ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ К ИНФРАКРАСНОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ СТРУКТУРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК H01L31/216 H01L31/224 H01L31/296 

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники, конкретно - к фотоприемным устройствам инфракрасного диапазона длин волн и технологии их изготовления.

Необходимость разработки фотоприемных устройств III поколения предъявляет повышенные требования к детекторам для средней инфракрасной (ИК) области спектра (MWIR) и дальней ИК-области спектра (LWIR) областей спектра, среди которых повышение рабочей температуры, а также снижение стоимости, массы и габаритов приборов [1, 2]. С точки зрения фундаментальных свойств полупроводниковый твердый раствор HgCdTe (CdHgTe, КРТ) является идеальным материалом для создания ИК-детекторов.

HgCdTe широко применяется при разработках высокочувствительных ИК-детекторов для различных спектральных областей [3]. Рабочие температуры детекторов, при которых возможна реализация режима ограничения пороговых характеристик шумами фонового излучения, определяются генерационно-рекомбинационными механизмами в HgCdTe, определяющими величину темновых токов (шумов). Для подавления темновых токов приходится охлаждать чувствительные элементы фотоприемных устройств до достаточно низких температур (например, до 77 К при LWIR детектировании). Ключевым условием для создания высокотемпературного детектора является минимизация тепловой генерации в активной области без снижения квантовой эффективности.

Одним из подходов в вопросе минимизации тепловой генерации в активной области ИК-фотодетектора без глубокого охлаждения является подавление механизмов генерации Оже с неравновесным обеднением полупроводника, а также использование новых естественных и модифицированных полупроводниковых материалов и полупроводниковых структур с пониженной тепловой генерацией. Одной из перспективных концепций в данном направлении являются так называемые барьерные фоточувствительные структуры [4, 5].

К настоящему моменту предложено множество различных архитектур барьерных детекторов на основе HgCdTe, среди которых при использовании метода МЛЭ самыми перспективными представляются униполярные конфигурации (в частности, nBn), позволяющие упростить технологию получения детекторов и снизить темновые токи [6].

Дальнейший прогресс инфракрасных детекторов на HgCdTe связан с развитием технологий получения эпитаксиального материала, таких как МЛЭ и ГФЭМОС. Данные технологии позволяют выращивать пленки с прецизионно управляемым распределением компонентного состава и концентрации легирующей примеси по толщине. Это предоставляет возможности разработок новых архитектур приборных структур, обеспечивающих, например, повышение рабочей температуры детекторов и упрощение технологического цикла их изготовления [7].

В настоящее время получило распространение технология создания на основе МЛЭ HgCdTe фотодиодов типа n на p путем имплантации в эпитаксиальную пленку ионов бора (без отжига), а также фотодиодов типа p на n посредством имплантации ионов мышьяка и последующего активационного отжига. Применение nBn-архитектуры в случае с КРТ может обеспечить значительное преимущество перед традиционными фотодиодами из-за повышения качества материала в отсутствии постимплантационных дефектов [8, 9]. Исключение необходимости проведения ионной имплации упростит технологию создания детекторов.

Но при реализации nBn-архитектуры в HgCdTe возникает проблема, связанная с тем, что для гетерограниц барьерного слоя в HgCdTe характерен I тип расположения энергетических зон, что подразумевает ненулевой разрыв валентной зоны. Такой разрыв зон означает наличие барьера, который препятствует току неосновных фотоносителей.

Для решения этой проблемы предлагалось увеличивать напряжение смещения на структуре [10-12]. Но при высоких значениях напряжения форма барьера в зоне проводимости стремится к треугольной, таким образом, барьер для электронов снижается, что приводит к возрастанию шумов и снижению значений обнаружительной способности.

Другим подходом к минимизации разрыва валентной зоны является создание барьера р-типа проводимости [5]. Такой подход малоперспективен при использовании МЛЭ и, по-видимому, возможен только при выращивании гетероструктур методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOCVD) [13].

Также существует ряд работ, в которых помимо описанных выше механизмов повышения эффективности работы фоточувствительной nBn структуры проводится дополнительная оптимизация ее конструктивных элементов (составов, толщин, уровней и профилей легирования контактного, барьерного и поглощающего слоев). Например, в [5] авторы рассматривают различные варианты реализации контактного слоя и демонстрируют существенное влияние конфигурации контакта на вольт-амперные характеристики и чувствительность прибора.

Для метода МЛЭ применимо также направление, связанное с использованием многослойных барьеров, включая барьеры в виде сверхрешеток [14], позволяющих при строгом подборе параметров сверхрешетки полностью устранить барьер для неосновных фотоносителей. Однако экспериментально эти способы снижения барьера в валентной зоне проработаны недостаточно.

Другой проблемой nBn-детекторов на основе HgCdTe является недостаточная высота (менее 1 эВ) потенциального барьера для электронов, что увеличивает вероятность туннелирования электронов через барьер или его надбарьерного преодоления. Для решения этой проблемы необходим тщательный подбор толщины барьера и концентрации легирующей примеси в контактном слое [15]. Важными задачами при изготовлении nBn-структур является устранение токов поверхностной утечки [5].

Несмотря на значительное число публикаций (около 100), посвященных теоретическому обоснованию потенциальных преимуществ nBn-структур, известны только единичные попытки практической реализации nBn-детекторов из HgCdTe.

Известна полупроводниковая структура [16], предназначенная для высокостабильного детектирования инфракрасного излучения в средней инфракрасной области (3-8 мкм) или в дальней инфракрасной области (8-14 мкм), или и сверхдальней инфракрасной области (>15 мкм), обладающая расширенными функциональными возможностями. Данная структура может быть использована в различных фотоприемных устройствах, в частности, в матрицах МДП-структур (структуры типа металл-диэлектрик-полупроводник), в фоторезисторных и фотодиодных матрицах.

Описанная структура содержит подложку, верхний слой которой образован CdTe, нижний варизонный слой, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, в котором значение х плавно уменьшается от значения, находящегося в пределах (х_Д+0,1)-1, до значения х_Д, рабочий детекторный слой, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, где х=х_Д=0,2-0,3, верхний варизонный слой, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, в котором значение х плавно увеличивается от значения х_Д до значения, находящегося в пределах 1-(х_Д+0,1), изолирующий слой из CdTe, диэлектрические слои и верхний, прозрачный для ИК-излучения, проводящий слой. Отличительным признаком изобретения является то, что в детекторный слой дополнительно введены слой квантовых ям и два барьерных слоя, расположенные с обеих сторон слоя квантовых ям, изготовленные из Hg_1-xCd_xTe, на границах между слоем квантовых ям и барьерным слоем значения х ступенчато изменяются в пределах х_Б⁼0,5-1,0 и х_Я=0-0,15 при толщине каждого из барьерных слоев 20-100 нм и толщине слоя квантовой ямы 5-20 нм.

Наличие варизонных слоев обеспечивает согласование постоянных решеток на границе полупроводниковых слоев КРТ различного состава, что приводит к повышению стабильности характеристик фоточувствительной структуры. К этому же результату приводит использование пассивирующих диэлектрических покрытий.

Задача, которую решала предлагаемое изобретение - это создание высокостабильной фоточувствительной к ИК-излучению структуры с расширенной в длинноволновую часть спектра областью чувствительности, которую можно использовать в различных фотоприемных устройствах, в частности, в матрицах МДП-структур (в ПЗС-структурах), в фоторезисторных и фотодиодных матрицах.

Расширение спектральной характеристики данной структуры осуществлялось, главным образом, за счет введения в рабочий детекторный слой вводились изготовленные из Hg_1-xCd_xTe слой квантовых ям и два барьерных слоя, расположенные с обеих сторон слоя квантовых ям. Это и составляло отличительную особенность данного изобретения.

К недостаткам предложенной структуры можно отнести следующие. Несмотря на то, что в описании к патенту говорится о низком уровне тока поверхностной утечки, авторы также упоминают то, что этот уровень достигается при формировании качественной границы раздела между изолирующим слоем и верхним варизонным слоем. Известно [17], что в определенных случаях наличие пассивирующего покрытия не полностью устраняет влияние поверхности на электрофизические и оптические свойства прибора и, в частности, на формирование темного тока. Наличие встроенного заряда в пассивирующем диэлектрическом слое влияет на поверхностный потенциал полупроводника, а быстрые и медленные поверхностные состояния работают как генерационно-рекомбирационные центры. Таким образом, вопрос минимизации или полного устранения тока поверхностной утечки, являясь, по существу, технологическим, выходит за рамки описания изобретения и может считаться открытым.

Другим недостатком данного изобретения можно считать то, что в случае реализации на базе представленной структуры фотодиодного приемника ИК-излучения требуется использование технологических операций инверсии типа проводимости части детекторного слоя для формирования p-n-перехода.

Также известна полупроводниковая структура [18], предназначенная для создания длинноволнового собственного фотопроводящего детектора с высоким сопротивлением. Высокое сопротивление детектора призвано минимизировать проблему больших значений темнового тока при обратном смещении.

В представленном патенте описывается конструкция инфракрасного детектора, в котором барьерная область вводится между эмиттером и коллектором. Эта область состоит из материала, обеспечивающего минимальный разрыв валентной зоны на границе со слоем эмиттера и имеющего значительно большую ширину запрещенной зоны, чем материал эмиттера. Барьерный слой препятствует протеканию тока основных носителей и, как следствие, дает высокое электрическое сопротивление структуры.

Описываемый инфракрасный детектор содержит: эмиттерную область, сформированную из материала, светочувствительного к инфракрасному излучению; коллекторную область; пару контактов (контакт эмиттера, контакт коллектора) и область барьера, примыкающую как к области эмиттера, так и к области коллектора, которая создает препятствие для потока основных носителей из области эмиттера и в то же время является проводящей для неосновных носителей заряда.

Существенными и отличительными признаками изобретения являются следующие. Предпочтительно эмиттерный и барьерный материалы должны изготавливаться из тройных твердых растворов одного и того же химического соединения. Примеры соотношений материалов и типов проводимости слоев: теллурид кадмия и ртути n-типа/n-типа, n-типа/р-типа или р-типа/n-типа; или арсенида галлия индия; или арсенида алюминия-галлия. Однако барьерный слой может быть изготовлен из других материалов при условии, что эмиттерный и барьерный слои имеют минимальный разрыв валентной зоны. Барьерный материал может быть бинарным сплавом или соединением, имеющим общий анион с тройным материалом. Примеры: теллурид кадмия-ртути и теллурид кадмия; арсенид алюминия и галлия и арсенид галлия; или арсенид галлия индия и арсенид индия. При этом предпочтительно, чтобы материалы эмиттера и барьера были n-типа и р-типа соответственно.

Коллекторная область может быть из материала такого же типа проводимости, как материал эмиттера. Этот материал должен иметь общий или, по меньшей мере, близкий к уровню барьерного материала край валентной зоны. В качестве альтернативы он может быть из металла с высокой работой выхода или из сильно легированного полупроводникового материала с основным типом носителя, противоположным материалу эмиттера. В случае металла коллекторная область формируется самим коллекторным контактом.

К недостаткам предложенной структуры можно отнести в первую очередь то, что в большей части реализаций авторы предлагают использовать барьерный слой р-типа проводимости, что в случае с материалом КРТ, выращенном методом МЛЭ, практически не реализуемо. Прямое же применение барьера n-типа существенным образом снижает квантовую эффективность такой структуры из-за потенциального барьера для дырок и требует дополнительных мер по его устранению. Также авторы приводят широкий список материалов, пригодных для реализации описанной конструкции, что так же в силу фундаментальных различий материалов групп А2В6 и А3В5, требует различных подходов для повышения эффективности фотоприемного устройства, о которых авторы не говорят.

Отдельно среди недостатков описанной структуры следует отметить отсутствие мер по защите боковых поверхностей структуры (пассивации), что в подобной конфигурации должно неизбежно приводить к ограничению работы фоточувствительной структуры темновыми токами поверхностной утечки.

Также известен патент [19], описывающий конструкции полупроводниковых фоточувуствительных структур, позволяющие использовать инфракрасные детекторы при более высоких температурах и/или реализовывать их на менее дорогих полупроводниковых подложках для снижения производственных затрат.

В патенте описываются инфракрасные детекторы и матрицы детекторов на основе неосновных носителей заряда в теллуриде кадмия-ртути и способы их изготовления. Примерный вариант осуществления: подложка, нижний контактный слой, расположенный на подложке, первый слой теллурида ртути-кадмия, имеющий первое значение энергии ширины запрещенной зоны, расположенный на нижнем контактном слое, второй слой теллурида кадмия-ртути, имеющий второе значение энергии запрещенной зоны, большее, чем значение энергии запрещенной зоны первого слоя, расположенный на первом слое теллурида кадмия-ртути, и слоя коллектора, расположенного на втором слое теллурида кадмия-ртути, причем первый и второй слои теллурида кадмия-ртути легированы примесью n-типа.

Существенными и отличительными признаками изобретения являются следующие. В изобретении реализована барьерная nBn структура на КРТ n-типа в классическом представлении. Применяется только донорное легирование. В конструкции отсутствуют слои акцепторного типа проводимости. Достижение заявляемых преимуществ производится путем оптимизации параметров отдельных слоев структуры (составы, уровни легирования, толщины слоев), а также напряжения смещения. Авторами также принимаются меры по пассивации боковой поверхности области контактов барьерного слоя с окружающими его слоями. Для пассивации применяются CdTe или ZnS

Несмотря на то, что посредством оптимизации авторам удалось улучшить характеристики приборной структуры, полностью устранить барьер для неосновных носителей (дырок) им не удалось. Также в описании к патенту отсутствуют сведения о вкладе в темновой ток токов поверхностной утечки.

Наиболее близкая фоточувствительная к инфракрасному излучению структура (прототип) и способ ее изготовления по отношению к заявляемой структуре и способу ее изготовления описаны в [20]. Целью изобретения было представить полупроводниковую структуру барьерного типа, изготовленную из полупроводниковых материалов одной группы, не требующую специального легирования барьерного слоя, отличного от легирования поглощающего слоя и коллекторного слоя, а также не имеющую потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, притом что потенциальный барьер для основных носителей сохраняет эффективность даже при высоких напряжениях обратного смещения.

В патенте описывается полупроводниковая структура, включающая в себя: первый (поглощающий) и второй (коллекторный) полупроводниковые слои из одного и того же материала (КРТ) с электронным типом проводимости; барьерный слой из КРТ, расположенный между первым и вторым слоями, для создания энергетического барьера для основных носителей заряда первого и второго слоев, причем барьерный слой имеет минимизированную энергию запрещенной зоны; а также двух интерфейсных слоев из КРТ переменного состава, предназначенных для сопряжения первого и второго слоев со слоем барьера.

Составы первого и второго слоев X1 и Х2 соответственно имеют одинаковые значения. Материал второго слоя имеет тип проводимости и концентрацию основных носителей, идентичные их значениям в материале первого слоя. Электронный тип проводимости достигается за счет легирования структуры индием. Концентрация основных носителей составляет величину от 5⋅10¹⁴ до 5⋅10¹⁵ см^-3.

Материал первого слоя выбирается, исходя из того, для детектирования электромагнитного излучения какого диапазона предполагается приметь структуру, и составляет: X1=0,4 для детектирования ИК-излучения с λ<3 мкм, X1=0,3 для детектирования ИК-излучения с λ<5 мкм и X1=0,22 для детектирования ИК-излучения с λ<10 мкм.

Толщина первой слоя составляет, по меньшей мере, 2 мкм.

Толщина барьерного слоя составляет величину 100-300 нм.

Состав материала КРТ, составляющего барьерный слой, также как и состав материала первого слоя выбирается в зависимости от диапазона длин волн детектируемого ИК-излучения: Xm=0,85 для детектирования ИК-излучения с λ<3 мкм, Xm=0,65 для детектирования ИК-излучения с λ<5 мкм и Xm=0,6 для детектирования ИК-излучения с λ<10 мкм.

Интерфейсные слои переменного состава имеют линейный (или близкий к линейному) профиль распределения состава. Состав в интерфейсных слоях меняется от состава барьерного слоя до состава первого и второго слоев.

Электрические контакты изготавливаются из титана или золота.

Пассивация поверхности структуры выполняется из теллурида кадмия CdTe или сульфида цинка ZnS.

Напряжение смещения, прикладываемое к структуре, должно составлять величину порядка нескольких сотен милливольт.

Существенными и отличительными признаками изобретения являются следующие. Как и в предыдущем патенте, здесь реализуется оптимизация параметров отдельных слоев структуры. В структуре применяется только донорное легирование, в конструкции отсутствуют слои акцепторного типа проводимости. В качестве основного отличительного признака можно выделить введение в структуру дополнительных элементов - интерфейсных варизонных слоев на границах барьерного слоя, уменьшающих несогласованность на резких гетерограницах и, следовательно, устраняющих дефектность и область пространственного заряда.

При наличии варизонных слоев приложение отрицательного смещения к структуре и корректный подбор его величины уменьшает скачки края валентной зоны, делает ее изгиб более плавным, что уменьшает препятствие току фотоносителей (дырок).

Способ изготовления описанной фоточувствительной структуры включает в себя следующие этапы:

- выбор в качестве подложки пластины из теллурида кадмия и цинка (CdZnTe);

- нанесение на подложку материала КРТ с составом X1, образующего первый слой (поглощающий);

- нанесение на первый (поглощающий) слой первого интерфейсного слоя КРТ переменного состава с составом, изменяющимся от значения состава в первом слое X1 до состава барьерного слоя Xm;

- нанесение на первый интерфейсный слой КРТ переменного состава барьерного слоя с составом Xm;

- нанесение на барьерный слой второго интерфейсного слоя КРТ переменного состава с составом, изменяющимся от значения состава в барьерном слое Xm до состава во втором слое Х2;

- нанесение на второй интерфейсный слой переменного состава второго слоя КРТ с составом Х2;

- формирование первого и второго электрических контактов на первом (поглощающем) и втором (коллекторном) слоях соответственно;

- нанесение пассивирующего слоя на все поверхности конструкции, исключая металлические контакты.

Нанесение полупроводниковых слоев может производиться методом молекулярно-лучевой эпитаксии и методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.

На основе выращенной полупроводниковой гетеоструктуры изготавливается мезаструктура, в которой один из контактных электродов напыляется непосредственно на второй (коллекторный) слой, а другой на - первый (поглощающий) слой. Для пассивации боковой поверхности области контактов барьерного слоя с окружающими его слоями авторы, как и в предыдущем патенте, применяют CdTe или ZnS.

К недостаткам структуры-прототипа можно отнести следующие. Как видно из приведенных в патенте рассчитанных зонных диаграмм, несмотря на минимизацию величины барьера для дырок в структуре, большие значения обратного смещения приводят к деформации барьера для основных носителей заряда, что способствует увеличению вероятности туннелирования электронов через барьер или их надбарьерного преодоления. Это требует дальнейшей оптимизации параметров структуры, в частности, как одного из возможных решений, увеличения состава барьерного слоя.

С другой стороны, известно, что для обеспечения максимальных значений обнаружительной способности nBn-детекторов состав в барьерном слое должен принимать меньшие значения (х=0,6-0,7). Однако на практике в структурах с такими значениям состава барьерного слоя, несмотря на пассивацию, наблюдается ограничение темнового тока током поверхностной утечки. Как упоминалось ранее, известно [17], что пассивация не всегда полностью устраняет влияние поверхности на электрофизические и оптические свойства прибора и, в частности, на формирование темного тока. Наличие встроенного заряда в пассивирующем диэлектрическом слое влияет на поверхностный потенциал полупроводника, а быстрые и медленные поверхностные состояния работают как генерационно-рекомбирационные центры.

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение - создание фоточувствительной к инфракрасному излучению структуры (чувствительной в MWIR или LWIR диапазоне) с повышенными значениями рабочей температуры и обнаружительной способности, а также способа ее изготовления.

Технический результат, на который направлено предлагаемое решение - устранение наблюдаемого вклада токов поверхностной утечки в формирование темнового сигнала фоточувствительной nBn-структуры на основе КРТ.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в барьерной фоточувствительной к инфракрасному излучению структуре, включающей подложку (слой 1), расположенный на подложке первый слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом (слой 2), в котором х изменяется от 1 на границе с подложкой до х_ПС на границе с поглощающим слоем, расположенный на первом слое с переменным составом однородный по составу поглощающий слой из Cd_xHg_1-xTe (слой 3) с составом х_ПС=0,22-0,4 толщиной 2-4 мкм, расположенный на поглощающем слое второй слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом (слой 4), в котором х изменяется в пределах от х_ПС на границе с поглощающим слоем до х_Б на границе с барьерным слоем, расположенный на втором слое с переменным составом однородный по составу барьерный слой из Cd_xHg_1-xTe (слой 5) с составом х_Б=0,6-0,7 толщиной 0,2-0,5 мкм, расположенный на барьерном слое третий слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом (слой 6), в котором х изменяется в пределах от х_Б на границе с барьерным слоем до х_КС на границе с контактным слоем, расположенный на третьем слое с переменным составом однородный по составу контактный слой из Cd_xHg_1-xTe (слой 7) с составом х_КС=0,22-0,4 толщиной 1-2 мкм, расположенный на контактном слое четвертый слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом (слой 8), в котором х изменяется в пределах от х_КС на границе с контактным слоем до х_Д=0,6-1,0, на четвертом слое из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом располагается пассивирующий слой (слой 9), а металлический полевой электрод из In (слой 10) наносится на поверхность пассивирующего слоя, причем геометрические размеры полевого электрода выбирают таким образом, чтобы минимальное расстояние от края полевого электрода до края площадки, ограничивающей область фоточувствительной структуры, было бы равно 1,0-1,2 мкм.

В частном случае структура может быть легирована In с концентрацией легирующей примеси 10¹⁴-10¹⁶ см^-3 однородно по всей толщине.

В частном случае профиль легирования In может быть неоднородным по толщине структуры с концентрацией легирующей примеси 10¹⁴-10¹⁶ см^-3.

В частном случае подложка (слой 1) выполнена из GaAs и на нее нанесены слой ZnTe и слой CdTe, входящие в состав подложки.

В частном случае подложка (слой 1) выполнена из Si и на нее нанесены слой ZnTe и слой CdTe, входящие в состав подложки.

В частном случае подложка (слой 1) выполнена из CdZnTe и на нее нанесены слой ZnTe и слой CdTe, входящие в состав подложки.

В частном случае подложка (слой 1) выполнена из CdZnTe и на нее нанесен слой CdTe, входящий в состав подложки.

В частном случае подложка (слой 1) выполнена из CdTe.

В частном случае пассивирующий слой (слой 5) выполнен из Al₂O₃.

В частном случае пассивирующий слой (слой 5) выполнен из SiO₂ с нанесенным на него сверху Si₃N₄.

В частном случае пассивирующий слой (слой 5) выполнен из SiO₂ с нанесенным на него сверху ZnTe.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в способе изготовления барьерной фоточувствительной к инфракрасному излучению структуры, включающем подготовку подложки (слой 1) к нанесению на нее последующих слоев и нанесение в ростовой камере методом молекулярно-лучевой эпитаксии последовательно первого слоя из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом (слой 2), в котором х изменяется от 1 на границе с подложкой до х_ПС на границе с поглощающим слоем, однородного по составу поглощающего слоя из Cd_xHg_1-xTe (слой 3) с составом х_ПС=0,22-0,4 толщиной 2-4 мкм, второго слоя из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом (слой 4), в котором х изменяется в пределах от х_ПС на границе с поглощающим слоем до х_Б на границе с барьерным слоем, однородного по составу барьерного слоя из Cd_xHg_1-xTe (слой 5) с составом х_Б=0,6-0,7 толщиной 0,2-0,5 мкм, третьего слоя из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом (слой 6), в котором х изменяется в пределах от х_Б на границе с барьерным слоем до х_КС на границе с контактным слоем, однородного по составу контактного слоя из Cd_xHg_1-xTe (слой 7) с составом х_КС=0,22-0,4 толщиной 1-2 мкм, четвертого слоя из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом (слой 8), в котором х изменяется в пределах от х_КС на границе с контактным слоем до х_Д=0,6-1,0, вынос выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктуры из ростовой камеры, на четвертом слое из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, одним из низкотемпературных методов производится нанесение пассивирующего слоя (слой 9), сверху на который методом низкотемпературного термического напыления наносится полевой электрод из In (слой 10) таким образом, чтобы минимальное расстояние от края полевого электрода до края площадки, ограничивающей область фоточувствительной структуры, было бы равно 1,0-1,2 мкм.

В частном случае полупроводниковая структура может быть легирована In с концентрацией легирующей примеси 10¹⁴-10¹⁶ см^-3 однородно по всей толщине непосредственно в ростовой камере.

В частном случае полупроводниковая структура может быть легирована In с концентрацией легирующей примеси 10¹⁴-10¹⁶ см^-3 с неоднородным по толщине структуры профилем непосредственно в ростовой камере.

В частном случае подложка (слой 1) может быть выполнена из GaAs, и на нее в ростовой камере перед выращиванием поглощающего слоя нанесены слой ZnTe и слой CdTe.

В частном случае подложка (слой 1) может быть выполнена из Si, и на нее в ростовой камере перед выращиванием поглощающего слоя нанесены слой ZnTe и слой CdTe.

В частном случае подложка (слой 1) может быть выполнена из CdZnTe, и на нее в ростовой камере перед выращиванием поглощающего слоя нанесены слой ZnTe и слой CdTe.

В частном случае подложка (слой 1) может быть выполнена из CdZnTe, и на нее в ростовой камере перед выращиванием поглощающего слоя нанесен слой CdTe.

В частном случае подложка (слой 1) может быть выполнена из CdTe.

В частном случае после извлечения гетероструктуры из ростовой камеры одним из низкотемпературных методов может быть изготовлен пассивирующий слой (слой 5) из Al₂O₃.

В частном случае после извлечения гетероструктуры из ростовой камеры одним из низкотемпературных методов может быть изготовлен пассивирующий слой (слой 5) из SiO₂ с нанесенным на него сверху Si₃N₄.

В частном случае после извлечения гетероструктуры из ростовой камеры одним из низкотемпературных методов может быть изготовлен пассивирующий слой (слой 5) из SiO₂ с нанесенным на него сверху ZnTe.

Реализация подобной конструкции фоточувствительной структуры предложенным способом обеспечивает локализацию области пространственного заряда, «наводимой» электрическим полем от полевого электрода, внутри объема полупроводниковой структуры. Таким образом, область пространственного заряда находится на значительном удалении от боковой грани полупроводниковой структуры, что, очевидно, исключает процессы поверхностной утечки из числа оказывающих влияние на формирование сигнала фоточувствительной структуры в темновом режиме.

На чертеже (фиг. 1) изображен один из вариантов реализации предлагаемой фоточувствительной к инфракрасному излучению структуры (единичная ячейка матрицы мезаструктур). Масштаб толщин различных слоев структуры выбран произвольным.

На чертеже обозначено:

1 - подложка из GaAs с нанесенными на нее слоями ZnTe и CdTe;

2 - первый слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом х=[1; 0,29];

3 поглощающий слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х=0,29;

4 второй слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом х=[0,29; 0,60];

5 барьерный слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х=0,6;

6 третий слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом х=[0,6; 0,29];

7 - контактный слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х=0,29;

8 - четвертый слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом х=[0,29; 1];

9 - пассивирующий слой из Al₂O₃ с пассивацией боковой грани мезаструктуры;

10 - полевой электрод из In с диаметром D1, имеющим значение, обеспечивающее условие D2=1,0-1,2 мкм, где D2 расстояние от края полевого электрода, до края площадки, ограничивающей область фоточувствительной структуры.

11 - Обратный электрический контакт из In.

На базе предложенной структуры может быть изготовлен матричный фотоприемник ИК-излучения. На чертеже (фиг. 2) приведена схема одного из вариантов его реализации. Для изготовления матрицы фотоприемных элементов выполняется травление (например в 0,5% растворе Br в HBr) выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктуры HgCdTe до поглощающего слоя (слой 2) для последующего нанесения обратного электрода (слой 7), а также для физического разделения отдельных nBn-элементов путем формирования мезаструктур.

На чертеже (фиг. 3) показана зависимость величины, обратной произведению сопротивления барьерного слоя (R_B) nBn-структуры на площадь полевого электрода (А), от отношения периметра полевого электрода (Р) к его площади. Данная зависимость была получена из исследования адмиттанса МДП-структур на основе nBn-структур с использованием автоматизированной установки для измерения иммитанса наногетероструктур, основными элементами которой являлись измеритель иммитанса Agilent Е4980А, неоптический криостат Janis и контроллер температуры Lake Shore. Исследовались структуры nBn-структуры с составом в поглощающем и контактном слое х=0,29, и составом барьерного слоя х=0,6. Диаметр полевого электрода менялся в пределах от 130 до 480 мкм.

Из фиг. 3 видно, что наклон графика, отражающего эту зависимость, очень мал, поскольку сопротивление барьерного слоя в спроектированной таким образом структуре определяется объемной компонентой темнового тока. Поверхностная утечка не оказывает влияния на эту зависимость, поскольку ширина области пространственного заряда, выступающей за край полевого электрода, много меньше расстояния от краев полевого электрода до боковых стенок мезаструктуры.

Фиг. 4 демонстрирует зависимость сопротивления барьерного слоя в nBn-структурах от площади полевого контакта. Видно, что сопротивление барьера, то есть эффективность подавления барьером темнового тока тем выше, чем меньше диаметр полевого электрода и, следовательно, больше расстояние от края электрода до края мезаструктуры.

Источники информации

1. Gu R. MBE growth of HgCdTe on GaSb substrates for application in next generation infrared detectors / R. Gu, J. Antoszewski, W. Lei, I. Madni, G. Umana-Membrenao, and L. Faraone // J. Cryst. Growth. - 2017. - V. 468. - P. 216-219.

2. Бурлаков И.Д. Твердотельная фотоэлектроника. Современное состояние и прогноз развития (обзор к 50-летию факультета физической и квантовой электроники Московского физико-технического института) / И.Д. Бурлаков, А.И. Дирочка, М.Д. Корнеева, В.П. Пономаренко, А.М. Филачев // Успехи прикладной физики. - 2014. - Т. 2, № 5. - С. 509-518.

3. М.A. Kinch. The future of infrared; III - Vs or HgCdTe? // J. Electron. Mater. - 2015. - V. 44, № 9. - P. 2969-2976.

4. Maimon S. nBn detector, an infrared detector with reduced dark current and higher operating temperature / S. Maimon, G.W. Wicks // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 89, Issue 15 - P. 151109.

5. Kopytko M. Different cap-barrier design for MOCVD grown HOT HgCdTe barrier detectors / M. Kopytko, A. Keblowski, W. Gawron, P. Madejczyk // Opto-Electronics Review. - 2015. - V. 23 (2). - P. 143-148.

6. Itsuno A.M. Bandgap-Engineered Mercury Cadmium Telluride Infrared Detector Structures for Reduced Cooling Requirements: Doctoral dissertation. University of Michigan, 2012.

7. Kopytko M. HgCdTe barrier infrared detectors / M. Kopytko, A. Rogalski // Progress in Quantum Electronics. 2016. V. 47. P. 1-18.

8. Bubulac L.O. Defects, diffusion and activation in ion implanted HgCdTe // J. Crystal Growth. - 1988. - V. 86, № 1-4. - P. 723-734.

9. Talipov N. Annealing kinetics of radiation defects in boron-implanted p-Hg1-xCdxTe / N. Talipov, A. Voitsekhovskii // Semicond. Sci. Technol. 2018. V. 33, №6. 065009 (8 pp.).

10. Martyniuk P. Theoretical modelling of MWIR thermoelectrically cooled nBn HgCdTe detector / P. Martyniuk, A. Rogalski // Bulletin of the polish academy of sciences. Technical sciences. - 2013. - V. 61, № 1. - P. 211-220.

11. Ye Z.H. Modeling of LWIR nBn HgCdTe photodetector / Z.H. Ye, Y.Y. Chen, P. Zhang, C. Lin, X.N. Hu, R.J. Ding, L. He // Proc. of SPIE. - 2014. - V. 9070. - P. 90701L-1.

12. Akhavan N.D. Theoretical Study of Midwave Infrared HgCdTe nBn Detectors Operating at Elevated Temperatures / N.D. Akhavan, G. Jolley, G.A. Umana-Membreno, J. Antoszewski, L. Faraone // J. Electron. Mater. - 2015. - V. 44, № 9. - P. 3044-3055.

13. Kopytko M. Status of HgCdTe barrier infrared detectors grown by MOCVD in Military University of Technology / M. Kopytko, K. , P. Martyniuk, W. Gawron, P. Madejczyk, A. Kowalewski, O. Markowska, A. Rogalski, J. Rutkowski // J. Electron. Mater. - 2016. - V. 45, № 9. - P. 4563-4573.

14. Kopytko M. Engineering the bandgap of unipolar HgCdTe-based nBn infrared photodetectors / M. Kopytko, J. K. A. Rogalski, Jarek Antoszewski, N.D. Akhavan, Gilberto A. Umana-Membreno, Lorenzo Faraone, C.R. Becke r // J. Electron. Mater. 2015. V. 44, № 1. P. 158-166.

15. Velicu S. Theoretical and experimental investigation of MWIR HgCdTe nBn detectors / S. Velicu, J. Zhao, M. Morley, A.M. Itsuno, J.D. Phillips // Proc. SPIE. - 2012. - V. 8268. - P. 82682X.

16. Пат. RU2529457 C1, МПК H01L 31/101. Фоточувствительная к инфракрасному излучению структура и способ ее изготовления / А.В. Войцеховский, С.Н. Несмелов, СМ. Дзядух, Е.Ю. Сидоров, С.А. Дворецкий, Н.Н. Михайлов, B.C. Варавин, М.В. Якушев, В.В. Васильев, заявл. 17.07.2013, опубл. 27.09.2014.

17. Rogalski A. Third-generation infrared photodetector arrays / A. Rogalski, J. Antoszewski, L. Faraone // J. Appl. Phys. - 2009. - Vol. 105. - № 9. - P. 4.

18. Пат. US 4679063 A, МПК G01J 5/02. Infra red detectors / A.M. White. - заявл. 23.09.1982; опубл. 07.07.1987.

19. Пат. WO 2012148634 A1, МПК H01L 31/0296. Minority carrier based HgCdTe infrared detectors and arrays / M.A. Kinch, C.A. Schaak. - заявл. 28.04.2011, опубл. 01.11.2012.

20. Пат. US 9048357 B2, МПК H01L 31/0352. Semiconductor structure, device comprising such a structure, and method for producing a semiconductor structure / O. Gravrand, A. Ferron. - заявл. 04.01.2012, опубл. 02.06.2015.

Изобретение относится к фотоприемным устройствам инфракрасного диапазона длин волн и технологии их изготовления. Фоточувствительная к инфракрасному излучению структура включает подложку, расположенный на подложке первый слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется от 1 на границе с подложкой до х_ПС на границе с поглощающим слоем, расположенный на первом слое с переменным составом однородный по составу поглощающий слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х_ПС=0,22-0,4 толщиной 2-4 мкм, расположенный на поглощающем слое второй слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_ПС на границе с поглощающим слоем до х_Б на границе с барьерным слоем, расположенный на втором слое с переменным составом однородный по составу барьерный слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х_Б=0,6-0,7 толщиной 0,2-0,5 мкм, расположенный на барьерном слое третий слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_Б на границе с барьерным слоем до х_КС на границе с контактным слоем, расположенный на третьем слое с переменным составом однородный по составу контактный слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х_КС=0,22-0,4 толщиной 1-2 мкм, расположенный на контактном слое четвертый слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_КС на границе с контактным слоем до х_Д=0,6-1,0, при этом на четвертом слое из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом располагается пассивирующий слой, а металлический полевой электрод из In нанесен на поверхность пассивирующего слоя, причем геометрические размеры полевого электрода выбирают таким образом, чтобы минимальное расстояние от края полевого электрода до края площадки, ограничивающей область фоточувствительной структуры, было бы равно 1,0-1,2 мкм. Также предложен способ изготовления данной фоточувствительной структуры. Изобретение обеспечивает устранение наблюдаемого вклада токов поверхностной утечки в формирование темнового сигнала фоточувствительной nBn-структуры на основе КРТ. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фоточувствительная к инфракрасному излучению структура, включающая подложку, расположенный на подложке первый слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется от 1 на границе с подложкой до х_ПС на границе с поглощающим слоем, расположенный на первом слое с переменным составом однородный по составу поглощающий слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х_ПС=0,22-0,4 толщиной 2-4 мкм, расположенный на поглощающем слое второй слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_ПС на границе с поглощающим слоем до х_Б на границе с барьерным слоем, расположенный на втором слое с переменным составом однородный по составу барьерный слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х_Б=0,6-0,7 толщиной 0,2-0,5 мкм, расположенный на барьерном слое третий слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_Б на границе с барьерным слоем до х_КС на границе с контактным слоем, расположенный на третьем слое с переменным составом однородный по составу контактный слой из Cd_xHg_1-xTe с составом х_КС=0,22-0,4 толщиной 1-2 мкм, расположенный на контактном слое четвертый слой из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_КС на границе с контактным слоем до х_Д=0,6-1,0, отличающаяся тем, что на четвертом слое из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом располагается пассивирующий слой, а металлический полевой электрод из In нанесен на поверхность пассивирующего слоя, причем геометрические размеры полевого электрода выбирают таким образом, чтобы минимальное расстояние от края полевого электрода до края площадки, ограничивающей область фоточувствительной структуры, было бы равно 1,0-1,2 мкм.

2. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что полупроводниковые слои легированы In с концентрацией легирующей примеси 10¹⁴-10¹⁶ см^-3 однородно по всей толщине.

3. Структура по п. 2, отличающаяся тем, что профиль легирования In может быть неоднородным по толщине структуры с концентрацией легирующей примеси 10¹⁴-10¹⁶ см^-3.

4. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что подложка выполнена из GaAs и на нее нанесены слой ZnTe и слой CdTe, входящие в состав подложки.

5. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что подложка выполнена из Si и на нее нанесены слой ZnTe и слой CdTe, входящие в состав подложки.

6. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что подложка выполнена из CdZnTe и на нее нанесены слой ZnTe и слой CdTe, входящие в состав подложки.

7. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что подложка выполнена из CdZnTe и на нее нанесен слой CdTe, входящий в состав подложки.

8. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что подложка выполнена из CdTe.

9. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что пассивирующий слой выполнен из Al₂O₃.

10. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что пассивирующий слой выполнен из SiO₂ с нанесенным на него сверху Si₃N₄.

11. Структура по п. 1, отличающаяся тем, что пассивирующий слой выполнен из SiO₂ с нанесенным на него сверху ZnTe.

12. Способ изготовления барьерной фоточувствительной к инфракрасному излучению структуры по п. 1, включающий подготовку подложки к нанесению на нее последующих слоев и нанесение в ростовой камере методом молекулярно-лучевой эпитаксии последовательно первого слоя из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется от 1 на границе с подложкой до х_ПС на границе с поглощающим слоем, однородного по составу поглощающего слоя из Cd_xHg_1-xTe с составом х_ПС=0,22-0,4 толщиной 2-4 мкм, второго слоя из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_ПС на границе с поглощающим слоем до х_Б на границе с барьерным слоем, однородного по составу барьерного слоя из Cd_xHg_1-xTe с составом х_Б=0,6-0,7 толщиной 0,2-0,5 мкм, третьего слоя из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_Б на границе с барьерным слоем до х_КС на границе с контактным слоем, однородного по составу контактного слоя из Cd_xHg_1-xTe с составом х_КС=0,22-0,4 толщиной 1-2 мкм, четвертого слоя из Cd_xHg_1-xTe с переменным составом, в котором х изменяется в пределах от х_КС на границе с контактным слоем до Х_Д=0,6-1,0, вынос выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктуры из ростовой камеры, отличающийся тем, что одним из низкотемпературных методов производится нанесение пассивирующего слоя, сверху на который методом низкотемпературного термического напыления наносится полевой электрод таким образом, чтобы минимальное расстояние от края полевого электрода до края площадки, ограничивающей область фоточувствительной структуры, было бы равно 1,0-1,2 мкм.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что полупроводниковая структура легирована In с концентрацией легирующей примеси 10¹⁴-10¹⁶ см^-3 однородно по всей толщине непосредственно в ростовой камере.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что полупроводниковая структура легирована In с концентрацией легирующей примеси 10¹⁴-10¹⁶ см^-3 с неоднородным по толщине структуры профилем непосредственно в ростовой камере.

15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что подложка выполнена из GaAs, и на нее в ростовой камере перед выращиванием поглощающего слоя нанесены слой ZnTe и слой CdTe.

16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что подложка выполнена из Si, и на нее в ростовой камере перед выращиванием поглощающего слоя нанесены слой ZnTe и слой CdTe.

17. Способ по п. 12, отличающийся тем, что подложка выполнена из CdZnTe, и на нее в ростовой камере перед выращиванием поглощающего слоя нанесены слой ZnTe и слой CdTe.

18. Способ по п. 12, отличающийся тем, что подложка выполнена из CdZnTe, и на нее в ростовой камере перед выращиванием поглощающего слоя нанесен слой CdTe.

19. Способ по п. 12, отличающийся тем, что подложка выполнена из CdTe.

20. Способ по п. 12, отличающийся тем, что после извлечения гетероструктуры из ростовой камеры одним из низкотемпературных методов изготавливается пассивирующий слой из Al₂O₃.

21. Способ по п. 12, отличающийся тем, что после извлечения гетероструктуры из ростовой камеры одним из низкотемпературных методов изготавливается пассивирующий слой из SiO₂ с нанесенным на него сверху Si₃N₄.

22. Способ по п. 12, отличающийся тем, что после извлечения гетероструктуры из ростовой камеры одним из низкотемпературных методов изготавливается пассивирующий слой из SiO₂ с нанесенным на него сверху ZnTe.