Научная статья на тему 'Формирование барьеров Шоттки на кремнии n-типа методом LCVD'

Формирование барьеров Шоттки на кремнии n-типа методом LCVD Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
728
154
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БАРЬЕР ШОТТКИ / ИМПУЛЬСНЫЙ LCVD / МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ / ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ / ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ДИАПАЗОН СПЕКТРА / SCHOTTKY BARRIER / PULSED LCVD / METAL-ORGANIC COMPOUND / RADIATION DETECTOR / TERAHERTZ SPECTRAL RANGE

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Чесноков Владимир Владимирович, Чесноков Дмитрий Владимирович, Кузнецов Максим Викторович, Райхерт Валерий Андреевич, Никулин Дмитрий Михайлович

Барьер Шоттки формируется на поверхности кремниевой подложки nтипа импульсным LCVD из паров металлоорганического соединения. Приведены характеристики экспериментальных образцов диодов. Обсуждаются вопросы применения лазерно-пиролитических методов при создании структур детекторов излучений терагерцового диапазона спектра.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Чесноков Владимир Владимирович, Чесноков Дмитрий Владимирович, Кузнецов Максим Викторович, Райхерт Валерий Андреевич, Никулин Дмитрий Михайлович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE CREATION OF SCHOTTKY BARRIER ON N-SI BY LCVD METHOD

The Schottky barrier are forming on surface of n-Si substrate by pulsed LCVD from metal-organic compound vapor. The properties of diode’s operative embodiments are showed. The questions of using laser-pyrolytic methods for creation of terahertz spectral range radiation detector’s structures are discussed.

Текст научной работы на тему «Формирование барьеров Шоттки на кремнии n-типа методом LCVD»

УДК 66.088

ФОРМИРОВАНИЕ БАРЬЕРОВ ШОТТКИ НА КРЕМНИИ л-ТИПА МЕТОДОМ LCVD

Владимир Владимирович Чесноков

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru

Дмитрий Владимирович Чесноков

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: phys003@list.ru

Максим Викторович Кузнецов

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: say1945@mail.ru

Валерий Андреевич Райхерт

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: vreichert@yandex.ru

Дмитрий Михайлович Никулин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: dimflint@mail.ru

Барьер Шоттки формируется на поверхности кремниевой подложки n-типа импульсным LCVD из паров металлоорганического соединения. Приведены характеристики экспериментальных образцов диодов. Обсуждаются вопросы применения лазерно-пиролитических методов при создании структур детекторов излучений терагерцового диапазона спектра.

Ключевые слова: барьер Шоттки, импульсный LCVD, металлоорганическое соединение, детектор излучения, терагерцовый диапазон спектра.

THE CREATION OF SCHOTTKY BARRIER ON л-Si BY LCVD METHOD

Vladimir V. Chesnokov

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru

Dmitry V. Chesnokov

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru

Maksim V. Kuznetsov

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., technician of Physics department, tel. (383) 361-08-36, e-mail: say1945@mail.ru Valery A. Reichert

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineer of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: vreichert@yandex.ru

Dmitry M. Nikulin

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: dimflint@mail.ru

The Schottky barrier are forming on surface of n-Si substrate by pulsed LCVD from metal-organic compound vapor. The properties of diode's operative embodiments are showed. The questions of using laser-pyrolytic methods for creation of terahertz spectral range radiation detector's structures are discussed.

Key words: Schottky barrier, pulsed LCVD, metal-organic compound, radiation detector, terahertz spectral range.

Приёмники излучений субмиллиметрового и дальнего ИК излучения на основе диодов на барьере Шоттки относятся к одним из перспективных благодаря своей высокой критической частоте. Созданы и широко применяются детекторы излучений миллиметрового диапазона электромагнитных колебаний, разработаны основы теории диодов Шоттки и технологии изготовления детекторов на их основе [1]. В работе [2] представлены результаты разработки терагерцового матричного формирователя видеосигналов, использующего диоды Шоттки и работающего на частоте 0,86 ТГц. При изготовлении матрицы применена КМОП-технология с 0,13 мкм топологической нормой. Приёмник содержит один пиксель, для получения картинки необходимо сканирование. Детектирующим элементом формирователя видеосигналов является диод Шоттки, соединённый с внутрипиксельной антенной.

Имеется патентная информация по детекторам Шоттки для терагерцового диапазона спектра [3,4,5].

Традиционно используемые методы получения переходов «металл -полупроводник» [1] являются многоступенными, включают этапы подготовки поверхности полупроводника к нанесению плёнок путём её отмывки и обработки в вакууме, например, ионной очисткой, нанесение плёнок напылением в вакууме, литографические процессы для получения топологических структур необходимой конфигурации.

Представленная в настоящем сообщении методика формирования барьеров Шоттки путём нанесения тонкой плёнки материала металлического электрода диода на поверхность полупроводника основывается на технологии лазерно-пиролитического осаждения металлов на поверхность подложки из парогазовой фазы (LCVD) [6].

Особенностью выпрямляющих контактов «металл - полупроводник», отличающих их от р-п-переходов, является отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник при прямых напряжениях.

Таким образом, в диоде Шоттки отсутствуют накопление неосновных носителей заряда в областях диода при прямом напряжении и рассасывание этого заряда при изменении знака напряжения. Это улучшает быстродействие диода, т. е. частотные и импульсные свойства. В целом вольт-амперная характеристика контакта с барьером Шоттки в широких пределах изменения тока соответствует характеристике типа

I = 10 [ехр(еи / аШ)-1],

где а - коэффициент «неидеальности» перехода, и - напряжение на диоде, k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура диода.

При обратном смещении ток через контакт обычно увеличивается с ростом напряжения.

Во многих случаях контакты получают напылением в вакуумных установках [1]. Перед напылением поверхность полупроводника часто подвергают травлению, и тогда на ней неизбежно остаётся тонкий окисный слой толщиной (1-2) нм; коэффициент неидеальности может быть существенно больше единицы. При изготовлении диодов с помощью высокочастотного ионного распыления (очистка кремния перед нанесением металла) их характеристики оказываются почти идеальными.

В ряде случаев используют химическое и электролитическое нанесение металла, также с получением высокой степени идеальности.

Важным элементом технологии является тепловая обработка изготовленных переходов. Рекомендуется во избежание нарушения границы «полупроводник - металл» не производить нагревание выше температуры образования эвтектики сплавов металл полупроводник. Опасна миграция атомов полупроводника в металл, которая может происходить при температурах существенно ниже эвтектических.

Большинство металлов, включая все переходные, образуют силициды при образовании переходов «металл - кремний» и нагревании. Эти соединения могут образовываться в твёрдой фазе при термодинамических температурах в интервале приблизительно от одной трети до половины температуры плавления данного металла. Благодаря металлической проводимости силицидов контакт с ними полупроводника ведёт себя подобно контакту «металл - полупроводник». Поверхность раздела «силицид - полупроводник» формируется на некотором удалении от поверхности металла, она не содержит поверхностных загрязнений и очень стабильна, контакты обычно имеют высокую степень идеальности.

В качестве контактных металлов при образовании переходов с кремнием использовались алюминий, золото, платина, вольфрам, никель, родий, гафний, и др.

Исследуемый импульсный наносекундный метод LCVD получения барьеров Шоттки является одноступенным. Металл осаждается на подложку локально в пределах пятна лазерного излучения, при этом поверхность подложки на переднем фронте лазерного импульса за счёт теплового воздействия излучения в течение долей наносекунды термически отжигается и очищается от легколетучих загрязнений и примесей [6], затем в ходе того же импульса происходит лазерно-пиролитический процесс осаждения атомов металла на поверхность; облучение импульсно-периодическое, и на следующих импульсах процессы повторяются. Предполагается, что такое сочетание в одном цикле технологии операций очистки поверхности и нанесения на поверхность материала электрода может обеспечить повышенную степень химической чистоты перехода металл-полупроводник и высокие электрофизические параметры перехода.

В основе разработанной методики лежит использование технологической лазерной установки [6]; в качестве материала диодного электрода используется переходный металл - рений. Процесс лазерного осаждения проводится в вакуумной камере при давлении паров декакарбонила дирения порядка (1-10) Па (температура вакуумной камеры (50-80) °С). Схема камеры показана на рис. 1, а, где: 1 - вакуумная камера, 2 - образец, 3 - порошок карбонила, 4 - прозрачное окно ввода излучения, 5 -объектив лазерной установки, 6 - штуцер вакуумной откачки камеры, 7 -уплотнительное кольцо.

а б

Рис. 1. Формирование электродов диодов Шоттки методом LCVD:

а - конструктивная схема реакционной камеры; б -микрофотография участка кремниевой подложки с нанесённым островком плёнки рения

Подложкой является пластинка, вырезанная из монокристаллического кремния марки КЭФ-0,3; пиролитическое осаждение производится после откачки камеры форвакуумным насосом до остаточного давления порядка 1 Па и нагревания камеры внешним электрическим нагревателем до необходимой температуры. Излучателем является азотный лазер с длиной волны излучения = 337 нм, длительностью импульса 6 нс, частотой импульсов 1000 Гц, мощностью в импульсе до 10 кВт.

Используется объектив с фокусным расстоянием 16 мм. При осаждении подбирается оптимальное значение интенсивности излучения в облучаемой

7 2

области на подложке в диапазоне значений (1-3)10' Вт/см , температура поверхности кремния вовремя импульса порядка 500 °С. Размер облучаемой области 20^20 мкм, определяется размером маски, устанавливаемой по ходу лазерного луча. Длительность процесса осаждения составляет около минуты, толщина наносимой плёнки - (0,1-0,3) мкм. Микроснимок области подложки с нанесённым рением показан на рис. 1, б.

При изготовлении экспериментальных образцов одновременно с диодом Шоттки на кремниевой подложке формировался прототип встроенной в чип микроантенны планарного типа. Планарная антенна имеет лепесток диаграммы направленности, ориентированный по нормали к поверхности. При создании приёмников изображения, матрица чувствительных элементов которых располагается в фокальной плоскости объектива оптической системы, предпочтительным может стать вариант планарной антенны; при создании детекторов систем широкополосной связи выбор может быть в пользу антенны - столбика.

Схематичное изображение структуры прототипа планарной антенны показано на рис. 2.

Рис. 2. Прототип планарной антенны:

а - структура встроенной четвертьволновой несимметричной микроантенны; б -схема расположения микроантенн и контактных площадок на поле приёмника изображений.

1 - электрод диода Шоттки, 2 - микроантенна, 3- полупроводниковая подложка п -типа, 4 - слой изолятора, 5 - контактная площадка, 6 - четвертьволновый трансформатор

Изготовление полосковых планарных антенн и электрода диода Шоттки совмещены в одном технологическом процессе лазерно-пиролитического нанесения плёнок.

Площадь электрода экспериментального образца диода 25*25 мкм, длина и ширина полоски прототипа антенны 50 мкм и 10 мкм.

Вольт-амперная характеристика диода приведена на рис. 4. ВАХ имеет обычный для диодов вид; обратная ветвь характеристики снималась при напряжении до -1 В, измеренные токи менее 0,1 мкА; прямые токи до 2,2 мкм при напряжении до +1 В. Сплошная кривая представляет собой математическую функцию, выписанную в верхней части графика.

Таким образом, показано, что лазерно-пиролитическая технология может быть применена при создании детекторов терагерцового диапазона спектра электромагнитных волн, представляющих собой структуру расположенных на одном чипе диодов Шоттки и внутрипиксельных антенн.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика диода Шоттки, полученного лазерно-пиролитическим осаждением плёнки металлического рениевого анода на кремний КЭФ 0,3

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. - М.: Радио и связь, 1982. - 209 с.

2. A lkPixel CMOS Camera Chip for 25fps Real-Time Terahertz Imaging Applications / Sherry H. et al. // Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), 2012 IEEE International, 19-23 Feb. 2012, San Francisco, CA. - P. 252-254.

3. Детектор для детектирования электромагнитных волн. US Patent 20110248724 A1. 07.08.2002.

4. Интегральный дипольный детектордля микроволновых приёмников изображения. US Patent 6545646 В1, Апр. 8, 2003.

5. Диод с барьером Шоттки. US Patent 20050179106 A1. Авг. 18, 2005

6. Чесноков В. В., Резникова Е. Ф., Чесноков Д. В. Лазерные наносекундные микротехнологии: монография / Под общ. ред. Д. В. Чеснокова. - Новосибирск: СГГА, 2003. - 300 с.

© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, М. В. Кузнецов, В. А. Райхерт, Д. М. Никулин, 2014

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.