Способ изготовления двухспектрального фоточувствительного элемента на основе барьера Шоттки Российский патент 2023 года по МПК H01L29/872 

Заявляемый способ изготовления двухспектрального фоточувствительного элемента относится к области технологий производства полупроводниковых приборов, предназначенных для обнаружения и регистрации излучений ближнего ультрафиолетового (УФ) и среднего инфракрасного (ИК) спектрального диапазона.

Способ изготовления устройства включает в себя формирование на эпитаксиальной структуре GaP n-типа фотодиодов Шоттки с разными высотами барьеров для независимой регистрации ближнего УФ и среднего ИК излучений. Создание устройства включает в себя формирование на эпитаксиальной структуре фоточувствительных элементов, диодов Шоттки. Диод Шоттки с высотой барьера 1,3 В, предназначенный для регистрации ближнего УФ излучения, сформирован на эпитаксиальном слое с концентрацией n = 10¹⁶ см^-3, а диод Шоттки с высотой барьера 0,3 В, предназначенный для регистрации среднего ИК излучения, сформирован на подложке с концентрацией n = 2×10¹⁹ см^-3.

Устройства, полученные этим способом, являются двухспектральными фотоприемными приборами, имеющими возможность одновременно принимать оптические излучения с разными длинами волн, ближнего УФ и среднего ИК.

Заявляемый способ позволяет изготавливать устройства, способные работать в двух спектральных диапазонах - ближнем УФ и среднем ИК, являющимися двухспектральными фотоприемниками: часть элементов сформирована на эпитаксиальном слое GaP по меза-технологии имеющимся фотошаблоном, и работающие в ближнем ультрафиолетовом диапазоне, как пороговые приборы (чувствительность обеспечивается за счет собственного поглощения), другая часть элементов сформирована на подложке GaP, с использованием нового фотошаблона по меза-технологии с предварительным травлением (фотошаблон нанесен на подложку омического контакта), работающие в среднем инфракрасном диапазоне, как обнаружители мощных оптических сигналов (чувствительность обеспечивается за счет поглощения на свободных носителях заряда и разделении «горячих» носителей на барьере Шоттки с более низкой высотой барьера).

Наиболее близким к заявляемому способу и принятым за прототип является способ изготовления двухспектрального фотоприемного элемента, изобретение двухспектрального фотоприемного устройства [патент RU 2708553, H01L 27/14], в котором создание фоточувствительного элемента, предназначенного для детектирования мощных оптических сигналов среднего ИК за счет поглощения на свободных носителях заряда и разделении «горячих» носителей на барьере Шоттки с более низкой высотой барьера, было получено формированием диода Шоттки к приповерхностной области с повышенной концентрацией носителей заряда n = 10¹⁹ см^-3, методом ионной имплантации, на эпитаксиальном слое.

Способ изготовления прототипа включает в себя следующие технологические операции:

1. Формирование маски фоторезиста под ионную имплантацию в эпитаксиальный слой;

2. Ионная имплантация;

3. Удаление фоторезиста;

4. Осаждение диэлектрика на обе стороны;

5. Отжиг имплантированного слоя;

6. Удаление диэлектрика с обеих сторон;

7. Напыление AuGe на обратную сторону подложки;

8. Быстрый термический отжиг (БТО);

9. Напыление Ti-Au на обратную сторону подложки;

10. Напыление барьерного Au на эпитаксиальный слой;

11. Травление барьерного Au + меза-технология;

12. Формирование маски фоторезиста под «взрыв»;

13. Напыление контактного Аи на эпитаксиальный слой;

14. «Взрыв» Au с фоторезистом.

В заявляемом способе технический результат достигается тем, что для создания фоточувствительного элемента, предназначенного для детектирования мощных оптических сигналов среднего ИК за счет поглощения на свободных носителях заряда и разделении «горячих» носителей на барьере Шоттки с более низкой высотой барьера, была задействована сама подложка, концентрация носителей заряда в которой (n = 2×10¹⁹ см^-3) выше, чем в эпитаксиальном слое (n = 10¹⁶ см^-3). Это реализуется следующими технологическими операциями:

1. Напыление AuGe на обратную сторону подложки;

2. Быстрый термический отжиг (БТО);

3. Напыление Ti4-Au на обратную сторону подложки;

4. Формирование маски фоторезиста на обратной стороне под травление Au-Ti-AuGe до подложки;

5. Напыление барьерного Au на обратную сторону подложки;

6. Травление барьерного Au + меза-технология;

7. Напыление барьерного Au на эпитаксиальный слой;

8. Травление барьерного Au + меза-технология;

9. Формирование маски фоторезиста под «взрыв»;

10. Напыление контактного Au на эпитаксиальную сторону;

11. «Взрыв» Au с фоторезистом.

Способ изготовления двухспектрального фоточувствительного элемента включает в себя формирование на эпитаксиальной структуре GaP n - типа фотодиодов Шоттки для независимой регистрации ближнего УФ и среднего ИК спектра. Формирование кристалла включает в себя: создание на подложке эпитаксиальной структуры GaP с концентрацией носителей заряда n = 2×10¹⁹ см^-3 омического контакта (AuGe-GaP), контактной металлизации (Au-Ti), диода Шоттки (Au-GaP); создание на эпитаксиальном слое GaP с концентрацией носителей заряда n = 10¹⁶ см^-3 диода Шоттки (Au-GaP), контакта к диоду Шоттки (Au).

Способ изготовления поясняется рисунком фиг.1. Структура двухспектрального фоточувствительного элемента.

Устройство с фоточувствительными элементами в виде диодов Шоттки изготовленное по заявляемому способу представляет собой однослойную эпитаксиальную структуру на основе фосфида галлия (GaP) включает в себя:

1 - подложку монокристаллического GaP (n = 2×10¹⁹ см^-3);

2 - эпитаксиальный слой GaP (n = 10¹⁶ см^-3);

3 - омический контакт к подложке золото-германий (Au-Ge);

4 - золото с подслоем титана (Au-Ti);

5 - толстое золото (d _(Au) = 3000 Å) к подложке выполняющее функцию барьерного и контактного;

6 - тонкое барьерное золото (d _(Au) = 100 Å) и толстое контактное (d _(Au) = 3000 Å) к эпитаксиальному слою.

Две вариации фоточувствительных элементов на основе барьера Шоттки Au-GaP одного типа проводимости чувствительны в двух разных диапазонах спектра: ближнем УФ и среднем ИК.

Заявляемый способ изготовления отличается от способа прототипа тем, что диод Шоттки, с низкой высотой барьера, для регистрации среднего ИК излучения формируется к подложке эпитаксиальной структуры GaP с высокой концентрацией носителей заряда n = 2×10¹⁹ см^-3, тогда как в способе-прототипе для создания такого же диода Шоттки была сделана ионная имплантация в эпитаксиальный слой, с целью создания на поверхности эпитаксиального слоя области с повышенной концентрацией носителей заряда n = 10¹⁹ см^-3, в сравнении с исходной концентрацией эпитаксиального слоя n = 10¹⁶ см^-3.

Преимущество предлагаемого способа изготовления двухспектрального фоточувствительного элемента состоит в том, что использование подложки GaP с исходной высокой концентрацией носителей заряда n = 2×10¹⁹ см^-3 при формировании диода Шоттки с низкой высотой барьера для регистрации среднего ИК излучения стабильнее, чем использование ионной имплантации с последующим отжигом, для достижения той же цели.

Способ используется для изготовления двухспектральных фоточувствительных устройств, предназначенных для независимой регистрации излучений в ближнем ультрафиолетовом (УФ) и среднем инфракрасном (ИК) диапазонах спектра. Сущность: способ изготовления двухспектрального фоточувствительного элемента на основе барьера Шоттки включает нанесение AuGe на обратную сторону подложки, быстрый термический отжиг, напыление Ti-Au на обратную сторону подложки, напыление барьерного Аu на эпитаксиальный слой, травление барьерного Au с использованием меза-технологии, формирование маски фоторезиста под «взрыв», «взрыв» Аu с фоторезистом, при этом после операции напыления Ti-Au проводятся следующие операции: формирование маски фоторезиста на обратной стороне подложки под травление Au-Ti-AuGe до подложки, напыление барьерного Аu на обратную сторону подложки, травление барьерного Au с использованием меза-технологии. 1 ил.

Способ изготовления двухспектрального фоточувствительного элемента на основе барьера Шоттки, включающий нанесение AuGe на обратную сторону подложки, быстрый термический отжиг (БТО), напыление Ti-Au на обратную сторону подложки, напыление барьерного Аu на эпитаксиальный слой, травление барьерного Au с использованием меза-технологии, формирование маски фоторезиста под «взрыв», «взрыв» Аu с фоторезистом; отличающийся тем, что после операции напыления Ti-Au проводятся следующие операции: формирование маски фоторезиста на обратной стороне подложки под травление Au-Ti-AuGe до подложки, напыление барьерного Аu на обратную сторону подложки, травление барьерного Au с использованием меза-технологии.