МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ИК-ПРИЕМНИК НА ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЯХ С ДЛИННОВОЛНОВОЙ ГРАНИЦЕЙ 0,2 ЭВ Российский патент 1996 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности, производству фотоприемных модулей, матриц.

Известны ИК-приемные устройства на диапазон длин волн 1,5-12 мкм на основе Ge и Si, легированных различными примесями. При освещении светом происходит генерация носителей заряда в одну из зон проводимости, что и вызывает дополнительную проводимость кристалла. Причем длинноволновый край поглощения длина волны, при которой фотопроводимость исчезает, зависит от уровня залегания примеси:
λ^* = 1,24/E_i
где Ei уровень примеси в запрещенной зоне.

Так для примеси In Еi 0,15 эВ, поэтому λ^*~ 8мкм, для Ga λ^*~ 18 мкм.
К недостаткам следует отнести низкую обнаружительную способность из-за больших темновых токов ≈10^-6 А/см². [Ж.Шоль, И. Марфан, М.Мюнш, П. Торель, П.Комбет. Приемники инфракрасного излучения. Мир, М. 1969, с.203-223]
Наиболее близким техническим решениям является диод с барьером Шоттки: кремний-силицид металла. Основным процессом при детектировании излучения Шоттки-приемником является поглощение фотонов в слое силицида с последующей фотоэмиссией носителей из металла в полупроводник. Фотосигнал обусловлен эмиссией основных носителей заряда в полупроводник через приповерхностный потенциальный барьер [Аигина Н.Р. Богомолов П.А. и др. Многоэлементные приемники ИК-излучения на диодах с барьером Шоттки. Зарубежная электронная техника, 1986, N 5 (300), с. 20]
В первом приближении фотосигнал не зависит от степени легирования полупроводника и уровня компенсации примесей. Параметры многоэлементных приемников излучения на диодах Шоттки от фоточувствительности элемента, от устройства матрицы и электроники первичной обработки сигнала. Высота барьера Шоттки зависит от природы силицида металла (т.е. от металла, на основе которого создается силицид), от уровня легирования п/п.

Совпадающим признаком прототипа с предлагаемым изобретением является физический процесс фотоэмиссии носителей тока через потенциальный барьер. Фотоприемник с барьером Шоттки изготавливается посредством нанесения пленки силицида, например, платины толщиной ≈60 нм, на полупроводник кристалл Si p-типа проводимости. В качестве системы считывания применяются ПЗС-регистры. Весь технологический процесс осуществляется применением стандартной фотолитографии.

Основными недостатками известного технического решения являются малые значения напряжения смещения (<1 В) и низкая ампер-ваттная чувствительность ≈10^-2 А/Вт при длине волны λ ≃ 5 мкм, что на один, два порядка ниже по сравнению с фототранзисторами и p-n фотодиодами.

Поставлена задача: увеличение ампер-ваттной чувствительности ПИ.

Поставленная задача решалась следующим образом, в многоэлементном ИК-приемнике на горячих носителях с длинноволновой границей 0,2 эВ, содержащем подложку из монокристаллического кремния с поверхностным потенциальным барьером, высота которого определяет рабочую длину волны излучения, и контакты, на подложке со стороны потенциального барьера выполнены меза-структуры глубиной 10-15 мкм, причем концентрация примеси в меза-структурах возрастает от концентрации 10¹² 10¹³ см^-3 В подложке у основания мез до 7•10¹⁷ 9•10¹⁷см^-3 у потенциального барьера, на поверхности мез и на противоположной стороне подложки расположены подконтактные области толщиной 3•10^-6 - 5• 10^-6 см с концентрацией легирующей примеси 5•10¹⁹ - 9•10¹⁹ см^-3.

Реализация прибора в виде сочетания сильно и слаболегированных области в последовательности p ⁺⁺-p⁺-p-p⁺⁺ позволяет создать запорный слой для переноса темновых носителей заряда.

Блокирование зонной проводимости (БЗП) в условиях отсутствия освещения достигается при обратном смещении p⁺⁺-p⁺-перехода (в режиме обеднения основными носителями заряда). Физическая природа БЗП заключается в том, что при экстракции основных носителей заряда из p⁺-области, оставшийся заряд неосновных носителей заряда-электронов, захваченных на акцепторы, создаст встречное поле по отношению к внешнему. Область пространственного заряда (ОПЗ) этого p⁺⁺-p⁺-перехода будет локализована в p⁺-слое из-за высокой концентрации легирующей примеси в p⁺-слое. Так для N_n≈10¹⁸ см ^-3 и V 1В она будет составлять ≈ 0,1 мкм. Инжекция основных носителей заряда с противоположного контакта исключается, т.к. тепловой энергии носителей не хватает для преодоления барьера ≈ 0,2 эВ. Поэтому протекание темнового тока дырок по валентной зоне будет отсутствовать при напряжениях смещения V вплоть до 10 В при толщине кристалла ПИ ≈300 мкм. При V > 10 В происходит пробой структуры с лавинным размножением тока.

При освещении p⁺⁺-p⁺-p-p⁺⁺ структуры светом с энергией фотонов ε > 0,2 эВ произойдет генерация фотоносителей в p⁺⁺-слое p⁺⁺ -p-перехода, их инжекция через барьер p⁺⁺-p-перехода и последующий дрейф к противоположному p⁺⁺-контактному электроду. Большое напряжение смещения ≈ -3 в позволит экстрагировать большое число фотоносителей с противоположного контакта, что даст большее значение ампер-ваттной чувствительности по сравнению с ампер-ваттной чувствительностью ПИ с барьерами Шоттки.

На фиг. 1 схематично показан приемник ИК-излучения, где 1 слой высокоомного монокристаллического кремния, 2 фотоактивный слой, 3 - подконтактные слои, 4 контактная металлизация. На фиг. 2 представлена зонная схема p⁺⁺-p⁺-p-p⁺⁺ меза-структуры, где p⁺⁺ - подконтактный слой, p⁺-слой фотоактивного поглощения, p объем кристалла, ε_v и ε_c край валентной зоны и зоны проводимости. На фиг.3 показана вольт-амперная характеристика p⁺⁺-p⁺-p-p⁺⁺ -меза-структур приемников излучения: кривая (1) темновой ток, (2) фототок. Площадь элементов 2,5•10^-3 см². Источник излучения имитатор абсолютно черного тела (АЧТ) мощностью излучения Р 10^-6 Вт/см². На фиг.4 представлена спектральная зависимость ампер-ваттной чувствительности (1, 2) приемников излучения, выполненных в виде меза-структур (2) и в планарном варианте (1). Кривая 3 и спектральная зависимость падающего на фотоприемник излучения от АЧТ.

В таблице приводятся данные по характеристикам ПИ, изготовленных в виде меза-геометрии, площадью 10^-3 см² при напряжениях смещения -3 В и падающей мощности ≈ 10^-6 Вт/см² от АЧТ (Т 600 К) I_т - темновой ток; I_p фототок; S_a ампер-ваттная чувствительность; пороговая обнаружительная мощность где е заряд электрона; D^* обнаружительная способность; Δ абсолютный разброс D^*, выраженный в процентах.

Многоэлементный ИК-приемник на горячих носителях с длинноволновой границей до 0,2 эВ (фиг.1) имеет слой монокристаллического кремния 1 с концентрацией примеси от 10¹² 10¹³ см^-3 у основания мез до 7•10¹⁷ 9•10 ¹⁷ см^-3, слой фотоактивного поглощения 2 и подконтактный слой 3 с концентрацией легирующей примеси (5-9) 10¹⁹ cм^-3 толщиной 3•10^-6 5•10^-6 см. Такой же сильнолегированный тонкий подконтактный слой 3 сформирован на другой поверхности монокристаллического кремния 1. Кроме того, устройство имеет омические слои 4 к мезаструктуре.

Устройство работает следующим образом.

ИК-излучение падает на p⁺⁺-слой со стороны p⁺⁺-p-барьера (барьера Шоттки). Если энергия фотонов e > 0,2 эВ, то генерированные светом электрон и дырка, разделяясь барьером p⁺⁺-p-перехода 3-1, создадут фототок в приемнике излучения. После смещения падает на p⁺⁺-p⁺-переходе 2-3, поэтому дырки, генерированные светом в области p⁺⁺-p-перехода, будут дрейфовать к p⁺⁺-p⁺ переходу. Увеличение поля смещения от -1 В до -10 В приведет к увеличению ампер-ваттной чувствительности от 1 А/Вт до 10 А/Вт.

Изобретение выполнятся следующим образом.

При изготовлении структуры использовался монокристаллический кремний p-типа проводимости (сертификат N 31864) с удельным сопротивлением ρ ≥ 4•10³ Ом•см и временем жизни неравновесных носителей заряда > 10 мкс. Выбор кремния с высоким сопротивлением обусловлен необходимостью создания барьера для предотвращения инжекции носителей заряда с контакта. Большое время жизни неравновесных носителей заряда необходимо для эффективного сбора фотоносителей на противоположном контакте.

После приготовления пластин толщиной d≈200 мкм (при меньшей d теряется механическая прочность, при большей d уменьшается фототок на 10% при увеличении d на каждые 100 мкм) осуществляется имплантация ионов Al⁺ с энергией 150 кэВ и дозой 10¹⁵ см^-2. Выбор ионов алюминия обусловлен тем, что при Т 77 К уровень Ферми лежит выше уровня Al (ε_Al≃ 0,07 эВ). Это вызывает захват электронов на акцепторные уровни Al и позволяет создать барьер p⁺⁺-p⁺ в самом p⁺-слое из разницы уровней Ферми, при этом ОПЗ из-за высокой концентрации нескомпенсированного заряда на акцепторах ≈ 0,1 мкм. Энергия ионов Al⁺ Е 150 кэВ выбрана для создания распределения внедренной примеси на глубине κ ≥ 0,2 мкм, для того, чтобы при последующей диффузионной разгонке (при Т ≥ 1200^oС) алюминий не выходил на поверхность и не испарялся с нее. Значение дозы ионов Ф 10¹⁵ см^-2 определяется средней концентрацией примеси в сформированном диффузионной разгонкой p⁺-слое, равной (7-9) • 10¹⁷ см^-3.

Диффузионная разгонка примеси в печи осуществлялась при Т 1200^oС в течение 3 час. что обеспечивало формирование заданного профиля примеси. Выбор температуры, 1200^oС, обусловлен минимизацией времени отжига.

После формирования p⁺-областей осуществляется создание верхнего и нижнего (на обратной стороне пластины) подконтактных областей, толщиной 3•10^-6 5•10^-6 см с концентрацией примеси N_n ≈ (5^oC9)•10¹⁹ см^-3. Это достигается при внедрении ионов В⁺ с энергией ионов 15 кэВ и дозой 5•10¹⁴ см^-2 с последующим отжигом дефектов при Т 800^o C, t 15-30 мин. Выбор концентрации обусловлен тем, что при N_n10¹⁹ см^-3 не сформируется омического контакта, при N_n>10²⁰ см^-3 примесь может выпадать в виде кластеров в приповерхностном слое.

После этого, со стороны p^+M-слоя, с помощью стандартной фотолитографии осуществляется создание алюминиевых площадок заданного размера.

Затем плазмохимическим травлением в атмосфере SF₆ убирается кремний, не защищенный Al, на глубину 10-15 мкм. Создание столбчатой структуры позволяет подавлять темновые токи ПИ, осуществлять оптическую и электрическую развязку между элементами при создании матричного ПИ.

Конечной операцией является напыление омического контакта (например, Al) с обратной стороны шайбы и резка ее на отдельные модули или "чипы".

Для сравнения и доказательства необходимости создания мезаварианта ПИ, параллельно с ним был изготовлен планарный ПИ. Причем, все параметры: концентрации примесей, толщины легированных p^+-, p⁺⁺ -слоев, площади, были такими же, как и у ПИ с меза-геометрией.

Как видно на фиг.3, при приложении к p⁺⁺-p⁺-переходу напряжения обратного смещения, вплоть до 10 В, темновой ток не превышает значений 10^-9 10^-8 А/см². В прямом направлении наблюдается обычная вольт-амперная характеристика (ВАХ), присущая диодам. При освещении ПИ светом от абсолютного черного тела (Т 300 ^o C) с мощностью излучения 10^-6 Вт/см² через фильтр (пластина Si толщиной ≈ 300 мкм) ток возрастает на 2-3 порядка. Это наблюдается как при прямом, так и при обратном смещении (кривая 2 на фиг.3).

Для ПИ, выполненного в планарном варианте, ВАХ, как при прямом, так и при обратном смещении, имеет линейную зависимость, т.е. не реализуется состояния блокирования в p⁺⁺-p⁺-слое. Это связано с неоднородностями электрического поля на краях "карманов" p⁺-областей, что и приводит к проколу слоя блокирования. Хотя, за счет высокой напряженности поля имеется высокое значение фототока за счет ударной ионизации. Т.о. приемники излучения, изготовленные в планарном варианте, не представляют практического интереса при создании систем обнаружения на длинах 1,1-6 мкм из-за больших темновых токов.

На фиг.4 приводится зависимость ампер-ваттной чувствительности (S_λ) ПИ, выполненных к мезаи планарной геометрии. Видно, что значения S_λ превышают известные данные для ПИ, изготовленных на основе барьеров Шоттки (для них S_λ ≲ 10^-2 А/Вт при l = 5,4 мкм). Падающая мощность ИК-излучения от АЧТ (типа глобар) измерялась с помощью паспортизированного фотоприемника типа МГ, работающего на основе пироэлектрического эффекта.

В таблице 1 приведены характерные величины для ПИ меза-геометрии площадью 10^-3 при напряжении смещении V -3 В и падающей мощности ≈ 10^-6 Вт/см² от АЧТ (Т 600 К). Все измерения ПИ проводились при Т 77 К. В общей сложности было изменено 130 приемников ИК-излучения.

Полученные результаты по блокированию переноса дырок по валентной зоне в p⁺⁺-p⁺-p-p⁺⁺ -структурах наблюдается также и по подавлению переноса электронов по зоне проводимости, т.е. для n⁺⁺-n⁺-n-n⁺⁺-структур. Поэтому весь выше приведенный анализ физики по работе приемника ИК-излучения на p⁺⁺-p⁺-p-p⁺⁺-переходах относится и для ПИ на n⁺⁺n⁺-n-n⁺⁺-переходах. Слой фотоактивного поглощения и подконтактные слои к меза-структуре n⁺⁺-n⁺ -слои формируются имплантацией ионов фосфора до выбранных концентраций.

Фотоэлектрические параметры предлагаемых ПИ, их однородность является лучшими из известных: увеличение рабочего напряжения смещения приводит к повышению фоточувствительности приемника излучения.

Использование: производство полупроводниковых фотоприемных модулей, матриц. Сущность изобретения: приемник ИК-излучения на диапазон длин волн 1,5-6 мкм имеет слой монокристаллического высокоомного кремния, на котором выполнены в виде меза-структуры слой фотопоглощения с концентрацией легирующей примеси (7-9)•10¹⁷cм^-3 и контактный слой толщиной 100-500 с концентрацией легирующей примеси (5-9)•10¹⁹см^-3. Такой же сильнолегированный тонкий контактный слой сформирован на другой поверхности монокристаллического кремния. На контактных слоях созданы омические слои. 4 ил. 1 табл.

Многоэлементный ИК-приемник на горячих носителях с длинноволновой границей 0,2 эВ, содержащий подложку из монокристаллического кремния с поверхностным потенциальным барьером, высота которого определяет рабочую длину волны излучения, и контакты, отличающийся тем, что на подложке со стороны потенциального барьера выполнены меза-структуры глубиной 10 15 мкм, причем концентрация примеси в меза-структурах возрастает от концентрации 10¹² - 10¹³ см^-3 в подложке у основания мез до (7 9) • 10¹⁷ см^-3 у потенциального барьера на поверхности мез и на противоположной стороне подложки расположены подконтактные области толщиной (3 5) • 10^-6 с концентрацией легирующей примеси (5 9) • 10¹⁹ см ^-3.