Содержание к диссертации
Введение
1. Физические процессы в фотоприёмниках на основе диодов шоттки и приборов с зарядовой связью 10
1.1, Конструктивные и функциональные особенности фотоприёмников 16
1.1.1. Сравнение различных типов полупроводниковых фотодетекторов 22
1.1.2. Фотоприёмники широкого спектрального диапазона 23
1.1.3. Фотоэмиссионные детекторы на основе барьеров Шоттки 24
1.1.4. Процессы токопереноса 33
1.1.5. Приборы с зарядовой связью как элемент считывания и переноса информации в фотоприемниках 36
1.1.6. Конструктивные особенности и способы физической реализации приборов с зарядовой связью 45
1.2. Задачи исследования 59
2. Исследование диодов шоттки с различными типами металлических электродов и различным типом полупроводниковой подложки 60
2.1. Методика исследования характеристик диодов Шоттки 60
2.2. Диоды Шоттки 62
2.3. Основные выводы 78
3. Исследование спектральных характеристик фотоприёмников с барьером шоттки на основе пары кремний р-типа - золото 79
3.1. Исследование зависимости спектральных характеристик фотодиодов с барьером Шоттки от толщины пленки золота 79
3.2. Выбор толщины золота в базовой структуре диода Шоттки 82
3.3. Некоторые особенности технологии инфракрасных приборов с зарядовой связью с барьерами Шоттки 89
3.4. Основные выводы 96
4. Процессы переноса заряда в спектрозональных фоточувствительных двухканальных объемных приборах с зарядовой связью 97
4.1. Физическая модель. Анализ процессов фоторелаксации в двухканальной объемной структуре на основе приборов с зарядовой связью 99
4.2. Конструкция и электрические характеристики ОПЗС 108
4.3. Основные выводы 120
Заключение 121
- Фотоприёмники широкого спектрального диапазона
- Конструктивные особенности и способы физической реализации приборов с зарядовой связью
- Диоды Шоттки
- Некоторые особенности технологии инфракрасных приборов с зарядовой связью с барьерами Шоттки
Введение к работе
Перспективным направлением при разработке фотоэлектрических преобразователей изображения является использование фотоприёмников с барьерами Шоттки и регистрами, считывающими информацию на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Исследование в данной области ведутся в лабораториях России, США и Японии [1-4].
Для дистанционного зондирования в коротковолновом диапазоне инфракрасного излучения ведутся разработки детекторов на основе барьеров Шоттки с металлическим электродом из кобальта и никеля [5,6]. В таких детекторах высота барьера составляет 0,44 эВ и 0,4 эВ, соответственно. Повышенный интерес представляет измерение отражённой энергии в спектральном диапазоне 1-=-3 мкм для оценки ресурсов Земли со спутников [7-11]. Разрабатываются фотоприёмники с барьером Шоттки силицид платины - кремний />-типа, которые могут использоваться для детектирования электромагнитного излучения в спектральном диапазоне 3^-5 мкм [12-14]. Наименьшую высоту барьера Шоттки можно получить, используя силицид иридия на кремнии р-тииа [15]. При этом возможна регистрация излучения в спектральном диапазоне 8-^-10 мкм. Однако здесь имеются определённые технологические трудности, связанные с воспроизводимостью процесса формирования силицида иридия, так как получить качественную границу раздела сложно, потому что формирование силицида осуществляется посредством диффузии кремния, а не иридия.
В последнее время активно исследуют барьеры Шоттки, в которых в качестве металлического электрода используется золото в сочетании с различными типами полупроводниковых материалов [16-23]. Интерес исследований связан с потребностью создания фотоприёмников с широкой спектральной характеристикой фоточувствительности, охваты-
вающий как ультрафиолетовую, так и инфракрасную область спектра. Использование таких фотоприёмников позволит проводить исследование по оценке ресурсов Земли из космоса, осуществлять ориентацию объектов в космическом пространстве по ультрафиолетовому излучению солнечной короны. Поэтому для разработки фотоэлектрических преобразователей изображения актуальной задачей является исследование фотоэлектрических процессов в фотоприемниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании фотоэлектрических процессов в фотоприёмных устройствах широкого спектрального диапазона с использованием различных типов металлических электродов для барьеров Шоттки на кремниевых подложках с различной кристаллографической ориентацией и различным типом проводимости, а также считывающих регистров на основе приборов с зарядовой связью.
Научная новизна
Исследованы спектральные фоточувствительности фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью с чувствительностью в диапазоне длин волн 0,3 -ь 2,2 мкм.
Показано, что спектр фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой включают две области, обусловленные поглощением в кремнии и поглощением в тонком металлическом слое фотодиода.
3.Установлено положительное влияние низкотемпературного отжига на стабильность и обратные токи фотоприёмных структур с барьером Шоттки.
4. Установлено, что барьер Шоттки на основе структуры золото -кремний р-тшш проводимости обладает наиболее широкополосной спектральной характеристикой фоточувствительности: от 0,3 мкм до 2,2 мкм
мкм и наименьшим потенциальным барьером от 0,25 + 0,40 эВ по сравнению с другими исследованными барьерами Шоттки. Показано, что данный барьер Шоттки может обладать темновыми токами до 20 нА/см2.
5. Показано, что наилучшими характеристиками обладали фотоприемные
структуры с тонкими слоями золота ~- 10 -ь 15 нм.
6. Установлено, что образование силицидов золота при низко
температурном отжиге приводит к уменьшению фоточувствительности
фотоприемника в длинноволновой области спектра для длин волн от 1 мкм
до 2,2 мкм и увеличению фоточувствительности в коротковолновой
области спектра для длин волн от 0,3 мкм до 1 мкм.
7. Показана возможность создания фотоприемных структур на основе
диодов Шоттки со структурой золото - кремний /7-типа проводимости и
приборов с зарядовой связью, которые позволяют регистрировать
ультрафиолетовое или инфракрасное излучение при одновременной
регистрации длин волн в видимой области спектра.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты экспериментальных исследований фоточувствительности в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра, приемников излучения на основе структуры тонкий слой металла (молибден, ниобий, золото) -кремний с различной кристаллографической ориентацией и типом проводимости.
Результаты экспериментальных исследований по оптимизации технологии изготовления фотоприемников на основе диодов Шоттки со структурой тонкий слой золота - кремний /?-типа проводимости обладающих фоточувствительностью в спектральном диапазоне 0,3 мкм - 2,2 мкм.
Результаты теоретических исследований и численного моделирования на ЭВМ фоторелаксации носителей заряда в приповерхностном и объемном каналах приборов с зарядовой связью.
Результаты численного моделирования на ЭВМ по оптимизации значений потенциалов на электродах приборов с зарядовой связью, позволяющих надежно удерживать носители заряда в потенциальных ямах приповерхностного и объемного каналов.
Результаты экспериментальных исследований по модификации спектральных характеристик фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью с помощью низкотемпературного отжига.
Результаты данной работы, могут быть использованы для улучшения рабочих характеристик выпускаемых в настоящее время фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью, а также для оптимизации конструктивно-технологических параметров при разработке новых высокочувствительных с широкой спектральной полосой фотоприемных устройств.
Достоверность результатов исследований заключается в следующем: работа представляет собой комплексное теоретическое и экспериментальное исследование. Теоретические положения базируются на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов, структур металл - диэлектрик - полупроводник. Экспериментальные исследования выполнены с использованием традиционных оптических, электрических и зондовых методов, характерных для работы с фотоприемными устройствами на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования имеют хорошее соответствие, что подтверждает достоверность результатов исследований.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цель и основные задачи
исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту, и дано краткое изложение содержания основных разделов диссертации.
В первой главе приводится обзор литературы, касающейся физических процессов в фотоприёмниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью, рассматриваются различные типы полупроводниковых фото детекторов, обсуждаются новые пути реализации функциональных возможностей фотоприемников на основе приборов с зарядовой связью, принципиально достижимых в традиционной электронике. Рассмотрены основные этапы возникновения и развития приборов с зарядовой связью, основные принципиальные достоинства, обсуждаются конструктивные и функциональные особенности фотоприёмников на основе приборов с зарядовой связью, способы физической реализации, электродные структуры, теория Шоттки -Мотта и её модификации. Описаны процессы токопереноса в фотоприёмниках. Формулируются задачи исследования.
Во второй главе исследованы способы реализации кремниевого фотоприемника широкого спектрального диапазона. Рассмотрены полосы "собственного" оптического поглощения. Исследованы диоды Шоттки на кремнии для различных пар материалов металл - кремний, полученных различными способами напыления пленок.
Проведены экспериментальные исследования барьеров Шоттки различных пар материалов металл - кремний с различной кристаллографической ориентацией кремния, и проведены сравнения с результатами других исследований. Показано, что наиболее перспективной парой металл - полупроводник для фотоприемников с широким спектральным диапазоном на основе барьеров Шоттки является кремний р-типа - золото, поскольку для данного сочетания
получена наиболее длинноволновая граница фоточувствительности и меньшие темновые токи по сравнению с другими структурами металл -полупроводник.
В третьей главе исследованы зависимости спектральных характеристик фотодиодов с барьером Шоттки на основе пары кремний р-типа - золото от толщины пленок золота, рассмотрены особенности формирования фотоприемников с широким спектральным диапазоном на основе диодов Шоттки и ПЗС, представлен лабораторный образец 32-элементного фотоприемника изображения с барьером Шоттки и ПЗС. Экспериментальные исследования спектральных характеристик показали, что барьеры Шоттки с тонкими слоями золота могут быть весьма эффективны для фотоприемников с широким спектральным диапазоном фоточувствительности.
В четвертой главе проведены экспериментальные исследования электрических характеристик линейного двухканального объемного прибора с зарядовой связью (ОПЗС), имеющего поверхностный канал п-типа проводимости и объемный канал /j-типа проводимости, которые расположены один над другим. Прибор имел шестнадцать и тридцать два элемента разложения. Применена четырехтактовая временная диаграмма управляющих импульсов напряжений, обеспечивающая одновременный встречный перенос пакетов зарядов по соответствующим каналам. Предложен метод удержания электронов в поверхностном канале посредством подачи постоянного отрицательного напряжения величиной ~ 10,5 ^ 11 В на дополнительные боковые электроды. Амплитуда отрицательных управляющих импульсов напряжения изменяется в диапазоне 0 ~ 20 В. При этом эффективность переноса зарядов в обоих каналах составила 99,76 % на частоте 75 кГц. Фотоэлектрическими измерениями установлены существенно различные спектрозональные характеристики фоточувствительностей каналов объемных приборов с зарядовой связью. В качестве экспериментальной
реализации объемных приборов с зарядовой связью был создан и исследован прибор, содержащий один поверхностный и один объемный каналы. Основное внимание обращено на исследование режима одновременного переноса зарядов в каналах четырехтактной временной диаграммы управления, исследованы также фотоэлектрические характеристики прибора. В работе была получена система уравнений для рассматриваемого двухканального объемного прибора с зарядовой связью в оптическом диапазоне длин волн. Принципиальным моментом в работе рассматриваемого объемного прибора с зарядовой связью является удержание электронов в поверхностном канале с помощью напряжения Ftf на боковых электродах. Поэтому были исследованы зависимости выходных видеосигналов из обоих каналов и эффективностей переноса зарядов в них от величины этого напряжения. Измерения показали, что выходные видеосигналы существенно зависят от величины напряжения Vg.
Фотоприёмники широкого спектрального диапазона
В ряде работ сообщалось о попытках использования ПЗС в ИК -фотоприемниках. Однако в этих сообщениях не содержалось оценок перспективности кремниевых ИК ПЗС, не было ясно указано на преимущества и недостатки фотоэлементов на основе барьеров Шоттки и МДП-структур на примесном кремнии. Теоретическим основанием для проведения данной работы послужили расчеты, проведенные под руководством чл.-корр.РАН д.ф.-м.н. Р. А. Суриса. В частности теоретический предел чувствительности приемников с примесным поглощением в диапазоне 3 5 мкм равен 10" Вт/см . Фотоэлементы с барьером Шоттки имеют также высокие параметры. Спектральные характеристики фотоэлементов на основе различных полупроводников, а также сравнение обнаружительной способности различных детекторов инфракрасного излучения рассмотрены в работе [24]. Используя результаты проведенных оценок, основным направлением поиска методов создания кремниевых фотоприемников с расширенным спектральным диапазоном фоточувствительности была выбрана планарная кремниевая технология. Первоначальной задачей при этом являлось комплексное исследование характеристик и разработка методов создания приемников изображения на кремнии, согласующихся технологически с приборами с зарядовой связью. 1.1.3. Фотоэмиссионные детекторы на основе барьеров Шоттки Для фотодиодов с барьером Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости при приложении напряжения значительно меняется спектральная характеристика фотодиода. "Красная граница фотоэффекта" сдвигается в область меньших энергий с ростом напряжения на структуре и возрастает квантовая эффективность за счет уменьшения величины потенциального барьера на границе раздела металл - полупроводник. Уменьшение высоты потенциального барьера фт,9 обусловлено эффектом электрического поля на границе металл - полупроводник. Когда электрон находится на расстоянии х от барьера, на границе раздела металл - полупроводник индуцируется положительный заряд. Сила притяжения между электроном и индуцированным зарядом равна силе притяжения между электроном и равным ему положительным зарядом находящимся на расстоянии (-х). Этот положительный заряд является зеркальным изображением заряда электрона.
Приложение внешнего электрического поля с? приводит к дополнительному изменению потенциального барьера, общая потенциальная энергия Ер определяется как функция расстояния (измеряемого вниз от оси х) и равна сумме: Е (х) = q + q 5k. 16яє0х Понижение барьера Шоттки (принимаемое за уменьшение работы против силы зеркального изображения) Аф и точка, при которой начинается снижение хт, показаны на рис. 1.4 и задаются условиями Снижение работы выхода металла Ams обусловлено результатом действия силы зеркального изображения и электрического поля. В разрезе диод Шоттки представлял собою структуру, схематически изображенную нарис. 1.2 (б). Фотоириёмные структуры с барьером Шоттки обладают рядом важных преимуществ, в том числе в барьере Шоттки электроны инжектируются из полупроводника в металл при прямом смещении, если полупроводник имеет л-тип проводимости. Затем электроны очень быстро термализуются ( 10" с) при столкновениях между носителями, и это время пренебрежимо мало по сравнению с рекомбинационным временем жизни неосновных носителей в фотоприёмных структурах на основе р-п переходов. Первоначально модель фотоэмиссии электронов из металлов в вакуум разработана Фаулером [65] в 1930-х годах. В 1960-е годы модель фотовыхода Фаулера была усовершенствована на основе исследований внутренней фотоэмиссии горячих электронов из металлических пленок в полупроводники [66, 67]. Кохэн и др. [68] модифицировали эмиссионную теорию Фаулера с учетом эмиссии в полупроводники. Внутренняя фотоэмиссия сходна с эмиссией электронов из металла в вакуум под действием излучения. Падающие фотоны поглощаются в металле и генерируют электронно-дырочные пары. Возбужденные электроны хаотически перемещаются в металлической пленке до достижения границы раздела между металлом и полупроводником. Наконец, электроны преодолевают барьер и эмитируют в полупроводник. Таким образом, внутренний фотоэмиссионный процесс состоит из трех этапов: поглощение излучения в электроде, создающего горячие носители заряда; перемещение горячих носителей в электроде и в полупроводнике до эмиссии через барьер; эмиссия через барьер Шоттки. Квантовая эффективность детектора с барьером Шоттки зависит от энергии фотона вследствие сильной зависимости вероятности эмиссии от энергии возбужденного электрона. Если предположить, что вероятность электронного возбуждения не зависит от энергии начальных и конечных состояний, то при энергии уровня Ферми происходит резкий переход от заполненных к незаполненным состояниям. В этом случае общее количество возможных возбужденных состояний определяется как [24] где dN/dE - плотность состояний металла, EF - уровень Ферми, hv -энергия падающего фотона, к - постоянная Планка, Е - энергия электрона относительно края зоны проводимости в металле. Фотоэмиссия происходит, когда возбужденный электрон имеет состояние, для которого компонента нормали импульса к границе раздела соответствует кинетической энергии, равной или большей, чем энергетическая высота барьера.
Поэтому число состояний, для которых выполняется данный критерий по импульсу, можно записать где Р(Е) - вероятность фотоэмиссии для электрона с энергией Е, фй - высота барьера на границе металл-полупроводник. Если распределение импульса электронов изотропно Р(Е) можно рассчитать при помощи рисунка 1.5, где р - импульс возбужденного электрона; р0 - импульс, соответствующий высоте барьера: где т - эффективная масса электрона; Р(Е) - отношение площади поверхности сферы, входящей в конус выхода, к полной площади поверхности сферы: Если предположить, что dN/dE может рассматриваться как величина, независимая от энергии в интересующем энергетическом диапазоне, так как энергия уровня Ферми намного превосходит энергию фотона, то уравнения (1.1) и (1.2) можно представить в виде Предполагается, что нет никаких столкновений электронов или энергетических потерь после возбуждения электрона до достижения им границы раздела. Таким образом, внутренняя квантовая эффективность, которая равна отношению NE к AV, определяется уравнением &EF hv Эта упрощенная теория, описанная Кохэн с соавторами [68], была позже расширена Дейлэл [69], Викерс [70], Муни и Сильвемэн [71]. Предложенное этими авторами общее выражение для квантовой эффективности внутренней фотоэмиссии имеет вид где С/ - эмиссионный коэффициент Фаулера. Коэффициент Фаулера обеспечивает энергетически независимые измерения эффективности внутренней фотоэмиссии. Его значение может быть приближенно записано: где Н - коэффициент, зависящий от параметров прибора и напряжения смещения на приборе. Если выразить v через X, то выражение (1.9) примет вид Наконец, чувствительность по току (Rj = —qg, где X - длина волны, с - скорость света, q - заряд электрона, я g - фотоэлектрическое усиление [с g= 1]) может быть записана как Из двух последних уравнений следуют два характерных свойства фотоэмиссионных детекторов. Фотоотклик уменьшается при увеличении длины волны и квантовая эффективность мала по сравнению с объемными детекторами. Оба свойства являются прямым следствием сохранения импульса при эмиссии носителей через потенциальный барьер. Большинство возбужденных носителей, не имеющих достаточно большой нормальной к барьеру компоненты импульса, отражаются и не эмитируют. Электрическое поле вблизи барьера Шоттки влияет на высоту барьера. На инжектированный в полупроводник носитель действует притягивающая сила, называемая силой изображения. В результате уменьшается эффективная высота барьера. Это понижение названо эффектом Шоттки. Из-за этого эффекта максимальный потенциал всегда находится в полупроводнике обычно на глубине от 5 до 50 нм. Понижение барьера Дф;, может быть найдено при помощи выражения [72].
Конструктивные особенности и способы физической реализации приборов с зарядовой связью
При соответствующем импульсном питании электроды переноса создают в полупроводниковой подложке движущийся массив потенциальных ям. Предложено бесчисленное множество различных электродных структур и многие успешно реализованы в лабораториях. В общем случае эксплутационные характеристики, простота изготовления и размер элементарной ячейки электродной структуры взаимосвязаны. Структуры с тремя электродами на ячейку При использовании простых симметричных электродов требуется по крайней мере три тактовых напряжения, чтобы определить направление переноса заряда. Если под некоторым электродом хранится заряд, то только один из соседних может быть "включен", другой же соседний электрод должен оставаться под низким потенциалом; в этом случае он действует как блокирующий электрод - предотвращает обратный поток заряда. В специальных случаях могут быть введены дополнительные тактовые напряжения, но обычно число тактовых шин стремятся сделать минимальным. Конструкция ПЗС, предложенная первоначально [44] содержала три группы электродов, вытравленных из одного слоя металла, с узкими зазорами между электродами. Именно такой конструкции был первый [97] и несколько последующих приборов с зарядовой связью. Они удовлетворительно работали в лабораторных условиях; при электродах длиной 10 мкм и зазорах между ними 2,5 мкм неэффективность переноса заряда составляла 10" [98]. Критической операцией в изготовлении таких приборов является травление зазоров между электродами. Чтобы потенциальные ямы могли перекрываться без образования потенциальных барьеров, ухудшающих рабочие характеристики прибора, ширина зазора должна быть не более нескольких микрон [99, 100]. Но даже в узких зазорах профиль потенциала может меняться при изменении величины электростатического заряда на внешней поверхности окисла в зазорах, что может привести к низкой и непостоянной величине эффективности переноса [101]. Кроме того, необходимость в узких зазорах, приводит к значительному уменьшению выхода годных приборов. Дефекты фотошаблонов или фотоэмульсий, частицы пыли размером всего лишь в несколько микрон могут замкнуть накоротко смежные электроны и вывести прибор из строя. В работе [102] описан технологический прием, который называется защитным травлением и с помощью которого можно сформировать субмикронные зазоры в однослойной системе алюминиевых электродов при довольно хорошем выходе годных приборов.
Этот технологический прием подобен приему, который называется подрезкой изоляции [103] и который использовался для изготовления двухфазных приборов. После нанесения первого слоя металла на месте второго электрода создаются окна травления не покрытые фоторезистом. Первый слой металла в этих окнах травится до тех пор, пока не сформируется хорошо выраженный выступ края фоторезистивного слоя. Величина выступа определяет фактическую ширину зазоров, которые получаются в результате затенения вытравленных окон выступающими краями фоторезиста при вертикальном напылении второго слоя металла. Металл, находящийся сверху фоторезиста, удаляется "взрывом" при снятии фоторезиста после того, как по второму слою сделана фотолитография, формирующая шины разводки и контактные площадки. Для того чтобы поверхностный потенциал под незащищенными межэлектродными зазорами был определенной величины, всю электродную структуру можно покрыть резистивным слоем [104]. Характеристики прибора становятся более стабильными, и увеличивается выход годных приборов, так как зазоры в этом случае могут быть значительно шире. Эта идея была реализована в электродной структуре, состоящей из сплошного слоя высокоомного поликристаллического кремния, в котором трехфазная структура электродов создана путем селективного легирования областей, которые служат электродами [105]. Необходимые пересечения, шины разводки и контактные площадки создаются из дополнительного слоя металла. Другой путь получения защищенного канала - формирование перекрывающихся электродов переноса из нескольких слоев металла. Легко получить четырех фазную или многофазную структуру, выполняя смежные электроды попеременно из первого и второго слоя металла; такие структуры рассматриваются в следующем разделе. Использование двух слоев металла в трехфазных структурах требует применения составных электродов. Части электрода, выполненные из разных слоев металла, через контактные окна подсоединяются к определенной тактовой шине. Для создания трехфазной двухслойной структуры [106] использовалась технология анодированного алюминия [107, 108]. До напыления второго слоя металла по первому слою проводится фотолитография и электродное анодирование. Использование трех отдельных слоев металла для формирования трех наборов электродов [109] дает возможность изготовить компактную ячейку, длина которой всего лишь в три раза больше минимального разрешимого размера. В такой структуре мала вероятность внутрислойных коротких замыканий, вызванных дефектами фоторезистивной маски или пылью в процессе травления. В ПЗС с поверхностным каналом и поликремневыми электродами получены очень низкая неэффективность переноса ( 2-Ю"5) [109, ПО] и высокий выход годных приборов большой степени интеграции [111]. Известны два способа изготовления такой структуры. После вытравливания рисунка на каждом слое поликремния весь незащищенный затворный окисел стравливается с подложки, и новый окисел наращивается до той же толщины, что и под первым слоем поликремния, одновременно с окислением поликремния. Другой способ отличается тем, что перед нанесением слоев поликремния затворный окисел защищается от воздействия окислительной среды слоем нитрида кремния.
В этом случае все слои электродов лежат на затворном изоляторе, полученном в одном и том же процессе, и общее число высокотемпературных операций можно уменьшить, если для межслоЙной изоляции использовать окисел, образующийся при низкотемпературном окислении поликремния во влажном кислороде. Структуры с четырьмя электродами на ячейку Если все электроды примерно одинакового размера лежат на затворном изоляторе примерно одинаковой толщины, то прибор с такой структурой может работать в четырехтактном режиме. В этом режиме используются четыре канала тактового питания; импульсы в каналах смещены по фазе на л/2. В таком случае обычно говорят о четырехтактном приборе. Слой затворного изолятора, изготовленный из второго слоя, может быть значительно толще, чем под первым слоем электродов. В этом случае под электродами второго слоя возникнут естественные барьеры, и прибор сможет работать всего лишь с двумя каналами тактового питания, если электроды первого и второго слоя сгруппировать таким образом, чтобы получились два независимых набора электродов со встроенной однонаправленностью [112]. Прибор с такой конструкцией будет называться двухфазным. Для создания структуры с четырьмя электродами в ячейке требуются по два чередующихся набора электродов в обоих слоях металла. Первые четырехфазные приборы имели два слоя перекрывающихся молибденовых электродов, изолированных слоем напыленной двуокиси кремния толщиной 100 нм [47, 113]. Хорошие результаты были получены с термически окисленными поликремневыми электродами в первом слое и алюминиевыми электродами во втором [114-116]. Эта структура интересна тем, что ее изготовление возможно на основе технологических процессов, широко используемых в полупроводниковой промышленности. Для получения электрически эквивалентных МОП - структур под всеми электродами используются два других способа изготовления четырех фазных структур. Электроды формируются из двух слоев поликремния, изолированных друг от друга термически выращенным окислом. Чтобы толщина подзатворного изолятора была одинакова под всеми электродами, можно использовать травление незащищенного окисла или защищать весь затворный окисел слоем нитрида кремния [117]. Другой способ состоит в формировании обоих слоев электродов из алюминия [107, 108].
Диоды Шоттки
Диоды Шоттки на кремнии применяются для регистрации инфракрасного излучения [90, 91]. На рис. 2.2 показана конструкция и принцип действия инфракрасного фотоприемника на основе барьера Шоттки Au-Si, разработанные в настоящей работе, с использованием прибора с зарядовой связью в качестве элемента считывания с межстрочным переносом. Фоточувствительный элемент состоит из детектора на основе барьера Шоттки металл - кремний /?-типа и схемы вертикального ПЗС. Охранное кольцо и-типа, созданное вокруг диода с барьером Шоттки, уменьшает краевое электрическое поле и снимает темновой ток. Эффективная площадь детектора определяется внутренним краем охранного кольца. В качестве затвора переноса используется МОП транзистор, действующий в режиме обогащения. Диффузионная область п+ - типа, соединяет детектор и затвор переноса. Для вертикального переноса используется ПЗС со скрытым каналом. В течение времени накопления сигнального заряда на затвор переноса поверхностного канала подано смещение, соответствующее состоянию обогащения. В этом состоянии детектор на основе барьера Шоттки изолирован от регистра на основе ПЗС. Излучение генерирует "горячие" электроны и дырки, дырки эмитируют в кремниевую подложку, оставляя избыточные электроны в металле (это понижает электрический потенциал на металлическом электроде). После накопления затвор переноса импульсно переносит сигнальные электроны от детектора к регистру на ПЗС, и при этом электрический потенциал металлического электрода восстанавливается до потенциала канала затвора. Уникальной чертой фотоприёмников на основе барьеров Шоттки является встроенный контроль блуминга (блуминг - вид перекрёстных помех, связанных с переполнением потенциальной ямы и растеканием избыточных электронов в соседние ямы). При сильном освещении детектор оказывается смещённым в прямом направлении, что препятствует дальнейшему накоплению электронов в металлическом электроде. Малое отрицательное напряжение, приложенное к детектору, недостаточно для компенсации прямого смещения предохранительного кольца, что предотвращает инжекцию электронов в регистр на основе ПЗС через кремниевую область под затвором переноса. Поэтому блуминг в фотоприёмниках на основе барьеров Шоттки полностью подавляется даже в случае недостаточной управляемой зарядовой ёмкости вертикального ПЗС.
Увеличение коэффициента заполнения - одна из важнейших задач при разработке формирователей изображения, поскольку чувствии-тельность фотоприёмников пропорциональна коэффициенту заполнения. Для увеличения коэффициента заполнения оптимизируют архитектуру считывания, структуру ПЗС и конструкцию фотодетектора. При конструировании фотоприёмника со считывающим устройством на основе ПЗС необходим компромисс между коэффициентом заполнения фотоприёмника и зарядовой управляющей ёмкостью ПЗС считывающего мультиплексора. Интерес представляют экспериментальные данные по параметрам барьеров Шоттки на кремнии, т.к. "красная граница фотоэффекта" X определяется величиной ф,„.? (рис. 2.3). На рисунке 2.3 приведены экспериментальные данные величины барьеров Шоттки, знаком "+" обозначены экспериментальные данные, полученные в данной работе, В качестве материалов электродов для изготовления фотоприёмников с барьером Шоттки использовались молибден, ниобий, золото, комплексные соединения различных металлов, таких как материал К20С, который наряду со свойствами присущими металлам обладает уникальным оптическим свойством: прозрачностью в оптическом диапазоне. Материалы такого типа могут быть эффективно использованы для создания спектрозональных фотоприёмников со структурой ПЗС с широкой спектральной характеристикой фоточувствительности, в которых длинноволновая область спектра регистрируется в поверхностном канале объёмного ПЗС за счёт поглощения излучения в металле диода Шоттки при засветке со стороны металла, а видимая область спектра регистрируется за счет поглощения в поликремневых электродах ПЗС в объёмном канале полупроводникового многоканального ПЗС. При поглощении излучения в слое металла, прилегающем к кремнию, часть носителей заряда "разогревается" и те, которые имеют достаточный импульс в сторону полупроводника, могут преодолеть потенциальный барьер, внося вклад в фототок. Наблюдается внешний фотоэффект из металла в полупроводник. "Красная граница фотоэффекта" фоточувствительности определяется величиной jVy. Квантовый выход (количество электронно-дырочных пар на один фотон) описывается приближенным выражением где К - коэффициент, зависящий от геометрических и оптических параметров пленки металла, ее свойств переноса и от типа проводимости полупроводника. Значение ф„и для этих структур определялось по графикам зависимостей Поток квантов поддерживался постоянным на уровне 5-10 кв/с-см путем изменения ширины щелей монохроматора ДМР-4. Фотоэлектрические измерения являются самым точным и самым прямым методом определения высоты барьера Шоттки [66]. Когда на поверхность металла падает монохроматический свет, то возникает фототок. Для фронтального освещения свет может создать возбужденные электроны в Металле, если hv q8n (где фв„ - высота потенциального барьера Шоттки), и может также создавать пары электрон - дырка в полупроводнике, если толщина пленки металла достаточно мала и hv Es. Квадратный корень из фоточувствительности откладывается на графике как функция энергии фотона, получается прямая линия, и экстраполяция на ось энергий дает высоту барьера. Построение графика зависимости корня квадратного из фототока от энергии кванта падающего излучения позволяет определить высоту потенциального барьера y/ms экстраполяцией в нуль.
Типичный вид экспериментальных зависимостей данного типа для ряда исследованных структур с барьером Шоттки, приведенных на рис. 2.3 и позволяющих определить высоту потенциального барьера металл - полупроводник, представлен на рис. 2.4. На рисунке 2.4 приведены спектральные характеристики диодов Шоттки при постоянной плотности мощности потока излучения, которая составляла Р= КГ Вт/см , при этом фотоприёмная поверхность исследуемых фотоприёмных структур была равна S = 0,2 мм и на структуру было подано отрицательное напряжение смещения V= -2 В. Темновой ток в фотодиодной структуре с барьером Шоттки на основе многокомпонентного металлического электрода К20С, прозрачного в видимом диапазоне спектра составлял Im = 20 мА при комнатной температуре (Т= 300 К). Фотодиодные структуры с барьером Шоттки с металлическими электродами на основе молибдена и ниобия при азотных температурах (Т= 78 К) обладали темновыми токами Im - 30 мА. Следует отметить, что фотодиодные структуры с барьером Шоттки с металлическими электродами из ниобия и молибдена обладали предельными длинами волн в инфракрасной области спектра 2,2 мкм и 1,9 мкм соответственно, в то время как фотодиодные структуры с барьером Шоттки на основе многокомпонентного металлического соединения К20С обладали более высокой границей чувствительности в инфракрасном диапазоне: до длин волн превышающих 2,2 мкм. При этом при линейной зависимости корня квадратного из фототока на фотон от длины волны и энергии падающего фотона наблюдалось существенное отличие углового коэффициента, примерно в два раза отличались угловые коэффициенты для характерных зависимостей фотоприёмных структур с барьером Шоттки с металлическими электродами из ниобия и молибдена по сравнению со структурами на основе многокомпонентного металлического электрода К20С. Диапазон энергий падающих квантов до 1,1 эВ, соответствовал линейному участку зависимости корня квадратного из фототока на фотон от энергии падающих квантов до 4 (нА) . В фотодиодных структурах с барьером Шоттки с металлическими электродами из комплексного металлического соединения К20С корень квадратный из фототока на фотон от энергии падающих квантов не превышал 2 (нА)/2. В диапазоне энергий падающих квантов превышающих 1 эВ при длинах волн меньше 1,15 мкм наблюдалось резкое изменение исследуемых зависимостей, которое сопровождалось увеличением корня квадратного из фототока на фотон от энергии падающих квантов до 7 (нА) для структур с металлическими электродами из комплексного метали-ческого соединения К20С. В фотоприёмных структурах с металичес-кими электродами из ниобия и молибдена корень квадратный из фототока на фотон от энергии падающих квантов не превышал 5 (нА)1/2.
Некоторые особенности технологии инфракрасных приборов с зарядовой связью с барьерами Шоттки
На рис. 3.5 представлен схематический технологический маршрут изготовления 32-х элементного приемника изображения на приборах с зарядовой связью с барьером Шоттки, Отличительной чертой данного маршрута являются операции изготовления барьера Шоттки. Следует отметить некоторые особенности заключительных операций формирования диода Шоттки. При низкотемпературном отжиге при Т = 450 С образуется жидкий сплав - силицид золота. Под действием сил поверхностного натяжения происходит коагуляция пленки таким образом, что, чем больше толщина пленки, тем больше характерная неоднородность (рис. 3.6). При толщине пленки 10 15 нм поверхность гладкая, при толщине пленки 30 нм становится неоднородной. При большой толщине пленки виден характерный рисунок сетки, обусловленный ориентацией кремния. В таблице 3.1 приведены параметры исследованных барьеров Шоттки (у - коэффициент преобразования (квантовый выход) при X = 1,55 мкм). Из-за влияния НТО на однородность пленки металла операцию изготовления барьера Шоттки проводят на последней стадии технологического процесса. Травление золота проводили в травителе состава: КВг - 20 г, Вг2 -5- -7 мл, Н20 - 100 мл. где у (%) - квантовый выход (число подвижных носителей тока генерируемых падающим потоком фотонов). Скорость травления золотой пленки 0,5 + 1 мкм/мин. При травлении золота происходило травление шин из алюминия или алюминия с подслоем ванадия, причем, по разному в зависимости от режима напыления алюминия и низкотемпературного отжига. Выявлены следующие закономерности: 1) Плотность дефектов после травления тем больше, чем меньше толщина слоя алюминия; 2) Плотность дефектов увеличивается с ростом температуры низкотемпературного отжига; 3) Дефектов меньше на пленках алюминия с подслоем ванадия, причем слой ванадия не травится в травителе для золота; Вышеизложенное позволяет заключить, что дефекты связаны с ускоренным травлением пленки алюминия по границам зерен. На рисунке 3.7 представлена фотография регистра Шоттки для фотоэлектрических преобразователей изображения с широкой спектральной характеристикой фоточувствительности, который состоит из 32-х элементов разложения. В нижней части рисунка представлены фотоприёмные структуры на основе барьеров Шоттки золото - кремний /?-типа проводимости.
Выше расположен трёхтактный прибор с зарядовой связью с межстрочным переносом заряда. В качестве затвора переноса использовался МОП-транзистор, действующий в режиме обогащения, расположенный между каждым электродом барьера Шоттки на основе золото - кремний /?-типа проводимости и соответствующими тремя электродами переноса трёхтактного прибора с зарядовой связью. Для увеличения коэффициента заполнения проведена оптимизация архитектуры считывания структуры фотоприёмника и конструкции детектора. При конструировании фотоприёмника с устройством считывания на основе прибора с зарядовой связью с межстрочным переносом использовался компромисс между коэффициентом заполнения фотоприёмной структуры, обеспечивающий регистрацию изображения, и зарядовой управляющей ёмкостью считывающего ПЗС. Для улучшения обоих параметров использовалась фотоприёмная структура с 2:1 вертикальным интерфейсом, что увеличивает зарядовую ёмкость в два раза по сравнению с фотоприёмными структурами без чресстрочного считывания. Фотоприёмники без чресстрочного считывания (с последующим сканированием) обладают преимуществом: меньшее "мерцание". Поэтому они хорошо подходят для систем слежения и технического зрения [163]. Экспериментальные исследования спектральных характеристик показали, что барьеры Шоттки с тонкими слоями золота могут быть весьма эффективны для фотоприемников с широким спектральным диапазоном. На рис. 3.7 представлен лабораторный образец 32-х элементного фотоприемника изображения на приборах с зарядовой связью с барьером Шоттки, причем для расширения спектрального диапазона необходимы структуры с еще меньшим барьером Шоттки. Исследования спектральных характеристик фотоприемников с барьером Шоттки на основе пары кремний р-гипа - золото показали: 1) Спектр чувствительности фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью можно разделить на две области: поглощение в кремнии и поглощение в металле фотодиода; 2) Положительное влияние низкотемпературного отжига на стабильность и обратные токи фотоприёмных структур с барьером Шоттки; 3) Наилучшими характеристиками обладают фотоприемные структуры с тонкими слоями золота 10 15 им; 4) Установлено, что образование силицидов золота при низкотемпературном отжиге приводит к уменьшению фоточувствнтельности фотоприемника в длинноволновой области спектра для длин волн от 1 мкм до 2,2 мкм и увеличению фоточувствительности в коротковолновой области спектра для длин волн от 0,3 мкм до 1 мкм; 5) Увеличение прозрачности золота приводит к увеличению фоточувствительности. Значительнее этот эффект проявляется для более коротковолновой составляющей инфракрасной области спектра.
Известны разработки спектрозональных фотопреобразователей, основанные на применении либо нескольких одиночных кристаллов ПЗС, либо интерференционных мозаичных оптических фильтров, сформированных непосредственно на поверхности однокристального ПЗС фотопреобразователя. Приборы с зарядовой связью, содержащие несколько объемных информационных каналов (ОПЗС), расположенных друг над другом в толще полупроводника, в силу своей компактности и надежности могут быть перспективными для разработки на их основе спектрозональных фотопреобразователей изображения. В данной главе [145, 146, 148-156, 160, 164, 165] проведены экспериментальные исследования электрических характеристик линейного двухканального объемного ПЗС (ОПЗС), имеющего поверхностный канал к-типа проводимости и объемный канал р-типа проводимости, которые расположены один над другим. Прибор имеет шестнадцать элементов разложения, в котором применена четырехтактовая временная диаграмма управляющих импульсов напряжений, обеспечивающая одновременный встречный перенос пакетов зарядов по соответствующим каналам. Удержание электронов в поверхностном канале осуществляется посредством подачи постоянного отрицательного напряжения величиной -10,5 v -11 В на дополнительные боковые электроды. Амплитуда отрицательных управляющих импульсов напряжения изменяется в диапазоне 0 ч- 20 В. При этом эффективность переноса зарядов в обоих каналах составила 99,76 % на частоте 75 кГц. Фотоэлектрическими измерениями установлены существенно различные спектрозональные характеристики фоточувствительностей каналов ОПЗС. В работах по расчету электрических характеристик ОПЗС указывается, что максимальная величина пакетов, переносимых в каждом канале зарядов, становиться меньше, чем "глубже он погружен" в полупроводниковую подложку относительно поверхностного диэлектрического слоя. Для приближенных оценок величин поверхностной концентрации указанных пакетов зарядов применимо соотношение [84, 85, 164-166].
