eng
Выпуск #2/2010
В.Гаврушко, А.Ионов, В.Ласткин.
Усовершенствованный кремниевый УФ-фотодиод, полученный имплантацией мышьяка
Усовершенствованный кремниевый УФ-фотодиод, полученный имплантацией мышьяка
Просмотры: 5653
УФ-фотодиоды с высоким квантовым выходом в ультрафиолетовой области спектра и пониженной чувствительностью в видимой области были получены имплантацией мышьяка в кремний р-типа с неоднородным распределением примеси. Полученные фотоприемники имели внутренний квантовый выход близкий к 100% на длинах волн 300–450 нм, и в 5–10 раз меньше на длинах волн 600–900 нм. Применение ионной имплантации для получения фотодиодов, сопоставимых по чувствительности в УФ-области с фотодиодами на основе инверсионного слоя, обеспечивает им высокую временную стабильность. Низкая чувствительность в видимой области, позволяющая уменьшить влияние фоновых засветок, служит дополнительным преимуществом. Таким образом, предлагаемый фотодиод с улучшенными характеристиками можно рекомендовать как альтернативу существующим кремниевым фотоприемникам ближнего УФ-диапазона.
Для различных аэрокосмических, медицинских, пожарных, радиометрических измерений требуются датчики с высокой чувствительностью в УФ-диапазоне, хорошей помехозащищенностью к видимому излучению и высокой временной стабильностью. Известно много типов кремниевых фотоприемников, предназначенных для этих областей применения: диффузионные [1], ионно-легированные [2], с барьерами Шоттки [3], с инверсионным слоем [4]. Поскольку коэффициент поглощения кремния в УФ-области равен ~106 см-1 и все излучение поглощается в приповерхностном слое толщиной в несколько десятков нанометров, то важнейшей задачей создания эффективных УФ-приемников всегда являлось снижение рекомбинационных потерь на границе раздела с диэлектриком. Наилучшие характеристики были достигнуты у фотоприемников с инверсионным слоем.
Вместе с тем, диодам с инверсионным слоем присущи недостатки, связанные с высоким сопротивлением инверсионного слоя и, как следствие, недостаточным диапазоном линейности световой характеристики. Кроме того, чувствительность как инверсионных, так и других типов кремниевых фотоприемников в диапазоне видимого излучения высокая, что может приводить к большой фоновой составляющей фотосигнала. Таким образом, существует потребность в фотоприемнике, сопоставимым по фоточувствительности с инверсионными фотодиодами, но с меньшим поверхностным сопротивлением и невысокой чувствительностью в видимой области. Такой усовершенствованный кремниевый УФ-фотоприемник разработан специалистами предприятия ОАО "ОКБ-Планета" (Великий Новгород) и НовГУ имени Ярослава Мудрого.
Критерии выбора типа фотоприемника
Для получения высокой чувствительности кремниевого фотоприемника к УФ-излучению желательно, чтобы концентрация примеси в области поглощения была невысокой (чтобы избежать Оже-рекомбинации), а встроенное тянущее электрическое поле было максимальным. Наиболее управляемым процессом получения резких примесных профилей при невысокой концентрации примеси является ионная имплантация. Для снижения влияния перераспределения примеси при постимплантационном отжиге целесообразно в качестве донорной примеси кремния использовать мышьяк, коэффициент диффузии которого невысок. Атомный вес мышьяка (75) меньше, чем у другого известного донора – сурьмы (122), что должно уменьшить число структурных дефектов в процессе имплантации. Кроме того, мышьяк из всех примесей имеет наиболее близкий к кремнию ионный радиус, что также снижает плотность дефектов в легированном слое.
Чувствительность фотодиода в длинноволновой области определяется протяженностью области собирания носителей. Так, на длине волны 0,5 мкм коэффициент поглощения составляет ~10-4 см-1, а область собирания – около 10 мкм. Уменьшение области собирания и, тем самым, уменьшение фоточувствительности может быть достигнуто путем сильного легирования подложки, использования тонкого эпитаксиального слоя или ввода тормозящего электрического поля. Последнее может быть реализовано путем подлегирования приповерхностного слоя акцепторной примесью с максимально резким профилем, в качестве которой лучше всего использовать бор. Таким образом, при изготовлении УФ-фотоприемника представляется целесообразным проводить ионную имплантацию мышьяка в неоднородно легированный кремний р-типа.
Технология получения прибора
На рис.1 представлена принципиальная схема прибора, который был создан для проверки изложенных идей. Исходным материалом служил кремний р-типа марки КДБ-10. Фоточувствительная область создавалась ионным легированием бора с его последующей разгонкой для создания встроенного тормозящего электрического поля. Имплантация мышьяка проводилась через тонкий окисный слой. Такой прием позволил уменьшить плотность структурных дефектов и получить "сверхрезкий" концентрационный профиль донорной примеси. Глубина залегания р-n-перехода была равна ~200 нм. Для получения омического контакта с n-слоем по периферийной области фоточувствительного слоя проводилась подконтактная диффузия фосфора на глубину около 2 мкм. Диффузионные p+-области служили для ограничения канала инверсии, вносимого зарядом окисла. Размер чувствительной области составил 2,7×2,7 мм2.
Результаты и обсуждение
Изготовленные фотодиоды имели ярко выраженную диодную ВАХ с обратным динамическим сопротивлением 4 МОм при значениях напряжения до 1 В. Барьерная емкость при нулевых смещениях составила 3 нФ. Спектральная характеристика фотодиода в диапазоне 300–900 нм для равного потока квантов приведена на рис.2. Спектральная чувствительность измерялась на монохроматоре с высокой спектральной чистотой и водородной лампой в качестве источника УФ излучения.
з полученных данных следует, что у фотоприемника в диапазоне 300–450 нм высокая, близкая к 100%, квантовая чувствительность, а в длинноволновой области (600–900 нм) квантовый выход значительно меньше – 10–20% . Для сравнения на рис.2 приведена спектральная характеристика инверсионного кремниевого фотодиода аналогичной геометрии. Как видно, в области УФ-излучения чувствительность фотоприемников примерно одинакова, а в видимом и ближнем ИК-диапазонах чувствительность ионно-легированного фотоприемника значительно меньше. Кроме того, следует отметить колоссальное различие в значениях слоевого поверхностного сопротивления фотоприемников. Для инверсионного фотоприемника его значение достигало 20000 Ом/кв., а для ионно-легированного всего 300 Ом/кв., что, несомненно, расширяет динамический диапазон линейности разработанного прибора. Таким образом, можно рекомендовать предлагаемый фотодиод с улучшенными характеристиками как альтернативу имеющимся кремниевым фотоприемникам для ближнего УФ-диапазона.
Литература
1. Korde R., Geist J. Stable, high quantum efficiency, UV-enhanced silicon photodiodes by arsenic diffusion. – Solide-state Electronics, 1987, v.30, №1, p. 89–92.
2. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Ласткин В.А. Кремниевые фотоприемники с высокой чувствительностью к УФ излучению. – Датчики и Системы, 2009, №6 (121), с.49–51.
3. Полупроводниковые фотоприемники./Под ред. В.И.Стафеева.– М, Радио и связь, 1984, 216 с.
4. Hansen T.E. Silicon UV-Photodiodes Using Natural Inversion Layers. – Physica Scripta, 1978, v.18, p.471–475.
Вместе с тем, диодам с инверсионным слоем присущи недостатки, связанные с высоким сопротивлением инверсионного слоя и, как следствие, недостаточным диапазоном линейности световой характеристики. Кроме того, чувствительность как инверсионных, так и других типов кремниевых фотоприемников в диапазоне видимого излучения высокая, что может приводить к большой фоновой составляющей фотосигнала. Таким образом, существует потребность в фотоприемнике, сопоставимым по фоточувствительности с инверсионными фотодиодами, но с меньшим поверхностным сопротивлением и невысокой чувствительностью в видимой области. Такой усовершенствованный кремниевый УФ-фотоприемник разработан специалистами предприятия ОАО "ОКБ-Планета" (Великий Новгород) и НовГУ имени Ярослава Мудрого.
Критерии выбора типа фотоприемника
Для получения высокой чувствительности кремниевого фотоприемника к УФ-излучению желательно, чтобы концентрация примеси в области поглощения была невысокой (чтобы избежать Оже-рекомбинации), а встроенное тянущее электрическое поле было максимальным. Наиболее управляемым процессом получения резких примесных профилей при невысокой концентрации примеси является ионная имплантация. Для снижения влияния перераспределения примеси при постимплантационном отжиге целесообразно в качестве донорной примеси кремния использовать мышьяк, коэффициент диффузии которого невысок. Атомный вес мышьяка (75) меньше, чем у другого известного донора – сурьмы (122), что должно уменьшить число структурных дефектов в процессе имплантации. Кроме того, мышьяк из всех примесей имеет наиболее близкий к кремнию ионный радиус, что также снижает плотность дефектов в легированном слое.
Чувствительность фотодиода в длинноволновой области определяется протяженностью области собирания носителей. Так, на длине волны 0,5 мкм коэффициент поглощения составляет ~10-4 см-1, а область собирания – около 10 мкм. Уменьшение области собирания и, тем самым, уменьшение фоточувствительности может быть достигнуто путем сильного легирования подложки, использования тонкого эпитаксиального слоя или ввода тормозящего электрического поля. Последнее может быть реализовано путем подлегирования приповерхностного слоя акцепторной примесью с максимально резким профилем, в качестве которой лучше всего использовать бор. Таким образом, при изготовлении УФ-фотоприемника представляется целесообразным проводить ионную имплантацию мышьяка в неоднородно легированный кремний р-типа.
Технология получения прибора
На рис.1 представлена принципиальная схема прибора, который был создан для проверки изложенных идей. Исходным материалом служил кремний р-типа марки КДБ-10. Фоточувствительная область создавалась ионным легированием бора с его последующей разгонкой для создания встроенного тормозящего электрического поля. Имплантация мышьяка проводилась через тонкий окисный слой. Такой прием позволил уменьшить плотность структурных дефектов и получить "сверхрезкий" концентрационный профиль донорной примеси. Глубина залегания р-n-перехода была равна ~200 нм. Для получения омического контакта с n-слоем по периферийной области фоточувствительного слоя проводилась подконтактная диффузия фосфора на глубину около 2 мкм. Диффузионные p+-области служили для ограничения канала инверсии, вносимого зарядом окисла. Размер чувствительной области составил 2,7×2,7 мм2.
Рис.1. Структура кремниевого УФ-фотодиода
Результаты и обсуждение
Изготовленные фотодиоды имели ярко выраженную диодную ВАХ с обратным динамическим сопротивлением 4 МОм при значениях напряжения до 1 В. Барьерная емкость при нулевых смещениях составила 3 нФ. Спектральная характеристика фотодиода в диапазоне 300–900 нм для равного потока квантов приведена на рис.2. Спектральная чувствительность измерялась на монохроматоре с высокой спектральной чистотой и водородной лампой в качестве источника УФ излучения.
Рис.2. Спектральные характеристики ионно-легированного (♦) и инверсионного () фотоприемников
з полученных данных следует, что у фотоприемника в диапазоне 300–450 нм высокая, близкая к 100%, квантовая чувствительность, а в длинноволновой области (600–900 нм) квантовый выход значительно меньше – 10–20% . Для сравнения на рис.2 приведена спектральная характеристика инверсионного кремниевого фотодиода аналогичной геометрии. Как видно, в области УФ-излучения чувствительность фотоприемников примерно одинакова, а в видимом и ближнем ИК-диапазонах чувствительность ионно-легированного фотоприемника значительно меньше. Кроме того, следует отметить колоссальное различие в значениях слоевого поверхностного сопротивления фотоприемников. Для инверсионного фотоприемника его значение достигало 20000 Ом/кв., а для ионно-легированного всего 300 Ом/кв., что, несомненно, расширяет динамический диапазон линейности разработанного прибора. Таким образом, можно рекомендовать предлагаемый фотодиод с улучшенными характеристиками как альтернативу имеющимся кремниевым фотоприемникам для ближнего УФ-диапазона.
Литература
1. Korde R., Geist J. Stable, high quantum efficiency, UV-enhanced silicon photodiodes by arsenic diffusion. – Solide-state Electronics, 1987, v.30, №1, p. 89–92.
2. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Ласткин В.А. Кремниевые фотоприемники с высокой чувствительностью к УФ излучению. – Датчики и Системы, 2009, №6 (121), с.49–51.
3. Полупроводниковые фотоприемники./Под ред. В.И.Стафеева.– М, Радио и связь, 1984, 216 с.
4. Hansen T.E. Silicon UV-Photodiodes Using Natural Inversion Layers. – Physica Scripta, 1978, v.18, p.471–475.
Отзывы читателей
