История развития полупроводниковых фотоприемников

Можно выделить три поколения полупроводниковых фотоприемных устройств. Приемники первого поколения (с середины 30-х по 70-е годы прошлого века) в своем развитии прошли путь от одноэлементных приемников до простейших линеек и матриц. Исторически первыми такими фотоприемниками были фоторезисторы на основе PbS с областью спектральной чувствительности 1 – 3 мкм. В дальнейшем поликристаллические фоторезисторы были созданы на основе PbSe для среднего ИК-диапазона спектра, а также для видимого (на CdS) и ближнего ИК- диапазона (на CdSe).

В середине 50-х годов основным материалом полупроводниковой фотоэлектроники для видимого и ИК-диапазонов становятся кремний и германий. Тогда же были созданы фоторезисторы и фотодиоды на узкозонном материале InSb для среднего ИК-диапазона 3 – 5 мкм, а также фотодиоды на InAs для диапазона до 3,5 мкм. Кроме того, для волоконнооптических линиий связи и тепловизионных систем были созданы быстродействующие фотодиоды на твердом растворе In_xGa_1–xAs, имевшие небольшие темновые токи.

В 60-е годы был открыт новый узкозонный полупроводник – твердый раствор Cd_xHg_1–xTe, положивший начало нового этапа в развитии оптоэлектроники ИК-диапазона. В Cd_xHg_1–xTe ширина запрещенной зоны зависит от состава (х – мольная доля CdTe), поэтому, выбирая определенный состав, можно получить материал, чувствительный во всех основных участках ИК-диапазона. Например, составы x, равные 0,21; 0,3 и 0,6, соответствуют областям чувствительности 8 – 12, 3 – 5 и 1 – 3 мкм. Другой особенностью Cd_xHg_1–xTe является то, что, благодаря особой зонной структуре, он обеспечивает получение потенциально лучших фотоэлектрических параметров (в первую очередь, отношение сигнал/шум) среди всех известных полупроводниковых материалов. Первоначально такие фотодиоды использовались в качестве быстродействующих фотоприемников для детектирования излучения СО₂ лазера (λ = 10,6 мкм), в дальнейшем фоторезисторы и фотодиоды на Cd_xHg_1–xTe стали применяться в тепловизионных системах. По мнению специалистов Cd_xHg_1–xTe сохранит статус основного материала оптоэлектроники ИК-диапазона еще достаточно долго, по крайней мере, на ближайшие десятилетия.

К фотоприемникам второго поколения условно можно отнести приемники, создаваемые в период с 1980-х по 2000-е годы. При их изготовлении наряду с традиционными технологическими операциями активно стали использовать различные виды эпитаксии, причем, кроме жидкофазной и газофазной эпитаксии, стали внедрять молекулярно-лучевую эпитаксию и газофазную эпитаксию из паров металлоорганических соединений. Именно эти методы позволили разрабатывать необходимые структуры для создания фотоприемников на многослойных гетероструктурах и квантово-размерных структурах. Для создания р-n-переходов фотодиодов широкое применение находят методы ионной имплантации, а также другие ионно-плазменные методы обработки поверхности. В большинстве своем разрабатываемые приемники перестают быть простыми фотодетекторами, а представляют собой уже некие фотоприемные устройства, в которых объединены функции собственно детектирования оптического сигнала и его первичной обработки (предварительного усиления, задержки, интегрирования и т. д.).

Среди новых типов фотоприемников, разрабатываемых с 80-х годов прошлого века, следует отметить приемники ультрафиолетового диапазона спектра. Такие приемники разрабатываются как на кремнии, так и на новых широкозонных полупроводниковых соединениях группы А³В⁵ – GaP, GaN, AlN, твердом растворе Al_xGa_1–xN, алмазе. Примерно в это же время появляются р-i-n-диоды. В них между р- и n-областями формируется область с собственной проводимостью (i-область), наличие которой приводит к увеличению активной области поглощения фотонов, к снижению емкости фотодиода, и, как следствие, к более высокому быстродействию. Такие р-i-n-диоды разрабатывались первоначально на кремнии, затем их стали делать на InGaAs и других материалах. Начинается разработка быстродействующих высокочувствительных лавинных фотодиодов. Это пример фотодиодов с внутренним усилением сигнала за счет лавинного размножения носителей заряда вследствие ударной ионизации в обратно смещенном диоде.

Достижения в технологии получения квантово-размерных структур позволили начать разработку и инфракрасных фоторезистивных приемников, работающих на основе межподзонных переходов. Примером здесь могут служить приемники на основе множественных квантовых ям из GaAs/AlGaAs, GaAs/InGaAs; на основе массивов квантовых точек из Ge/Si, InAs/GaAs, InGaAs/GaAs, InGaAs/GaP; на основе сверхрешеток из InAs/GaSb, InAs/InGaSb. Начинают разрабатываться и лавинные фотодиоды на квантово-размерных структурах.

Наиболее знаковыми в разработках приемников второго поколения являются разработки крупноформатных матричных фотоприемников – формирователей изображений. Матричные фотоприемники изготавливаются как в монолитном исполнении (когда матрица фотоприемников и электронная схема обработки сигнала создаются на одном и том же материале), так и в гибридном исполнении (когда матрица фотоприемников создается на одном материале с соответствующей областью чувствительности, а электронная схема обработки сигнала – на другом, как правило, кремнии). Первоначально такие матрицы для видимого диапазона представляли собой кремниевые ПЗС-структуры. С 90-х годов начинают разрабатываться монолитные матрицы видимого диапазона – КМОП-фотодиодные матрицы (КМОП-ФД). Элементной базой СБИС считывания и обработки сигнала в КМОП-ФД служат комплементарные МОП-транзисторы. КМОП-ФД матрицы обладают рядом преимуществ перед матрицами на основе ПЗС-структур, а именно, в них реализован произвольный опрос фоточувствительных ячеек, у них выше скорость опроса, меньше потребляемая мощность, имеется возможность создания в составе СБИС аналоговых и цифровых модулей.

Были разработаны монолитные кремниевые матрицы для ИК-диапазона спектра на основе фотодиодов с барьерами Шоттки из силицидов платины PtSi или иридия IrSi. Разработки таких матриц были начаты в 1980-х годах, они рассматривались как альтернатива матрицам на основе CdНgTe. Однако этот тип матричных фотоприемников не выдержал конкуренции с матрицами на CdНgTe, и их производство начало сокращаться. Главным недостатком таких матриц является низкая квантовая эффективность фотодиодов с барьером Шоттки.

Эра матричных фотоприемников на CdНgTe берет начало с начала 1990-х годов. Определяющим фактором здесь были разработка и серийный выпуск матриц, поскольку до этого возможность их серийного выпуска вообще подвергалась сомнению из-за большой неоднородности параметров отдельных фотодиодов и, соответственно, большого уровня геометрического шума. Однако это были временные трудности чисто технологического характера, которые были успешно преодолены. В итоге использование CdНgTe для создания фотоприемников позволило на одном материале получить гибридные матрицы для всех практически важных областей ИК-диапазона спектра.

Сегодняшние перспективные разработки фотоприемников можно отнести к приемникам третьего поколения. Перечислим общие требования, которым должны будут удовлетворять матричные приемники третьего поколения. Формат матриц различного спектрального диапазона должен быть не менее 1024 × 1024 элементов. Фактически этому критерию уже удовлетворяют многие матрицы второго поколения. Разрабатываемые матрицы должны быть многоцветными, т. е. чувствительными в двух или трех спектральных диапазонах. Использование многоцветных матриц значительно повышает достоверность обнаружения и идентификации различных объектов. Для разработок таких матриц могут быть использованы гетероструктуры CdНgTe, квантово-размерные структуры с множественными квантовыми ямами на GaAs/AlGaAs, сверхрешетки InAs/GaSb. Сегодня уже разработаны и выпускаются двухцветные матрицы на каждом из перечисленных типов структур. Уже начаты разработки трехцветных и даже четырехцветных матриц на структурах с квантовыми ямами. Перспективными для таких разработок считаются и структуры с квантовыми точками, например в системе InAs/InGaAs/GaAs.

Дальнейшее развитие матричных фотоприемников связывается с разработками ЛФД-матриц, т. е. матриц, в которых каждый чувствительный элемент будет представлять собой лавинный фотодиод. Перспективными материалами для таких разработок считаются Si, InGaAs, CdHgTe. Такие разработки уже ведутся, и как серьезным достижением можно назвать создание ЛФД длинноволнового ИК-диапазона на основе CdHgTe. Еще одним направлением в разработках матричных фотоприемников является создание ИК-фотодетекторов, имеющих спектральную чувствительность вплоть до дальней ИК-области и функционирующих при комнатной или близкой к комнатной температуре.

Достойную конкуренцию фотоприемникам на твердом растворе CdHgTe в ИК-диапазоне составляют фотоприемники на квантово-размерных структурах. Главными материалами для формирования структур являются соединения A³B⁵, а также гетеросистема Ge–Si. Положительными качествами таких фотодетекторов являются использование стандартных, хорошо отработанных технологий изготовления микроэлектронных приборов, в частности, молекулярно-лучевой эпитаксии и эпитаксии из паров металлоорганических соединений. Кроме того, их отличает высокая однородность параметров и временная стабильность, относительно низкая себестоимость, возможность варьирования области спектральной чувствительности путем выбора не только состава, но и толщины квантовых ям, а также возможность создания многоцветных приемников. Однако, такие приемники нуждаются в более глубоком охлаждении, чем приемники на основе CdHgTe.