УДК 621.385.5
КРЕМНИЕВЫЕ ФОТОПРИЕМНИКИ С ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ К УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ
В. В. Гаврушко, А. С. Ионов, В. А. Ласткин
Исследовано влияние степени легирования подложки исходного материала на вид спектральной характеристики кремниевого фотодиода, получаемого методом ионной имплантации. Установлено влияние степени легирования подложки на чувствительность в длинноволновой области спектра. Произведена оценка диффузионной длины электронов, которая в подложке КДБ-10 составила 27 мкм, а в подложке КДБ-0,1 — 6,8 мкм. Ключевые слова: фотоприемник, кремний, спектр чувствительности, ультрафиолетовое излучение, диффузионная длина.
Для решения различных задач науки и техники в области оптоэлектроники широкое применение нашли полупроводниковые фотодиоды. Сегодня используется широкий круг как узкозонных, так и широкозонных полупроводниковых материалов, на основе которых разрабатываются фотоприемники для различных областей оптического спектра. Тем не менее, продолжают лидировать фотоприемники на основе кремния в силу того, что кремний технологичен, имеет низкую стоимость, хорошо освоен промышленностью, и фотоприемники на основе кремния хорошо зарекомендовали себя в оптоэлектро-нике. Как известно, стандартные кремниевые фотоприемники имеют хорошую чувствительность в диапазоне длин волн 400...1100 нм с максимумом чувствительности в области 850...950 нм. Однако для решения некоторых задач требуются фотоприемники со спектральной характеристикой, отличной от стандартной, например, фотоприемник, имеющий высокую чувствительность в ультрафиолетовой области и низкую в длинноволновой части спектра. В настоящей работе приведены результаты исследования способов управления спектральной характеристикой кремниевого фотодиода путем выбора метода формирования р-п-перехода и степени легирования исходной подложки.
Спектральная чувствительность фотодиодов определяется, в основном, значением ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов и зависимостью коэффициента поглощения электромагнитного излучения данного материала от длины волны. Низкая чувствительность в ультрафиолетовой области наиболее распространенных диффузионных кремниевых фотоприемников связана с большой величиной коэффициента поглощения кремния в области, где он достигает значения 105—106 см-1 (рис. 1) [1]. В результате этого поглощение данного излучения осуществляется в тонком приповерхностном слое и подвержено сильному влиянию поверхностной рекомбинации [2, 3]. Следовательно, для увеличения чувствительнос-
а, см 105
104 103 102 10 1 0,1
-1
/
300 К /
1,23 0,82 0,61 0,41 0,31 X, мкм
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения излучения кремнием от длины волны света
ти кремниевого фотодиода в УФ-области глубина залегания р-п-перехода в фотодиоде должна лежать в субмикронном диапазоне 0,1...0,2 мкм.
Снижение чувствительности в длинноволновой области может быть достигнуто благодаря уменьшению области собирания фотоносителей из подложки путем выбора степени ее легирования.
Для определения влияния концентрации примеси исходного материала подложки фотодиода на его спектральную чувствительность было сформировано три структуры на подложках кремния р-типа: КДБ-10 (кон-
15 -3
центрация дырок 1015 см-3), КДБ-0,1 (концентрация дырок 1017 см-3) и комбинированная структура 1КДБ-10/КДБ-0,1 (эпитаксиальный слой толщиной 1 мкм марки КДБ-10, выращенный на подложке КДБ-0,1). Для увеличения чувствительности в коротковолновой части спектра формировался мелкоза-легающий р-п-переход методом ионной имплантации мышьяка с энергией ионов 50 кэВ. Легирование осуществлялось через буферный слой пленки 5Ю2 толщиной 60 нм, что снижало концентрацию структурных дефектов в приповерхностной области фотодиода. После термического отжига при температуре 1050 °С глубина залегания р-п-перехода, измеренная по концентрационному профилю,
Рис. 2. Схема кремниевого фотодиода с субмикронным р-и-пере-ходом:
Р — подложка р-типа проводимости; п+ — область подкон-тактной диффузии фосфора; р+ — область диффузии бора для ограничения канала инверсии, вносимого зарядом окисла; п — субмикронный слой, полученный методом ионной имплантации мышьяка
Абсолютная чувствительность, пр. ед. 0, 0, 0, 0, 0, 0, 20 1 2 3 4 5 6
X у.
\
1
к
* >
1
)0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Длина волны, нм
Рис. 3. Спектральные характеристики кремниевых фотодиодов, полученных на различных подложках:
• — диффузионный ФД; а — фД на КДБ-10; ■ — ФД на 1КДБ-10/КДБ-0,1; ♦ — ФД на КДБ-0,1
составила около 0,15 мкм. На рис. 2 приведена структура фотодиода.
Кроме ионной имплантации при изготовлении фотодиода был использован ряд типовых технологических процессов. Для ограничения канала инверсии, вносимой зарядом окисла, периферия кристалла была легирована бором высокой концентрации на глубину 2 мкм. Подконтактная диффузия проводилась фосфором на глубину 2...2,5 мкм. Контакты формировались напылением алюминия на лицевую и обратную стороны с последующим вжиганием. На освещаемой стороне контакт выполнял функцию диафрагмы, предохраняющей от засветки периферию фотоприемника. Размер кристалла составлял 3 х3 мм. На чувствительную область размером 2,7 х 2,7 мм2 наносилось просветляющее покрытие 5Ю2 толщиной 60 нм, оптимизированное на длину волны 350 нм.
На рис. 3 приведены спектральные характеристики исследованных фотодиодов. Для сравнения на этом же рисунке приведена спектральная чувствительность диффузионного кремниевого фотодиода. Как видно, ионно-легированные структуры имели лучшую чувствительность в коротковолновой области в сравнении с диффузионным фотодиодом и меньшую в длинноволновой, особенно в инфракрасной, области. Из анализа полученных трех структур видно, что во всем спектральном диапазоне (240...960 нм) наибольшей чувствительностью обладал фотодиод на основе КДБ-10. Это может быть связано со сравнительно высоким значением диффузионной длины неосновных носителей в слаболегированной подложке. Произведенная оценка по методике [4] дала ее величину, равную 27 мкм. Максимум спектральной чувствительности данной структуры располагался на длине волны 750 нм. Фотодиод на подложке КДБ-0,1 в сравнении с КДБ-10 обнаруживал снижение чувствительности, начиная с длины волны 300 нм, что связано с уменьшением коэффициента собирания фотоносителей из низкоомной подложки КДБ-0,1. Диффузионная длина неосновных носителей для этого материала оказалась существенно меньшей и составила всего 6,8 мкм. Максимум спектральной чувствительности данной структуры лежал на длине волны 600 нм. Фотодиод на эпитаксиальной структуре 1КДБ-10/КДБ-0,1 обладал чувствительностью, сравнимой с фотодиодом на КДБ-10 в коротковолновой области до длины волны примерно 600 нм, после чего происходил спад из-за влияния низкоомной подложки КДБ-0,1. Максимум спектральной характеристики данной структуры
1,2
§
§
Л Я
« 0,8 л
0,6
«
я 0,4
о
а &
х я
0,2
V 1И
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Длина волны, нм
Рис. 4. Внутренний квантовый выход кремниевых фотодиодов, полученных на различных подложках:
а — ФД на КДБ-10; ■ — ФД на 1КДБ-10/КДБ-0,1; ♦ — ФД на КДБ-0,1
50 _Бвпвогв & Буагетв • № 6.2009
определяется подложкой КДБ-0,1 и располагается, как и у предыдущей структуры, на длине волны 600 нм.
На рис. 4 приведены значения внутреннего квантового выхода полученных структур. Как видно, в коротковолновой части спектра 250...600 нм квантовый выход у всех фотодиодов достаточно высокий (от 90 до 100 %).
Были измерены барьерные емкости полученных фотодиодов при смещении —1 В, которые для подложек КДБ-10, 1КДБ-10/КДБ-0,1 и КДБ-0,1 составили 660; 690 и 1700 пФ соответственно при площади р-п-перехода 7,3 мм2. Фотоприемник, изготовленный на основе эпитаксиальной структуры, имел смещенную в коротковолновую область спектральную характеристику и выгодно отличался меньшим значением барьерной емкости, что должно сказываться на повышении быстродействия прибора.
Таким образом, использование субмикронных легированных слоев обеспечивает кремниевым фотоприемникам высокий квантовый выход в ультрафиолетовой области. Увеличение исходной концентрации примеси в подложке (с 1015 до 1017 см-3) заметно снижает чувствительность кремниевых фотодиодов в длинноволновой области и сдвигает максимум чувствительности в область коротких длин волн (от традиционного значения 0,95 до 0,6 мкм). Применение тонкого высокоомного
эпитаксиального слоя на низкоомной подложке (до 0,1 Ом • см) позволяет значительно снизить чувствительность кремниевого фотодиода в ИЕ_ и видимой областях спектра, сохранив при этом высокие значения чувствительности в УФ-диапазо-не и малые значения барьерной емкости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 2. — М., Мир, 1984.
2. Korde R., Geist J. Stable, High Quantum Efficiency UV-En-hanced Silicon Photodiodes by Arsenic Diffusion, solid-state Electron., 30 (1987), 89—92.
3. Popovic R S., Solt K., Falk U, Stoessel Z. A Silicon Ultraviolet Detector // Sensors and Actuator, A21-A23 (1990), 553—558.
4. Васильев А. М., Ландсман А. П. Полупроводниковые фотопреобразователи. — М., Советское радио, 1971.
Валерий Владимирович Гаврушко — зав. кафедрой общей и экспериментальной физики Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого (НГУ);
Я 8 (8162) 62-75-52
i 8 (8162) 62-41-10
E-mail: Gawrushko@mail.natm.ru
Александр Сергеевич Ионов — начальник отдела ОАО "ОКБ-Планета";
Я/i (8162) 69-30-92 http://www.okbplaneta.ru
Валентин Александрович Ласткин — аспирант кафедры Общей и экспериментальной физики НГУ.
E-mail: lastkinva@mail.ru □
УДК 681.586'33.72
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ МЕМБРАНЫ НА ПАРАМЕТРЫ ВЫХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВОГО ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ
Е. В. Игнатьева, Ю. А. Михайл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.