ПЛАНАРНЫЙ ФОТОДИОД НА АНТИМОНИДЕ ИНДИЯ Российский патент 2012 года по МПК H01L31/36 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному излучению и может быть использовано при производстве охлаждаемых одноэлементных, линейных и матричных приемников излучения с фоточувствительными элементами - планарными фотодиодами на антимониде индия (InSb).

Известен планарный фотодиод на антимониде индия, содержащий подложку из антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней планарным p-n переходом, защитную пленку, полученную анодным окислением, пассивирующую пленку и контактную систему, причем подложка выполнена из материала с концентрацией легирующих атомов теллура N=(1-3)·10¹⁶ см^-3 (см. патент РФ №2324259 МПК Н01L 31/102, опубл. 2006 г.) Недостатком такого фотодиода является низкое (не более 0,4 В) пробивное напряжение, которое принципиально не может быть повышено из-за высокой концентрации легирующих атомов в подложке, делающей узкой область пространственного заряда металлургической границы p-n перехода, из-за чего и происходит низковольтный пробой.

Известен также планарный фотодиод на антимониде индия, содержащий подложку из антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней планарным p-n переходом, защитную пленку, полученную анодным окислением, пассивирующую пленку и контактную систему, в котором в отличие от предыдущего только более низкими являются концентрации легирующих атомов в подложке (N=(0,6-2)·10¹⁴ см^-3) и эмиттере, что позволило повысить токовую чувствительность и пробивное напряжение до ~1 В без изменения пороговых параметров (см. патент РФ №2331950, МПК Н01L 31/18, опубл. 2006 г.).

Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому выбранный за прототип планарный фотодиод на антимониде индия, содержащий подложку из антимонида индия n-типа проводимости со сформированным в ней планарным p-n переходом, защитную пленку, полученную анодным окислением, пассивирующую пленку и контактную систему, в котором в отличие от предыдущего аналога в качестве подложки используется материал марки ИСЭ-2в с концентрацией легирующих атомов (0,2-3)·10¹⁵ см^-3 (см. патент РФ №1589963, МПК Н01L 31/18, опубл. 1996 г.) Это позволяет при использовании анодной пленки, получаемой в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,02-0,5 мА/см² в электролите, содержащем 0,1 М раствор сернистого натрия в глицерине и изопропиловый спирт в объемном соотношении 1:1, увеличить пробивное напряжение до 0,8-1,5 В, а также токовую чувствительность без изменения пороговых параметров. Тем не менее, при монтаже приборов и оборудования, а также в процессе эксплуатации возможны скачки напряжения большей величины, приводящие к электрическому пробою и выходу из строя фотодиодов, что сужает возможность их применения и снижает надежность.

Задачей, решаемой с помощью заявляемого изобретения, является расширение возможности применения планарного фотодиода и повышение его надежности.

Техническим результатом при использовании предложенной конструкции является повышение пробивного напряжения планарного фотодиода до (3,5-5,5) В при сохранении его фотоэлектрических параметров - токовой и пороговой чувствительностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в планарном фотодиоде на антимониде индия, содержащем подложку n-типа проводимости с концентрацией легирующих атомов примеси не более 3·10¹⁵ см^-3 со сформированным в ней планарным p-n переходом, защитную пленку анодного окисла, пассивирующую диэлектрическую пленку и контактную систему, поверхность подложки имеет кристаллографическую ориентацию (111)А.

Применение подложки n-типа проводимости с кристаллографической ориентацией поверхности (111)А в случае концентрации легирующих атомов теллура не более 3·10¹⁵ см^-3 обеспечивает повышение пробивного напряжения до (3,5-5,5) В с сохранением фотоэлектрических параметров фотодиода.

Технический результат применения кристаллографической ориентации поверхности подложки (111)А объясняется следующим.

На практике, в том числе во всех приведенных выше случаях, обычно применяется ориентация (100), которая является единственной симметричной ориентацией в соединениях А₃В₅ из всех ориентации с низкими целыми значениями кристаллографических индексов. Симметричность создает удобство применения таких пластин, поскольку не требует специальных мер для обеспечения создания приборной структуры на строгоопределенной стороне, как это требуется, например, в случае ориентации (111), где одна сторона - (111)А - является стороной с избытком атомов индия и дефицитом атомов сурьмы, а другая сторона - (111)В - является стороной с избытком сурьмы. Известно, что при анодном окислении, проводимом для создания защитной пленки собственного окисла над планарной границей p-n перехода, на границе InSb-пленка создается встроенный заряд, положительная составляющая которого определяется избыточными атомами сурьмы. Предпосылки для создания такого заряда являются наименьшими в случае поверхности (111)А из-за наименьшего количества на ней атомов сурьмы и, следовательно, наименьшего числа флуктуации с повышенным содержанием этих атомов, вследствие чего флуктуации с положительным встроенным зарядом в этом случае также имеют наименьшую вероятность появления. Поскольку наличие флуктуации с положительным встроенным зарядом над поверхностью n-базы вблизи границы с p-n переходом приводит к формированию в границах этих флуктуации поверхностных n-областей, уменьшающих пробивное напряжение, в случае поверхности (111)А, когда предпосылки для формирования таких областей являются наименьшими, наибольшим будет и пробивное напряжение, которое в данном случае будет определяться концентрацией легирующих атомов в базе и будет тем выше, чем меньше эта концентрация.

Предложенная конструкция фотодиода предназначена для использования в производстве охлаждаемых приемников излучения, причем из уровня техники не известно влияние кристаллографической ориентации (111)А поверхности подложки InSb на повышение пробивного напряжения планарного фотодиода, поэтому согласно п.п.24.5.1, 24.5.2 и 24.5.3 Административного регламента заявляемое техническое решение соответствует критериям «промышленная применимость», «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства.

Планарный фотодиод содержит подложку 1 со сформированным в ней планарным p-n переходом 2, защитную пленку анодного окисла 3, пассивирующую диэлектрическую пленку 4 и контактную систему 5. Поверхность 6 подложки 1 имеет кристаллографическую ориентацию (111)А.

При работе фотодиода из-за скачков напряжения на контактах 5 возможен электрический пробой p-n перехода и выход прибора из строя. Увеличение напряжения пробоя снижает вероятность возникновения пробоя и увеличивает надежность работы прибора в процессе эксплуатации.

При изготовлении предложенной конструкции подложка может быть выполнена как из пластины монокристалла антимонида индия с ориентацией (111), так и из эпитаксиальной структуры типа n⁺(подложка)-n(пленка), в которой поверхности и подложки, и пленки имеют ориентацию (111)А.

Предложенная конструкция была использована при изготовлении 64-элементных планарных фотодиодов с размерами площадок 150×150 мкм и шагом 180 мкм в пленке эпитаксиальных структур n⁺-n(пленка)-типа с концентрацией атомов теллура в пленке N=(3-4)·10¹⁴ см^-3 и ориентацией поверхности (111)А, а также в подложках с аналогичной ориентацией и концентрацией атомов теллура, вырезанных из монокристалла марки ИСЭ-2в. На поверхности таких подложек формировались 64 планарных p-n перехода локальной имплантацией ионов бериллия с последующим термическим отжигом, затем поверхность защищалась пленкой анодного окисла, полученной в гальваностатическом режиме при плотности тока 0,02-0,5 мА/см² в электролите, содержащем 0,1 М раствор сернистого натрия в глицерине и изопропиловый спирт в объемном соотношении 1:1. После этого методом термического распыления наносилась пассивирующая диэлектрическая пленка SiO_x и с использованием фотолитографии и термического распыления системы Cr+Au создавались контакты электрической разводки.

В качестве контрольных использовались подложки с ориентацией (100) и концентрацией атомов теллура также N=(3-4)·10¹⁴ см^-3, вырезанные также из монокристалла марки ИСЭ-2В.

На изготовленных фотодиодных кристаллах при Т=77 К (при заливке жидким азотом) измерялось пробивное напряжение U_пр всех планарных фотодиодов как напряжение начала резкого возрастания тока на обратной ветви ВАХ. Затем кристаллы стыковали с одной и той же группой усилителей, на которых измеряли напряжение сигнала U_с и шума U_ш, по которым рассчитывали значение пороговой чувствительности Р_λmах в соответствии с ГОСТ 17788-88. Полученные результаты сводятся к тому, что на кристаллах и эпитаксиальных структурах, изготовленных в соответствии с предложенным, пробивные напряжения составляют (3,5-5,5) В, а на контрольных кристаллах - (0,7-1) В при аналогичных значениях P_λmax=(0,8-0,9)·10^-11 Вт.

Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает повышение пробивного напряжения планарного фотодиода до (3,5-5,5) В за счет создания условий, при которых на границе раздела InSb-защитная анодная окисная пленка вблизи планарной границы p-n перехода не возникает флуктуации с положительным встроенным зарядом.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному излучению, и может быть использовано при производстве охлаждаемых одноэлементных, линейных и матричных приемников излучения с фоточувствительными элементами - планарными фотодиодами на антимониде индия (InSb). В планарном фотодиоде на антимониде индия, содержащем подложку n-типа проводимости с концентрацией легирующих атомов примеси не более 3·10¹⁵ см^-3 со сформированным в ней планарным р-n переходом, защитную пленку анодного окисла, пассивирующую диэлектрическую пленку и контактную систему, поверхность подложки имеет кристаллографическую ориентацию (111)А. Изобретение обеспечивает повышение пробивного напряжения планарного фотодиода обеспечивается за счет наименьшей плотности атомов сурьмы на поверхности с кристаллографической ориентацией (111)А. 1 ил.

Планарный фотодиод на антимониде индия, содержащий подложку n-типа проводимости с концентрацией легирующих атомов примеси не более 3·10¹⁵ см^-3 со сформированным в ней планарным р-n переходом, защитную пленку анодного окисла, пассивирующую диэлектрическую пленку и контактную систему, отличающийся тем, что поверхность подложки имеет кристаллографическую ориентацию (111)А.