Способ изготовления многоэлементного ИК фотоприемника Российский патент 2017 года по МПК H01L31/18 H01L27/14 

Изобретение относится к способам изготовления многоэлементных или матричных фотоприемников (МФП) на основе антимонида индия.

Многоэлементный фотоприемник на основе антимонида индия включает матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с антиотражающим покрытием на освещаемой стороне фоточувствительных фотоэлементов (ФЧЭ), соединенных микроконтактами со схемой считывания.

Предлагаемый способ включает пассивацию освещаемой поверхности фоточувствительного элемента перед формированием антиотражающего покрытия, заключающуюся в том, что перед напылением антиотражающего покрытия с поверхности МФЧЭ ионным травлением удаляется слой собственного окисла без разгерметизации вакуумной камеры, что позволяет уменьшить скорость поверхностной рекомбинации фотогенерированных носителей тока и тем повысить квантовую эффективность и устранить захват носителей медленными состояниями.

Известный способ [патент на изобретение RU №2519024] изготовления многоэлементных или МФП на основе антимонида индия, чувствительных в спектральном диапазоне 3-5 мкм, включает в фотоприемник МФЧЭ на основе фотодиодов, кремниевый МОП-мультиплексор, холодный экран с диафрагмой и светофильтром, микрокриогенную систему (МКС) и корпус с окном для приема входного ИК-излучения.

МФЧЭ поэлементно скоммутирована с МОП-мультиплексором при помощи индиевых столбиков от каждого фотодиода и контакта к общей базе (подложке). МОП-мультиплексор с МФЧЭ расположен на растре, который установлен на холодном пальце МКС. Холодный экран окружает МФЧЭ и МОП-мультиплексор, пропуская входное ИК-излучение сквозь диафрагму и светофильтр к МФЧЭ. Корпус вакуумирован для снижения теплопритока к МКС.

Регистрируемое излучение падает на тыльную (освещаемую) сторону МФЧЭ, покрытую просветляющим диэлектрическим слоем, и поглощается в тонкой базе антимонида индия. При поглощении излучения происходит генерация электрон-дырочных пар. Неосновные носители тока (для базы n-типа проводимости это дырки, а для базы р-типа проводимости это электроны) движутся к р-n переходам, генерируя в них фототоки. Эти фототоки снимаются с помощью контактов к каждому фотодиоду и контакта к общей базе и поступают в МОП-мультиплексор.

В известном способе авторы предлагают минимизировать влияние наличия на тыльной (освещаемой) стороне МФЧЭ приповерхностного слоя, в котором происходит эффективное «отсасывание» к поверхности неосновных носителей и их последующая рекомбинация, формируя на тыльной стороне МФЧЭ просветляющее покрытие, содержащее встроенный заряд, знак которого противоположен знаку основных носителей в базе МФЧЭ, и полагают, что таким образом цель изобретения достигается. В известном способе авторы предлагают просветляющее покрытие с встроенным зарядом необходимого знака изготавливать стандартными методами - анодным окислением, резистивным или магнетронным нанесением, электролитическим или плазменным осаждением. Они считают, что материалами, пригодными для его изготовления, могут служить анодный окисел (АОП), Si, Ge, ZnS, CdS, CdTe, GaAs, SiO, SiO₂, SiO₂, Si₃N₄, HfO₂, Bi₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃, MgF₂, CaF₃ и др.

Однако в известном способе авторы не учитывают влияния возможной неоднородности распределения встроенного заряда на границе полупроводник-диэлектрик, образующегося в результате финишной обработки поверхности перед напылением антиотражающего покрытия, в том числе в собственном окисле, вырастающем при межоперационном хранении. Неоднородность распределения встроенного заряда на границе полупроводник-диэлектрик приводит к неодинаковому значению поверхностного потенциала и соответственно наличию участков с различной скоростью поверхностной рекомбинации и неодинаковой чувствительностью. Любое распределение встроенного в диэлектрик заряда не позволит выровнять распределение потенциала на границе полупроводника, потому что суммарное действие встроенных зарядов будет иметь неоднородное распределение.

В известном способе [Effect of sulfur passivation of InSb (0 0 1) substrates on molekular-beam homoepitaxy. V.A. Solov’ev, I.V. Sedova, T.V. Lvova, M.V. Lebedev, P.A. Dement’ev, A.A. Sitnikova, A.N. Semenov, S.V. Ivanov, Applied Surface Science 356 (2015) 378-382] собственный окисел на поверхности антимонида индия растворяют в 1М водном растворе сульфида натрия (Na₂S). Сульфидированный слой десорбируется с поверхности при температуре 400°C, открывая атомарно чистую поверхность антимонида индия, непосредственно перед процессом молекулярно-пучковой эпитаксии.

Существенным недостатком известного способа является нагревание гибридной сборки МФЧЭ со схемой считывания до 400°C: так как МФЧЭ поэлементно соединен с МОП-мультиплексором при помощи индиевых с низкой температурой плавления (156°C) микроконтактов и нагревание выше температуры плавления индия может приводить к нарушению гальванической и механической связи между элементами гибридной сборки.

Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности, улучшение однородности параметров МФП в серийном производстве за счет повышения квантовой эффективности фоточувствительных элементов.

Поставленная цель достигается тем, что в изготовлении многоэлементного фотоприемника на основе антимонида индия, включающего изготовление матрицы фоточувствительных элементов из антимонида индия с тонкой базой, соединенных (элементов) со схемой считывания индиевыми микроконтактами, перед напылением на тыльную (освещаемую) сторону МФЧЭ герметизирующего и антиотражающего покрытия из ZnS с поверхности МФЧЭ бомбардировкой положительно заряженными ионами удаляется слой собственного окисла с неоднородно распределенным встроенным зарядом и формируется слой с однородно распределенным встроенным зарядом, обеспечиваемым бомбардировкой однородным потоком ионов аргона.

Пример.

На рисунке представлен фрагмент тепловизионного изображения поверхности излучателя с температурой Т_ф=33°C, полученного матрицей фоточувствительных элементов формата 640×512 и толщиной базы h_InSb=19 мкм. Светлые участки изображения отображают области на матрице, обладающие большей квантовой эффективностью, а темные - пониженной чувствительностью. Из рисунка видно, что на правой части фрагмента изображения квантовая эффективность элементов матрицы неодинакова и имеет неоднородное распределение. Левая часть изображения демонстрирует однородное распределение чувствительности. Полученный результат обусловлен тем, что перед напылением на левую освещаемую часть МФЧЭ герметизирующего и антиотражающего покрытия из ZnS с поверхности МФЧЭ бомбардировкой положительно заряженными ионами удаляется слой собственного окисла с неоднородно распределенным встроенным зарядом и формируется слой с однородно распределенным встроенным зарядом, обеспечиваемым бомбардировкой однородным потоком ионов аргона. При этом правая часть закрыта от воздействия ионной бомбардировки и слой собственного окисла с неоднородно распределенным встроенным зарядом не был удален.

Изобретение относится к способу изготовления многоэлементных или матричных фотоприемников на основе антимонида индия. Многоэлементный фотоприемник на основе антимонида индия включает матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с антиотражающим покрытием на освещаемой стороне фоточувствительных элементов (ФЧЭ), соединенных микроконтактами со схемой считывания. Предлагаемый способ включает пассивацию освещаемой поверхности ФЧЭ перед формированием антиотражающего покрытия, заключающуюся в том, что перед напылением антиотражающего покрытия с поверхности МФЧЭ ионным травлением удаляется слой собственного окисла без разгерметизации вакуумной камеры, что позволяет уменьшить скорость поверхностной рекомбинации фотогенерированных носителей тока и тем повысить квантовую эффективность и устранить захват носителей медленными состояниями. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности, улучшение однородности параметров матричных фотоприемников в серийном производстве за счет повышения квантовой эффективности фоточувствительных элементов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления многоэлементного ИК фотоприемника на основе антимонида индия, включающий изготовление матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с тонким поглощающим слоем, соединенной с мультиплексором индиевыми микроконтактами, с нанесенным на тыльную сторону МФЧЭ антиотражающим покрытием, отличающийся тем, что перед напылением антиотражающего покрытия с поверхности МФЧЭ бомбардировкой положительно заряженными ионами удаляется слой собственного окисла с неоднородно распределенным встроенным зарядом и формируется слой с однородно распределенным встроенным зарядом.

2. Способ изготовления многоэлементного ИК фотоприемника по п.1, отличающийся тем, что бомбардировка положительно заряженными ионами поверхности ФЧЭ выполняется в процессе высокочастотного катодного распыления ионами аргона при плотности потока мощности 0,14÷0,2 Вт/см² продолжительностью 5 минут.

3. Способ изготовления многоэлементного ИК фотоприемника по п.1, отличающийся тем, что антиотражающее покрытие формируют магнетронным напылением сульфида цинка со скоростью осаждения 15-25 нм/мин.