СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ФОТОПРИЕМНИКА НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР InGaAs/InP Российский патент 2008 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников и может быть использовано для создания многоэлементных линеек pin-фотодиодов на основе гетероструктур InGaAs/InP, предназначенных для применения в системах лазерной локации, обнаружения лазерного излучения, ИК-спектрометрии, многоспектральных ВОЛС, а также нового поколения систем ночного видения. Кроме этого изобретение может быть использовано в технологии изготовления многоэлементных матричных pin-фотодиодов с любым количеством элементов на основе соединений А₃В₅.

Известен способ изготовления многоэлементного фотоприемника на основе InGaAs (Marshall J.Cohen et. al. Commercial and Industrial Applications of Indium Gallium Arsenide Near Infrared Focal Plane Arrays, описанный в Part of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV Orlando, Florida, April 1999 SPIE Vol.3698), no меза-планарной технологии с использованием эпитаксиальной структуры n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As/n⁺-InP, разработанный фирмой Sensor Unlimited, Inc. (США). Единичные фотодиоды являются планарными, и все процессы диффузии проводятся с маской из пассивирующей пленки нитрида кремния (Si₃N₄). Фотодиодная матрица изолируется с помощью меза-травления эпитаксиальных слоев n-InP и n-In_0,53 Ga_0,47 As до подложки n⁺-InP, при этом формируется электрический контакт к n⁺-InP, т.н. общий вывод. Технология способа изготовления включает в себя следующие процессы:

- пластину покрывают пленкой Si₃N₄ ^. для хорошей пассивации поверхности;

- фотолитографическим способом в пленке вскрывают окна под диффузию с помощью плазмо-химического травления;

- p-n-переход формируют диффузией цинка в замкнутой трубе из источника ZnAs. Время и температура диффузии подбирается так, чтобы диффузионный фронт находился на глубине около 2500А в активном слое InGaAs;

- пластины покрывают вторым слоем пленки Si₃N₄;

- во втором слое Si₃N₄ вскрывают контактные окна и создают омические контакты металлизацией золото/цинк (Au/Zn);

- фотодиодную матрицу изолируют меза-травлением, и образуется контакт к подложки n⁺-InP;

- омический контакт золото/германий (Au/Ge) наносят на подложку и, таким образом, формируют оба контакта на пластине;

- с обратной стороны наносят антиотражающее покрытие;

- металлизацию золото/титан (Au/Ti) наносят в качестве верхнего слоя как на омические контакты к р-области, так и на омические контакты к подложке n⁺-InP;

- индиевые столбики наносят на контакты как к р-области, так и на контакты к подложке n⁺-InP;

- пластины разбраковывают и режут на кристаллы.

Недостатками указанного способа является:

- формирование контактной системы на двух уровнях рельефной пластины, что чревато обрывом металлизации на ступеньке, что в свою очередь приводит к снижению процента выхода годных и надежности фоточувствительного элемента;

- при засветке кристалла с обратной стороны (при эксплуатации в составе фотоэлектронного модуля) большая вероятность боковой засветки вне области пространственного заряда (ОПЗ), что приводит к снижению быстродействия фоточувствительного элемента за счет диффузионной составляющей времени собирания генерированных светом носителей заряда.

В общем случае скорость фотоответа pin-ФД (τ) ограничивается тремя факторами:

- постоянной времени RC-цепи (τ_RC);

- временем пролета, которое определяется дрейфом фотоносителей, генерированных в ОПЗ структуры (τ др);

- задержкой, связанной с диффузией фотоносителей, генерированных в квазинейтральных р- и n-областях pin-структуры (τ диф).

Постоянная времени RC-цепи τ_RC=Rн×С,

где Rн - сопротивление нагрузки, С - емкость р-n-перехода.

При учете того, что в быстродействующих системах сопротивление нагрузки Rн обычно составляет 50 Ом, последовательное сопротивление ФД (определяемое, главным образом, сопротивлением омических контактов) Rs<<Rн, а емкость р-n-перехода для площадки 60×60 мкм и концентрации носителей заряда в гетероструктуре менее 2×10¹⁵ см^-3 не превышает 1 пФ, τ_RC=50×1×10^-12=50×10^-12с=50 пс.

Время собирания фотоносителей определяется временем дрейфа носителей, генерированных в ОПЗ, через эту область τдр, а также временем диффузии фотоносителей, генерированных вне ОПЗ, τдиф. Скорость дрейфа носителей при напряженности поля 10⁴ В/см (создаваемой напряжением смещения ˜5-10 В) ограничивается рассеянием и в соединениях In_1-XGa_X As_1-Y P_Y составляет ˜10⁷ см/с [1]. Тогда, при Wопз=2 мкм τдр=20 пс.

Для электронов, диффундирующих к ОПЗ через р-область активного слоя, время диффузии:

где Ln - длина диффузии электронов (в нашем случае, когда толщина р-области h_p1 меньше диффузионной длины электронов [1], Ln заменяется на h_p1).

При h_p1=0,5 мкм и Dn=259 см²/с

τдиф n=(0,5×10^-4)²/(2,4×259)=4×10^-12с=4 пс.

Следует отметить, что для планарной структуры с обратной засветкой выражение (2) справедливо только при отсутствии засветки необедненной n-области, примыкающей к ОПЗ. При поглощении излучения в n-области еще более инерционная составляющая дырочного тока может приводить к существенному ограничению быстродействию прибора.

Для дырок диффундирующих к ОПЗ через необедненную n-область:

Lp=Ln=1-2 мкм - длина диффузии дырок [2],

Dp=13 см²/с - коэффициент диффузии дырок [2].

τдиф р=(1×10^-4)²/(2,4×13)=321×10^-12 с=321 пс

Следовательно,

τдиф=τдиф n+τдиф р=325 пс

Таким образом, быстродействие

τ=√(50²+20²+325²)=329,4 пс - для первого случая, и

τ=√(50²+20²+4²)=54,1 пс - для второго случая.

Задачей изобретения является увеличение быстродействия фоточувствительного элемента за счет устранения возможности засветки периферийной необедненной n-области при планарной технологии изготовления многоэлементного фотоприемника.

Технический результат достигается тем, что заявляемый способ изготовления быстродействующего многоэлементного фотоприемника на основе гетероструктур InGaAs/InP включает в себя следующие процессы:

- эпитаксиальную пластину n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As/n⁺-InP покрывают пленкой нитрида кремния, как со стороны эпйтаксиального слоя n-InP, так и со стороны подложки n⁺-InP;

- фотолитографическим способом вскрывают окна под диффузию с помощью плазменно-химического травления в пленке Si₃N₄ со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As и формируют метки для дальнейшего совмещения рисунков фотошаблонов со стороны подложки n⁺-InP;

- в эпитаксиальных слоях n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As формируют локальный р-n-переход диффузией кадмия;

- пластину n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As/n⁺-InP покрывают вторым слоем пленки Si₃N₄ со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-In_0,33 Ga_0,47 As;

- вскрывают контактные окна во втором слое Si₃N₄ и создают омические контакты золота с подслоем титана к р+-областям;

- фотолитографическим способом в пленке нитрида кремния со стороны подложки n⁺-InP вскрывают окна под контакт к области n⁺-InP с помощью плазмо-химического травления, при этом над областью р-n-переходов остается пленка нитрида кремния, которая служит просветляющим покрытием;

- напыляют в вакууме Au/Ti так, что образуется металлизация для контакта к подложки n⁺-InP;

- фотолитографическим способом в пленке золота с подслоем титана вытравливают рисунок, который, с одной стороны, является контактным и обеспечивает омический контакт к подложке n⁺-InP, а с другой стороны формирует диафрагму, ограничивающую область засветки только областью пространственного заряда многоэлементного фотоприемника.

Такая последовательность операций обеспечивает точное попадание излучения при засветке через подложку в область пространственного заряда и устранение, таким образом, диффузии дырок в n-область с периферии и, следовательно, увеличение быстродействия планарного многоэлементного фотодиода, сохраняя полностью планарную структуру. При этом способе изготовления устраняется возможность обрывам металлизации на ступеньке, как в случае с меза-планарной технологией, описанной выше.

На фигурах 1-5 показана технология изготовления быстродействующего многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур InGaAs.

Эпитаксиальную пластину n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As/n⁺-InP, содержащую эпитаксиальные слои n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As и подложку n⁺-InP, покрывают пленкой нитрида кремния (Si₃N₄), как со стороны эпитаксиального слоя n-InP, так и со стороны подложки n-InP (фиг.1). Фотолитографическим способом вскрывают окна под диффузию с помощью плазменно-химического травления в пленке нитрида кремния со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As и формируют метки для дальнейшего совмещения рисунков фотошаблонов со стороны подложки n⁺-InP. В эпитаксиальных слоях n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As формируют локальный р-n-переход диффузией кадмия в запаянной откачной ампуле из источника Cd₃Р₂. Пластину n-InP/n-In_0,33 Ga_0,47 As/n⁺-InP покрывают вторым слоем пленки нитрида кремния (Si₃N₄) со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/ n-In_0,53 Ga_0,47 As (фиг.2). Вскрывают контактные окна во втором слое нитрида кремния и создают омические контакты золота с подслоем титана (Au/Ti) к р⁺-областям (фиг.3). Фотолитографическим способом в пленке нитрида кремния со стороны подложки n⁺-InP вскрывают окна под контакт к области n⁺-InP с помощью плазмо-химического травления, при этом над областью р-n-переходов остается пленка нитрида кремния, которая служит просветляющим покрытием (фиг.4). Напыляют в вакууме золото с подслоем титана, так что образуется металлизация для контакта к подложке n⁺-InP (фиг.4). Фотолитографическим способом в пленке золота с подслоем титана вытравливают рисунок, который, с одной стороны, является контактным и обеспечивает омический контакт к подложке n⁺-InP, а с другой стороны формирует диафрагму, ограничивающую область засветки только областью пространственного заряда многоэлементного фотоприемника (фиг.5).

Сформированная таким образом на стороне подложки n⁺-InP диафрагма устраняет возможность боковой засветки периферийной необедненной n-области при планарной технологии изготовления кристалла многоэлементного фотоприемника. В свою очередь, при планарной технологии устраняется возможность обрыва металлизации на ступеньке.

Предлагаемый способ был опробован на предприятии-заявителе при разработке технологии неохлаждаемых быстродействующих ФЭМ спектрального диапазона 0,8-1,55 мкм ФУК 7Л (документация на изделие БУТИ.432234.060).

Авторы экспериментально установили, что при применении разработанного способа изготовления многоэлементной линейки фоточувствительных элементов, входящей в состав неохлаждаемого быстродействующего ФЭМ, спектрального диапазона 0,8-1,55 мкм с числом элементов 128 с размером единичного элемента 60×60 мкм, измеренное значение τ не превышает 100 пс. Для измерения импульсных характеристик на длине волны 1,55 мкм использовался экспериментальный образец полупроводникового лазера с длиной волны излучения 1,548 мкм, который запускался прямоугольными импульсами тока генератора Г5-84. Импульсы фототока регистрировались осциллографом С1-122. Сопротивление нагрузки Rн=50 Ом, рабочее напряжение Up=-5В.

В результате использования предлагаемого способа могут быть изготовлены планарные многоэлементные фотодиоды (линейки и матрицы) с любым количеством элементов, пригодные для интеграции с кремниевыми микросхемами усиления и обработки сигнала. Этот способ может быть применен для других гетероструктур системы А₃В₅.

Литература.

1. Техника оптической связи. Фотоприемники/ Ф.Капассо и др.; под ред. У.Тсанга: Пер. с англ. под ред. М.А.Тришенкова. - М.: Мир, 1988. - 526 с.

2. Forrest S. Performance of InGaAsP photodiodes with dark current limited by diffusion, generation-recombination and tunneling // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1981. QE-17. - N2. - P.217-226.

Изобретение может быть использовано в системах лазерной локации, обнаружения лазерного излучения, ИК-спектрометрии, многоспектральных ВОЛС, а также нового поколения систем ночного видения. Для изготовления фотоприемника эпитаксиальную пластину n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As/n⁺-InP, содержащую эпитаксиальные слои n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As и подложку n⁺-InP, покрывают пленкой нитрида кремния как со стороны эпитаксиального слоя n-InP, так и со стороны подложки n⁺-InP. Фотолитографическим способом вскрывают окна под диффузию с помощью плазменно-химического травления в пленке нитрида кремния со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-In_0,33 Ga_0,47 As и формируют метки для дальнейшего совмещения рисунков фотошаблонов со стороны подложки n⁺-InP. В эпитаксиальных слоях n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As формируют локальный р-n-переход диффузией кадмия в запаянной откачной ампуле из источника Cd₃Р₂. Пластину n-InP/n-In_0,33 Ga_0,47 As/n⁺-InP покрывают вторым слоем пленки Si₃N₄ со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As. Вскрывают контактные окна во втором слое пленки Si₃N₄ и создают омические контакты Au/Ti к р⁺-областям. Фотолитографическим способом в пленке Si₃N₄ со стороны подложки n⁺-InP вскрывают окна под контакт к области n⁺-InP с помощью плазмо-химического травления, при этом над областью р-n-переходов остается пленка Si₃N₄, которая служит просветляющим покрытием. Напыляют в вакууме золото с подслоем титана, так что образуется металлизация для контакта к подложке n⁺-InP. Фотолитографическим способом в пленке золота с подслоем титана вытравливают рисунок, который с одной стороны является контактным и обеспечивает омический контакт к подложке n⁺-InP, а с другой стороны формирует диафрагму, ограничивающую область засветки только областью пространственного заряда многоэлементного фотоприемника. Изобретение обеспечивает увеличение быстродействия фоточувствительного элемента за счет устранения возможности засветки необедненной n-области при планарной технологии изготовления многоэлементного фотоприемника. 5 ил.

Способ изготовления быстродействующего многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As/n⁺-InP, заключающийся в том, что эпитаксиальную пластину n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As/n⁺-InP покрывают пленкой нитрида кремния, как со стороны эпитаксиального слоя n-InP, так и со стороны подложки n⁺-InP, фотолитографическим способом вскрывают окна под диффузию с помощью плазменно-химического травления в пленке нитрида кремния со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As и формируют метки для дальнейшего совмещения рисунков фотошаблонов со стороны подложки n+-InP, в эпитаксиальных слоях n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As формируют локальный р-n-переход диффузией кадмия, пластину n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As/n⁺-InP покрывают вторым слоем пленки нитрида кремния со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-In_0,53 Ga_0,47 As, вскрывают контактные окна во втором слое пленки нитрида кремния и создают омические контакты золота с подслоем титана к р+-областям, фотолитографическим способом в пленке нитрида кремния со стороны подложки n+-InP вскрывают окна под контакт к области n⁺-InP с помощью плазмо-химического травления, при этом над областью р-n-переходов остается пленка нитрида кремния, которая служит просветляющим покрытием, напыляют в вакууме золото с подслоем титана, так что образуется металлизация для контакта к подложке n+-InP, фотолитографическим способом в пленке золота с подслоем титана вытравливают рисунок, который с одной стороны является контактным и обеспечивает омический контакт к подложке, n+-InP, а с другой стороны формирует диафрагму, ограничивающую область засветки только областью пространственного заряда многоэлементного фотоприемника.