Способ создания фоточувствительной поверхностно-барьерной структуры Российский патент 2024 года по МПК H01L31/18 

Область техники

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники и может быть использовано для систем регистрации оптической информации.

Уровень техники

Известна фоточувствительная структура для регистрации оптических сигналов (Gabriel Omar Mendoza Conde, José Alberto Luna López, Zaira Jocelyn Hernández Simón, José Álvaro David Hernández de la Luz, Godofredo García Salgado, Erick Gastellou Hernández, Haydee Patricia Martínez Hernández and Javier Flores Méndez. MIS-Like Structures with Silicon-Rich Oxide Films Obtained by HFCVD: Their Response as Photodetectors. Sensors 2022, 22, 3904. https://doi.org/10.3390/s22103904), заключающаяся в том, что фоточувствительный элемент выполнен на основе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структуры) в составе тонкого слоя золота в качестве металла, слоя нестехиометрического оксида кремния (SiO_x) в качестве диэлектрика и кремния в качестве полупроводника.

К недостаткам данной технологии, относится то, что поглощение фотонов происходит в слое SiO_x с оптической щелью 2,5 эВ, что существенно понижает фототок в видимом и ИК-диапазоне. Толщина слоёв SiO_x составляла от 247 нм и более, что также понижает фототок, необходимо было использовать довольно высокое обратное смещение (от -4 вольт и более). Также требовались высокие температуры отжига для оптимизации свойств слоёв SiO_x - 1050 градусов по шкале Цельсия.

Известно устройство регистрации оптических сигналов (фотодиод) (патент РФ №140587U1RU, МПК: H01L 31/00) заключающееся в том, что для регистрации ультрафиолетового излучения, используется омический контакт и эпитаксиальный слой, на котором сформирован контакт из серебра, образующий барьер Шоттки к эпитаксиальному слою, выполненному из Al_xGa_1-xN, где x от 0-0,24.

К недостаткам этого устройства, относится то, что в качестве поглощающего элемента используется слой широкозонного полупроводника, что не позволяет регистрировать фототок в видимом и ИК-диапазоне излучения.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения заключается в создании фоточувствительной структуры диода Шоттки.

Технический результат изобретения заключается в получении фототока в широком спектральном диапазоне.

Способ создания фоточувствительной поверхностно-барьерной структуры, характеризующийся тем, что на кремниевую подложку с туннельно-тонким диэлектриком, выполненным из оксида кремния, наносят прозрачный для излучения проводящий электрод. Между туннельно-тонким диэлектриком и прозрачным для излучения проводящим электродом осаждают германосиликатное стекло ([GeO]_x[SiO₂]_1-x), где x от 0,25-0,75, толщиной от 25 до 100 нм, для этого термовакуумным методом одновременно испаряют диоксид кремния и оксид германия. Германосиликатное стекло осаждают при температуре подложки 20-200°С. Полученную фоточувствительную поверхностно-барьерную структуру подвергают термообработке при температуре 500°C, в течение 30 минут.

Технический результат достигается тем, что в фоточувствительную поверхностно-барьерную структуру, содержащую кремниевую подложку с туннельно-тонким диэлектриком, нанесенным со стороны воздействия излучения, между туннельно-тонким диэлектриком и нанесенным со стороны воздействия излучения полупрозрачным электродом вводится диэлектрический слой германосиликатного стекла (GeSi_xO_y). В результате поглощение излучения происходит не только в приповерхностной области подложки кремния, но также и в слое диэлектрика.

При нанесении тонких пленок в вакууме одновременно протекают три основных процесса: генерация направленного потока частиц испаряемого вещества; пролет их в разреженном пространстве от источника к подложке; осаждение (конденсация) частиц на поверхности с образованием слоев. В связи с этим, технологические установки физического осаждения должны обеспечивать оптимальность действия указанных процессов для формирования пленок в вакууме с заданными свойствами. Независимо от конкретного назначения, конструктивно установка осаждения состоит из следующих основных частей: вакуумной камеры, системы вакуумной откачки для обеспечения необходимого разрежения; источника потока частиц пленкообразующего материала (ПОМ); нагреваемого держателя подложек, позиционирующего ввод подложек в зону осаждения.

Метод термического испарения основан на нагреве пленкообразующего вещества, находящегося в специальных испарителях или тиглях, до температуры, при которой начинается заметный процесс испарения. В случае резистивного испарения для нагрева вещества используются в основном два типа испарителей: прямонакальные проволочные (или ленточные) испарители, изготовленные из тугоплавких материалов (прямой разогрев), и керамические тигли, нагреваемые внешним спиральным нагревателем (косвенный разогрев). В этих случаях ПОМ находится в контакте с испарителем (тиглем), и разогрев происходит под действием джоулева тепла, возникающего при пропускании тока через проволочный или ленточный нагреватель. Также может быть использован электронно-лучевой нагрев или лазерный нагрев.

Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до его активного испарения и конденсации испаренных атомов на поверхности подложки.

Разогрев испаряемого вещества до температур, при которых оно интенсивно испаряется, осуществляют электронным или лазерным лучом, СВЧ-излучением, с помощью резистивных подогревателей (путем непосредственного пропускания электрического тока через образец из нужного вещества или теплопередачей от нагретой спирали).

Толщина подложки определяется её механической прочностью и составляет от 100 до 600 мкм. Толщина слоя естественного оксида кремния составляет от 2 до 3 нм. Толщина слоя германосиликатного стекла (GeSi_xO_y) определяется оптимальным сопротивлением для фототока и темнового тока и составляет от 25 до 100 нм. Толщина слоя прозрачного электрода ITO определяется оптимальным соотношением между поверхностным сопротивлением и коэффициентом пропускания и составляет от 100 до 200 нм.

Латеральные размеры фотодиода определяются латеральными размерами верхнего прозрачного электрода и требуемой площадью фотодиода и составляют от 10 до 1000 мкм.

В частном варианте выполнения способа, создание фоточувствительной поверхностно - барьерной структуры, заключается в том, что подложку, изготовленную из монокристаллического кремния, покрывают слоем туннельно-тонкого оксида кремния. Далее методом физического испарения и осаждения в вакуумной камере с предварительной откачкой до давления 10^-6 Па наносят диэлектрический слой германосиликатного стекла толщиной от 25 до 100 нм. Методом магнетронного распыления наносят электропроводящий слой, изготовленный из оксида олова-индия, толщиной от 100 до 200 нм и поверхностным сопротивлением от 40 до 80 Ом.

В альтернативном варианте выполнения способа, подложку, изготовленную из монокристаллического кремния, покрывают слоем оксида кремния и методом физического испарения и осаждения на подложку наносят слой аморфного германия толщиной от 2 до 5 нм.

Осуществление изобретения

Пример №1

В процессе создания фоточувствительной поверхностно - барьерной структуры на кремниевую подложку с туннельно-тонким диэлектриком из естественного окисла, методом физического испарения электронным пучком в вакуумной камере с предварительной откачкой до давления 10^-6 Па одновременно диоксида кремния и оксида германия осаждают германосиликатное стекло ([GeO]_x[SiO₂]_1-x), с x равным 0,5, толщиной 30 нм, при температуре подложки 20°С. Далее методом магнетронного распыления наносят проводящий электрод из слоя оксида индия-олова (ITO) толщиной 100 нм с поверхностным сопротивлением 80 Ом.

Пример №2

В процессе создания фоточувствительной поверхностно - барьерной структуры вначале на кремниевую подложку методом физического испарения электронным пучком в вакуумной камере с предварительной откачкой до давления 10^-6 Па осаждается слой туннельно-тонкого диэлектрика из диоксида кремния толщиной 2 нм, затем, методом физического испарения электронным пучком одновременно диоксида кремния и оксида германия осаждают германосиликатное стекло ([GeO]_x[SiO₂]_1-x), с x равным 0,75, толщиной 100 нм, при температуре подложки 200°С. Далее методом магнетронного распыления наносят проводящий электрод из слоя оксида индия-олова (ITO) толщиной 200 нм и поверхностным сопротивлением 40 Ом. Полученную структуру подвергают термообработке при температуре 500°C, в течение 30 минут.

Способ создания фоточувствительной поверхностно-барьерной структуры, характеризующийся тем, что на кремниевую подложку с туннельно-тонким диэлектриком наносят полупрозрачный проводящий электрод. Между туннельно-тонким диэлектриком и прозрачным для излучения проводящим электродом методом физического испарения в вакуумной камере с предварительной откачкой до давления 10^-6 Па одновременно диоксида кремния и диоксида германия осаждают германосиликатное стекло ([GeO]_x[SiO₂]_1-x), с x от 0,25 до 0,75 толщиной от 25 до 100 нм, при температуре подложки 20 до 200°С. Далее наносят прозрачный для излучения проводящий электрод. Технический результат изобретения заключается в получении фототока в широком спектральном диапазоне. 2 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Способ создания фоточувствительной поверхностно-барьерной структуры, характеризующийся тем, что на кремниевую подложку с туннельно-тонким диэлектриком, выполненным из оксида кремния, наносят прозрачный для излучения проводящий электрод, отличающийся тем, что между туннельно-тонким диэлектриком и прозрачным для излучения проводящим электродом осаждают германосиликатное стекло ([GeO]_x[SiO₂]_1-x), где x от 0,25-0,75, толщиной от 25 до 100 нм, для этого термовакуумным методом одновременно испаряют диоксид кремния и оксид германия.

2. Способ создания фоточувствительной поверхностно-барьерной структуры по п.1, отличающийся тем, что германосиликатное стекло осаждают при температуре подложки 20-200°С.

3. Способ создания фоточувствительной поверхностно-барьерной структуры по п.1 отличающийся тем, что полученную фоточувствительную поверхностно-барьерную структуру подвергают термообработке при температуре 500°C в течение 30 минут.