СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЧ ФОТОДЕТЕКТОРА Российский патент 2018 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для создания мощного СВЧ фотодетектора на основе эпитаксиальных структур GaAs/Al_xGa_1-xAs, чувствительных к излучению на длине волны 810-860 нм.

Известен способ изготовления фотодетектора на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP, чувствительного в ИК диапазоне (см. заявку US №2014/0264275 A1, H01L 31/02, опубликована 18.09.2014). Фотодетектор включает: подложку, канал транзистора, исток транзистора и сток транзистора, расположенные на фронтальной поверхности структуры; исток и сток транзистора, расположенные на обратной стороне канала транзистора, барьер, расположенный на канале, и светочувствительный слой, расположенный на барьере. Светочувствительный слой необходим для поглощения света. При падении света на светочувствительный слой, сопротивление канала проводимости меняется при туннелировании носителей из светочувствительного слоя в канал.

Недостатком данного способа изготовления СВЧ фотодетектора является использование материалов InGaAs/InP, нечувствительных к излучению на длине волны 810-860 нм.

Известен способ изготовления фотодетектора на основе эпитаксиальных структур GaAs/Al_xGa_1-xAs, чувствительных к ИК-излучению (см. заявку RU №2022411, МПК H01L 31/101, опубликована 30.10.1994). Данный фотодетектор на основе полупроводниковой структуры с квантовыми ямами включает подложку из полуизолирующего GaAs с буферным слоем 1-GaAs, первый контактный слой n-GaAs, систему чередующихся слоев Al_xGa_1-xAs и GaAs, причем в один из материалов системы чередующихся слоев введена примесь кремния до уровня легирования 2*10¹⁸ см^-3, и второй контактный слой n-GaAs, примесь кремния введена в слой Al_xGa_1-xAs в виде моноатомного слоя, расположенного на расстоянии, не большем Дебаевской длины экранирования от одной из границ раздела чередующихся слоев.

Недостатком данного способа изготовления СВЧ фотодетектора является отсутствие процесса усовершенствования пост-ростовой технологии создания омических контактов, что ведет к увеличению затенения фоточувствительной поверхности фотодетектора и снижению КПД.

Известен способ изготовления фотодетектора на основе эпитаксиальных структур GaAs/Al_xGa_1-xAs, чувствительных к ИК-излучению (см. заявку RU №2318272, МПК H01L 31/18, опубликована 27.02.2008). Для изготовления фотоприемника эпитаксиальную пластину n-InP/n-In_0,53Ga_0,47As/n⁺-InP, содержащую эпитаксиальные слои n-InP/n-In_0,53Ga_0,47As 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_0,33Ga_0,47As и формируют метки для дальнейшего совмещения рисунков фотошаблонов со стороны подложки n⁺-InP. В эпитаксиальных слоях n-InP/n-In_0,53Ga_0,47As формируют локальный p-n-переход диффузией кадмия в запаянной откачной ампуле из источника Cd₃P₂. Пластину n-InP/n-In_0,33Ga_0,47As/n⁺-InP покрывают вторым слоем пленки Si₃N₄ со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-In_0,53Ga_0,47As. Вскрывают контактные окна во втором слое пленки Si₃N₄ и создают омические контакты Au/Ti к p⁺-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 p-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.

Недостатком данного способа изготовления СВЧ фотодетектора является небольшая толщина омических контактов, ограниченная технологическими особенностями напылительного процесса металлизации, что приводит к снижению рабочей мощности фотодетектора и к снижению КПД.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является способ изготовления фотодетектора на основе GaAs (см. заявку RU №2547004, H01L 31/18, опубликована 26.11.2013), принятый за прототип. Способ изготовления фотопреобразователя на основе GaAs включает последовательное выращивание методом жидкофазной эпитаксии на подложке n-GaAs буферного слоя n-GaAs, базового слоя n-GaAs, эмиттерного слоя p-GaAs и слоя p-AlGaAs с содержанием Al в твердой фазе от 30-40 ат. % в начале роста слоя и при содержании Al в твердой фазе 10-15 ат. % в приповерхностной области слоя, а также осаждение тыльного контакта и лицевого контакта. На лицевую поверхность подложки наносят антиотражающее покрытие. Способ безопасен и позволяет с меньшими затратами совместить в одном слое функции широкозонного окна и контактного слоя, что приводит к увеличению КПД преобразования узкополосного, в частности лазерного излучения.

Недостатком данного способа изготовления СВЧ фотодетектора является отсутствие процесса усовершенствования пост-ростовой технологии создания омических контактов, что ведет к увеличению затенения фоточувствительной поверхности фотодетектора и снижению КПД. Также недостатком является отсутствие диэлектрического покрытия на боковой поверхности меза-структуры, что приводит к дополнительным утечкам p-n-перехода.

Задачей данного изобретения является усовершенствование системы омических контактов с целью снижения омических потерь и потерь на затенение фоточувствительной области фотодетектора путем создания контактных шин в виде усеченных пирамид с зеркальными боковыми стенками; увеличение рабочей мощности фотодетектора за счет создания омических контактов толщиной 4-6 мкм; снижение токов утечки по боковой поверхности фотодетектора путем пассивации боковой поверхности меза-структуры нанесением защитного диэлектрического покрытия.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления СВЧ фотодетектора включает создание многослойной структуры из системы чередующихся слоев Al_xGa_1-xAs и GaAs на подложке GaAs n-типа, создание широкозонного окна Al_xGa_1-xAs на поверхности многослойной структуры, формирование контактного слоя GaAs р-типа на поверхности широкозонного окна, создание фронтального и тыльного омических контактов, нанесение просветляющего покрытия. Новым в способе является то, что шины фронтального омического контакта выполняют в виде усеченных пирамид с широким тыльным основанием, с зеркальной боковой поверхностью, формирование просветляющего покрытия на поверхности широкозонного окна Al_xGa_1-xAs осуществляют с предварительной обработкой поверхности методом ионно-лучевого травления, на боковой поверхности меза-структуры осуществляют формирование пассивирующего диэлектрического покрытия.

Шины фронтального омического контакта в виде усеченных пирамид могут быть выполнены шириной 4-6 мкм и толщиной 4-6 мкм.

Шины фронтального омического контакта могут иметь шаг расположения 25-50 мкм.

Создание фронтального омического контакта в виде усеченных пирамид шириной 4-6 мкм и толщиной 4-6 мкм с широким тыльным основанием, расположенных с шагом 25-50 мкм, позволяет снизить омические и оптические потери. Уменьшение шага расположения шин омического контакта до 25-50 мкм позволяет снизить омические потери при увеличении рабочего тока, за счет снижения растекания тока. Конфигурация контактных шин в виде усеченных пирамид с широким тыльным основанием и зеркальной боковой стенкой позволяет снизить оптические потери за счет того, что падающее излучение отражается от зеркальной боковой поверхности контактных шин и падает на светочувствительную поверхность. Увеличение толщины контактных шин до 4-6 мкм позволяет увеличить максимальную рабочую мощность СВЧ фотодетектора. Минимальная ширина контактных шин 4 мкм обусловлена технологическими особенностями пост-ростовой обработки структур. Ширина контактных шин не более 6 мкм позволяет снизить оптические потери за счет снижения области затенения фоточувствительной поверхности фотодетектора.

Формирование просветляющего покрытия на поверхности широкозонного окна Al_xGa_1-xAs с предварительной обработкой поверхности методом ионно-лучевого травления позволяет увеличить адгезию просветляющего покрытия к поверхности структуры за счет удаления естественного окисла.

Создание защитного диэлектрического покрытия на боковой поверхности меза-структуры приводит к снижению токов утечки по боковой поверхности p-n перехода, увеличивает надежность и срок службы СВЧ фотодетектора.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведена схема СВЧ фотодетектора;

на фиг. 2 изображена шина фронтального омического контакта, имеющая в сечении вид трапеции с широким тыльным основанием, прилегающим к фронтальной поверхности структуры.

На фиг. 1-2 указаны: 1 - многослойная структура, 2 - подложка GaAs, 3 - широкозонное окно Al_xGa_1-xAs, 4 - контактный слой GaAs, 5 - просветляющее покрытие, 6 - омический контакт, 7 - напыленный тонкий слой контактных материалов, 8 - электрохимически осажденнный толстый слой контактного материала.

Заявляемый способ создания СВЧ фотодетектора проводят в несколько стадий. Создают многослойную структуру 1 из системы чередующихся слоев Al_xGa_1-xAs и GaAs (см. фиг. 1) на подложке GaAs n-типа 2, создают широкозонное окно Al_xGa_1-xAs 3 на поверхности многослойной структуры, создают контактный слой GaAs p-типа 4, обладающий электрической проводимостью на поверхности окна. Далее проводят локальное удаление контактного слоя GaAs 4 для открытия части нижележащего слоя 3, и осуществляют дополнительную очистку поверхности слоя широкозонного окна 3 методом ионно-лучевого травления. Затем осаждают просветляющее покрытие 5 на вышеуказанной открытой части слоя 3.

Создают омические контакты 6 из материалов, обладающих электрической проводимостью на поверхности оставшейся части контактного слоя и на тыльной поверхности подложки GaAs 2, в два этапа. Проводят напыление тонкого слоя контактных материалов 7, толщиной 0,2-0,4 мкм. Проводят вжигание при температуре 360-370°С в течение 10-60 с. Осуществляют электрохимическое осаждение толстого слоя контактных материалов 8 (см. фиг. 1, 2, 3), толщиной 4-6 мкм, при этом контактные шины имеют в сечении вид трапеций с широким тыльным основанием, прилегающим к фронтальной поверхности структуры и с зеркальными боковыми стенками.

Далее осуществляют формирование меза-структуры методом жидкостного химического травления и осуществляют осаждение защитного пассивирующего диэлектрического покрытия на боковую поверхность меза-структуры.

Пример 1.

Были получены СВЧ фотодетекторы в несколько стадий. Создана многослойная структура из системы чередующихся слоев Al_xGa_1-xAs и GaAs на подложке GaAs n-типа. Создано широкозонное окно Al_xGa_1-xAs на поверхности многослойной структуры, создан контактный слой GaAs p-типа, обладающий электрической проводимостью на поверхности окна. Проведено локальное удаление контактного слоя GaAs для открытия части нижележащего слоя широкозонного окна. Осуществлена дополнительная очистка поверхности слоя широкозонного окна методом ионно-лучевого травления. Проведено осаждение просветляющего покрытия на вышеуказанной открытой части широкозонного окна.

Созданы омические контакты из материалов, обладающих электрической проводимостью на поверхности оставшейся части контактного слоя и на тыльной поверхности подложки GaAs, в два этапа. Проведено напыление тонкого слоя контактных материалов AgMn/Ni/Au толщиной 0,2 мкм на поверхность контактного слоя. Проведено напыление тонкого слоя Au(Ge)/Ni/Au толщиной 0,2 мкм на тыльную поверхность подложки GaAs. Проведено вжигание при температуре 360°С в течение 10 с. Осуществлено электрохимическое осаждение толстого слоя контактных материалов Ag/Ni/Au, толщиной 4 мкм, контактные шины выполнены в виде усеченных пирамид с широким тыльным основанием, прилегающим к фронтальной поверхности структуры и с зеркальными боковыми стенками.

Осуществлено формирование меза-структуры методом жидкостного химического травления и проведено осаждение защитного пассивирующего диэлектрического покрытия Si₃N₄ на боковую поверхность меза-структуры.

Пример 2.

Были получены СВЧ фотодетекторы способом, приведенным в примере 1 со следующими отличительными признаками. Фронтальный омический контакт на поверхности контактного слоя GaAs выполнен путем напыления слоев Cr/Au толщиной 0,3 мкм. Тыльный омический контакт выполнен путем напыления Au(Ge)/Ni/Au толщиной 0,3 мкм. Проведено вжигание при температуре 370°С в течение 60 с. Осуществлено электрохимическое осаждение толстого слоя контактных материалов Ag/Ni/Au, толщиной 6 мкм, контактные шины выполнены в виде усеченных пирамид с широким тыльным основанием, прилегающим к фронтальной поверхности структуры и с зеркальными боковыми стенками.

Пример 3.

Были получены СВЧ фотодетекторы способом, приведенным в примере 1 со следующими отличительными признаками. Фронтальный омический контакт на поверхности контактного слоя GaAs выполнен путем напыления слоев Cr/Au толщиной 0,4 мкм. Тыльный омический контакт выполнен путем напыления Au(Ge)/Ni/Au толщиной 0,4 мкм. Проведено вжигание при температуре 360°С в течение 60 с. Осуществлено электрохимическое осаждение толстого слоя контактных материалов Ag/Ni/Au, толщиной 5 мкм, контактные шины выполнены в виде усеченных пирамид с широким тыльным основанием, прилегающим к фронтальной поверхности структуры и с зеркальными боковыми стенками.

Результатом процесса изготовления СВЧ фотодетектора стало увеличение эффективности за счет усовершенствования системы омических контактов, снижения омических потерь и потерь на затенение фоточувствительной области фотодетектора за счет создания контактных шин в виде усеченных пирамид с зеркальными боковыми стенками; увеличение рабочей мощности фотодетектора за счет создания омических контактов толщиной 4-6 мкм; снижение токов утечки по боковой поверхности фотодетектора за счет пассивации боковой поверхности меза-структуры нанесением защитного диэлектрического покрытия.

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для создания мощного СВЧ фотодетектора на основе эпитаксиальных структур GaAs/Al_xGa_1-xAs, чувствительных к излучению на длине волны 810-860 нм. Способ заключается в создании многослойной структуры из системы чередующихся слоев Al_xGa_1-xAs и GaAs на подложке GaAs n-типа, создании широкозонного окна Al_xGa_1-xAs на поверхности многослойной структуры, формировании контактного слоя GaAs р-типа на поверхности широкозонного окна, создании фронтального и тыльного омических контактов, формировании просветляющего покрытия, проведении пассивации боковой поверхности меза-структуры. Шину фронтального омического контакта выполняют в виде усеченной пирамиды с широким тыльным основанием и зеркальной боковой поверхностью. Изобретение обеспечивает снижение омических потерь и потерь на затенение фоточувствительной области фотодетектора путем создания контактных шин в виде усеченных пирамид с широким основанием и с зеркальными боковыми стенками, увеличение рабочей мощности фотодетектора, снижение токов утечки по боковой поверхности фотодетектора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления СВЧ фотодетектора, включающий создание многослойной структуры из системы чередующихся слоев Al_xGa_1-xAs и GaAs на подложке GaAs n-типа, создание широкозонного окна Al_xGa_1-xAs на поверхности многослойной структуры, формирование контактного слоя GaAs p-типа на поверхности широкозонного окна, создание фронтального и тыльного омических контактов, нанесение просветляющего покрытия, отличающийся тем, что шины фронтального омического контакта выполняют в виде усеченных пирамид с широким тыльным основанием, с зеркальной боковой поверхностью, проводят обработку поверхности широкозонного окна Al_xGa_1-xAs методом ионно-лучевого травления непосредственно перед осаждением просветляющего покрытия, осуществляют формирование пассивирующего диэлектрического покрытия на боковой поверхности меза-структуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шины фронтального омического контакта выполняют в виде усеченных пирамид шириной 4-6 мкм и толщиной 4-6 мкм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шины фронтального омического контакта имеют шаг расположения 25-50 мкм.