ДАТЧИК ИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01L31/376 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может найти применение в качестве приемника излучения с избирательной чувствительностью в ИК-области при создании фоточувствительных устройств.

Полупроводниковые фотоприемники находят широкое применение в различных областях человеческой деятельности. Среди всего сектора полупроводниковых материалов, использующихся в качестве фотоэлектрических преобразователей, значительный интерес представляет кремний, как наиболее распространенный в микроэлектронике материал. Кроме того, использование кремния привлекает возможностью создания в одном кристалле чувствительного элемента и вторичного преобразователя.

В настоящее время известны высокочувствительные полупроводниковые ИК-детекторы на основе многокомпонентных сплавов типа HgCdTe, InGaAs, A^IIIB^V и др. работающие в ближнем (1-5 мкм) и среднем (5-30 мкм) ИК-диапазонах [1] Однако при работе таких детекторов требуется их охлаждение, используемые материалы и технология получения очень дороги и не совместимы со стандартной кремниевой технологией, применяемой в микроэлектронике.

Известный также более простые в технологическом отношении фотоприемники на основе диодов Шоттки. Однако при их изготовлении также используются дорогостоящие материалы, например, Pt [2] и они обладают недостаточной чувствительностью в ИК-области.

Известны публикации о возможности создания фотоприемников с использованием pin-структур на основе a-Si:H [3] Однако температурный диапазон работы таких фотоприемников 50-250 К, что связано с известными трудностями при их применении, кроме того, отсутствует селективность их фоточувствительности.

Наиболее близкими по технической сущности приемниками ИК-излучения являются структуры, изготовленные последовательным осаждением слоя низколегированного Si p-типа проводимости на подложку из Si n-типа проводимости и высоколегированного Si n-типа проводимости на слой Si p-типа проводимости, таким образом формируется вертикальная npn-структура [4]
При поглощении ИК-излучения в спектральном диапазоне 1-12 мкм в верхнем слое сильнолегированного n-Si возбужденные электроны переходят над потенциальным барьером через слой p-Si и n-Si подложку. Высота барьера регулируется распределением примесей в процессе изготовления и смещением. Однако, как сообщается, чувствительность таким структур невысока, отсутствует ее избирательность в узком спектральном диапазоне, кроме того из-за высокого темнового тока для работы требуется охлаждение в диапазоне 50-77 К.

Задачей изобретения является создание датчика с избирательной и высокой фоточувствительностью в ближней ИК-области спектра, совместимого со стандартной кремниевой технологией, применяемой в микроэлектронике, не требующего охлаждения при своей работе.

Поставленная задача решается за счет того, что в датчике, включающем подложку из монокристаллического кремния, сформированный на ней фоточувствительный слой и омические контакты к ним, в качестве подложек используется монокристаллический Si p-типа проводимости с удельным сопротивлением более 20 Ом см, а фоточувствительный слой сформировали из аморфного Si n-типа проводимости толщиной от 1,6 до 2,0 мкм.

Для работы предлагаемого датчика не требуется охлаждение, дорогостоящих материалов, технология его изготовления проста и совместима со стандартной технологией изготовления ИС, что позволяет практически реализовать идею интеграции в одном кристалле чувствительного элемента и устройств обработки сигнала.

Предлагаемый датчик на основе структуры аморфный Si(n-тип)/монокристаллический Si(p-тип) представлен на фиг. 1, где 1 - подложка из монокристаллического Si p-типа проводимости; 2 слой аморфного Si n-типа проводимости; 3 омические контакты.

Полученный датчик обладает избирательной фоточувствительностью при длинах волн более 1000 нм с максимумом при 1080 нм. На фиг. 2 представлена спектральная зависимость относительной фоточувствительности при напряжении смещения V_b 19 B для структур аморфный Si(n-тип)/монокристаллический Si(p-тип).

Измерения фоточувствительности структуры в зависимости от толщины d пленок a-Si показали, что увеличение d от 1,6 до 2,0 мкм приводит к ее значительному уменьшению. К аналогичному результату приводит также уменьшение удельного сопротивления подложек.

Таким образом, приемлемая избирательная фоточувствительность структуры аморфный Si(n-тип)/монокристаллический Si(p-тип) с максимумом при λ 1080 нм была при толщине аморфного Si в пределах 1,6 2,0 мкм, удельном сопротивлении монокристаллической подложки более 20 Ом см и обратном смещении 19 B.

Избирательная фоточувствительность заявляемого датчика находится в области спектра 1,00 1,08 mм. При этом при толщине пленки аморфного Si менее 1,6 мкм наблюдается фоточувствительность датчик в видимой области спектра. Увеличение толщины пленки a-Si сдвигает спектр фоточувствительности в длинноволновую область. При толщине аморфного Si 1,6 μм обнаруживается узкий спектр фоточувствительности в диапазоне 1,00 1,1 мкм с максимумом при длине волны излучения 1,08 мкм. Таким образом, при толщине слоя a-Si более 1,6 мкм проявляется избирательная фоточувствительность структур. При толщине слоя более 2,0 мкм наблюдается заметное снижение величины фоточуствительности.

Абсолютная величина фоточувствительности таких структур увеличивается при увеличении удельного сопротивления подложки и достигает максимума 10² у структур с удельным сопротивлением подложки более 20 Ом см.

Зависимость величины фоточувствительности датчика от удельного сопротивления подложки может быть связана с уменьшением темновой проводимости всей структуры в целом.

Структура аморфный Si(n-тип)/монокристаллический Si(p-тип) обладает избирательной фоточувствительностью в ИК-области спектра по следующим причинам.

Пленка толщиной 1,6 мкм эффективно поглощает свет с длиной волны λ <850 нм. Кроме того, так как подвижность носителей заряда в аморфном Si намного ниже, чем в монокристаллическом Si и m_e≫μ_h (где μ_e,μ_h подвижности электронов и дырок, соответственно), то в фотопроводимости со стороны слоя аморфного Si(n-тип) принимают участие только дырки, генерированные вблизи p-n перехода. Свет с длиной волны λ >850 нм проникает в монокристаллическую Si подложку, где он эффективно поглощается и генерирует избыточные носители заряда. Таким образом, фотогенерированные в p-Si подложке электроны приводят к появлению фоточувствительности в длинноволновой области спектра. Принимая во внимание, что для аморфного Si m_e≫μ_h, фототок от монокристаллической Si подложки становится преобладающим, что определяет максимум фоточувствительности при λ 1080 нм. В результате пленка аморфного Si может играть роль фильтра, высокий коэффициент поглощения и низкая подвижность носителей заряда в котором обеспечивают чувствительность структур аморфный Si(n-тип)/монокристаллический Si(p-тип) в ИК-диапазоне излучения.

В науке и технике известны примеры использования структур типа аморфный гидрогенизированный Si/монокристаллический Si для получения видиконов и солнечных элементов [5] Однако их изготовление связано с изготовлением сенсоров в видимой части спектра и нацелено на расширение спектральной характеристики фоточувствительности. В заявляемом решении в структуре аморфный Si/монокристаллический Si именно толщина пленки аморфного Si (в пределах 1,6-2,0 мкм) и величина удельного сопротивления монокристаллического Si более 20 Ом см приводит к избирательной чувствительности в ближней ИК-области спектра (1-1,1 мкм). Таким образом, свойства, проявляемые указанными отличительными признаками в заявляемом решении, не совпадают со свойствами, проявляемыми ими в известных науке и технике решениях. Применение предлагаемой структуры аморфный Si(n-тип)/монокристаллический Si(p-тип) направлено в заявляемом решении на выполнение новой для них функции, не вытекающей с очевидностью из их известных свойств.

Примеры конкретного выполнения изобретения.

Предлагаемый датчик с избирательной фоточувствительностью в ближней ИК-области спектра изготавливается по способу, включающему осаждение на поверхность монокристаллической кремниевой подложки p-типа проводимости пленки аморфного Si n-типа проводимости методом ВЧ магнетронного осаждения. Горизонтально расположенная мишень диаметром 150 мм выполнена из составных частей монокристаллического кремния n-типа проводимости. На расстоянии 60 мм над мишенью расположен подложкодержатель из нержавеющей стали. Перед осаждением пленки аморфного Si подложки нагревались с помощью кварцевой галогенной лампы, при этом температура нагрева подложек T_s контролировалась с помощью хромель-алюмелевой термопары.

Осаждение пленки аморфного Si(n-тип) проводилось через маску размером 4x5 мм в плазме Ar. Скорость осаждения вычислялась, исходя из данных толщины пленки и времени осаждения и составляла 3,0-3,5 А/сек. После осаждения пленки отжигались без разгерметизации установки. Изготовление сенсорных структур завершалось осаждением через маску алюминиевых контактов размером 2x5 мм. Контакты формировались на поверхности пленки и на открытых участках Si подложки. Расстояние между ними равнялось 3 мм (фиг. 1)
Спектральная зависимость фоточувствительности полученных структур аморфный Si(n-тип)/монокристаллический Si(p-тип) измерялась в диапазоне длин волн 0,5-1,2 мкм при комнатной температуре. Образцы освещались кварцевой галогенной лампой с интенсивностью освещения 10¹³ 10¹⁵ см^-2сек^-1. В ходе эксперимента стабильность источника освещения постоянно контролировалась. Измерения фоточувствительности проводились в диапазоне напряжений 0-20 В с использованием стабилизированного источника питания.

Пример 1. Для изготовления фоточувствительного датчика с избирательной фоточувствительностью в ближней ИК-области спектра использовали подложку из монокристаллического Si(p-тип) проводимости с удельным сопротивлением 20 Ом см. На нее осаждали пленку аморфного Si(n-тип) проводимости методом ВЧ магнетронного распыления мишени, изготовленной из монокристаллического кремния n-типа проводимости в следующем режиме:
Ток ВЧ генератора 0,5 0,8 А
Рабочий газ Ar
Давление рабочего газа 0,10 0,20 Па
Мощность ВЧ разряда 500 Вт
Для откачки камеры использовался парамасляный диффузионный насос. После достижения давления 1,33 10^-3 Па в рабочую камеру напускался рабочий газ Ar до давления 2,66 5,32 10^-1 Па. Перед процессом осаждения пленок осуществлялся нагрев подложек, после чего нагреватель отключался непосредственно перед загоранием плазмы. Пленка аморфного Si(n-тип) проводимости толщиной 1,6 мкм осаждалась на подложку через маску размером 4x5 мм. После осаждения структура подвергалась отжигу. Далее на полученную структуру осаждались через маску алюминиевые контакты размером 2х5 мм. Толщина напыленного слоя Al составляла 0,6 мкм.

Таким образом, предложенный датчик ИК-излучения обладает избирательной фоточувствительностью в ближней ИК-области спектра с максимумом 10² на длине волны 1,08 mм, совместим со стандартной кремниевой технологией, применяемой в микроэлектронике, и не требует охлаждения при своей работе.

Использование: в качестве приемника излучения с избирательной чувствительностью в ИК-области при создании фоточувствительных устройств. Сущность изобретения: датчик содержит монокристаллическую кремниевую подложку p-типа проводимости с удельным сопротивлением более 20 Ом см, сформированный на ней слой из аморфного кремния n-типа проводимости толщиной от 1,6 до 2,0 мкм и омические контакты к ним. 2 ил.

Датчик ИК излучения, содержащий монокристаллическую кремниевую подложку, сформированный на ней фоточувствительный слой, включающий слой из кремния n-типа проводимости, и омические контакты к ним, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристаллического кремния р-типа проводимости с удельным сопротивлением более 20 Ом•см, а фоточувствительный слой имеет толщину 1,6 2,0 мкм и полностью сформирован из аморфного кремния n-типа проводимости.