СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОДИОДОВ Советский патент 2014 года по МПК H01L21/02 

Изобретение относится к области полупроводниковой фотоэлектроники, а точнее полупроводниковым фотодетекторам ИК излучения.

Для создания эффективных фотоприемников для средней ИК области спектра одним из перспективных материалов является арсенид индия, (InAs), имеющий ширину запрещенной зоны 0,41 эВ (T=77 K). Как известно, важнейшим параметром, определяющим как фотоэлектрические, так и электрические характеристики фотодиода является величина дифференциального сопротивления в нуле смещения, R₀, или R₀S-произведение R₀ на площадь фотодетектора. Этим параметром определяются характеристики чувствительности и, соответственно, возможности применения этих фотоприемников для решения специальных задач, в том число и оборонного значения. Повышение R₀ важно как при создании одноэлементных, так и многоэлементных фотоприемников.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления фотодиода путем формирования на подложке InAs n-типа проводимости слоя InAs p-типа проводимости и нанесения контактов, согласно формуле изобретения, на слой InAs p-типа проводимости наращивают слой широкозонного твердого раствора InAsSbP p-типа проводимости с концентрацией дырок 10¹⁶ см^-3<p<10¹⁸ см^-3.

Слой InAs p-типа проводимости формируют в процессе наращивания слоя широкозонного твердого раствора InAsSbP p-типа проводимости.

Таким образом изготовленный фотодиод представляет собой трехслойную структуру с контактами.

Сущность изобретения и доказательство существенности признаков

Хорошо известно, что на поверхности InAs p-типа почти всегда, за исключением, может быть, сильнолегированных образцов, образуется инверсионный n-слой. Поэтому следовало ожидать, что независимо от способа создания p-n перехода (диффузией, эпитаксией и др.) инверсионный слой будет служить дополнительным каналом протекания тока и в этой связи дифференциальное сопротивление в нуле смещения будет снижено в той или иной степени в зависимости от параметров слоя.

Эпитаксиальное наращивание широкозонного слоя твердого раствора InAsSbP p-типа с концентрацией дырок 10¹⁶ см^-3<p<10¹⁸ см^-3 приводит к следующему: благодаря формированию p-InAs вследствие диффузии легирующей примеси из твердого раствора p-n переход лежит неглубоко от гетерограницы в n-InAs. Вследствие этого отрицательное влияние инверсионного слоя на p-слое InAs будет резко снижено вследствие двух причин. Во-первых, благодаря отсечению значительной части инверсионного слоя, находящейся на фронтальной (освещаемой) поверхности, и, во-вторых, благодаря блокирующему барьеру на границе инверсионный слой - p-InAsSbP.

Легирование InAsSbP до концентраций p>10¹⁸ см^-3 увеличит туннельную компоненту механизма токопрохождения, что приведет к снижению R₀. Уменьшение концентрации легирующей акцепторной примеси в твердом растворе до p<10¹⁶ см^-3 приведет, с одной стороны, к увеличению вероятности образования инверсионного слоя и на поверхности твердого раствора, а с другой, - не приведет к созданию p-n перехода.

Возможность формирования p-слоя InAs в процессе эпитаксиального наращивания твердого раствора InAsSbP p-типа определяется следующими факторами: во-первых, в этом случае обеспечивается неглубокое залегание p-n перехода (≤5 мкм), что снижало площадь инверсионного слоя и приводит к максимуму квантового выхода фотоэффекта; во-вторых, снижалось влияние изотипной гетерограницы p-InAs-p-InAsSbP на механизм объемного токопрохождения, в то время как двухступенчатый процесс увеличит вероятность образования большой плотности промежуточных состояний.

Таким образом, каждый из перечисленных признаков необходим, а все вместе они достаточны для достижения цели.

Доказательство существенности отличий

На момент подачи заявки из знания мирового уровня техники не известна заявленная совокупность признаков, хотя по отдельности некоторые признаки могут быть известны. Так, например, известно техническое решение, в совокупности признаков которого входит 10¹⁶ см^-3<p<10¹⁸ см^-3. Это приводит к достигнутым значениям R₀S 2·10³ Ом·см².

В результате взаимовлияния признаков заявленной совокупности, включающей эпитаксиальное наращивание широкозонного твердого раствора InAsSbP p-типа с оптимальной концентрацией дырок 10¹⁶  см^-3<p<10¹⁸ см^-3 на подложку InAs n-типа удалось выявить новое свойство, состоящее в существенном снижении влияния инверсионного слоя, служащего каналом шунтирующей проводимости, что в свою очередь позволило увеличить дифференциальное сопротивление R₀ фотодиода на основе InAs, получив значение R₀S=9·10⁴ Ом·см².

Сущность изобретения поясняется технологической схемой, изображенной на чертеже: 1 - слой n-InAs, 2 - слой p-InAs, 3 - широкозонный слой p-InAsSbP, 4 - инверсионный слой, 5, 6 - контакты.

Пример конкретной реализации

Для создания фотодиодов по предлагаемому способу использовались подложки n-InAs (III) с n=(1-3)·10¹⁶ см^-3. Подложки имели размеры 10×12 мм² и перед процессом наращивания обрабатывались в травителе СР-4 в течение 3 с для удаления нарушенного слоя при химико-динамической обработке.

Раствор-расплав заданного состава готовился смешением необходимых компонент, гомогенизировался при температуре 720°C в течение 1,5 час, далее следовало снижение температуры до 710°C и расплав приводился в контакт с подложкой n-InAs. Система охлаждалась со скоростью 0,46 °/мин на 8°C, после чего подложка с выращенным слоем InAsSbP механически выводилась из-под раствора-расплава. В процессе наращивания твердого раствора в результате диффузии цинка в подложку формировался p-слой InAs. Далее пластина разрезалась на отдельные заготовки, затем создавались омические контакты к p-InAsSbP пайкой In: 5% Zn, к n-InAs вплавлением индия. Электрохимической обработкой достигался максимальный фотоответ и требуемая геометрия фотодиода.

В созданных фотодиодах определялось дифференциальное сопротивление при нулевом смещении по вольтамперным характеристикам.

Пример №1. InAs_1-x-ySb_xP_y; x=0,06, y=0,12

Состав: $$X_{As}^L=\mathrm{5,77}\cdot {10}^{-2}\text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ , $$X_P^L=3\cdot {10}^{-3}\text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ , $$X_{Sb}^L=\mathrm{0,365}\text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ , $$X_{In}^L=\mathrm{0,574}\cdot \text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ , $$X_{Zn}^L=3\cdot {10}^{-4}\text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ (p=10¹⁷ см^-3).

R₀S=9·10⁴ Ом·см² при T=77 K.

Аналогично примеру №1 изготавливался фотодиод в примере №2 с той лишь разницей, что концентрация дырок p=8·10¹⁷ см^-3.

Пример №2. InAs_1-x-ySb_xP_y; x=0,06, y=0,12

Состав: $$X_{As}^L=\mathrm{5,77}\cdot {10}^{-3}\text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ , $$X_P^L=3\cdot {10}^{-3}\text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ , $$X_{Sb}^L=\mathrm{0,365}\text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ , $$X_{In}^L=\mathrm{0,574}\cdot \text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ , $$X_{Zn}^L=7\cdot {10}^{-4}\text{ ат}\text{.д}\text{.}$$ (p=8·10¹⁷ см^-3).

R₀S=7,5·10³ Ом·см² при T=77 K.

Таким образом, по сравнению с прототипом, полученные R₀S больше в 11,4 раза.

Способ относится к области полупроводниковой фотоэлектроники и полупроводниковым фотодетекторам ИК излучения. Способ заключается в формировании на подложке InAs n-типа проводимости слоя InAs p-типа проводимости. При этом перед нанесением контактов на слой InAs p-типа проводимости наращивают слой широкозонного твердого раствора InAsSbP p-типа проводимости с концентрацией дырок 10¹⁶ см^-3÷10¹⁸ см^-3. Технический результат заключается в повышении дифференциального сопротивления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления фотодиодов, включающий формирование на подложке InAs n-типа проводимости слоя InAs p-типа проводимости и нанесение контактов, отличающийся тем, что, с целью повышения дифференциального сопротивления, перед нанесением контактов на слой InAs p-типа проводимости наращивают слой широкозонного твердого раствора InAsSbP p-типа проводимости с концентрацией дырок 10¹⁶ см^-3<p<10¹⁸ см^-3.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой InAs p-типа проводимости формируют в процессе наращивания слоя широкозонного твердого раствора InAsSbP p-типа проводимости.