СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ФОТОПРИЕМНИКА НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР InGaAs/InP Российский патент 2014 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к технологии изготовления многоэлементных фотоприемников и может быть использовано в системах лазерной локации, обнаружения лазерного излучения, ИК-спектрометрии, многоспектральных ВОЛС, а также нового поколения систем ночного видения.

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], пo 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 +-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 плазмохимического травления;

- p-n-переход формируют диффузией цинка в замкнутой трубе из источника ZnAs. Время и температура диффузии подбираются 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.

Недостатком указанного способа является то, что при меза-планарной технологии изготовления фотоприемника и засветке кристалла с обратной стороны (при эксплуатации в составе фотоэлектронного модуля) существует большая вероятность боковой засветки вне области пространственного заряда (ОПЗ), что приводит к фотоэлектрической взаимосвязи соседних каналов и снижению быстродействия фоточувствительного элемента за счет диффузионной составляющей собирания генерированных светом носителей заряда из объема примыкающего к периметру p-i-n-перехода. Длина диффузии неосновных носителей может составлять 60 мкм.

Одним из решений проблемы является сформированная на освещаемой стороне подложки n+-InР диафрагма, которая устраняет возможность боковой засветки периферийной необедненной n-области при планарной технологии изготовления кристалла многоэлементного фотоприемника[RU 2318272 С1, Чинарева И.В., Огнева О.В., Забенькин О.Н., Мищенкова Т.Н. «Способ изготовления быстродействующего многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP»]. Недостатком этого способа являются большие темновые токи элементов, величина которых пропорциональна объему области, примыкающей к периметру p-i-n-перехода, из которой собираются неосновные носители, и это снижает пороговые характеристики прибора. Кроме этого, на диафрагме отражается часть падающего излучения, что приводит к потере полезного сигнала. Дифракционное рассеяние на диафрагме уменьшает быстродействие из-за наличия диффузионной составляющей тока носителей, генерированных в области тени диафрагмы.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, описанное в статье [High Uniformity InGaAs Linear Mesa-type SWIR Focal Plane Arrays» Tang Hengjing*a, b, Wu Xiaoli a, b, Zhang Kefeng a, b, Ye Liping a, Wang Nili a, Li Xue a, Gong Haimei a aState Key Laboratories of Transducer Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China 200083; bGraduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 100039]. Линейные четырехрядные матрицы фотодиодов с размером пикселя 56×56 мкм² и шагом в линейке фотодиодов 112 мкм сформированы химическим травлением эпитаксиальной структуры с p-i-n-переходом до подложки n+-InP. В такой структуре при условии полного стравливания слоя n-In 0,53 Ga 0,47 As за пределами проекции периметра p-i-n-перехода отсутствуют области, из которых собираются избыточные неосновные носители. Однако по мнению авторов коэффициент фотоэлектрической взаимосвязи соседних элементов составляет 7% из-за неполного стравливания слоя n-In 0,53 Ga 0,47 As. Из-за неоднородного травления по площади трудно изготовить матрицы элементов с одинаковой глубиной травления. В случае прямого травления эпитаксиального слоя до подложки через маску фоторезиста процесс растворения идет изотропно. Поэтому минимальное расстояние между пикселями обычно превышает толщину эпитаксиального слоя. При необходимой глубине травления 4 мкм и шаге в матрице 15 мкм получим площадь фоточувствительного элемента не более 13×13 мкм². Потеря светового потока составит (1-13×13/15×15)×100%=25%.

Известен способ изготовления индиевых микроконтактов ионным травлением [Болтарь К.О., Корнеева М.Д., Мезин Ю.С., Седнев М.В. Прикладная физика. 2011 г., №1]. Метод травления ионами инертного газа позволяет воспроизводить с прецизионной точностью размеры маски, нанесенной на поверхность любого материала. При этом процесс травления идет анизотропно в направлении падения ионов рабочего газа. Недостатком известного способа является возможность переосаждения распыляемых атомов поверхности на вертикальные стенки формируемой структуры. Это может приводить к образованию слоя, шунтирующего p-i-n-переход.

Задачей настоящего изобретения является создание многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP с минимальными потерями регистрируемого излучения без фотоэлектрической взаимосвязи элементов и увеличение его быстродействия.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в способе изготовления многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных p-i-n-структур InGaAs/InP на поверхность р+-In 0,53 Ga 0,47 As фотолитографическим способом наносят маску фоторезиста и ионным травлением до подложки n+-InР и финишным химическим травлением формируют множество одинаковых несвязанных р-i-n-областей на проводящем основании, изолированных друг от друга промежутком, ширина которого меньше, чем в аналоге. Финишное химическое травление поверхности проводят для удаления слоя, образовавшегося при ионном травлении и шунтирующего p-n-переходы. Далее выполняют стандартные процессы: удаление фоторезиста, нанесение пленки нитрида кремния, вскрывают окна в нитриде кремния, изготавливают контакты к n- и p-областям. Ширина промежутка между несвязанными областями составляет 1 мкм. При этом потеря светового потока в матрице с шагом 15 мкм составит (1-14,5x14,5/15x15)х100%=6,5%, что в четыре раза меньше, чем при жидкостном способе формирования отдельных p-i-n-диодов. Глубина травления меза-структуры задается временем и скоростью травления ионами аргона с энергией 1 кэВ и плотностью тока 0,2 мА/см² до подложки n+-InP через маску фоторезиста, что позволяет останавливать процесс травления на требуемой глубине, разделяя элементы матрицы по обедненному носителями n-слою, и, таким образом, устраняет фотоэлектрическую взаимосвязь между отдельными элементами. В изготовленной предлагаемым способом матрице фоточувствительных элементов отсутствуют области за пределами проекции периметра p-i-n-перехода, что способствует увеличению быстродействия фотоприемника.

Схематическое изображение фрагмента матрицы, изготовленной по предлагаемому способу, иллюстрируется на фиг.1.

Изобретение может быть использовано в системах лазерной локации, обнаружения лазерного излучения, ИК-спектрометрии, многоспектральных ВОЛС, а также нового поколения систем ночного видения. Согласно изобретению изготовление многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных p-i-n-структур InGaAs/InP на поверхность р+-In 0,53 Ga 0,47 As осуществляют путем нанесения фотолитографическим способом маски фоторезиста, ионного травления до подложки n+-InР и финишным химическим травлением, которым формируют множество одинаковых несвязанных p-i-n-областей на проводящем основании, изолированных друг от друга промежутком, ширина которого составляет 1 мкм. При этом потеря светового потока в матрице с шагом 15 мкм составит 6,5%, что в четыре раза меньше, чем при жидкостном способе формирования отдельных p-i-n-диодов. Глубина травления меза-структуры задается временем и скоростью травления ионами аргона с энергией 1 кэВ и плотностью тока 0,2 мА/см² до подложки n+-InР через маску фоторезиста, что позволяет останавливать процесс травления на требуемой глубине, разделяя элементы матрицы по обедненному носителями n-слою, и, таким образом, устраняет фотоэлектрическую взаимосвязь между отдельными элементами. Таким образом, изобретение обеспечивает создание технологии изготовления матриц фоточувствительных элементов с минимальными потерями светового потока, без фотоэлектрической взаимосвязи и высоким быстродействием. 1 ил.

Способ изготовления многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных p-i-n-структур InGaAs/InP, состоящий в том, что множество одинаковых фотоэлектрически несвязанных p-i-n-областей в матрице фотодиодов формируют травлением эпитаксиальной структуры с p-i-n-переходом до подложки n+-InP, отличающийся тем, что множество одинаковых фотоэлектрически несвязанных p-i-n-областей на проводящем основании формируют ионным травлением ионами аргона с энергией 1 кэВ и плотностью тока 0,2 мА/см² p-i-n-структуры р+-In 0,53 Ga 0,47 As, p-InP, n-In 0,53 Ga 0,47 As на подложке n+-InP до подложки n+-InP через маску фоторезиста и финишным химическим травлением.