Фотодиоды ультрафиолетового диапазона на основе карбида кремния для медико-биологических приложений Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.383.522

А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, С. А. Решанов, К. А. Сергушичев

Фотодиоды ультрафиолетового диапазона

на основе карбида кремния

для медико-биологических приложений

Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, фотометрия, фотодиоды на основе p — n-перехода и диодов с барьером Шоттки, карбид кремния, спектральные характеристики.

Keywords: ultraviolet irradiation, photometry, p — n and Schottky photodiodes, silicon carbide, spectral characteristics

Представлены результаты исследований в области ультрафиолетовой фотометрии на основе карбида кремния. Изготовлены 4Н-БЬС-вертикальные эпитаксиальные р — п-диоды и диоды с барьером Шоттки, которые характеризовались спектральной чувствительностью 230-360 нм и максимальными значениями токовой чувствительности 50-140 мА/Вт. Показана возможность управления спектральной характеристикой карбидокремниевого ФПД типа р+ —р — п+ напряжением обратного смещения в диапазоне иобр = 0 ■ 10 В. Показано, что УФ-фотодиоды на основе р — п-перехода с уровнем легирования базовой области менее см

сохраняют свои исходные электрофизические и фотоэлектрические свойства до флюенса нейтронов 5 • 1012 см2.

Введение

В настоящее время ультрафиолетовое излучение (УФИ), которое условно делится на четыре области: длинноволновую (А) — 315—380 нм, средневолновую (В) — 280—315 нм, коротковолновую (С) — 200— 280 нм, дальнюю (вакуумное УФИ) — 10—200 нм, находит применение при решении широкого спектра задач в таких областях, как медицина, биотехнологии, экология, пищевая промышленность, военные и аэрокосмические приложения. В зависимости от длины волны влияние УФИ на организм человека различно. Это влияние принято разделять на несколько перекрывающихся спектральных областей [1]:

• пигментационное — 300—660 нм (максимальный эффект 360—440 нм);

• эритемное — 200—310 нм (максимальный эффект 250, 297 нм);

• витаминообразующее — 249—315 нм (максимальный эффект 290 нм);

• бактерицидное — 210—310 нм (максимальный эффект 254 нм);

• канцерогенное — 200—300 нм.

Очевидно, что лечебное воздействие УФИ обусловлено правильным выбором методики, которая однозначно определяет такие параметры, как спектральный диапазон и дозу облучения. Поэтому системы прецизионного контроля этих параметров являются важнейшими элементами приборов УФ-терапии и УФ-мониторинга. Первичными преобразователями (сенсорами) УФИ в таких системах главным образом выступают полупроводниковые фотодетекторы ультрафиолетового диапазона на основе структур с потенциальным барьером (фотодиоды, фототранзисторы, МОП-структуры). Спектральная чувствительность УФ-сенсоров определяется многими факторами, главный их которых ширина запрещенной зоны используемого полупроводника. С этой точки зрения наиболее перспективны материалы с шириной запрещенной зоны более 3 эВ. В настоящее время базовыми материалами УФ-фотометрии являются карбид кремния, нитриды галлия, алюминия и их твердые растворы.

Фотоприемные диоды (ФПД) на основе гексагональных политипов карбида кремния (4Н-8Ю и бН-БЮ) являются эффективными детекторами ультрафиолетового излучения. При высокой фоточувствительности они обладают рядом уникальных достоинств, таких как:

• нечувствительность ко всему диапазону видимого света;

• отсутствие деградации параметров под действием интенсивного ультрафиолетового облучения, в отличие от широкозонных материалов группы ЛИВУ [2];

• радиационная стойкость, термостойкость и временная стабильность.

Интенсивные работы по созданию и исследованию БЮ-фотоприемников ведутся более тридцати лет, и к настоящему времени наиболее популярными типами УФ-фотоприемников на основе кар-

биотехносфера

| № 3-4(45-4Б)/201Б

бида кремния стали фотодиоды с мелким p — п-переходом и диоды с барьером Шоттки [1, 3, 4], а также фотоприемные диоды типа МКМ [5]. Рядом компаний реализовано коммерческое производство таких приборов (см., например, [2]). Эти фотодиоды обеспечивают работу в спектральном диапазоне 200—380 нм с максимальной фоточувствительностью 0,1-0,15 А/Вт.

В статье представлен обзор последних разработок СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в области создания конкурентоспособной компонентной базы ультрафиолетовой фотоэлектроники на основе полупроводникового карбида кремния — линейки УФ-фотодиодов на основе p—п-структур и диодов с барьером Шоттки для медикобиологических приложений.

Фотоприемные структуры и их электрофизические параметры

Разработанные ФПД были выполнены на эпи-таксиальных структурах 4Н-8Ю, полученных методом газофазной эпитаксии карбида кремния на подложках п+ 4Н-8Ю (диаметр подложек 76-100 мм, удельное сопротивление не более 0,025 Ом • см, толщина 350 мкм, отклонение от направления <0001> — 4°). Количество слоев, их толщина, вид и концентрация легирующей примеси в слоях определяются типом фотоприемной структуры. Толщины и уровни легирования базовых областей выбирали из расчета на максимальные рабочие напряжения uобv < 15 В, при которых обеспечивается полное обеднение п(р)-базы прибора. По результатам расчетов были изготовлены эпиструктуры типа п — п+, p+ — п — п+, p+ — p — п+ с базовыми областями п- и p-типов толщиной d = 5 мкм и уровнями легирования азотом (алюминием) (6 ■ 7)1014 см3.

а) Ni or Pt

SiO2

n—4H-SiC epiWn^

Al

n+—4H-SiC epi —4H-SiC sub Ti/Ni

б)

n—4H-SiC epi

SiO2

Ni or Pt

Al

n— 4H-SiC epi — 4H-SiC sub Ti/Ni

Рис. 1

Конструкции кристаллов карбидокремниевых фотоприемных структур на основе диода с барьером Шоттки со сплошным полупрозрачным электродом (а) и сетчатым электродом (б)

Фотодетекторы на основе диода с барьером Шоттки были выполнены в виде вертикальной n — n +-эпиструктуры со сплошным полупрозрачным электродом или с электродом сетчатого типа.

На рис. 1 приведены варианты конструкции фотоприемника, где в качестве шоттковских электродов использованы никель и платина толщиной 100 ангстрем. В качестве омического контакта к ге+-области используется композиция Ti/Ni.

Изготовленные образцы-фотоприемники с барьером Шоттки Ni—SiC характеризовались высотами потенциального барьера 1,2—1,25 эВ, а структуры Pt—SiC — 1—1,05 эВ. Для всех типов структур обратные темновые токи при напряжениях 0,5—1 В не превышали 50 пА. По результатам вольт-фарад-ных измерений было установлено, что насыщение C—^-характеристик наступает при напряжениях иобр > 8 В, что соответствует полному обеднению базовой области фотоприемника.

Фотоприемники на основе диодов с p — n-пе-реходом были выполнены в виде вертикальных мезаэпитаксиальных структур типа p+— n — n+ и p+—p — n+. В зависимости от типа проводимости активного базового слоя высота мезы варьировалась. Так, при использовании структуры типа p+— n — n+ глубина травления SiC методом реактивного ионно-плазменного травления РИПТ должна была быть больше толщины p+^миттерной области. В этом случае высота мезы закладывалась равной 2—3 мкм (рис. 2, а). РИПТ SiC эпитаксиальной структуры с p-базовой областью предполагалось проводить на глубину 8—9 мкм со стороны p+-эмиттера (рис. 2, б). Материалами омических контактов к низкоомным областям n + -SiC и p + -SiC являлись композиции металлов Ti/Ni и Al/Ti/Ni соответственно.

Измерения вольт-амперных характеристик ФП на основе p — n-перехода были проведены для обоих типов фотоприемных структур. Было установлено, что прямые ветви ВАХ структур p+—p — n+ и p+— n — n+ не различаются. Во всех случаях напряжение открытия p — n-структур составило 2,5 В. Более того, ВАХ на экспоненциальном участке может быть описана в рамках рекомбинационной модели токопереноса, т. е. рост тока пропорционален exp[qU/(2kT)]. Обратные ветви ВАХ имеют несущественные различия. Общим для обоих типов структур являются относительно небольшие значения темновых токов в фотодиодном режиме работы прибора. Так, при напряжениях иобр = 20 ■ 25 В обратные токи 1т имели значения, не превышающие 10 пА. Как показали измерения вольт-фарадных характеристик, 4H-SiC p — n-фотоприемников, полное обеднение слаболегированной области n- или p-типа может быть достигнуто при напряжениях до 10 В. Поэтому заметный рост 1т наблюдался при напряжениях более 65—70 В, что обусловлено поверхностными утечками по мезаструктурам.

Таким образом, полученные фотодиоды можно использовать как в режиме короткого замыкания, так

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

а)

SiOc

n — 4H-SiC epi

V

Al/Ti/Ni P+ — 4H-SiC epi

— 4H-SiC epi

— 4H-SiC sub

б) SiO2

P— 4H-SiC epi

Ti/Ni

Рис. 2

Конструкции и фотография кристаллов 4Н-БЬС фотоприемных структур на основе р — п-диода: р+— п — п+ (а) и р+ — р — п+ (б)

и в фотодиодном режиме до напряжений иобр < 20 В, что существенно превышало значения максимальных напряжений для БЮ-ФП на основе контакта металл—полупроводник.

Фотоэлектрические свойства образцов исследовались в спектральном диапазоне 200-500 нм. Все измерения проводились в режиме короткого замыкания, а для фотодиодов — на основе р+—р — п+-структур в фотодиодном режиме до Ц"обр = 10 В. На рис. 3 приведены спектральные характеристики 4Н-81С фотоприемных структур. На этом же рисунке для сравнения представлена спектральная характеристика коммерческого 4Н-81С фотодиода Б001Б-18. Фотоприемная структура на основе БЮ-диода Шот-тки обладает удовлетворительной чувствительностью в исследуемом спектральном диапазоне и является почти оптимальной для такой толщины полупрозрачного электрода. Вероятно, перспективным вариантом реализации шоттковского фотоприемника будет структура с сетчатым электродом и сплошной металлизацией сетки для исключения резистивных потерь на сопротивлении контакта.

Для фотоприемника типа р+ — п — п+ на длине волны 295 нм наблюдается максимум фоточувствительности 5 = 0,138 А/Вт. При этом максимальное значение чувствительности фотоприемника Б001Б-18 приходится также на 295 нм и составляет 0,13 А/Вт. Коммерческие фотодиоды по срав-

нению со всеми типами изготовленных фотоприемных структур обладают более высокой чувствительностью в коротковолновой УФ-области. Это может быть связано с использованием антиотражающих покрытий на основе 813^, а также с применением более тонких эпитаксиальных слоев р+, что позволяет максимально приблизить ОПЗ к поверхности.

Фотоприемные структуры типа р+ — р — п+ показывают очень низкую чувствительность в С и В УФ-областях, но начиная с 330 нм их чувствительность совпадает со всеми исследованными фотоприемниками. Наблюдаемый эффект объясняется большой глубиной залегания р — п+-перехода, которая составляет 5 мкм. Поглощение коротковолнового УФ-излучения происходит в приповерхностной области структуры, а генерируемые светом носители не доходят до р — п-перехода. Следует от-

5, Л/Вт 0.14

400

Я, нм

Рис. 3

S, А/Вт 0.14

Спектральные характеристики фотоприемных структур (измерения проведены в режиме КЗ)

?ПП

?5П

ЗПП

400

Я, нм

Рис. 4

Спектральные характеристики р+ —р — п+ 4Н-БЮ фотоприемных структур при различных значениях напряжения

биотехносфера

| № 3-4(45-4Б)/2016

22

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

метить, что этот эффект наблюдается при измерениях в режиме короткого замыкания. При подаче напряжения на фотоприемник можно регулировать ширину области пространственного заряда и тем самым управлять спектральной характеристикой. Из рис. 4 видно, что чувствительность такой фотоприемной структуры сопоставима с чувствительностью р+ — п — п+-фотоприемника при иобр > 5 В, поскольку при таком напряжении происходит полное обеднение носителями эпитаксиального слоя (рис. 4).

Исследования влияния облучения быстрыми нейтронами на электрофизические и фотоэлектрические параметры были проведены для р+ — р — п+-ФП. Изготовленные образцы фотоприемников были подвергнуты облучению быстрыми нейтронами с флю-

12 13 14 _2

енсами 5 • 10 , 1 • 10 и 1 • 10 см 2. В результате проведенных исследований установлено, что фотодиоды с уровнем легирования базовых областей до 1015 см_3 сохраняют свои исходные электрофизические и фотоэлектрические свойства до флюенса 12 2

5 • 10 см2. Увеличение флюенса быстрых нейтронов стимулирует возникновение избыточной концентрации глубоких рекомбинационных центров радиационной природы. Это приводит к деградации прямой и обратной ветвей вольт-амперных характеристик, уменьшению времени жизни ННЗ и, как следствие, снижению фоточувствительности приборов.

Заключение

На основе 4Н-БЮ эпитаксиальных слоев созданы образцы УФ-фотоприемников для медикобио-

логических приложений. Вертикальные эпитак-сиальные p — га-диоды и диоды с барьером Шоттки характеризуются диапазоном спектральной чувствительности 230—360 нм и максимальными значениями токовой чувствительности 50—140 мА/Вт. Показана возможность управления спектральной характеристикой карбидокремниевого ФПД типа p+ — p — га+-напряжением обратного смещения в диапазоне иодр = 0 ■ 10 В. Установлено, что фотодиоды с уровнем легирования базовых областей (6 ■ 7) х 1014 см-3 сохраняют свои исходные электрофизические и фотоэлектрические свойства до флюен-са 5 -1012 см2.

Литература

1. Бланк Т. В., Гольдберг Ю. А. Полупроводниковые фото-электропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра // ФТП. 2003. Т. 37, № 9. С. 1025-1054.

2. IFW Optronics, GmbH. — www.ifw-optronics.de

3. Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра / И. Д. Анисимова, И. М. Викулин, Ф. А. Заитов, Ш. Д. Кур-машев; под ред. В. И. Стафеева. М.: Радио и связь, 1984. 216 с.

4. Афанасьев А. В., Ильин В. А., Коровкина Н. М. [и др.]. Особенности технологии и свойств фотодетекторов на основе структур «металл—пористый карбид кремния»// ПЖТФ. 2005. Т. 31, № 15. С. 1-6.

5. Афанасьев А. В., Ильин В. А. Фотодиодные и МДП-сенсоры ультрафиолетового излучения на основе монокристаллического и пористого карбида кремния // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 8 (85). С. 13-16.

(С \

Как оформить подписку?

• В любом отделении связи по каталогам «Роспечать» (по России) — индекс № 45886, через агентство «Урал-Пресс», «Информнаука», «Прессинформ».

• Через редакцию (с любого номера текущего года), отправив по факсу (812) 312-53-90 или электронной почтой bts@polytechnics.ru заполненный запрос счета на подписку.

Запрос счета для редакционной подписки на журнал «Биотехносфера»

Полное название организации_

Юридический адрес_

Банковские реквизиты. Адрес доставки_

Срок подписки Количество экземпляров

Телефон Факс e-mail

Ф.И.О. исполнителя

Стоимость одного номера журнала при подписке через редакцию — 700 руб. с добавлением стоимости доставки. К каждому номеру журнала будут приложены накладная и счет. Журнал выходит 6 раз в год. Отдельные номера можно заказать с получением наложенным платежом. Информация о журнале — www.polytechnics.ru

Журнал «Биотехносфера» распространяется только по подписке в России и странах СНГ.