Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Фотоприемники (ФП) на основе InSb с начала 60-х годов по настоящее время занимают лидирующее место в средневолновом инфракрасном диапазоне длин волн (3...5 мкм) оптического излучения.
Фотоприемник излучения - комплексное устройство, включающее в себя кроме основного элемента - полупроводникового кристалла фоточувствительного элемента (ФЧЭ) светофильтры (входные окна), формирующие рабочий диапазон длин волн, диафрагмы, формирующие поле зрения ФП, элементы системы охлаждения (обычно до температуры, близкой к 80 К), иногда, для субматричных ФП, элементы коммутации и предварительного усиления, включая оптимальную частотную фильтрацию. Все это заключено в герметичную оболочку, выдерживающую значительные механические и температурные воздействия.
ФП являются составными частями оптико-механических или оптико-электронных систем (ОЭС), предназначенных для теплопеленгации, наблюдения и автосопровождения объектов различного назначения.
Разработка и постановка на производство ФП проводится одновременно с разработкой и организацией производства основного изделия - ОЭС. В 70-80-х годах время от начала разработок до прекращения выпуска приборов составляло 8... 10 лет, из которых 5...7 лет приходились на разработку ФП. Это определялось темпом развития ОЭС, которые, несмотря на разработку новых систем, должны были сохранять работоспособность в течение не менее 12 лет.
Становление и развитие ФП на основе InSb шло в соревновании с фоторезисторами (ФР) на основе поликристаллических пленок PbSe и примесными ФР на основе германия; в этом соревновании приборы на основе InSb оказались победителями в силу лучших частотных свойств и более высокой рабочей температуры.
О важности ФП на основе InSb для создававшихся тогда ОЭС можно судить по тому, что разработка их была поручена одновременно и независимо нескольким организациям (ГОИ, НИИПФ, ВЭИ, завод «Сапфир»), которые выбрали принципиально разные технологические направления.
Говоря непосредственно о ФЧЭ, следует подчеркнуть, что они являются очень редкими объектами, для которых существует понятие «идеальности». Под этим словом понимается предельный случай, когда основной параметр
ФЧЭ - удельная обнаружительная способность ограничивается шумами фонового излучения в силу маласти собственных шумов. Таким образом, для этих приборов шум из справочного параметра превратился в определяющий основное качество ФП.
В приводимых публикациях того времени сообщалось, что разработанные ФП близки по своей обнаружительной способности к радиационному пределу. Однако, при этом реальная фоновая нагрузка на ФЧЭ, как правило, не указывалась. Декларировалось, что фотоэлектрические параметры, измеряемые по стандартной методике, стабильны в пределах 30 % на протяжении всего требуемого времени.
Материал данной диссертации охватывает работу соискателя, проводившуюся от середины семидесятых годов до настоящего времени, и отражает историю становления и развития ФП, а также современные проблемы, возникшие в силу совершенствования ОЭС.
Технология ФЧЭ из InSb весьма сложна и основывается на результатах исследований объемных свойств кристаллов, создаваемых в нем структур, контактных явлений, состояния поверхности кристалла, подвергающегося индицируемому излучению, и прилегающих к ней «затемненных» областей.
Как будет показано, именно состояние поверхности ФЧЭ -фоторезистора и ОПЗ p-n-перехода с его периферией, выходящих на поверхность, являются в современных фотоприемниках из InSb главными объектами контроля, а их оптимизация - главной задачей разработчика как технологии, так и топологии ФЧЭ фотоприемника.
Как указывалось выше, требуемый срок работоспособности ОЭС с входящими в него ФП достаточно велик. Однако проблема обеспечения стабильности параметров ФП практически не освещена в литературе.
В связи с вышесказанным, ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ включала:
-
Анализ развития ФП на основе InSb, в которое определенный вклад был внесен непосредственно диссертантом, в связи с необходимостью оптимизации конструкторско-технологических разработок ФЧЭ, пригодных для современных ОЭС, как на основе фотодиодных, в том числе планарных структур, так и фоторезистивных структур.
-
Анализ и разработку топологий и технологии создания ФЧЭ с последующим внедрением в производство, включая основообразующие технологии создания p-n-перехода и определение путей их улучшения.
-
Оптимизацию диэлектрических покрытий на основе исследования широкого диапазона применяемых для анодирования электролитов с дополнительным нанесением защитных и просветляющих пленок.
-
Изучение причин к механизмов деградации параметров фотоприемников при термовоздействии и многолетнем хранении приборов и определение путей минимизации этой деградации.
-
Физическое моделирование ряда конструкций ФЧЭ с целью сопоставления их с ранее разработанными и выработкой рекомендаций по создающимся в настоящее время приборами.
Диссертация включает материалы по разработке и исследованию образцов ФП, в производстве и внедрении которых в серийный выпуск принимал непосредственно участие диссертант, работая в ПО «Сапфир» (г. Москва). Кроме того, исследовались разрабатываемые в последнее время приборы в рамках совместных НИР, проводившихся в соответствии с договорами между заводом «Сапфир» и кафедрой «Полупроводниковая электроника» МЭИ (ТУ).
Проводились комплексные исследования шумовых свойств ФЧЭ, включая вольт-шумовые характеристики (ВШХ), спектральную плотность мощности шума (СПМШ), в сочетании со стандартными измерениями ФЭП, спектральных зависимостей и вольт-амперных характеристик (ВАХ).
Диэлектрические пленки изучались методами эллипсометрии, вольт-фарадных характеристик, оже-электронной спектроскопии, масс-спектроскопии вторичных ионов, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
-
Впервые проведен систематический анализ конструктивных особенностей и технологии изготовления практически всего ряда разработанных ФЧЭ на основе InSb. Показана роль конструктивных решений, таких как дополнительные p-n-переходы и экранирующие покрытия, различных конструкций контактов ФР.
-
Впервые проведено комплексное исследование роли поверхности ФЧЭ в обеспечении требуемых параметров приборов. На основе исследования свойств анодных окислов (АО), полученных при применении широкого набора электролитов и вариации режимов анодирования з сочетании с нанесением на них целого ряда дополнительных диэлектрических пленок. Выбраны и оптимизированы методы защиты поверхности ФЧЭ, позволяющие достичь предельно высоких параметров приборов.
-
Впервые проведено систематическое комплексное исследование шумовых свойств широкого круга ФЧЭ, полученных по различным технологиям, включающее измерение ВШХ, СПМШ в сочетании с измерениями ВАХ и
пороговых характеристик приборов. Показана определяющая роль собственных шумов в достижении и сохранении параметров приборов во времени. Показано, что деградация определенных приборов со временем связана именно с увеличением шумов при сохранении их чувствительности. Впервые показано наличие двух типов деградации приборов - медленного и катастрофического. При медленной деградации точка перехода от шума типа і//" в «белый» дробовой шум (в случае фотодиодов - ФД) или генерационно-рекомбинационный (в случае ФР) перемещается в область высоких частот. Катастрофические отказы приборов связаны с возрастанием «белого», частотно независимого шума, на порядки величин.
-
На основе экспериментальных исследований высказано положение о том, что шумовые свойства приборов связаны с ролью ловушек в приповерхностном слое полупроводника у границы с анодным окислом.
-
Установлена корреляция между шумовыми свойствами и повышенной концентрацией атомов сурьмы с нескомпенсированными валентным связями на границеДОЛпЗЬ.
-
На основе моделирования проведено сравнение квантовой эффективности дня целого ряда приборов, позволившее дать рекомендации по технологическим и конструктивным решениям, включая такие вопросы, как изменение глубины залегания p-n-перехода, применения конкретного диэлектрика для защиты поверхности, на стадии проектирования ФЧЭ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы состоит в следующем:
-
Создан ряд экспериментальных и опытных образцов ФД по НИОКР «Нефрит», «Оникс», «Кентавр».
-
На основе анализа причин возникновения шумов, избыточных над фоновыми (ИШ), а также взрывных шумов (ВШ) разработана методика отбраковки потенциально ненадежных приборов.
-
Доказано, что при хранении ФП из InSb основной параметр -удельная обнаружительная способность (D'), измеряемая на частотах вблизи 1 кГц, уменьшается за счет возрастания шума, и выработаны рекомендации по стабилизации параметров приборов.
-
Показана возможность управления параметрами ФП (спектральной характеристикой, частотной характеристикой шума) путем подбора исходного материала, диэлектрических и контактных групп.
5. Рекомендован обязательный контроль качества ФП путем
исследования СПМШ как метода определения наиболее перспективных
технологий для разрабатываемых приборов.
ОБОСНОВАННОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ основывается на проведенном сравнительном комплексном анализе большого количества типов серийно выпускаемых ФП и достоверной выборке приборов каждого типа.
подтверждается непротиворечивостью полученных результатов
публикациям других авторов, а также сопоставлением экспериментальных данных с предложенными моделями.
1. По результатам работы разработаны и внедрены в серийное
производство на ПО «Сапфир» фоточувствительные кристаллы двухцветных
фотоприемников «Нефрит», «Оникс», «Кентавр».
2. Методики и результаты исследований ФП использовались при
постановке курсов «Фотоприемные устройства», «Фотоприемные устройства
специального назначения», «Многоэлементные фотоприемные устройства»,
«Приемники оптического излучения», «Оптоэлектроника», «Технология
полупроводниковых приборов и интегральных схем» и «Надежность,
стандартизация и сертификация изделий микроэлектроники» в МЭИ.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 19" Всесоюзной отраслевой конференции по приборам ночного видения (Москва, 1988 г.), XVII и XVIII Международных научно-технических конференциях по фогоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2002, 2004 гг), на XXIII-XXXV Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс) (Москва, 1992 - 2004 гг.), на I и II международных Конференциях по электромеханике и электротехнологии (Крым, 1995, 1996 гг.), 20th International Spring Seminar on Electronic Technology - ISSE"97, Sklarska Poreba, Poland, Internationa! Symposium on Acoustoelectronics, Freaquency Control and Signal Generation. (1998 Russia. Moscow -St. Petersburg, 1998), на Международной научно-технической конференции "Моделирование электронных приборов и процессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры" (Москва, 1999 г.), на Международной конференции «Нелинейные процессы в твердых телах» (Воронеж, 2004 г.).
Данные работы были поддержаны Грантами 96-03-33998, 96-15-97608.
Основное содержание диссертации отражено в 43 печатных трудах, включая 2 авторских свидетельства на изобретения и 1 патент; в 5 отчетах по НИР и ОКР ПО «Сапфир», 2 отчетах по НИР МЭИ (ТУ).
В большинстве работ, выполненных в соавторстве, постановка проблемы и эксперимента, интерпретация результатов выполнены диссертантом, расчеты проведены совместно с соавторами.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. Развитие технологии изготовления ФЧЭ в течение всего периода определялось требованиями, которые накладывались ОЭС на их параметры а также технологическими и экономическими возможностями соответствующих этапов.
Проведенный анализ показывает, что радиационно-сплавная технология изготовления и жидкостная эпитаксия формирования р-п-переходов с использованием прозрачности базовой области ФД на основе явления Мосса-Бур штейна позволила создать одиночные приборы с параметрами, отвечающими техническим заданиям ОЭС того времени. Однако указанные технологии не могли обеспечить требуемую однородность параметров многоэлементных ФП с малыми размерами ФЧЭ для более поздних ОЭС. Причиной этого являлся неконтролируемый разброс параметров исходного материала и субъективность контроля оператором процесса сплавления. Решение проблемы связано с внедрением планарных и меза-планарных ФЧЭ.
Диффузионная технология, в настоящее время широко применяющаяся за рубежом для их изготовления, обеспечивает высокие параметры ФП и позволяет перейти к изготовлению линеек и матриц. Однако ей присущи сложности формирования масок, и, как следствие, наличие меза-структуры со сложностью ее защиты диэлектриками, что может приводить к увеличению шума типа \jf" .
Планарная технология с использованием ионного внедрения бериллия является на данный момент оптимальной, т.к. также позволяет создавать линейки ФЧЭ с требуемыми параметрами, обеспечивая хорошую воспроизводимость.
2. Поверхность приборов играет важнейшую роль в обеспечении их параметров, т.к. определяет токи утечки и шумовые свойства приборов. Особенно важна ее роль Б случае приборов с глубокими разделительными каналами, где периметр выхода р-П перехода на поверхность особенно велик.
На данный момент оптимальным методом защиты поверхности приборов является метод анодирования с последующим нанесением дополнительной диэлектрической пленки.
Дополнительный диэлектрик, нанесенный на АО для предотвращения влияния возможных мест его прокола и оптимизации величины объемного заряда, может использоваться одновременно в качестве просветляющего покрытия. При этом, если в значительном числе случаев оптимальным является пиролитически нанесенный слой SiON, особенно в случае приборов с глубокими разделительными каналами, то для просветления более предпочтительным является SiOx 2.
3. Определяющим фактором в обеспечении режима работы ФЧЭ близкого к ограничению пороговой чувствительности флуктуациями фонового излучения являются собственные шумы ФЧЭ, включающие «белый» дробовой шум р-n перехода и шум типа l// При этом роль последнего принципиально возрастает при переходе к тепловизионным многоэлементным ФПУ, работающим в частотном диапазоне начиная с 10 Гц. Для этих приборов показано превосходство метода контроля СПМШ приборов над ВШХ.
4. На основе выявленной зависимости низкочастотного шума с составом
электролита и режимами анодирования показана связь шума типа )//" с
концентрацией атомов сурьмы с нескомпенсированными валентными
связями, находящимися на границе антимонида индия и анодного оксида и
играющими роль ловушек захвата для электронов.
5. Уточнение физических моделей ФД с планарной структурой и
эффектом Мосса-Бур штейна позволило достаточно адекватно определять
параметры и характеристики реальных приборов при вариации исходного
материала и прогнозировать параметры разрабатываемых приборов.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
