ДИОД С p-n-ПЕРЕХОДОМ, ИМЕЮЩИЙ РЕГУЛИРУЕМУЮ ГЕТЕРОСТРУКТУРУ, САМОПОЗИЦИОНИРУЮЩУЮСЯ НА HgCdTe, ДЛЯ ФОРМИРОВАТЕЛЯ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА Российский патент 2017 года по МПК H01L31/103 H01L31/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области диодов, изготовленных из полупроводниковых материалов. Более конкретно, изобретение относится к диодам p-n-типа, сформированным в подложках на основе материалов типа Hg_1-xCd_xTe, которые могут быть применены для формирователя сигналов изображения в инфракрасной области спектра.

Уровень техники

Как правило, p/n-диоды формируют в подложке 100.0, имеющей главным образом n-легирование. В этой подложке 100.0 они включают n-легированную зону, называемую базовой подложкой 1.0 (фигура 1), зону 9.0 р+-легирования, или р-легированную зону, смежную с базовой подложкой 1.0. Поверхность раздела между n-легированной зоной 1.0 и р+-легированной зоной 9.0 обычно называется «p/n-переходом» 10.0. При термодинамическом равновесии на одной из сторон p/n-перехода 10.0 формируется область 7.0 пространственного заряда. На первой границе 7.1 области 7.0 пространственного заряда n-легированная базовая подложка 1.0 заряжается положительно, и на второй границе 7.2 области пространственного заряда р+-легированная зона 9.0 заряжается отрицательно, создавая интенсивное электрическое поле.

Когда электромагнитная волна W проходит через подложку в базовую подложку 1.0, она формирует пару «электрон-дырка» взаимодействием с атомами материала базовой подложки 1.0. Неосновной носитель заряда в базовой подложке, в этом случае дырка, диффундирует на диффузионную длину дырки в базовой подложке 1.0 перед рекомбинацией с основным носителем, в этом случае электроном. Если неосновной носитель диффундирует в область 7.0 пространственного заряда, он не рекомбинирует немедленно. Он ускоряется электрическим полем к р+-легированной зоне 9.0. В ней он рекомбинирует с образованием обратного тока между р+-легированной зоной 9.0 и n-легированной базовой подложкой 1.0.

Если электромагнитная волна W проходит через базовую подложку 1.0 и генерирование пары «электрон-дырка» происходит в области 7.0 пространственного заряда, то пара мгновенно разделяется электрическим полем. Дырка направляется в сторону второй границы 7.2 и в сторону р+-легированной зоны 9.0, и электрон направляется в сторону первой границы 7.1 и в сторону n-легированной базовой подложки 1.0. Это явление является более редким, чем предыдущее явление, и в общем требует, чтобы базовая подложка 1.0 была очень тонкой для прохождения электромагнитной волны W через всю базовую подложку 1.0.

Диод с p/n-переходом является чувствительным только к длинам волн, у которых энергия достаточна для обеспечения прохода электрона через запрещенную зону материала базовой подложки 1.0 с образованием пар «электрон-дырка». Тем самым для электромагнитной волны необходимо иметь минимальную энергию, чтобы быть детектированной. Следовательно, если электромагнитная волна имеет энергию значительно больше, чем запрещенная зона, электромагнитная волна существенно взаимодействует с базовой подложкой 1.0, и большинство пар «электрон-дырка» формируется слишком далеко от p/n-перехода, и дырки рекомбинируют с основным носителем без возможности детектирования волны. Таким образом, запрещенная зона материала базовой подложки 1.0 определяет минимальную длину волны, которая может быть детектирована диодом, и диапазон длин волн, пригодный для оптимального детектирования.

В диоде, выполненном из материала Hg_1-xCd_xTe, запрещенная зона материала и тем самым диапазон длин волн, регистрируемых этим диодом, зависит от концентрации кадмия в базовой подложке 1.0. Низкая концентрация кадмия обеспечивает узкую запрещенную зону для диода и детектирование электромагнитных волн с большой длиной волны. Однако узкая запрещенная зона приводит к повышению чувствительности диода к дефектам и увеличенному темновому току. В частности, если в материале имеются дефекты, запрещенная зона искусственно сокращается в некоторых локализованных точках материала. В материале с узкой запрещенной зоной это искусственное сокращение является более значительным в соотношении с запрещенной зоной.

Темновой ток является недостатком фотодиодов, обусловленным хаотическим тепловым движением электронов. До определенной степени хаотическое тепловое движение электронов может подводить энергию, достаточную для того, чтобы некоторые электроны образовывали электронно-дырочную пару в результате самопроизвольной генерации. Если дырка, образованная самопроизвольной генерацией, появляется в области пространственного заряда или вблизи p/n-перехода, возникает ток в отсутствие падающей на диод электромагнитной волны.

Для ограничения темнового тока в формирователях сигналов изображения в инфракрасной области спектра с узкой запрещенной зоной одним вариантом является создание так называемых «гетероструктурных» диодов, как иллюстрировано в фигуре 2G. Такие структура и способ описаны в статье «MBE HgCdTe Heterostructure p-on-n Planar Infrared Photodiodes» («Молекулярно-эпитаксиальная гетероструктура HgCdTe планарных инфракрасных p-n-фотодиодов») авторов J.M. Arias и др., опубликованной в 1993 году в «Journal of Electronic Materials», том 22, номер 8, страницы 1049-1053. Создание гетероструктурного диода включает формирование p/n-диода, имеющего p/n-переход 10.0 и область 7.0 пространственного заряда вокруг него, таким образом, что базовая подложка 1.0 диода выполнена из материала, имеющего узкую запрещенную зону, но что p/n-переход 10, или, в частности, вторая граница 7.2 области 7.0 пространственного заряда, выполнен из материала, имеющего более широкую запрещенную зону. В этом случае спонтанная генерация электронно-дырочных пар в области 7.0 пространственного заряда сокращается, поскольку энергия, которая должна быть подведена для формирования электронно-дырочной пары, является большей, чем в базовой подложке 1.0. В этом случае диод является менее чувствительным к дефектам и темновому току.

Однако необходимо быть в состоянии снимать ток, создаваемый поглощением электромагнитной волны в базовой подложке 1.0. Тогда p/n-переход 10.0 должен быть расположен достаточно близко к базовой подложке 1.0, имеющей узкую запрещенную зону, более конкретно, так, что первая граница 7.1 области 7.0 пространственного заряда находится в базовой подложке 1.0 с узкой запрещенной зоной.

Таким образом, диод является таким, что бульшая часть р+-легированной зоны 9.0 находится в части подложки 100.0, имеющей более высокую концентрацию кадмия, чем базовая подложка 1.0, без присутствия в пассивирующем слое 5.0, в котором одним из элементов является кадмий Cd. Такая конфигурация обеспечивает диоду возможность детектировать диапазон длин волн, включающий короткие длины волн, зависящий от запрещенной зоны базовой подложки 1.0, в то же время будучи менее чувствительным к шуму, темновому току и дефектам, чем негетероструктурный диод.

Квалифицированным специалистам в этой области техники известно, как для формирования гетероструктурного диода применять подложку 100.0, в которой базовая подложка 1.0 сформирована из базового слоя типа Hg_1-xCd_xTe, где «х» равен, например, 0,22, и поверхностного слоя 2.0, выполненного из Hg_1-yCd_yTe, где «y» имеет значение, большее, чем значение «х», например 0,28, в контакте с базовой подложкой 1.0. Поверхностный слой 2.0 имеет более широкую запрещенную зону, чем базовая подложка 1.0. Термин «гетеропереход 3.0» означает поверхность раздела между базовой подложкой 1.0 и поверхностным слоем 2.0.

Тогда р+-легированную зону 9.0, или р-легированную зону, формируют в поверхностном слое 2.0 так, что р+-легированная зона 9.0 имеет толщину больше, чем толщина поверхностного слоя 2.0, и слегка выступает из гетероперехода 3.0. p/n-Переход 10.0 определяется поверхностью раздела между р+-легированной зоной 9.0 и n-легированной базовой подложкой 1.0. p/n-Переход 10.0 выступает из поверхностного слоя 2.0 так, что по меньшей мере первая граница 7.1 области 7.0 пространственного заряда находится в базовой подложке 1.0. Тогда p/n-переход 10.0 позиционируют в зоне базовой подложки 1.0, в которой из поверхностного слоя 2.0 может слегка диффундировать кадмий.

Обычно такой диод, основанный на Hg_1-xCd_xTe, покрывают пассивирующим слоем 5.0, в котором одним из элементов является кадмий Cd, для стабилизации диода. Кроме того, для работы диода в р+-легированной зоне 9.0 имеется проводящий контакт 6.0 для снятия любого тока, создаваемого в диоде.

Способ изготовления гетеропереходного диода согласно прототипу описан в фигуре 2А-2G.

Во-первых, выбирают исходную подложку, действующую в качестве базовой подложки 1.0, выполненной из Hg_1-xCd_xTe (фигура 2А). Значение «х» может составлять, например, 0,22. Это значение выбирают так, чтобы запрещенная зона Hg_1-xCd_xTe представляла собой запрещенную зону, желательную для детектирования данных электромагнитных волн, которые имеют минимальную энергию, соответствующую этой запрещенной зоне. Базовая подложка 1.0 типично может иметь толщину от нескольких десятых долей микрометра до нескольких десятков микрометров, например 10 мкм.

Базовая подложка 1.0 предпочтительно поначалу включает n-легирование, созданное с использованием одной или более легирующих примесей донорного типа, введенных во время ее изготовления. Без введения несобственных легирующих примесей базовая подложка 1.0 может быть n- или р-типа.

Поверх базовой подложки 1.0, как иллюстрировано в фигуре 2В, методом молекулярно-лучевой эпитаксии или жидкофазной эпитаксии формируют поверхностный слой 2.0, выполненный из Hg_1-yCd_yTe, где «y» имеет значение, определенно большее, чем значение «х», например 0,28. Поверхностный слой 2.0 может иметь толщину, например, 1 мкм. Он образует подложку 100.0 с базовой подложкой 1.0. Поверхность 3.0 раздела между базовой подложкой 1.0 и поверхностным слоем 2.0 называется гетеропереходом 3.0.

Затем легирующую примесь 8.0 акцепторного типа вводят в зону легирования, расположенную в поверхностном слое 2.0, с помощью ионной имплантации (фигура 2С). Ионная имплантация внедряет легирующую примесь 8.0 на заданную глубину в форме атомов легирующей примеси и образует зону 70.0 имплантации, содержащую легирующую примесь 8.0.

Затем выполняют диффузию легирующей примеси 8.0. Диффузия перемещает атомы легирующей примеси и тем самым создает стандартную форму легированной области для p/n-диода (фигура 2D). Затем происходит активация легирующей примеси, причем эта активация означает, что атомы легирующей примеси внедряются в кристаллическую решетку базовой подложки 1.0. Таким образом, например, активацией такой легирующей примеси, как мышьяк, перемещают атомы мышьяка, замещая атомы теллура в поверхностном слое 2.0 и в базовой подложке 1.0. Активация ведет к формированию р+-легированной зоны 9.0. Диффузию и активацию легирующей примеси, как правило, объединяют в одну стадию диффузии и активации.

Эту стадию диффузии и активации оптимизируют для диффузии легирующей примеси, пока между р+-легированной зоной 9.0 и остальной частью поверхностного слоя 2.0 и базовой подложки 1.0 не будет позиционирована поверхность раздела вблизи гетероперехода 3.0. Эта поверхность раздела простирается за пределы поверхностного слоя 2.0 в базовую подложку 1.0. p+/n-Переход 10.0 будет сформирован на этой поверхности раздела, как разъясняется далее. Параллельно эта стадия диффузии и активации инициирует формирование вакансий ртути, легирование, при легировании р-типа, всей подложки 100.0, включая базовую подложку 1.0, поверхностного слоя 2.0 и р+-легированной зоны 9.0. Поверхность раздела между р+-легированной зоной 9.0 и остальной частью базовой подложки 1.0 и поверхностного слоя 2.0 становится p+/р-переходом. Из соображений упрощения, эта поверхность раздела будет называться p/n-переходом 10.0.

Предпочтительно стараются позиционировать p/n-переход 10.0 в базовой подложке 1.0 на границе гетероперехода 3.0 таким образом, что p/n-переход 10.0 находится в зоне, имеющей концентрацию кадмия, промежуточную между концентрацией в базовой подложке 1.0 и концентрацией в поверхностном слое 2.0.

До или после стадии диффузии и активации легирующей примеси поверх поверхностного слоя 2.0 осаждают пассивирующий слой 5.0, в котором одним из элементов является кадмий Cd (фигура 2Е). Назначением этого слоя является защита структуры p/n-диода.

Для преобразования вышеупомянутого р+/р-перехода в p+/n-переход 10.0 квалифицированным специалистам в этой области техники было бы известно выполнение стадии заполнения вакансий ртути после вышеописанных стадий. Назначение этой стадии заполнения вакансий ртути состоит в подавлении р-легирования, индуцированного формированием дефектов во время ионной имплантации и стадии диффундирования и активации легирующей примеси. После этой стадии заполнения вакансий базовая подложка 1 с легирующей примесью донорного типа возвращается к легированию n-типа (фигура 2F). Затем р+/р-переход становится p+/n-переходом 10.0, обычно называемым p/n-переходом.

Затем добавляют проводящий контакт 6.0, предпочтительно выполненный из металла (фигура 2G). Этот контакт проходит через пассивирующий слой 5.0 и входит в р+-легированную зону 9.0, не достигая базовой подложки 1.0. Проводящий контакт 6.0 может быть сформирован с использованием стандартных в микроэлектронике способов. Затем его соединяют с непоказанной внешней электрической схемой. Непоказанные вторичные контакты обычно формируют снаружи диода, и они предназначены для создания электрического контакта между n-легированной базовой подложкой 1.0 и внешней электрической схемой. Контакты двух типов, действующие в сочетании, могут способствовать отведению любого тока, который может возникать на p/n-переходе 10.0, например, при воздействии электромагнитной волны.

Такой гетероструктурный диод имеет многочисленные недостатки.

Ссылки в тексте далее имеют отношение к фигуре 2G, иллюстрирующей гетероструктурный p/n-диод, полученный с использованием способа согласно прототипу.

Во-первых, затруднительно вырастить поверхностный слой 2.0, выполненный из Hg_1-yCd_yTe, свободным от дефектов кристаллической решетки и, в частности, трудно получить гетеропереход 3.0 без дефектов. Несмотря на затраты времени и денежных средств, расходуемых для снижения рисков, дефекты, как правило, все равно присутствуют, ослабляя p/n-переходы 10.0 диодов и делая их более восприимчивыми к шуму.

Второе ограничение состоит в том, что гетеропереход 3.0 присутствует на всей подложке 100.0. Тем самым является значительной возможность наличия дефектов кристаллической решетки в подложке 100.0 вследствие присутствия гетероперехода 3.

Третье ограничение заключается в том, что относительное положение p/n-перехода 10.0 по отношению к гетеропереходу зависит от диффузии легирующей примеси и, в частности, от условий имплантации и условий диффузионного и активационного отжига легирующей примеси. Имплантация и диффузия легирующей примеси представляют собой случайное и статистическое явление, которое с трудом поддается точной регулировке.

Таким образом, при использовании этих методов для получения гетероструктурных p/n-диодов затруднительно регулировать относительное положение p/n-перехода 10.0 по отношению к гетеропереходу 3.0. Никогда нельзя быть уверенным в том, что p/n-переход 10.0 на границе гетероперехода 3.0 достигает базовой подложки 1.0 или, напротив, что он не выступает чрезмерно из нее.

В-четвертых, как было отмечено выше, стремятся к тому, чтобы p/n-переход 10.0 находился преимущественно в базовой подложке 1.0 вблизи поверхностного слоя 2.0, где имеется градиент концентрации кадмия. Небольшая разница по глубине p/n-диода 10.0 между двумя соседними диодами имеет результатом то, что p/n-переход 10.0 находится в иной точке градиента и тем самым с иной концентрацией кадмия в p/n-переходе 10.0. Тем самым p/n-переход 10.0 может быть позиционирован в материале с другой запрещенной зоной от одного диода к другому.

При сочетании этого обстоятельства с тем, что описано выше для третьего ограничения, следует отметить, что затруднительно прогнозировать и регулировать точную концентрацию кадмия в p/n-переходе 10.0. Тем самым от диода к диоду могут варьировать технические характеристики диода, например квантовый выход, темновой ток в детектируемом диапазоне длин волн. Поэтому существует риск не получить одинаковый сигнал для одного и того же потока излучения от одного диода к другому диоду.

Описание изобретения

Диод, имеющий гетероструктуру p/n-перехода согласно изобретению, и способ согласно изобретению предназначены для снижения влияния этих ограничений. В частности, они предназначены для создания гетероструктуры превосходного качества, при низкой стоимости, для облегчения регулировки относительного положения p/n-перехода по отношению к гетеропереходу и повышения воспроизводимости и повторяемости этого относительного положения от одной подложки к еще одной и от одного диода к еще одному в той же подложке.

Таким образом, изобретение, во-первых, относится к устройству, имеющему по меньшей мере один гетероструктурный p/n-диод, включающий подложку на основе Hg_1-xCd_xTe, главным образом n-легированную. Подложка включает для каждого диода:

- первую часть, имеющую первую концентрацию кадмия,

- вторую часть, имеющую вторую концентрацию кадмия больше, чем первая концентрация кадмия, причем вторая часть, или концентрированная часть, формирует гетероструктуру с первой частью,

- р+-легированную зону, или р-легированную зону, расположенную в концентрированной части и продолжающуюся в первую часть и образующую p/n-переход с участком первой части, называемым базовой подложкой, которая является n-легированной.

Подложка является n-легированной введением донорных примесей.

Устройство согласно изобретению отличается тем, что концентрированная часть размещена только в р+-легированной зоне и формирует карман по существу с постоянной концентрацией кадмия. Такое устройство пригодно для разрешения вышеупомянутых проблем. Действительно, когда гетероструктура содержится в р+-легированной зоне, она не присутствует в подложке вне диода(-ов) устройства. Таким образом, не могут возникать проблемы, связанные с гетероструктурой между двумя соседними диодами. Кроме того, первая часть, имеющая первую концентрацию кадмия, доступна для подвергания обработкам на краях диодов, не будучи покрытой поверхностным слоем, имеющим еще одну концентрацию кадмия, как это имеет место в структурах согласно прототипу.

Карман предпочтительно имеет основание, размещенное по существу на постоянном среднем расстоянии относительно p/n-перехода. Таким образом, устройство согласно изобретению пригодно для регулирования технических характеристик диода с сокращением вариаций среднего относительного расстояния по сравнению с прототипом.

Когда устройство согласно изобретению включает по меньшей мере два смежных гетероструктурных p/n-диода, карманы двух соседних диодов отделены, и среднее относительное расстояние в одном из двух диодов является по существу равным среднему относительному расстоянию в другом диоде, обеспечивая по существу идентичное положение между p/n-переходом и гетеропереходом для каждого диода, и надежность в отношении технических характеристик для каждого диода. Действительно, если каждый диод имеет по существу идентичное относительное положение между p/n-переходом и гетеропереходом, технические характеристики каждого диода являются по существу идентичными.

р+-Легированная зона легирована акцепторной легирующей примесью, который преимущественно представляет собой мышьяк.

Базовая подложка выполнена из Hg_1-xCd_xTe, где «х» имеет значение предпочтительно между 0,15 и 0,95, например 0,3. Это значение «х» отражает значение концентрации кадмия и предусмотрено для ее расчета. Значение «х» по существу равно удвоенной величине первой концентрации кадмия.

Подобным образом карман выполнен из Hg_1-yCd_yTe, где «y» имеет значение преимущественно между 0,15 и 0,95, определенно большее, чем значение «х». Значение «y» отражает величину концентрации кадмия и пригодно для ее расчета. Эти значения «х» и «y» обеспечивают то, что диоды будут чувствительными к излучению с длинами волн в инфракрасной области спектра. Значение «y» является по существу равным удвоенной величине второй концентрации.

Между значениями «х» и «y» предпочтительно нет чрезмерной разности. В частности, эта разность составляет менее 0,5 или 0,2. Если бы разность в значениях между «х» и «y» была чрезмерной, то могла бы возникнуть чрезмерная ширина запрещенной зоны между базовой подложкой и любым проводящим контактом. Тогда любая дырка должна была бы проходить эту большую ширину запрещенной зоны при взаимодействии между электромагнитной волной и базовой подложкой. В некоторых случаях это могло бы приводить к снижению эффективности детектирования устройством или к возрастанию потребляемой мощности.

Изобретение также относится к способу получения устройства, имеющего по меньшей мере одну гетероструктуру p/n согласно изобретению. Этот способ включает следующие последовательные стадии:

а) ионную имплантацию акцепторной легирующей примеси в подложку, выполненную из Hg_1-xCd_xTe, включающую донорные примеси n-типа, имеющую первую концентрацию кадмия, называемую базовой подложкой,

b) диффузию и активацию легирующей примеси, имплантированной в подложку, задающей в подложке р+-легированную зону, которая имеет стандартную форму зоны легирования,

с) осаждение пассивирующего слоя, в котором один из элементов представляет собой кадмий Сd, поверх базовой подложки и р+-легированной зоны, чтобы защитить диод и ограничить десорбцию ртути из диода, до или после стадии b),

d) заполнение вакансий ртути, первоначально присутствующих в подложке или сформированных во время стадии диффузии и активации легирующей примеси. После стадии d) любое р-легирование, индуцированное вакансиями ртути, исчезает, базовая подложка, искусственно р-легированная в результате стадии диффузии и активации легирующей примеси, опять становится n-легированной и формирует р+/n-переход или p/n-переход с р+-легированной зоной.

Тем самым базовая подложка определяется в стадии а) как часть подложки, в которой отсутствует акцепторная легирующая примесь.

Способ согласно изобретению отличается тем, что он включает, предпочтительно перед стадией d) и предпочтительно после стадии b) и стадии с), стадию селективной встречной диффузии кадмия из пассивирующего слоя в р+-легированную зону. Этим путем формируются первая часть, выполненная из Hg_1-xCd_xTe, имеющая первую концентрацию кадмия, и вторая часть, выполненная из Hg_1-yCd_yTe, имеющая вторую концентрацию кадмия, которая является по существу постоянной и большей, чем первая концентрация кадмия в базовой подложке. Карман расположен внутри р+-легированной зоны. Таким образом, после стадии d) заполнения вакансий карман ограничен внутри зоны, определяемой p/n-переходом.

Стадия селективной встречной диффузии в способе согласно изобретению пригодна для формирования, автоматически и без необходимости во внешнем регулировании, второй части, обогащенной кадмием, размещенной оптимизированным образом относительно р+-легированной зоны и самопозиционирующейся. Селективность диффузии регулируется технологическими условиями стадии селективной встречной диффузии и формой р+-легированной зоны, и тем самым регулирование формы р+-легированной зоны приводит к регулировке кармана. Тем самым нет риска получить гетероструктуру, ненадлежащим образом позиционированную относительно p/n-перехода, причем p/n-переход определяется как граница между р+-легированной зоной и n-легированной базовой подложкой. Кроме того, карман с более высокой концентрацией кадмия, будучи полученным путем диффузии кадмия в исходную кристаллическую решетку, имеет кристаллическую решетку, идентичную исходной кристаллической решетке подложки.

Стадию b) диффузии и активации легирующей примеси предпочтительно выполняют перед стадией с) осаждения пассивирующего слоя.

Возможно инвертирование стадий b) и с).

Стадия селективной встречной диффузии кадмия преимущественно включает селективный диффузионный отжиг. Его предпочтительно выполняют при более высокой температуре чем 100°С и в течение времени, большего одной минуты, в условиях давления и температуры, ограничивающих разложение материала. Тем самым диффузия кадмия в р+-легированной зоне регулируется температурой отжига и временем, которые представляют собой два параметра, влияющих на технологические условия стадии селективной встречной диффузии. Эти параметры идентичны на всей подложке в целом и являются легко воспроизводимыми для получения других устройств согласно изобретению. Этим путем на одной и той же подложке и от одной подложки к еще одной диффузия кадмия по существу является идентичной в отношении р+-легированной зоны, даже если от одного диода к еще одному р+-легированные зоны имеют в значительной мере различные формы. Поэтому имеет место значительная повторяемость и воспроизводимость характеристик устройства согласно изобретению, в частности, p/n-переход и карман расположены по существу в идентичном относительном положении для любого диода из одной и той же подложки или любой подложки, подвергнутой диффузионному отжигу в одинаковых технологических условиях.

Акцепторной легирующей примесью предпочтительно является мышьяк.

Ионная имплантация, является ли легирующая примесь мышьяком или нет, может происходить при дозе типично между 10¹² и 10¹⁶ атомов/см².

Карман, созданный способом согласно изобретению, имеет границы, образующие поверхность раздела, или гетеропереход, с остальной частью подложки, имеющей первую концентрацию кадмия. Когда карман находится внутри р+-легированной зоны, гетеропереход также включен внутрь р+-легированной зоны. В случае кармана, имеющего основание, и способа, предназначенного для одновременного формирования многочисленных p/n-диодов, гетеропереход у основания кармана находится по существу на идентичном среднем относительном расстоянии от p/n-перехода для всех диодов, полученных этим способом, внутри р+-легированной зоны. Таким образом, способ согласно изобретению является таким, что он способен благодаря регулированию температуры и продолжительности стадии встречной диффузии точно и воспроизводимо позиционировать гетеропереход относительно p/n-перехода.

Наконец, перед стадией осаждения пассивирующего слоя вся подложка в целом предпочтительно имеет концентрацию кадмия, которая представляет собой первую концентрацию. Это значит, что нет поверхностного слоя, выполненного из HgCdTe, имеющего концентрацию кадмия, отличную от концентрации в подложке, как в случае прототипа. Способ согласно изобретению тем самым обеспечивает значительный выигрыш в стоимости, поскольку можно получать гетероструктурные диоды без необходимости в подложке, включающей эпитаксиальный слой, который для его формирования требует длительной и дорогостоящей обработки и который, кроме того, может приводить к образованию дефектов.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более четко понятым и дополнительные подробности и преимущества и признаки его будут выяснены по прочтении нижеследующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера и с привлечением сопроводительных чертежей, в которых:

фигура 1 иллюстрирует гетероструктурный p/n-диод согласно прототипу,

фигуры 2А-2G иллюстрируют разнообразные стадии способа получения гетероструктурного p/n-диода согласно прототипным способам,

фигура 3 иллюстрирует гетероструктурный p/n-диод в соответствии с устройством согласно изобретению,

фигуры 4А-4G иллюстрируют разнообразные стадии способа получения согласно изобретению,

фигура 5 иллюстрирует позиционирование двух точек SIMS-измерения (масс-спектрометрии вторичных ионов) на диоде согласно изобретению,

фигуры 6А и 6В иллюстрируют профили концентрации кадмия, с одной стороны, и кадмия и мышьяка, с другой стороны, полученные для двух измерений на диоде согласно изобретению.

Идентичные, сходные или эквивалентные части разнообразных фигур имеют одинаковые кодовые номера позиций, чтобы упростить переход от одной фигуры к еще одной.

Разнообразные части, показанные в фигурах, необязательно выполнены в равномерном масштабе, чтобы сделать фигуры более понятными.

Иллюстративные фигуры разнообразных вариантов исполнения устройства согласно изобретению приведены как примеры и не являются ограничивающими.

Подробное описание конкретных вариантов исполнения

Во-первых, изобретение относится к устройству, включающему по меньшей мере один гетероструктурный p/n-диод. Такое устройство согласно изобретению иллюстрировано в фигуре 3.

Гетероструктурный диод, присутствующий на подложке 101, включает слой полупроводникового материала, или базовую подложку 1, которая является n-легированной, и этот полупроводниковый материал относится к Hg_1-xCd_xTe-типу. Базовая подложка 1, изготовленная из Hg_1-xCd_xTe, имеет первую концентрацию кадмия, характеризуемую содержанием «х» кадмия в базовой подложке 1. Содержание «х» предпочтительно составляет между 0,15 и 0,95.

Значение «х» преимущественно составляет между 0,15 и 0,25, например, 0,22, если предусматривается формирование диода, чувствительного к электромагнитным волнам инфракрасного диапазона с так называемыми длинными волнами, известного как длинноволновое инфракрасное излучение (LWIR), в частности, между 9 мкм и 30 мкм.

Значение «х» преимущественно составляет между 0,25 и 0,4, например 0,3, если требуется формирование диода, чувствительного к электромагнитным волнам инфракрасного диапазона с так называемыми средними волнами, известного как средневолновое инфракрасное излучение (MWIR), в частности, между 3 мкм и 9 мкм.

Значение «х» преимущественно составляет между 0,4 и 0,95, например 0,45, если предполагается формирование диода, чувствительного к электромагнитным волнам инфракрасного диапазона с так называемыми короткими волнами, известного как коротковолновое инфракрасное излучение (SWIR), в частности, между 0,8 мкм и 3 мкм.

В одном примере изобретения значение «х» по существу равно 0,3.

Базовая подложка 1 может присутствовать на одной стороне подложки, не показанной в фигуре 3. Базовая подложка 1 может присутствовать на подложке любого типа, пригодной для размещения слоя из Hg_1-xCd_xTe. Однако, если предполагается использование диода в формирователе сигналов изображения, подложку выбирают как прозрачную для данной длины волны, к которой формирователь сигналов изображения должен быть чувствительным. В частности, подложку выбирают как прозрачную для электромагнитной волны, имеющей энергию, равную величине запрещенной зоны базовой подложки. Дополнительный вариант состоит в удалении подложки во время последующих стадий, если последняя непрозрачна или если эта стадия усиливает технические характеристики композита.

Поверх базовой подложки 1 имеется пассивирующий слой 5, выполненный из CdTe. Этот слой находится в контакте с базовой подложкой 1.

Базовая подложка 1 включает на одной стороне р-легированный участок, действующий как р+-легированная зона 9, которая не контактирует с любой подложкой. р+-Легированная зона 9 легирована с использованием легирующей примеси акцепторного типа для Hg_1-xCd_xTe. Предпочтительной легирующей примесью этого типа является мышьяк (As). Дополнительными легирующими примесями акцепторного типа, пригодными для применения, являются, например, фосфор (Р), сурьма (Sb), висмут (Bi) и т.д. или прочие атомы. Эти легирующие примеси наряду с мышьяком размещаются с замещением атома теллура во время стадии активации легирующей примеси. Литий (Li), медь (Cu) или золото (Au), внедряемые с замещением атома кадмия или ртути, также представляют собой акцепторные легирующие примеси, пригодные для применения в пределах области изобретения. Далее в описании авторы настоящего изобретения будут описывать ситуацию с мышьяком. Очевидно, что изобретение также относится к другим легирующим примесям акцепторного типа, упомянутым выше.

р+-Легированная зона 9 имеет форму, сравнимую с формой, описанной в прототипе, как в отношении гетероструктурных p/n-диодов, так и для негетероструктурных p/n-диодов. Тем самым р+-легированная зона 9 находится в контакте с пассивирующим слоем 5. Кроме того, р+-легированная зона 9 является ограниченно протяженной в базовую подложку 1 согласно стандартному профилю диффузии легирующей примеси, например, вплоть до приблизительно 1 мкм вглубь базовой подложки 1. Поверхность раздела между р+-легированной зоной 9 и n-легированной базовой подложкой 1 формирует p+/n-переход или p/n-переход 10.

Преимущественно имеется проводящий контакт 6, проходящий сквозь пассивирующий слой 5 и входящий в р+-легированную зону 9, как в диоде согласно прототипу.

Диод устройства согласно изобретению в особенности отличается от прототипного тем, что в большей части р+-легированной зоны 9 присутствует часть, называемая концентрированной частью 11, с более высокой концентрацией кадмия, чем в остальной базовой подложке 1. Концентрированная часть 11 состоит из Hg_1-yCd_yTe, имеющего определенно более высокую концентрацию кадмия, чем первая концентрация кадмия. Эта вторая концентрация кадмия характеризуется содержанием «y» в концентрированной части.

Концентрированная часть 11 находится в форме кармана 12, по существу с постоянной концентрацией кадмия, имеющего границы с остальной частью подложки, расположенные в p/n-переходе 10. Тем самым подложка включает гетероструктуру, состоящую из базовой подложки 1, в которую введен по меньшей мере один карман 12, выполненный из Hg_1-yCd_yTe с определенно более высокой концентрацией кадмия, чем в базовой подложке.

Границы кармана 12, помимо поверхности раздела с пассивирующим слоем 5, формируют гетеропереход 3 с базовой подложкой 1, имеющей концентрацию «х» кадмия. Гетеропереход 3 главным образом размещен у p/n-перехода, но он всегда располагается по существу внутри р+-легированной зоны 9. Действительно, гетеропереход 3 преимущественно не перекрывается с p/n-переходом, но находится полностью внутри р+-легированной зоны 9. Тем самым имеется часть р+-легированной зоны 9, которая присутствует не со второй концентрацией.

Содержание «y» составляет между 0,15 и 0,95, например 0,5. Содержание кадмия в концентрированной части 11 преимущественно является по существу постоянным.

Значение «y» предпочтительно находится в таком же диапазоне значений, как упомянутых выше для «х». Однако значение «y» может быть в ином диапазоне значений, нежели «х», среди вышеупомянутых, если разность между значениями «х» и «y» не является чрезмерной. В частности, эта разность типично составляет менее 0,5. Будут предприняты меры для обеспечения того, чтобы разность между «х» и «y» была небольшой. В противном случае между базовой подложкой и любым проводящим контактом, присутствующим в диоде, может сформироваться значительная ширина запрещенной зоны. Тогда любая дырка должна была бы преодолевать эту большую ширину запрещенной зоны при взаимодействии между электромагнитной волной и базовой подложкой. Это могло бы приводить к снижению эффективности детектирования устройством или к возрастанию потребляемой мощности.

Таким образом, подложка согласно изобретению включает, в первом приближении, первую часть 4, имеющую первую концентрацию кадмия, содержащую n-легированную базовую подложку 1, и часть р+-легированной зоны 9, которая присутствует не со второй концентрацией.

Промежуточная зона, имеющая концентрацию кадмия, промежуточную между первой концентрацией в базовой подложке 1 и второй концентрацией в кармане 12, предпочтительно располагается в p/n-переходе 10, но вне кармана 12.

Промежуточная зона предпочтительно является протяженной по меньшей мере по всей р+-легированной зоне 9, которая присутствует не с второй концентрацией. Эта промежуточная зона имеет градиент концентрации кадмия между первой концентрацией и второй концентрацией в форме стандартного диффузионного профиля. Таким образом, когда достигается термодинамическое равновесие, вокруг p/n-перехода 10 формируется непоказанная область пространственного заряда, причем область пространственного заряда главным образом выполнена из материала, имеющего либо промежуточную концентрацию, либо вторую концентрацию, то есть она главным образом имеет более высокую концентрацию кадмия, чем первая концентрация. Следовательно, область пространственного заряда выполнена из материала с более широкой запрещенной зоной, чем запрещенная зона материала базовой подложки 1. p/n-Переход преимущественно является таким, что первая граница области пространственного заряда находится в базовой подложке 1 или в части промежуточной зоны, имеющей концентрацию кадмия, близкую к концентрации в базовой подложке 1, и что вторая граница области пространственного заряда находится в кармане 12 или в части промежуточной зоны, имеющей концентрацию кадмия, близкую к концентрации кармана 12.

В кармане 12, имеющем основание, гетеропереход 3, сформированный границами кармана 12, и p/n-переход 10, образованный границами р+-легированной зоны 9, отделены в среднем у основания кармана 12 данным средним относительным расстоянием. Тогда гетеропереход 3 и p/n-переход 10 имеют данное относительное положение. Если в устройстве согласно изобретению имеются многочисленные p/n-диоды, относительные положения гетеропереходов 3 и p/n-переходов 10 являются по существу идентичными для всех диодов, сформированных во время реализации способа.

Таким образом, в p/n-диоде, присутствующем в устройстве согласно изобретению, имеется гетероструктура 3, снижающая уровень шума в p/n-диоде. Кроме того, гетеропереход 3 присутствует в устройстве только вблизи p/n-перехода 10, и гетеропереход сформирован без образования дефектов поверхности раздела.

Изобретение также относится к способу получения устройства согласно изобретению. Такой способ согласно изобретению описан далее со ссылкой на фигуры 4А-4G.

Во-первых, выбирают подложку 101, включающую слой, или базовую подложку 1 из материала типа Hg_1-xCd_xTe, имеющего первую концентрацию кадмия и состав, как определенный выше (фигура 4А). Базовая подложка 1 может иметь толщину от многих микрометров до нескольких десятков микрометров, например 10 мкм. Например, она может быть сформирована молекулярно-лучевой эпитаксией (MBE) или жидкофазной эпитаксией (LPE). Базовая подложка 1 предпочтительно поначалу включает n-легированную зону, сформированную легирующей примесью типа донорной примеси во время ее формирования, например индием. Эта легирующая примесь может иметь низкую плотность, известную квалифицированным специалистам в этой области техники, например, типично между 1×10¹⁴ атомов/см³ и 5×10¹⁶ атомов/см³. Если легирующую примесь не вводят во время формирования базовой подложки 1, ее добавляют перед вышеупомянутыми стадиями.

Затем, как для способа согласно прототипу, выполняют локализованную ионную имплантацию легирующей примеси 8 акцепторного типа (фигура 4В) в форме атомов легирующей примеси. Легирующая примесь может быть одной из тех, которые указаны ранее в описании устройства, в частности мышьяком. Стандартные условия имплантации представляют собой, например, энергию 500 кэВ и дозу имплантации 2×10¹⁵ атомов/см². Дополнительные условия ионной имплантации могут быть использованы согласно предполагаемым техническим характеристикам диода и известны квалифицированным специалистам в этой области техники. Энергия имплантации может варьировать между, например, 10 кэВ и 600 кэВ, и доза может варьировать типично между 10¹² и 10¹⁶ атомов/см². Легирующая примесь 8 находится внедренной в зоне 7 имплантации, погруженной в базовую подложку 1. Необязательно, может быть одновременно проведена имплантация многочисленных легирующих примесей.

Затем предпочтительно проводят стадию диффузии и активации легирующей примеси (фигура 4С). Эту стадию предпочтительно выполняют с использованием диффузионного и активационного отжига легирующей примеси. Атомы легирующей примеси при этом диффундируют по трем направлениям: по двум направлениям, определяющим основную поверхность 13 базовой подложки 1, и по направлению 13', перпендикулярному этой основной поверхности 13. Во время отжига формируются вакансии ртути и индуцируется р-легирование по всей подложке, в том числе в первоначально n-легированной базовой подложке 1.

В процессе диффузии атомы легирующей примеси активируются. Это значит, что они позиционируются так, чтобы создавать дополнительную р-полярность в материале, в котором они находятся. При обычно применяемых дозах имплементации дополнительная полярность индуцирует р+-легирование в материале, где диффундирует легирующая примесь. Для мышьяковой легирующей примеси активация состоит в позиционировании атомов мышьяка как легирующей примеси с замещением атомов теллура. Диффузионный и активационный отжиг, как правило, происходит при давлении насыщенных паров ртути, при температуре предпочтительно между 300°С и 500°С, в течение времени предпочтительно между несколькими минутами и несколькими часами. Одним конкретным примером является температура 440°С и продолжительность 5 часов. Очевидно, что квалифицированные специалисты в этой области техники были бы в состоянии приспособить продолжительность и температуру диффузионного и активационного отжига легирующей примеси сообразно типу применяемой легирующей примеси, используемым дозам имплантации и варианту предусматриваемого применения диода.

В р+-легированной зоне 9, после диффузии и активации, атомы акцепторной легирующей примеси могут иметь плотность типично между 10¹⁵ и 10²⁰ атомов/см³. Затем поверх базовой подложки 1 осаждают пассивирующий слой 5, в котором одним из элементов является кадмий Cd. Этот слой может быть получен с помощью физического осаждения из паровой фазы (PVD) или любым другим способом. Этот слой имеет толщину обычно между 0,5 микрометра и 5 микрометрами, например 1 микрометр.

Затем выполняют диффузионный и активационный отжиг легирующей примеси, если он не был проведен перед осаждением пассивирующего слоя 5.

Авторы настоящего изобретения предлагают затем проводить стадию селективной встречной диффузии кадмия (фигура 4Е). Эта стадия вызывает диффузию кадмия из пассивирующего слоя 5, обогащенного кадмием, в базовую подложку 1 и, в частности, селективно в р+-легированную зону 9, присутствующую в базовой подложке 1, р-легированной вакансиями ртути.

Для этой цели преимущественно проводят селективный диффузионный отжиг с температурой выше 100°С. Отжиг может иметь продолжительность свыше одной минуты. В частности, селективный диффузионный отжиг предпочтительно проводят при температуре менее 400°С, чтобы ограничить любую дополнительную диффузию легирующей примеси.

Диффузия кадмия представляет собой ионную диффузию. Это значит, что атомы кадмия диффундируют в форме ионов Cd²⁺ через междоузлия. Характеристическая диффузионная длина D может быть выражена следующим образом:

,

где D_Cd+ представляет коэффициент диффузии кадмия при данной температуре, «р» представляет величину плотности дырок, и n_i представляет плотность собственного носителя в базовой подложке 1.

Таким образом, диффузия кадмия может быть облегчена, если возрастает соотношение [(плотность дырок)/n_i] или диффузионное отношение. Следовательно, в области легирования, в которой диффузионное отношение составляет менее 1, диффузия кадмия будет низкой.

Таким образом, диффузия происходит селективно в р+-легированной зоне 9, где плотность носителей составляет величину в диапазоне от 10¹⁷ до 10²⁰ атомов/см³, сравнительно с остальной базовой подложкой 1. Действительно, базовая подложка 1, хотя будучи р-легированной, имеет чрезмерно низкую плотность дырок сравнительно с плотностью собственных носителей. Диффузия рассматривается как моментальная по всей р+-легированной зоне 9, тогда как плотность акцепторной легирующей примеси, в этом случае мышьяка, составляет больше n_i.

Таким образом, кадмий имеет в р+-легированной зоне селективную диффузионную длину 14, которая является гораздо большей, чем стандартная диффузионная длина 15 кадмия в р-легированной базовой подложке 1. Продолжительность и температуру селективного диффузионного отжига регулируют так, чтобы регулировать селективную диффузионную длину 14 кадмия в р+-легированной зоне 9 и количество диффундирующего кадмия.

Во время селективного диффузионного отжига кадмия кадмий диффундирует по существу в р+-легированной зоне. Тем самым формируется карман 12 из Hg_1-yCd_yTe, имеющий вторую концентрацию кадмия, которая является по существу постоянной, и более обогащенный кадмием, чем базовая подложка 1. Поверхность раздела между карманом 12 и базовой подложкой 1 называется «гетеропереходом 3». Поскольку кадмий по существу диффундирует там, где мышьяк присутствует в большем количестве, чем плотность n_i собственных носителей, это значит, что карман 12 полностью заключен в р+-легированной зоне 9 и что гетеропереход 3 не выступает из p/n-перехода 10. Между карманом 12, имеющим постоянную концентрацию, и базовой подложкой 1 имеется промежуточная зона, где концентрация кадмия является промежуточной между первой концентрацией в базовой подложке 1 и второй концентрацией в кармане 12. Промежуточная зона будет описана более подробно в связи с фигурами 6А и 6В. Промежуточная зона включает градиент концентрации кадмия в базовой подложке, называемый в изобретении «промежуточным профилем». Промежуточная зона и базовая подложка 1 представляют собой два участка подложки, которые имеют концентрацию, отличную от второй концентрации кадмия, и они совместно определяют первую часть 4. С другой стороны, если формируют многочисленные диоды, все карманы 12 разнообразных диодов могут рассматриваться как принадлежащие ко второй части, имеющей вторую концентрацию кадмия, которая является по существу постоянной во всех точках.

Регулирование селективной диффузионной длины 14 и количества диффундирующего кадмия обеспечивает точную регулировку двух важных параметров: значения второй концентрации кадмия в кармане 12, формы промежуточного профиля. Кроме того, если на подложке 101 формируют многочисленные диоды, когда диффузия кадмия рассматривается как моментальная в р+-легированной зоне 9, относительное положение между гетеропереходом 3 и p/n-переходом также устанавливается по существу одинаковым образом для всех диодов, входящих в состав подложки 101.

Температура и продолжительность селективного диффузионного отжига представляют собой средства регулировки для регулирования как концентрации кадмия в кармане 12, так и формы диффузионного профиля в промежуточной зоне и ее длины.

Действительно, если температура является низкой, коэффициент диффузии кадмия является слишком малым для того, чтобы диффузия была достаточной. Однако, если температура является слишком высокой, коэффициент диффузии является высоким, но тогда мог бы диффундировать мышьяк, который модифицировал бы форму р+-легированной зоны 9. Можно найти оптимальные температуру и продолжительность для получения требуемой встречной диффузии кадмия без модифицирования р+-легированной зоны 9. Тем самым температура селективного диффузионного отжига играет важную роль и ее регулировка пригодна для существенного регулирования диффузии и позволяет варьировать диффузионный профиль и количество диффундированного кадмия. Корректирование продолжительности отжига обеспечивает более ограниченные, но более управляемые вариации.

Регулирование длины промежуточной зоны и промежуточного профиля помогает регулировать концентрацию кадмия в p/n-переходе 10 и в области пространственного заряда. Тем самым можно точно и воспроизводимо регулировать запрещенную зону в p/n-переходе 10 и технические характеристики p/n-диода только вариацией температуры и/или продолжительности отжига без необходимости в регулировании размеров р+-легированной зоны 9.

После стадии селективной встречной диффузии способ продолжается выполнением стандартных стадий. Проводят стадию заполнения вакансий ртути (фигура 4F), в результате чего р-легированная базовая подложка 1 опять становится n-легированной, причем заполняются вакансии ртути акцепторного типа. Эта стадия может включать низкотемпературный отжиг при температуре между 150°С и 350°С, например 250°С, в течение периода времени между несколькими минутами и несколькими днями, например один день или два дня.

Затем проводящий контакт 6, например, сделанный из металла, пропускают через пассивирующий слой 5 и вводят в р+-легированную зону 9 (фигура 4G).

Описанный выше способ пригоден для получения p/n-диода, имеющего такую гетероструктуру, что гетеропереход 3 размещен в области, тесно окружающей p/n-переход 10 диода, предпочтительно внутри объема, определяемого p/n-переходом. Эта гетероструктура является самопозиционирующейся, то есть исполнение и относительное положение гетероструктуры по отношению к p/n-переходу 10 обусловливаются только стадиями способа обработки всей подложки 101 в целом без какой-нибудь стадии локальной обработки, такой как травление, локальная инсоляция и т.д. Это ограничивает локальные вариации параметров, такие как вариации от одного p/n-диода к еще одному.

Способ согласно изобретению пригоден для получения устройства, имеющего по меньшей мере один p/n-диод согласно изобретению. Авторы настоящего изобретения были в состоянии продемонстрировать, что профили концентрации кадмия, полученные с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS), связаны с профилями концентрации атомов мышьяка.

Фигура 5 иллюстрирует устройство согласно изобретению, включающее р+-легированную зону 9, карман 12 с более высокой концентрацией кадмия и пассивирующий слой 5, размещенный в контакте с р+-легированной зоной 9 и с участками подложки, имеющей n-легирование и образующей базовую подложку 1.

Были проведены два измерения концентрационных профилей с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS). Были измерены профили концентраций кадмия и мышьяка. Первое измерение 16 проводили вдоль стрелки 16, показанной в фигуре 5, в точке, где пассивирующий слой 5 находится в контакте с n-легированной базовой подложкой 1. Второе измерение 17 проводили вдоль стрелки 17, показанной в фигуре 5, в точке, где пассивирующий слой 5 контактирует с р+-легированной зоной 9.

Фигура 6А иллюстрирует профиль концентрации кадмия, полученный во время первого измерения. y-Ось показывает измеренную концентрацию в произвольных единицах, и х-ось показывает глубину измерения в подложке, в произвольных единицах, так, что наружная поверхность пассивирующего слоя 5 рассматривается как начало y-оси. Ссылки на конструкционные элементы диода следует читать сообразно фигуре 5.

Профиль 18 концентрации кадмия имеет максимум в виде плато, которое представляется идентифицирующим пассивирующий слой 5. Затем можно наблюдать падение концентрации, соответствующее переходу в базовую подложку 1 из Hg_1-xCd_xTe. Оно продолжается с быстрым переходом в конечное плато кадмия, соответствующее концентрации кадмия в базовой подложке 1. В базовой подложке 1, вблизи пассивирующего слоя 5, наблюдается слабый градиент 19 кадмия, больший, чем количество кадмия, присутствующего в остальной части базовой подложки 1. Этот градиент 19 является показателем ограниченной диффузии кадмия в базовую подложку 1 из пассивирующего слоя 5.

В этом измерении количество мышьяка не оценивали, так как он не присутствует.

Фигура 6В иллюстрирует профили концентрации, полученные во время вторых измерений. y-Ось показывает измеренную концентрацию в произвольных единицах, и х-ось показывает глубину измерения в подложке, в произвольных единицах, так, что наружная поверхность пассивирующего слоя 5 рассматривается как начало y-оси.

Начиная с нулевого значения y-оси, наблюдается зона, в которой профиль 18' кадмия является максимальным. Эта зона соответствует пассивирующему слою 5. По направлению возрастания значений y-оси наблюдается первое падение профиля, за которым следует плато 22 кадмия. После плато 22 кадмия проявляется второе падение 25 профиля. Плато 22 определяет зону, соответствующую карману 12 со второй концентрацией кадмия. Второе падение 25 профиля кадмия соответствует вышеупомянутой промежуточной зоне, включающей градиент концентрации кадмия со значениями, промежуточными между первой концентрацией и второй концентрацией.

Профиль 18' кадмия подтверждает формирование кармана, выполненного из Hg_1-yCd_yTe, в котором значение содержания «y» является бульшим, чем значение «х», описывающее первую концентрацию кадмия в базовой подложке 1.

Затем изучают профиль 24 мышьяка, полученный во время второго измерения. Максимум профиля 24 мышьяка вдоль длины плато 22 кадмия можно наблюдать перекрывающим плато 22 кадмия. Ввиду способа, в котором диффузия кадмия происходит после любой диффузии мышьяка, это перекрывание демонстрирует, что диффузия кадмия имеет место в зоне, определяемой присутствием мышьяка.

Можно наблюдать позиционирование p/n-перехода 10. p/n-Переход согласно наблюдению профилей в фигуре 6В находится при падении 25 профиля на профиле 18' кадмия. Тем самым можно увидеть, что p/n-переход расположен на большей глубине, чем карман 12, в промежуточной зоне, идентифицируемой градиентом концентрации второго падения в профиле 25 кадмия. Промежуточная зона разобщает участок n-легированной базовой подложки 1 и р+-легированную зону 9.

Квалифицированным специалистам в этой области техники будет без труда понятно, что возможно модулирование длины и концентрации кадмия в градиенте падения 25 профиля с использованием технологических условий селективного диффузионного отжига, как было упомянуто выше.

Такой SIMS-анализ демонстрирует, что способ согласно изобретению действительно способен формировать гетероструктурные диоды 3, самопозиционирующиеся в базовой подложке 1 из Hg_1-xCd_xTe, и регулировать концентрацию кадмия в p/n-переходе 10 диода и в области пространственного заряда, сформированной вокруг p/n-перехода.

Способ и устройство согласно изобретению пригодны для получения диодных матриц или одиночных диодов для изготовления, в частности, формирователей сигналов изображения в инфракрасной области спектра, способных детектировать электромагнитные волны с низкой энергией, в то же время сводя к минимуму шум и темновой ток, и имеющих превосходную однородность в отношении технических характеристик диодов.

Изобретения могут быть использованы для формирователя сигналов изображения в инфракрасной области спектра. Гетероструктурный диод с p-n-переходом содержит подложку на основе HgCdTe, главным образом n-легированную, причем упомянутая подложка содержит первую часть (4), имеющую первую концентрацию кадмия, вторую часть (11), имеющую вторую концентрацию кадмия больше, чем первая концентрация кадмия, причем вторая часть(11) образует гетероструктуру с первой частью (4), р⁺-легированную зону (9) или р-легированную зону, расположенную в концентрированной части (11) и продолжающуюся в первую часть (4) и образующую p-n-переход (10) с n-легированным участком первой части (4), называемым базовой подложкой (1), при этом концентрированная часть (11) расположена только в р⁺-легированной зоне (9) и образует карман (12) по существу с постоянной концентрацией кадмия. Изобретения предназначены для создания качественной гетероструктуры при низкой стоимости для облегчения регулировки относительного положения p-n-перехода по отношению к гетеропереходу и повышения воспроизводимости и повторяемости этого относительного положения от одной подложки к другой подложке и от одного диода к другому диоду на той же подложке. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Гетероструктурный диод с p-n-переходом для формирователя сигналов изображения в инфракрасной области спектра, содержащий подложку на основе HgCdTe, главным образом n-легированную, причем упомянутая подложка содержит:

- первую часть (4), имеющую первую концентрацию кадмия,

- вторую часть (11), имеющую вторую концентрацию кадмия больше, чем первая концентрация кадмия, причем вторая часть, или концентрированная часть (11), образует гетероструктуру с первой частью (4),

- р⁺-легированную зону (9), или р-легированную зону, расположенную в концентрированной части (11) и продолжающуюся в первую часть (4) и образующую p-n-переход (10) с n-легированным участком первой части (4), называемым базовой подложкой (1), при этом

- концентрированная часть (11) расположена только в р⁺-легированной зоне (9) и образует карман (12) по существу с постоянной концентрацией кадмия.

2. Диод по п.1, в котором карман (12) имеет основание, расположенное на по существу постоянном среднем расстоянии (D) относительно p-n-перехода (10).

3. Диод по любому из пп. 1, 2, в котором р⁺-легированная зона (9) легирована акцепторной легирующей примесью (8).

4. Диод по п.3, в котором акцепторная легирующая примесь (8) является мышьяком.

5. Диод по п.1, в котором базовая подложка (1) выполнена из Hg_1-xCd_xTe, где «х» имеет значение между 0,15 и 0,95 и описывает первую концентрацию кадмия.

6. Диод по п.5, в котором карман (12) выполнен из Hg_1-yCd_yTe, где «y» имеет значение больше чем 0,15 и меньше или равное 0,95, определенно больше, чем значение «х», и описывает вторую концентрацию кадмия.

7. Матрица гетероструктурных диодов с p-n-переходом для формирователя сигналов изображения в инфракрасной области спектра, в которой множество диодов с p-n-переходом по одному из предшествующих пунктов сформировано на одной подложке на основе HgCdTe.

8. Матрица диодов по п. 7, в которой для каждого диода карман (12) имеет основание, расположенное на по существу постоянном среднем расстоянии (D) относительно p-n-перехода (10), и в которой карманы (12) двух смежных диодов отделены, и среднее относительное расстояние (D) в одном из двух диодов по существу равно среднему относительному расстоянию (D) в другом диоде.

9. Способ получения по меньшей мере одного гетероструктурного диода с p-n-переходом для формирователя сигналов изображения в инфракрасной области спектра, содержащий следующие последовательные стадии:

а) ионную имплантацию акцепторной легирующей примеси (8) в подложку (101), выполненную из Hg_1-xCd_xTe, имеющую первую концентрацию кадмия, содержащую донорные примеси n-типа, называемую базовой подложкой (1),

b) диффузию и активацию легирующей примеси (8) в подложке, задающей в подложке р⁺-легированную зону (9),

с) осаждение пассивирующего слоя (5), в котором один из элементов является кадмием Сd, поверх базовой подложки (1) и р⁺-легированной зоны (9) до или после стадии b),

d) заполнение вакансий ртути, первоначально присутствующих в подложке или сформированных во время стадии диффузии и активации легирующей примеси, причем базовая подложка (1) становится n-легированной и образует р⁺-n-переход или p-n-переход (10) с р⁺-легированной зоной (9),

отличающийся тем, что он содержит перед стадией d) и после стадий b) и с) стадию селективной встречной диффузии кадмия из пассивирующего слоя (5) в р⁺-легированную зону (9), формируя первую часть (4), выполненную из Hg_1-xCd_xTe, имеющую первую концентрацию кадмия, и вторую часть (11), выполненную из Hg_1-yCd_yTe, или карман (12), или концентрированную часть, имеющую вторую концентрацию кадмия, которая является по существу постоянной и большей, чем первая концентрация кадмия, причем карман (12) размещен внутри р⁺-легированной зоны (9).

10. Способ по п.9, в котором стадия селективной встречной диффузии кадмия содержит селективный диффузионный отжиг, выполняемый при температуре выше 100°С и в течение времени дольше одной минуты.

11. Способ по п.9, в котором акцепторная легирующая примесь (8) является мышьяком.

12. Способ по п.9, в котором карман (12) имеет границы, образующие поверхность раздела, или гетеропереход (3), расположенный в p-n-переходе (10), причем карман (12) имеет основание, и способ предназначен для получения множества p-n-диодов одновременно, причем гетеропереход (3) у основания кармана (12) находится по существу на идентичном среднем относительном расстоянии (D) от p-n-перехода (10) для всех диодов, сформированных в процессе способа, внутри р⁺-легированной зоны (9).

13. Способ по п.9, в котором перед стадией осаждения пассивирующего слоя (5) вся подложка (101) имеет концентрацию кадмия, которая является первой концентрацией.