генерируемых фотононосителей. Для повышения чувствительности и точности в синтезированном ИП верхние слои матрицы фотодиодов содержат окисные пленки, полупроводниковое основание - слои собственного и примесного полупроводника, а наружная поверхность по­крыта слоем металла.

Полупроводниковый преобразователь фононных излучений (ППФИ) конст­руктивно реализован по представленной на рисунке 3.3 а структурной схеме. Материал компонентов, их размеры и топология преобразователя определялись на основе базовых уравнений второй и третьей глав, а технология его производ­ства включала стандартные технологические операции.

ППФИ содержит матрицу фотодиодов обратной проводимости из верхних и нижних слоев, верхний из которых представляет примесный полупроводник, за­щищен в проемах окисной пленкой и является одновременно областью монокри­сталлического полупроводникового основания. Ее верхняя область представляет слой собственного полупроводника, на котором размещен металлический слой. В полупроводниковом основании сформированы оптические каналы к фотодио­дам. Нижние области фотодиодов и частично верхние их компоненты отделены друг от друга изоляционными окисными слоями. Матрица фотодиодов имеет общий омический контакт.

Полупроводниковое основание является конструкционной основой и служит в комплексе со слоем металла термохолодильником. С учетом эксперименталь­ных данных оптимальным материалом основания является монокристаллический кремний, который в контакте со слоем металла обеспечивает эффективное охла­ждение основания (до -10 °С). Минимальная толщина n-слоя выбирается из ус­ловия полного поглощения энергии инжектированных электронов кристалличе­ской решеткой этого материала и составляет интервал (1,0...2) Ld ≈ 2,5...5 МКМ. Ni-слой формируется из широкозонного полупроводника (для Si E_g = 1,11 В), монокристаллическим и высокоомным, с целью получения высокого потенци­ального барьера диода Шоттки и минимальной концентрации носителей в собст­венном полупроводнике. Эти топологические факторы обуславливают эффек­тивное охлаждение преобразователя, повышение его чувствительности. Верхний слой фотодиода чувствительный к ИК-излучению компонент, формируется из кремния путем его легирования двойной донорной примесью (фосфором и сурь-мой) с высокой концентрацией N_a≈10¹⁹ см^-3 . Вводимая примесь создает в крем­нии спектр энергетических уровней 0,05 эВ<Е_о<0,2 эВ и обеспечивает высокую чувствительность компонента в широкой полосе нагретых поверхностей от ин­фракрасного уровня, λ > 6 мкм, до видимой области спектра. Высокая степень легирования основания позволяет создать надежный омический контакт к струк­туре, обеспечить эффективную инжекцию электронов через барьер Шоттки, по­лучить глубокие примесные уровни, высокий квантовый выход носителей заря­да. Толщина чувствительного компонента фотодиода не превышает длины свободного пробега носителей в нем, составляет (0,5 - 1) Ld и находится в преде­лах 0,5 - 1,4 мкм. Поскольку концентрация фотоносителей зависит от скорости поверхностной рекомбинации, т.е. от со стояния поверхности, верхние области чувствительных компонентов окислены. Толщина окисных пленок, удовлетво­ряющая требованиям минимума потерь флюэнса фононов и скорости поверхно­стной рекомбинации, составляет 300....500 А°. Омический контакт выполнен структурой Al-Ni суммарной толщиной 2 мкм. Толщина металлического слоя диода Шоттки обуславливается свойствами объемного кристалла и не ниже 2 мкм.

Нижние слои фотодиодов обратной проводимости формируются ле­гированием кремния акцепторной примесью (В, А1) с N_a ≈ 10¹⁷ см^-3. Толщина окисного разделительного слоя соответствует сумме толщин нижнего слоя фото­диода и половине толщины его верхнего слоя, а его ширина 0,05 - 0,1 мкм. Такие размеры обеспечивают высокую изоляцию фотодиодов в матрице и надежное со­единение верхних фоточувствительных слоев с диодами Шоттки.

Оптические каналы, выполненные в полупроводниковом основании, пре­дотвращают попадание фононных потоков от других излучающих поверхностей, что существенно повышает точность и разрешающую способность. Оптимальная длина оптических каналов L, которая позволяет получить максимальное ослаб­ление сигналов-помех, зависит от диаметра канала и составляет отношение Δ=l /Ф=10. Для Ф = 100 мкм l = 0,1 мм при Ф = 100 мкм в матрице размером 10 х 10 мм размещено 4 ∙10³ фотодиодов.

В рабочем режиме омический контакт полупроводникового основания под­соединяется к земляной клемме, а к диоду Шоттки прямое смещение. Матрица фотодиодов помещается в корпус электронного прожектора и оптическими кана­лами проецируется на фононные потоки лучистой энергии. Съем информации с фотодиодов преобразователя осуществляется электронным лучом, в цепи кото­рого включено нагрузочное сопротивление. Перед оценкой фононных потоков лучистой энергии производится путем подачи напряжения к металлической об­ласти диода Шоттки интенсивное охлаждение (2-5 мин) до Т ≈ -3 - -5 °С с после­дующей термостабилизацией.

1 - металлический слой, 2 - оптический канал, 3 - слой собственного полупроводника, 4 - просветляющий слой, 5 - полупроводниковое основание, 6 - омический контакт, 7 - слой обратной проводимости, 8 - изоляционный слой

Рисунок 3.3 - Структура преобразователя фононных излучений (а) и зонная диаграмма его полупроводниковой структуры (б)

Если hw_v > Eg, генерируемые фотононосители разделяются в охлажденных р-n переходах, а их собственные емкости заряжаются фототоком (рисунок 3.3 б). Заряд каждого фотодиода пропорционален интенсивности потока и энер­гии падающих фотонов, т.е. температуре поверхности нагретого тела.

ГГПФИ, реализованный на основе фотодиодной матрицы с системой ее ох­лаждения, обладает следующими рассчитанными параметрами: темновой фононовый ток фотодиодов при Т = 20 °С J_T = 2,3∙10^-7 А, ток фотоотклика при Т = 50 °С. Jф ≈ (3 - 5)∙10^-4 А, разброс тока фотоотклика по элементам матрицы - не бо­лее 25 %, граничная длина волны фононов – 12 мкм, время выхода на рабочий режим - 3 мин. Разработанные преобра­зователи фононных излучений на базе полупроводниковых приборных структур выполнены на уровне экспериментальных образцов. Они используются в качест­ве преобразователей лучистых фононных потоков солнечной энергии.