Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Фотоприемники ультрафиолетового диапазона 13
1.1 Особенности полупроводниковых УФ фотодиодов 13
1.2 Материалы для изготовления УФ фотоприемников
1.2.1 Фотоприёмники на основе GaAs 15
1.2.2 Фотоприемники на основе GaP 17
1.2.3 Фотоприемники на основе нитридов 18
1.2.4 Фотоприемники на основе SiC 19
1.2.5 Фотоприемники на основе алмаза 22
1.2.6 Фотоприемники на основе полупроводников типаАпВУІ 24
1.3 Кремниевые УФ фотоприемники 27
1.3.1 Фотодиоды на основе инверсионного слоя 27
1.3.2 Фотодиоды с барьером Шоттки 34
1.3.3 Фотодиоды с p-n-переходом, сформированным акцепторами 35
1.3.4 Фотодиоды с p-n-переходом, сформированным донорами 39
1.3.5 Система люминофор - кремниевый фотоприемник 45
1.4 Кремниевые УФ фотоприемники с селективной чувствительностью 47
1.4.1 Фотодиоды с тонким эпитаксиальным слоем 47
1.4.2 Фотодиоды с тормозящим полем и УФ фильтром 52
1.4.3 Использование системы "кремний на изоляторе" 58
1.4.4 Трехдиапазонный УФ фотоприемник
1.6 Выводы 62
ГЛАВА 2 Технология получения кремниевого уф фотодиода 63
2.1 Выбор примеси для создания мелкозалегающих р-п-переходов 63
2.2 Разработка техпроцессов для создания мелких / -и-переходов 66
2.3 Исследование ионно-легированных профилей мышьяка 70
2.3.1 Анодное окисление кремния 70
2.3.2 Определение концентрации и коэффициента термодиффузии 73
2.4 Технология изготовления УФ фотодиода 81
2.5 Выводы 85
ГЛАВА 3 Методика исследования оптикоэлектрических свойств фотодиодов 86
3.1 Относительная спектральная характеристика 86
3.2 Абсолютная токовая чувствительность
3.2.1 Измерение ультрафиолетовой чувствительности 92
3.2.2 Измерение длинноволновой чувствительности
3.3 Исследование спектрального состава источников излучения 97
3.4 Установка для исследования вольтамперных характеристик 98
3.5 Выводы 100
ГЛАВА 4 Способы управления спектральной характеристикой УФ фотодиодов 101
4.1 Дозовая зависимость УФ чувствительности 101
4.2 Влияние легирования через окисную плёнку 107
4.3 Сравнение ионно-легированных фотодиодов с инверсионным и диффузионным 109
4.4 Влияние уровня легирования подложки на спектральную чувствительность
4.5 Влияние неоднородно легированной подложки 116
4.6 Влияние встроенного тормозящего поля 118
4.7 Использование УФ фильтров 131
4.8 Основные характеристики разработанных фотоприемников
4.8.1 Широкодиапазонный УФ фотодиод 138
4.8.2 Селективный УФ фотодиод 144
Заключение 150
Список использованной литературы 1
- Фотоприемники на основе нитридов
- Исследование ионно-легированных профилей мышьяка
- Измерение длинноволновой чувствительности
- Влияние уровня легирования подложки на спектральную чувствительность
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие современной оптоэлектроники требует все более широкого освоения различных диапазонов оптического спектра. В последнее время большой интерес вызывает ультрафиолетовый (УФ) диапазон. Работающие в этом диапазоне устройства находят широкое применение, как коммерческое, так и военное [1-3]. В коммерческом секторе это: пожарные датчики обнаружения пламени, спектральный анализ биологических и химических веществ, контроль качества пищевых продуктов, приборы для измерения биодоз УФ в медицине (мониторы загара, приборы стерилизации). Среди военных применений можно отметить обнаружение факела двигателей стартующих ракет, слежение за воздушными целями, закрытую связь между искусственными спутниками, поскольку УФ лучи не проникают сквозь озоновый слой земной атмосферы. Во многих случаях желательно, чтобы фотоприемник имел высокую чувствительность в УФ диапазоне и низкую в других областях оптического спектра. Подавление чувствительности в видимой области может быть достигнуто при использовании широкозонных твердотельных фотодетекторов или вакуумных фотоэлементов. Вакуумные приборы отличаются большими размерами, невысокой надежностью и сравнительной дороговизной. Имеющийся в настоящее время набор известных полупроводников с широкой запрещенной зоной позволяет принципиально реализовать любые технические требования. Однако, технология широкозонных материалов и приборов на их основе часто вызывает значительные проблемы, оказывается чрезвычайно затратной, особенно когда речь идет о приемниках с большой чувствительной площадкой. Среди прочих большой практический интерес могли бы представлять кремниевые УФ фотоприемники. Кремний технологичен, имеет низкую стоимость, хорошо освоен промышленностью и фотоприёмники на основе кремния хорошо зарекомендовали себя в оптоэлектронике. Вместе с тем, классические кремниевые фотоприемники отличаются высокой чувствительностью в видимом и ближнем ИК диапазонах и слабой в УФ области. Для повышения УФ чувствительности требуется разработка специальных поверхностно-барьерных структур, уменьшающих влияние поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда. Для снижения чувствительности в видимой области можно использовать УФ светофильтры. Однако, этот вариант приводит к росту цены, кроме того увеличиваются размеры ФП и вносятся дополнительные оптические потери. Интересным является вариант формирования самой структуры ФП, имеющей селективную спектральную чувствительность. Однако, для его реализации требуется разработка специальных технологических процессов, направленных на снижение области собирания фотоносителей, образованных видимым и ИК излучением.
Целью диссертационной работы является разработка кремниевого фотоприемника с высокой избирательной чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:
разработать технологические процессы для получения высокой чувствительности кремниевых фотодиодов (ФД) в УФ области спектра;
разработать методы анализа и контроля субмикронных полупроводниковых слоев, необходимых при изготовлении УФ фотодиодов;
разработать технологические процессы для снижения чувствительности кремниевых ФД к видимому и ИК диапазонам без потери чувствительности в УФ части спектра;
- исследовать спектральную чувствительность разработанных фотоприемных структур.
Методы исследования. Для решения поставленных задач проводились вариации
технологических методов получения фоточувствительных структур; измерялись электрические параметры, включающие вольт-амперные характеристики, вольт-фарадные характеристики; для исследования спектральных характеристик использовались оптические методы измерения спектральной чувствительности. Научная новизна работы:
Установлена высокая эффективность использования субмикронных /?-и-переходов, сформированных имплантацией мышьяка, для повышения чувствительности кремниевых фотоприемников в УФ области спектра.
Получена зависимость чувствительности кремниевых ФД в УФ области спектра от дозы имплантации мышьяка. Установлено максимальное значение дозы примеси, превышение которой приводит к спаду фоточувствительности в УФ диапазоне.
- Разработана технология селективных кремниевых фотодиодов с максимумом
чувствительности в УФ области спектра.
Обоснованность и достоверность технических и экспериментальных исследований основана на использовании апробированных методик исследования, согласием экспериментальных данных с теорией приборов, широким обсуждением результатов на конференциях и семинарах, включая публикации в рецензируемых журналах.
Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
- Изготовлены и внедрены в производство широкодиапазонные фотодиоды с высокой
чувствительностью в ближнем ультрафиолетовом диапазоне.
- Разработанная технология получения субмикронных /?-и-переходов может быть
использована при изготовлении биполярных и полевых транзисторов СВЧ диапазона.
Разработана методика анализа концентрационных профилей для субмикронных полупроводниковых слоев методом послойного травления тестовых структур Ван дер Пау.
Освоена технология кремниевых ФД со встроенным "тормозящим" полем в базе, позволившая значительно снизить чувствительность УФ фотоприемников в видимом и ИК диапазонах оптического спектра.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) Использование процесса ионной имплантации мышьяка позволяет формировать в
кремнии субмикронные п -р-переходы с высокой квантовой эффективностью в УФ области.
2) Для сохранения высокой чувствительности в УФ области доза имплантации
мышьяка не должна превышать 200 мкКл/см .
3) Использование встроенного тормозящего электрического поля позволяет
существенно снизить фоточувствительность в видимой и ближней ИК области.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
1. Конкурсные работы аспирантов и молодых ученых по направлению "Стратегическое
партнерство вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности" 2009 г., Санкт-
Петербург.
-
XI всероссийская молодежная научная школа "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические основы и применение", 2007 г., Саранск.
-
XII Всероссийская молодежная научная школа "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические основы и применение" 2008 г., Саранск.
4. XVI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и
аспирантов "Микроэлектроника и информатика" 2009 г., Зеленоград.
-
IX научно-техническая конференция "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" 2010 г., Звенигород.
-
X научно-техническая конференция "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" 2011 г., Дубна.
7. XV научная конференция НовГУ 2008 г., Великий Новгород.
-
XI Всероссийская научно-техническая конференция "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" 2012 г., Дубна.
-
IV Всероссийская конференция "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" 2012 г., Новосибирск.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 статей, из них - 4 статьи в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК, 10 статей на всероссийских и межвузовских научно-технических конкурсах и конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения. Она изложена на 164 страницах машинописного текста, включает 99 рисунков, 8 таблиц и содержит список литературы из 102 наименований.
Фотоприемники на основе нитридов
Естественным источником ультрафиолетового излучения является Солнце, основная энергия которого достигает поверхности Земли в видимом и инфракрасном спектральном диапазоне. УФ излучение, попадающее в атмосферу Земли, занимает участок длин волн от 200 до 400 нм. В этом диапазоне выделяют три области, которые различаются по биологическому воздействию и проникающей способности: УФ-А (315 - 400 нм), УФ-В (280 - 315 нм) и УФ-С (200-280нм)[1].
В последнее время в мире интенсивно развиваются полупроводниковые фотоприемники УФ диапазона [2-10] для использования в ряде важнейших применений [2,3]: — экологии (например, для контроля „озоновой дыры" над Землей); — биотехнологии (синтез витаминов D H D3); — медицине (физиотерапия, аутотрансфузия крови, профилактика простудных заболеваний, индикация канцерогенного излучения).
Кроме того, УФ диапазон привлекателен для решения многих задач оборонного назначения. Например, в ответ на развитие средств ПВО разработчики головок самонаведения ракет включают в них дополнительные "цвета" — в последние 10-15 лет это УФ-диапазон 0,25-0,35 мкм [9]. Наиболее эффективное обнаружение пламени можно получить от ракеты переносного зенитно-ракетного комплекса (ПЗРК) и других источников открытого пламени. При этом детектор УФ-излучения может быть использован как дополнительное средство, например к ИК-системе обнаружения. В ИК-спектре выхлопной хвост ракеты может достигать нескольких сотен метров. УФ-датчик при приближении к ракете зафиксирует только источник пламени, и наведение будет очень точным.
Полупроводниковые фотоприемники, особенно структуры с потенциальным барьером, имеют высокую эффективность, малые вес и габариты, не чувствительны к магнитным полям, имеют большую надежность, чем вакуумные фотоэлементы. Полупроводниковые фотоприемники обычно характеризуются рядом параметров, главные из которых: — спектральная область фоточувствительности, АХ; — квантовая эффективность или токовая фоточувствительность, т, Sr; — площадь фотоприемной поверхности, Бзф", — удельная обнаружительная способность, D ; — порог фоточувствительности (шумовой эквивалент мощности); — быстродействие, г (или граничная рабочая частота); — температурные коэффициенты параметров (Хт, — операционные параметры: стабильность, устойчивость к ионизирующему излучению, максимально допустимое рабочее напряжение V , масса т, габариты.
Спектральная чувствительность фотоприемников в УФ области спектра определяется многими факторами, главный из которых — ширина запрещенной зоны используемого полупроводника. Длинноволновая граница идеального УФ фотоприемника должна соответствовать границе видимой и УФ областей (К = 0.38 мкм), т.е. коэффициент поглощения света в исходном полупроводнике должен быть как можно меньшим при То 0.38 мкм и как можно большим при Х 0.38 мкм. С этой точки зрения наиболее перспективны материалы с Eg 3 эВ. Однако круг применяемых полупроводников определяется не только значением Eg. Необходимо учитывать такие факторы, как коэффициент отражения и коэффициент преломления материала в УФ области спектра, состояние поверхности, ее дефектность и др. При выборе исходного полупроводника важную роль также играет и уровень разработки технологии его получения.
Главной проблемой, которая стоит перед производителями этих приборов, является проблема материаловедения широкозонных полупроводников. Ультрафиолетовая фотоэлектроника началась в 60-е годы 20-го века с кремниевых приборов, поскольку Si был освоен промышленностью и к этому времени уже хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для солнечных элементов. В то же время высокая чувствительность кремниевых фотоприемников к видимому и особенно к инфракрасному (ИК) излучению потребовала использования более широкозонных полупроводников, и в 80—90-е годы наиболее распространенным стал GaP, который к этому времени уже применялся для светоизлучающих диодов [3]. Однако необходимость в солнечно-слепых фотоприемниках, главным образом для регистрации пламени ракет, вызвала в последнее время "нитридный бум" - интенсивно осваиваются широкозонные полупроводники: GaN, A1N и твердые растворы на их основе. Следует отметить, что фоточувствительность УФ фотоприемников существенно зависит от эффективности разделения носителей тока, возбужденных коротковолновым светом в приповерхностной области. Это накладывает жесткие условия на качество поверхности полупроводника. Следует добиваться малой плотности поверхностных состояний, низкой скорости поверхностной рекомбинации, отсутствия нарушенного поверхностного слоя. К наиболее часто используемым типам УФ фотоприемников относятся фотодиоды с мелким р-и-переходом, гетерофотодиоды с широкозонным «окном», а также диоды Шоттки. Далее рассмотрены основные полупроводниковые материалы и их свойства, которые получили наибольшую актуальность на сегодняшний день для создания фотоприемников ультрафиолетового диапазона.
Исследование ионно-легированных профилей мышьяка
Для получения фотодиода с высокой чувствительностью в УФ области спектра необходимо, чтобы число неосновных носителей, образованных квантами УФ излучения и дошедших до р-и-перехода, значительно превышало количество фотоносителей, рекомбинирующих на поверхностных дефектах. Как уже было сказано, это достигалось за счет уменьшения глубины залегания р-и-перехода до значений 0,2 - 0,3 мкм, что в свою очередь приводило к увеличению коэффициента собирания [3, 8, 14]. Создание в приповерхностном слое встроенного поля, за счет градиента концентрации примеси, способствовало дополнительному увеличению коэффициента собирания, что выражалось в увеличении чувствительности к УФ излучению [14, 17].
Для создания кремния р- или я-типа проводимости, в микроэлектронике используются акцепторные и донорные примеси. В качестве акцепторной примеси в производстве обычно используется бор. Благодаря высокому значению коэффициента термодиффузии [78], бор быстро диффундировал вглубь пластины во время термических процессов. Это являлось положительным фактором при создании глубоких слоев (порядка 1 мкм и выше), однако создавало проблемы при необходимости получения субмикронных слоев порядка 0,2 - 0,3 мкм с высоким сопротивлением. Метод ионной имплантации бора (или его соединений BF и BF2+) позволял получать достаточно тонкие слои, однако последующий высокотемпературный отжиг всё равно приводил к разгонке примеси, что требовало разработки специальных быстрых термических отжигов. Кроме того, для создания защиты поверхности прибора и придания ей антиотражающих свойств (при создании фотоприёмников), на заключительных стадиях формирования прибора на поверхности пластины выращивали термический окисел Si02 определённой толщины. Так как коэффициент сегрегации бора больше единицы [41], то во время термического окисления бор растворялся в окисле больше, чем в кремнии, поэтому часть бора мигрировала с поверхности кремниевой пластины в диоксид кремния [14]. В результате у границы раздела Si-Si02 происходило обеднение поверхности бором, что приводило к образованию барьерного слоя для неосновных носителей, двигающихся от поверхности к р-п-переходу. Кроме того, положительный заряд ионов щелочных металлов (Na+, К+, Li+), находящихся в окисле [88], также вносил свой вклад в барьерный слой. В результате описанных процессов, у границы раздела Si-SiCb получался следующий вид зонной диаграммы (рисунок 2.1). - приповерхностный барьерный слой; 2 - участок тянущего поля; 3 - просветляющее покрытие (SiC 2); 4 - положительный заряд в двуокиси кремния; 5 -поверхностные рекомбинационные уровни; Ес - дно зоны проводимости; EF - уровень Ферми; Еу - граница валентной зоны; Eg - запрещенная зона
Результирующее поле в барьерном слое притягивало генерируемые в данной области неосновные носители к поверхности, тем самым, увеличивало их рекомбинацию на границе раздела.
В отличие от бора, донорные примеси в кремнии имели коэффициент сегрегации меньше единицы [41], что приводило ни к уменьшению, а к накоплению примеси у границы раздела Si-Si02 во время операции термического окисления (происходит "выталкивание" примеси из окисла). При этом у поверхности создавалось не "тормозящее", а "тянущее" поле для неосновных носителей, двигающихся к -«-переходу [17].
Фосфор, также как и бор, является перспективной примесью для создания глубоких высоколегированных слоев в кремнии, так как скорость диффузии бора и фосфора почти одинакова, а пределы растворимости в кремнии составили 6-Ю20 и 1,2-1021 см"3, соответственно [78]. Поэтому, также как и в случае бора, чтобы получить субмикронные слои фосфора необходимо разрабатывать специальные низкотемпературные режимы отжигов (если легирование осуществлялось ионной имплантацией), или специальные низкотемпературные режимы диффузии [87].
Из трех самых распространенных донорных примесей: фосфора, мышьяка и сурьмы, мышьяк являлся наиболее оптимальным вариантом в силу того, что он имел самый близкий атомный радиус с кремнием [20]. Это позволило вводить значительную концентрацию мышьяка в кристаллическую решетку кремния, не образовывая дефектов. Кроме того, отсутствие деформации кристаллической решетки при диффузии мышьяка позволило избежать выравнивания профиля распределения примеси около поверхности кремниевой пластины, что наблюдалось при диффузиях бора, фосфора и сурьмы [19]. И наконец, мышьяк имел коэффициент сегрегации сравнимый с фосфором [20], коэффициент термодиффузии на порядок меньший, чем у фосфора [21], а в отличие от сурьмы, чей предел растворимости в кремнии не превышал 7-Ю19 см", предел растворимости мышьяка составил 2-10 х см"3. Всё это сделало мышьяк перспективной примесью для создания качественных субмикронных р-n-переходов в кремнии. 2.2 Разработка техпроцессов для создания мелких/»-и-переходов
В данной работе мелкозалегающие р-и-переходы получались методом ионной имплантации (ИИ) мышьяка. В отличие от диффузии, ионная имплантация являлась более управляемым процессом, не требующим специальной обработки пластин по удалению естественного окисла, который, как известно, ухудшал воспроизводимость параметров при диффузии мышьяка. Кроме того, из-за токсичности мышьяка его диффузия обычно проводилась в запаянных ампулах, что не всегда удобно с технологической точки зрения. Также метод ионной имплантации обладал рядом преимуществ, делающих его перспективным для создания мелких фоточувствительных слоев [12]: 1. Хорошая воспроизводимость параметров; 2. Отсутствие необходимости поддерживать высокую температуру в процессе имплантации; 3. Простота методов маскирования, например, путем применения фоторезистивных плёнок; 4. Возможность легирования через тонкие диэлектрические слои; 5. Малая глубина внедрения ионов и, следовательно, возможность получения тонких приповерхностных слоев с очень крутыми профилями примеси. Для оценки профиля торможения были использованы математические модели Линдхарда, Шарфа и Шиота, описывающие процесс ионного легирования примеси. Согласно данной теории, при имплантации ускоренных ионов в неориентированные кристаллы профиль распределения концентрации внедрённых ионов оценивался распределением Гаусса [38-40]:
Измерение длинноволновой чувствительности
Как было описано выше, в данной работе для получения субмикронных р-и-переходов использовался метод ионной имплантации мышьяка в подложку р-типа проводимости [89, 93]. При этом для получения мелкозалегающего легированного слоя была выбрана минимальная энергия ионов 50 кэВ. В отличие от энергии, выбор дозы является более сложной задачей. Поскольку основным параметром при определении порога линейности световой характеристики служио последовательное сопротивление фотодиода, то уменьшение данного сопротивления вело к увеличению порога линейности, что обеспечивалось внедрением более высокой дозы примеси. С другой стороны, чем выше доза внедряемой примеси, тем больше радиационных дефектов образовывалось на поверхности полупроводника. Увеличение количества радиационных дефектов способствовало увеличению скорости поверхностной рекомбинации фотоносителей и, тем самым, снижению УФ чувствительности фотоприемника.
В связи с этим, представлял интерес исследовать зависимость чувствительности фотоприёмников в УФ диапазоне от дозы внедряемого мышьяка при прочих равных условиях. Для этого было принято решение исследовать чувствительность фотоприёмников в диапазоне доз мышьяка 5 -5000 мкКл/см . Были сформированы фотодиодные структуры, технология изготовления которых описана в главе 2. В качестве исходного материала использовались кремниевые подложки марки КДБ-10. Нижняя граница 5 мкКл/см2 данного диапазона выбрана из тех соображений, чтобы величина поверхностной концентрации была хотя бы на три порядка выше исходной концентрации (не ниже 1018 см"3), что обеспечивало необходимую величину встроенного тянущего поля у поверхности для фотоносителей, образованных
УФ излучением [17]. Верхняя доза 5000 мкКл/см2 соответствовала значению предела растворимости мышьяка в кремнии (2-1021см"3). На первом этапе данной работы были сформированы четыре типа структур фотодиодов с дозами 5, 50, 500 и 5000 мкКл/см2. Расчетные профили данных структур, до проведения отжига, представлены на рисунке 4.1. 0.02
Проведение термического отжига осуществлялось одновременно с выращиванием просветляющего покрытия из Si02 толщиной 0,06 мкм при Т=Ю00 С около 40 минут в сухом кислороде. Перераспределение профилей мышьяка после термического отжига, рассчитанное по формуле (2.4), представлено на рисунке 4.2.
На контрольных пластинах-спутниках, которые сопровождали изготавливаемые структуры фотодиодов на операциях ионного легирования и отжига, производились измерения слоевых сопротивлений четырёхзондовым методом. Глубины залегания p-n-переходов определялись методом шарового шлифа. Используя связь удельного сопротивления и концентрации примеси по кривым Ирвина, определялась средняя концентрация легированного слоя и производился расчет приблизительной дозы активированной примеси по формуле:
Сравнив экспериментальные результаты глубин слоев с расчетными данными рисунка 4.2 отметим неплохое совпадение глубин слоев для невысоких доз легирования 5 и 50 мкКл/см2. Увеличение глубин для больших доз вызвано увеличением коэффициента диффузии, связанным с концентрационной зависимостью. Расчеты доз активированной примеси показывали уменьшение степени активации с увеличением дозы.
Изготовленные приборы показывали хорошие диодные вольтамперные характеристики и низкий разброс по пластине. Далее пластины были порезаны алмазным диском на отдельные кристаллы размером 3x3 мм, с величиной чувствительной площадки 2,7x2,7 мм. Несколько кристаллов фотодиодов были отобраны и посажены в корпуса типа КТ-2 на токопроводящий клей ТОК-2 и разварены алюминиевой проволокой толщиной 30 мкм. Спектральные характеристики фотодиодов были исследованы с помощью измерительного стенда, описанного в главе 3. В качестве источника оптического излучения использовалась дейтериевая лампа ДЦС-30.
Исследования спектральных характеристик проводились в диапазоне 240 - 960 нм, при этом в области меньше 290 нм наблюдалось значительное поглощение излучения атмосферой, о чем свидетельствовал низкий уровень сигнала. Типичные спектральные характеристики разработанных ионно-легированных структур представлены на рисунке 4.3. Как видно из полученных зависимостей, заметное ухудшение характеристик в УФ области наблюдалось при дозе имплантации 500 мкКл/см2. На наш взгляд, это вызвано образованием значительного количества радиационных дефектов на поверхности фотодиода, которые оказывали заметное влияние на увеличение скорости поверхностной рекомбинации неосновных фотоносителей. Данное предположение было косвенно подтверждено в главе 2 увеличением коэффициента термодиффузии мышьяка у поверхности легированного слоя.
Влияние уровня легирования подложки на спектральную чувствительность
Как видно из рисунка 4.19, чем меньше глубина залегания слоя, тем больше величина тормозящего электрического поля. Таким образом, при меньшей глубине должно наблюдаться самое эффективное торможение неосновных носителей, двигающихся из подложки к р-п-переходу. Для экспериментальной проверки данного факта были изготовлены четыре партии фотодиодов с мелкозалегающим p-n-переходом, где тормозящее поле формировалось перед операцией ионного легирования мышьяка с помощью диффузии бора в то же окно. Глубины полученных слоев, которые контролировались на пластинах-спутниках п-типа марки КЭФ-3, составили: 1,0±0,1; 2±0,2; 4±0,3; и 8,0+0,5 мкм. Концентрация примеси контролировалась по величине слоевых сопротивлений структур, которые составили величины, соответственно: 600±50; 300±30; 150±10 и 75±5 Ом/а. Все четыре структуры изготавливались по единому технологическому маршруту с отличием только в режимах диффузии бора. Полученные пластины были порезаны на отдельные кристаллы, среди которых несколько образцов были отобраны по вольт-амперным характеристикам для исследований спектральных характеристик. Типичные результаты измеренных спектральных характеристик представлены на рисунке 4.20. Из рисунка 4.20 видно, что с уменьшением глубины залегания бора квантовая эффективность структур в длинноволновой части спектра также уменьшалась, что подтверждало анализ представленных выше расчетов. При этом квантовая эффективность в УФ области оставалась неизменной.
Таким образом, в данном разделе было показано, что создание структур с эффективным тормозящим полем, сформированным диффузией бора, позволило значительно повысить избирательность кремниевых фотодиодов в ультрафиолетовой области спектра. При этом максимальный эффект может быть получен за счет нахождения оптимальных параметров между глубиной диффузии бора, его поверхностной концентрацией и уровнем легирования исходного материала.
Как было показано выше, использование групповых технологических операций (создание мелких переходов и встроенного тормозящего поля) позволило значительно снизить длинноволновую чувствительность кремниевых УФ фотодиодов. Однако данный способ имел технологические ограничения (рисунок 4.12), что в ряде случаев оказывалось недостаточным. В связи с этим для дальнейшего повышения избирательности кремниевых фотоприемников в УФ области можно осуществлять фильтрацию падающего УФ излучения от видимого и ИК. Фильтрацию можно осуществить как с помощью внешнего светофильтра, так и с помощью фильтра, нанесенного непосредственно на поверхность кристалла фотоприемника.
В качестве внешнего УФ фильтра в данной работе было рассмотрено увиолевое стекло. На рисунке 4.21 представлена измеренная зависимость коэффициента пропускания увиолевого стекла (толщина 4 мм) от длины волны. В качестве источника излучения использовалась дейтериевая лампа.
Из рисунка 4.21 видно, что увиолевое стекло имело окно прозрачности в диапазоне 300 - 400 нм на уровне около 63-64% в максимуме на 350 нм, и сильное ослабление в видимой и ИК областях спектра. Применение такого фильтра в качестве окна в корпусе широкодиапазонного кремниевого фотодиода позволило получить приемник, чувствительный только в ближнем УФ диапазоне.
На рисунке 4.22 представлено сравнение спектральных характеристик широкодиапазонного фотодиода с увиолевым стеклом, широкодиапазонного инверсионного фотодиода и фотодиода с тормозящим полем.
Как видно из представленных характеристик, фотодиод с увиолевым фильтром выгодно отличался от двух других хорошей избирательностью сигнала в ближнем ультрафиолетовом диапазоне, оставаясь слепым к видимому и ИК областям спектра. Тем не менее, наблюдалось естественное ослабление сигнала в УФ области примерно на 40% в максимуме, что вызвано потерями на поглощение в фильтре. Следует отметить, что использование внешнего фильтра увеличивало стоимость фотодиода, что являлось не всегда оправданным вариантом.
Другим интересным и менее дорогостоящим способом фильтрации излучения являлось нанесение фильтрующего покрытия непосредственно на поверхность пластины при изготовлении фотодиодов в едином технологическом цикле. Примерами таких покрытий являлись интерференционные и адсорбционные фильтры. В настоящее время широкое распространение получили интерференционные светофильтры, представляющие собой интерферометр Фабри-Перо с очень малым диэлектрическим промежутком между двумя тонкими металлическими пленками (зеркалами) [32]. Однако здесь следует отметить, что для создания данного фильтра требовалось нанесение очень качественных наноразмерных пленок металлов толщиной около 10 нм, что являлось сложной технологической задачей.
Другим методом фильтрации оптического излучения являлось нанесение на поверхность фотоприемника слоя материала, имеющего окно прозрачности в УФ области. Одним из таких материалов являлось серебро [86]. На рисунке 4.23 представлена зависимость коэффициента отражения пленки серебра от длины волны [72]. Как видно из рисунка, в области 310-340 нм серебро имело минимальное значение коэффициента отражения, при этом в длинноволновой области он стремился к 100%.
