CZ33879U1 - Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření - Google Patents

Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření Download PDF

Info

Publication number
CZ33879U1
CZ33879U1 CZ2019-37049U CZ201937049U CZ33879U1 CZ 33879 U1 CZ33879 U1 CZ 33879U1 CZ 201937049 U CZ201937049 U CZ 201937049U CZ 33879 U1 CZ33879 U1 CZ 33879U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
microelectrodes
visible
layer
optical
photosensitive layer
Prior art date
Application number
CZ2019-37049U
Other languages
English (en)
Inventor
Jaromír Hubálek
Ondřej Šik
Filip Münz
Stanislav Voborný
Imrich Gablech
Original Assignee
Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoké Učení Technické V Brně filed Critical Vysoké Učení Technické V Brně
Priority to CZ2019-37049U priority Critical patent/CZ33879U1/cs
Publication of CZ33879U1 publication Critical patent/CZ33879U1/cs

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření
Oblast techniky
Technické řešení se týká optického detektoru viditelného a blízkého infračerveného spektra záření, obsahující nosný substrát, na kterém jsou umístěny mikroelektrody, jimž je přiřazena fotocitlivá vrstva.
Dosavadní stav techniky
Pro detekci záření v oblastech viditelného světla (VIS) a blízkého infračerveného světla (NIR) se používají polovodičové detektory záření na bázi polovodičů skupin A(III)B(V), které jsou pro využití v optoelektronice velmi atraktivní.
Jsou známé detektory s přímou detekcí záření, které však vyžadují vrstvené struktury, u nichž je velmi důležité řízení tlouštěk jednotlivých vrstev a jejich přesně definované dopování příměsovými prvky. Velmi problematická je také metalizace takových struktur, jelikož kovy jsou v oblasti viditelného a blízkého infračerveného spektra (VIS, NIR) záření nepropustné pro toto záření. Vertikální metalizace takových struktur je velmi náročným technologickým problémem z důvodu elektivního nanášení na boční stěny deponovaných heterostrukrur a jejich zvýšené defektivity, způsobené např. iontovým či laserovým řezáním.
Další možností polovodičových detektorů jsou detektory s nepřímou detekcí záření, které využívají např. vrstev nitridu hliníku (A1N), u kterých po ozáření rezonančního mikromůstku dojde ke změně piezoelektrických vlastností vrstvy, což se projeví změnou rezonanční frekvence mikrojazýčku. Taková řešení jsou však velmi komplikovaná z důvodu nutné selektivní depozice pouze na mikromůstek, popř. z důvodu nutnosti nasazení kombinace litografických procesů a plasmatického/iontového leptání, což výrazně prodlužuje pracovní a časovou náročnost produkce takového zařízení.
Nevýhodou dosavadního stavu techniky je výrobní složitost a náročnost a také velká defektivita vyráběných detektorů. Navíc, současné konvenčně používané materiály, jako je křemík (Si), již narážejí na fýzikální limity dané pohyblivostí nosičů elektrického náboje, kde u křemíku má teoretický limit pohyblivosti nosičů náboje při pokojové teplotě pSi hodnotu okolo 1.200 cm2/Vs.
Cílem tohoto technického řešení je odstranit nebo alespoň minimalizovat nevýhody dosavadního stavu techniky, zejména navrhnout polovodičový detektor záření s fotoaktivní vrstvou vhodnou pro velkoplošnou depozici a s minimalizovaným množstvím dalších technologických kroků po depozici vrstvy a vhodnou zejména pro vysokofrekvenční fotocitlivé elektronické prvky.
Podstata technického řešení
Cíle technického řešení je dosaženo optickým detektorem viditelného a blízkého infračerveného spektra záření, jehož podstata spočívá v tom, že na nosném substrátu je nanesena pasivační vrstva, na které jsou vytvořeny mikroelektrody opatřené kontaktními ploškami pro elektricky vodivé propojení každé mikroelektrody s obvodem pro zpravování a vyhodnocení elektrického signálu, přičemž na mikroelektrodách je mimo kontaktní plošky celoplošně nebo selektivně nanesena adaptační vrstva, na které je nanesena fotocitlivá vrstva.
Výhodně je fotocitlivá vrstva tvořena vrstvou nitridu india vytvořenou metodou chemické depozice z plynné fáze za použití organokovových sloučenin. Výhodné také je, jestliže má
- 1 CZ 33879 U1 fotocitlivá vrstva má směrem od mikroelektrod ke své vnější ploše vzrůstající atomární poměr In:N ve prospěch india.
Výhodou detektoru podle tohoto technického řešení je, že fotoaktivní vrstva na bázi InN vykazuje násobně vyšší pohyblivosti nosičů náboje, protože teoretický limit pohyblivosti nosičů náboje při pokojové teplotě pSi pro křemík je okolo 1.200 cm2/Vs, kdežto pro InN je teoretický limit pohyblivosti nosičů náboje při pokojové teplotě plnN = 8.000 cm2/Vs. Tyto parametry tak předurčují fotoaktivní vrstvy na bázi InN pro vysokofrekvenční fotocitlivé elektronické prvky, jako jsou detekční prvky pro optické spektrometry pracující v oblastech VIS až NIR, snímací prvky pro optické datové sítě, při vytvoření v maticové konfiguraci (matice pixelů) je možné vytvořit snímací člen kamerového systému schopného pracovat nezávisle na světelných podmínkách v průběhu dne atd. Výsledkem technického řešení je tak detektor s heterostrukturou, vhodnou pro velkoplošnou depozici aktivní vrstvy InN metodou chemické depozice z plynné fáze za použití organokovových sloučenin (MOCVD) s minimalizovaným množstvím dalších technologických kroků po depozici vrstvy. Pro zajištění vysoké efektivity detektoru je taková heterostruktura navíc opatřena výhodnou konfigurací kontaktů, umístěných pod fotoaktivní vrstvou InN. Rozměry jednoho detektoru vytvořeného podle tohoto technického řešení splňují podmínky pro nasazení v mikroelektronických systémech, např. 600 x 800 pm a mohou být i menší.
Objasnění výkresů
Technické řešení je schematicky znázorněno na výkrese.
Příklady uskutečnění technického řešení
Technické řešení bude popsáno na příkladu uskutečnění detektoru pro detekci záření v oblastech VIS a NIR, který reaguje na vystavení dopadajícímu záření změnou elektrického odporu své fotocitlivé vrstvy 6, přičemž tato změna elektrického odporuje pomocí elektrodového systému 3, 4 a 5 detekovatelná.
Detektor obsahuje nosný substrát 1, přičemž technologicky výhodný je křemíkový substrát 1, který je výhodný pro svou kompatibilitu s výrobními procesy v polovodičovém průmyslu, má technologické parametry podobné jako navazující součásti detektoru (např. teplotní roztažnost, teplotní a chemická odolnost), je dostupný a je možno je produkovat jako velkoplošné díly.
Na nosném substrátu 1 je nanesena pasivační vrstva 2 příkladně tvořená vrstvou oxidu křemičitého S1O2. která jednak zajišťuje chemickou stabilitu substrátu 1 (zabraňuje vzniku nežádoucích chemických sloučenin) a zabezpečuje vysokou adhezi dvojice mikroelektrod 3 v planámí formě, zde výhodně mikroelektrod 3 ve formě hřebínkových mikroelektrod 3, tzv. interdigitálních mikroelektrod z anglického InterDigitated Electrodes IDEs. Hřebínkové mikroelektrody 3 jsou příkladně vyrobeny z T1O2, což je materiál s vysokou elektronovou vodivostí, a jsou vytvořeny přímo na pasivační vrstvě 2, protože T1O2 je chemicky vysoce stabilním a dostupným materiálem tvořícím navíc elektricky blokující kontakt s nosným substrátem E Hřebínková konstrukce mikroelektrod 3 je výhodná pro získání vysoce citlivého detektoru.
Hřebínkové mikroelektrody 3 obsahují ramena 30, která jsou uspořádána navzájem střídavě mezi sebou, přičemž s výhodou mají sousedící ramena 30 velikost mezery mezi sebou (tzv. drážku meandru) v poměru 1:1 k šířce ramen 30.
Hřebínkové mikroelektrody 3 jsou zakončeny kontaktními ploškami 4 pro elektricky vodivé propojení každé hřebínkové mikroelektrody 3 s neznázoměnými obvody pro zpracování
-2 CZ 33879 U1 a vyhodnocení elektrického signálu generovaného zářením dopadajícím na fotocitlivou vrstvu 6 detektoru. Za tímto účelem je výhodné, aby kontaktní plošky 4 byly vytvořeny ze zlata, platiny, hafnia nebo slitiny obsahující aspoň jeden z uvedených kovů, a to nejlépe depozicí takového kovu nebo slitiny přímo při výrobě detektoru. Takové kontaktní plošky 4 jsou navíc odolné vůči vnějším vlivům, mají nízký přechodový elektrický odpor a jsou snadno pájitelné.
Uvedené elektricky vodivé propojení každé hřebínkové mikroelektrody 3 přes kontaktní plošku 4 s ne znázorněnými obvody pro zpracování a vyhodnocení elektrického signálu je pak příkladně realizováno pájením nebo bondováním atd.
Na mikroelektrodách 3, resp. alespoň na části jejich půdorysné plochy, případně půdorysné plochy ramen 30 hřebínkových mikroelektrod 3, je nanesena, celoplošně nebo selektivně, adaptační vrstva 5 tvořená A1N (nitridem hliníku), která je výhodná z důvodu konstrukčního požadavku malé neshody velikosti mřížkové konstanty fotocitlivé vrstvy 6 a zajištění rovnoměrného pokrytí nosného substrátu 1 a mikroelektrod 3 fotocitlivou vrstvou 6. Adaptační vrstva 5 je tak silná (tlustá), aby umožnila planámí růst na ní umístěné epitaxní fotocitlivé vrstvy 6, přičemž adaptační vrstva 5 je současně natolik tenká, aby nenarušila sběr elektrického náboje z fotocitlivé vrstvy 6 hřebínkovými mikroelektrodami 3. K epitaxnímu růstu fotocitlivé vrstvy 6 přitom dojde pouze v místech výskytu adaptační vrstvy 5.
Fotocitlivá vrstva 6 má souvislý charakter přes mikroelektrody 3 a nosný substrát 1, což je konstrukčně výhodné z důvodu minimalizace necitlivých míst fotodetektoru. Výhodně je fotocitlivá vrstva 6 tvořena vrstvou nitridu India (InN), který vykazuje vysokou mobilitu elektronů generovaných dopadajícím světlem a také vykazuje vysokou koncentraci volných elektronů, která je dána polohou nábojově neutrální oblasti situovaná hluboko ve vodivostním pásu nitridu india.
Obzvláště výhodné je, je-li fotocitlivá vrstva 6 nitridu india vytvořena metodou MOCVD, tj. chemickou depozicí z plynné fáze za použití organokovových sloučenin, např. za použití prekurzorů trimethyl indium a plynného čpavku. Epitaxním růstem vytvořená fotocitlivá vrstva 6 nitridu India je technologicky výhodná pro její krystalický charakter a má oproti v současně používaným fotocitlivým vrstvám optických detektorů výrazně sníženou koncentrací elektricky aktivních defektů a minimalizovaný výskyt subzm, na jejichž hranicích se vyskytují materiálové defekty typu dislokace.
Výhodné řešení fotocitlivé vrstvy 6 vytvořené metodou MOCVD spočívá v tom, že se v průběhu růstu (vytváření) vrstvy 6 pozvolna mění poměr atomárních koncentrací india ku dusíku (In:N) ze startovního stechiometrického poměru In:N = 50:50 ve vrstvu bohatou na indium, tj. vrstvu, pro kterou platí In > 50 %. Změna poměru atomárních koncentrací In:N je totiž technologicky výhodná z důvodu rozšíření spektrální citlivosti fotocitlivé vrstvy 6 z původní citlivosti pouze v oblasti viditelného záření (VIS) pro In:N = 50:50, až do oblasti citlivosti fotocitlivé vrstvy 6 na infračervené spektrum pro In > 50 %, čímž lze vytvořit optický detektor se šířkou pásma citlivosti tak velkou, jaká je pro stávající optické detektory obtížně realizovatelná, ne-li nemožná.
Rozumí se, že popsané příklady konkrétní realizace technického řešení jsou uvedeny pro ilustraci, nikoli pro konkrétní vymezení technické realizaci. Osoby znalé stavu techniky budou schopny realizovat při použití zaběhlých experimentálních postupů nalézt ekvivalenty ke zde popsanému řešení, lépe vyhovujícím konkrétním realizacím technického řešení. Takto nalezené ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu nároků na ochranu.
-3 CZ 33879 U1
Průmyslová využitelnost
Technické řešení je průmyslově využitelné např. jako detekční prvek pro optické spektrometry pracující v oblastech VIS až NIR, jako snímací prvek pro optické datové sítě, jako snímací člen pro kamerové systémy schopné pracovat nezávisle na světelných podmínkách v průběhu dne atd.

Claims (10)

  1. NÁROKY NA OCHRANU
    1. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření obsahující nosný substrát (1), na kterém jsou umístěny mikroelektrody (3), jimž je přiřazena fotocitlivá vrstva (6), vyznačující se tím, že na nosném substrátu (1) je nanesena pasivační vrstva (2), na které jsou vytvořeny mikroelektrody (3) opatřené kontaktními ploškami (4) pro elektricky vodivé propojení každé mikroelektrody (3) s obvodem pro zpravování a vyhodnocení elektrického signálu, přičemž na mikroelektrodách (3) je mimo kontaktní plošky (4) celoplošně nebo selektivně nanesena adaptační vrstva (5), na které je nanesena fotocitlivá vrstva (6).
  2. 2. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle nároku 1, vyznačující se tím, že fotocitlivá vrstva (6) je tvořena vrstvou nitridu india vytvořenou metodou chemické depozice z plynné fáze za použití organokovových sloučenin.
  3. 3. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle nároku 2, vyznačující se tím, že fotocitlivá vrstva (6) má směrem od mikroelektrod (3) ke své vnější ploše vzrůstající atomární poměr In:N ve prospěch india.
  4. 4. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že pasivační vrstva (2) je tvořena vrstvou SÍO2.
  5. 5. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že mikroelektrody (3) jsou tvořeny dvojicí hřebínkových mikroelektrod (3).
  6. 6. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle nároku 5, vyznačující se tím, že hřebínkové mikroelektrody (3) jsou tvořeny TÍO2.
  7. 7. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že hřebínkové mikroelektrody (3) obsahují ramena (30), která jsou uspořádána navzájem střídavě mezi sebou a sousedící ramena (30) mají velikost mezery mezi sebou v poměru 1:1 k šířce ramen (30).
  8. 8. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že alespoň na části půdorysné plochy mikroelektrod (3) je mezi mikroelektrodami a fotocitlivou vrstvou (6) celoplošně nebo selektivně nanesena adaptační vrstva (5) nitridu dusíku.
  9. 9. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že kontaktní plošky (4) jsou vytvořeny ze zlata, platiny, hafnia nebo slitiny obsahující aspoň jeden z uvedených kovů.
    -4 CZ 33879 U1
  10. 10. Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že fotocitlivá vrstva (6) je vytvořena jako vrstva epitaxní.
CZ2019-37049U 2019-12-19 2019-12-19 Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření CZ33879U1 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2019-37049U CZ33879U1 (cs) 2019-12-19 2019-12-19 Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2019-37049U CZ33879U1 (cs) 2019-12-19 2019-12-19 Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ33879U1 true CZ33879U1 (cs) 2020-03-24

Family

ID=69948101

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2019-37049U CZ33879U1 (cs) 2019-12-19 2019-12-19 Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ33879U1 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100626775B1 (ko) 자외선 센서 및 이의 제조 방법
NL1012961C2 (nl) Werkwijze voor het vervaardigen van een halfgeleiderinrichting.
NL2004065C2 (en) Solar panel module and method for manufacturing such a solar panel module.
US8759932B2 (en) Photodetector with a plasmonic structure
TW200941751A (en) Radiation receiver and method for the production of a radiation receiver
CN104662679A (zh) 光电子半导体芯片和用于其制造的方法
US10069023B2 (en) Optical sensor with integrated pinhole
US9318627B2 (en) Semiconductor radiation detector
TW202136725A (zh) 具有整合化氮化鋁種晶或波導層的超導奈米線單光子偵測器
CN110828601B (zh) 使用基板级离子注入制造太阳能电池发射极区
KR101641654B1 (ko) 반도체 소자 및 반도체 소자 제조방법
CZ33879U1 (cs) Optický detektor viditelného a blízkého infračerveného spektra záření
TW201935670A (zh) 光電偵測器、用以偵測紫外光之光偵測器、以及操作氮化鎵基光電偵測器之方法
KR100728082B1 (ko) 다이아몬드 자외선 센서
EP3642574B1 (en) Fast detector of electromagnetic radiation
KR101299079B1 (ko) V형 트렌치 적용 나노선 센서
US20220221416A1 (en) Mems gas sensor and method for manufacturing mems gas sensor
Wegrzecka et al. Technology of silicon charged-particle detectors developed at the Institute of Electron Technology (ITE)
JP4931475B2 (ja) 紫外線検出素子及び検出方法
US20240194816A1 (en) Method of manufacturing optical detection element and optical detection element
CN114744059B (zh) 基于氧化镓单晶的日盲偏振探测器及其制备方法
JP5339377B2 (ja) センサ及びセンサの製造方法
KR20010096692A (ko) 자외선 감지소자 및 그의 제조방법과 자외선 감지 시스템
CN116686429A (zh) 石墨烯霍尔传感器及其制造和使用
RU2178601C1 (ru) Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20200324