Способ изготовления многоэлементных матриц фотоприемников Российский патент 2019 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к технологии изготовления многоэлементных матриц фотоприемников на пластине с тонкими функциональными слоями, отличающимися по химическому составу и формирующими р-n переход по всей площади пластины, на поглощающем слое из однородного полупроводникового материала, обеспечивающего фотоэлектрическое преобразование излучения в заданном диапазоне длин волн, и может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения. Примером такой исходной пластины с р-n переходом по всей площади является многослойная гетероэпитаксиальная структура, выращенная на подложке InP с параметрами слоев, представленными в таблице.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение фрагмента матрицы, изготовленной по меза-планарной технологии. На сильно легированном слое p++-In_0,53Ga_0,47As фотолитографией и напылением никель-золото получают омические контакты, толщина металла составляет 0,18-0,22 мкм. Особенно ответственным процессом в меза-планарной технологии является процесс жидкостного травления меза-элементов фотодиодной матрицы по фоторезистивной маске. Сложность операции состоит в необходимости прецизионного жидкостного травления слоев гетероэпитаксиальной структуры разного химического состава (In_0,53Ga_0,47As-Al_0,48In_0,52As) - на глубину около 200 нм на пластине диаметром 50,8 мм, обеспечивающей разделение фоточувствительной структуры большой площади на отдельные фотодиоды, составляющие массив элементов выбранного формата матриц, умещающихся на пластине. На двухдюймовой пластине можно разместить 12 матриц форматов 640×512 с шагом 15 мкм или 320×256 с шагом 30 мкм.

С другой стороны, следует учитывать (при выполнении операции травления мезы) возможное отклонение при выращивании гетероэпитаксиальной структуры по толщине, указанной в сертификате на купленную пластину.

В такой ситуации предъявляются повышенные требования контроля глубины травления гетероэпитаксиальных p-i-n-структур, из-за возможного недотравливания или перетравливания функциональных слоев. Недотравливание верхнего контактного чревато повышенной взаимосвязью элементов матрицы, а стравливание барьерного и пассивирующего слоя Al_0,48In_0,52As создает условия нестабильности состояния поверхности между элементами, что, в свою очередь, приводит к большой дисперсии значений темновых токов элементов матриц.

Известен способ изготовления фотоприемников на таких структурах, описанный в статье [Mesa-isolated InGaAs photodetectors with low dark current J. F. Klem, J. K. Kim, M. J. Cich, G. A. Keeler, S. D. Hawkins, and T. R. Fortune. APPLIED PHYSICS LETTERS 95, 031112 (2009)], в котором авторы предлагают обеспечивать формирование отдельных фотодиодов жидкостным травлением в растворе на основе фосфорной кислоты: Н₃РО₄: Н₂О₂: Н₂О (1:4:45) в течение 28 секунд, обеспечивающий травление меза-элементов на глубину до половины барьерного и пассивирующего слоя Al_0,48In_0,52As.

Однако проведенные нами исследования показали невоспроизводимость результатов получения матриц с однородными параметрами фотодиодов на пластине, что является следствием травления элементов на недостаточную глубину. На фиг. 2 представлены вольтамперные характеристики элементов матриц, расположенных на краях и в центре пластины диаметром 50,8 мм, измеренные после первого травления мезы длительностью 28 сек. 1-4,5^х в темноте и 5° при освещении потоком излучения .

Как видно из вольтамперных характеристик, представленных на фиг. 2, темновой ток элементов матриц ФЧЭ, измеренный после первого промежуточного травления, уменьшается в соответствии с увеличением глубины травления. Наименьший ток 2-10 нА при напряжении смещения -1В наблюдается у элементов матриц на краю пластины, при глубине травления 140 нм, что более чем на порядок превышает среднее значение темнового тока фотодиодов матриц, сформированных травлением на необходимую (более толщины слоев р++-р In_0,53Ga_0,47As) глубину. Для пластины V-2463 эта величина по данным сертификата составляет 160 нм. Время, необходимое для полного стравливания этого слоя по всей пластине, составит (160-110) нм / 5 нм /сек=10 сек.

На фиг. 3 показано изменение глубины мезы при увеличении длительности травления двух элементов матрицы ФЧЭ. Замедление скорости травления n-B-р ГЭС на временном промежутке 30-50 сек, как установлено из проведенных нами исследований (см. фиг. 3), позволяет выполнить дополнительное травление на необходимую глубину, сохраняя при этом достаточную толщину пассивирующего слоя AlGaAs.

Задачей изобретения является: разработка способа прецизионного жидкостного травления слоев гетероэпитаксиальной структуры разного химического состава (например, In_0,53Ga_0,47As-Al_0,48In_0,52As) - на неопределенную глубину, обеспечивающего разделение фоточувствительной структуры большой площади на отдельные с однородными параметрами фотодиоды, составляющие массив элементов выбранного формата матриц, умещающихся на пластине.

Задача решается тем, что в предлагаемом способе изготовления многоэлементных матриц фотоприемников на пластине с тонкими функциональными слоями, отличающимися по химическому составу и формирующими р-n переход по всей площади пластины на поглощающем слое из однородного полупроводникового материала, обеспечивающего фотоэлектрическое преобразование излучения в заданном диапазоне длин волн, окончание процесса жидкостного травления на достаточную глубину промежутков, создающих границы отдельных элементов (фотодиодов) с однородными параметрами фотодиодов на пластине, определяется по установленной величине фототока отдельных тестовых фотодиодов, расположенных в центре и на краях пластины и освещаемых установленным потоком излучения, соответствующего спектральному диапазону чувствительности поглощающего слоя из однородного полупроводникового материала.

Изобретение относится к технологии изготовления многоэлементных матриц фотоприемников на пластине с тонкими функциональными слоями может использоваться для создания матричных фотоприемников (МФП) различного назначения. В предлагаемом способе изготовления многоэлементных матриц фотоприемников на пластине с тонкими функциональными слоями, отличающимися по химическому составу, и формирующими р-n переход по всей площади пластины на поглощающем слое из однородного полупроводникового материала, обеспечивающего фотоэлектрическое преобразование излучения в заданном диапазоне длин волн, окончание процесса жидкостного травления на достаточную глубину промежутков, создающих границы отдельных элементов (фотодиодов) с однородными параметрами фотодиодов на пластине, определяется по установленной величине фототока отдельных тестовых фотодиодов, расположенных в центре и на краях пластины и освещаемых установленным потоком излучения, соответствующего спектральному диапазону чувствительности поглощающего слоя из однородного полупроводникового материала. Задачей изобретения является: разработка способа прецизионного жидкостного травления слоев гетероэпитаксиальной структуры разного химического состава, например, In_0,53Ga_0,47As-Al_0,48In_0,52As, на неопределенную глубину, обеспечивающего разделение фоточувствительной структуры большой площади на отдельные с однородными параметрами фотодиоды, составляющие массив элементов выбранного формата матриц, умещающихся на пластине. 1 табл., 3 ил.

Способ изготовления многоэлементных матриц фотоприемников на пластине с тонкими функциональными слоями, отличающимися по химическому составу и формирующими р-n переход по всей площади пластины на поглощающем слое из однородного полупроводникового материала, обеспечивающего фотоэлектрическое преобразование излучения в заданном диапазоне длин волн, включающий технологические операции подготовки поверхности, фотолитографии, жидкостного травления, напыления металлических и диэлектрических тонкопленочных покрытий и формирования индиевых микроконтактов, резки на отдельные матрицы, отличающийся тем, что окончание процесса жидкостного травления на достаточную глубину промежутков, создающих границы отдельных элементов (фотодиодов), определяется по установленной величине фототока отдельного тестового фотодиода, освещаемого установленным потоком излучения, соответствующего спектральному диапазону чувствительности поглощающего слоя из однородного полупроводникового материала.