CC BY
106
Физика твердого тела Вестник Нижегородского университета и м. Н.И. Лобачевского , 2009, № 5, с. 48-54
УДК 621.383.4:546
РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАМЕНЫ РАДИАЦИОННО-СПЛАВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОДИОДОВ ИЗ ^Ь НА ПЛАНАРНУЮ ИМПЛАНТАЦИОННУЮ
© 2009 г. В.П. Астахов 1, П.Д. Гиндин 1, А.М. Гуляев 2, В.Г. Зиновьев 3,
В.В. Карпов 1, А.Д. Максимов 3, И.Н. Мирошникова 2
1 ОАО «Московский завод «Сапфир»
2 Московский энергетический институт (ТУ)
3 Московская госакадемия тонкой химической технологии (ТУ) им. М.В. Ломоносова
mfo_sappЫr@mail. т
Поступила в редакцию 29.04.2009
Изготовлены по планарной имплантационной технологии фотодиоды (ФД) с «большими» круговыми и кольцевыми площадками, имеющими единый центр, и исследованы их фотоэлектрические характеристики. Параллельно с планарными ФД исследовались характеристики ФД, изготовленных по радиационно-сплавной технологии. Фотоэлектрические параметры измерялись по методикам ГОСТ 17772-88. На типичных ФД обоих типов измерялись также вольт-амперные характеристики и спектральные плотности мощности шума. Установлено, что замена радиационно-сплавной технологии изготовления фотодиодов на планарную имплантационную позволила улучшить в 2-2.5 раза пороговые параметры ФД.
Ключевые слова: антимонид индия, имплантация, спектр плотности мощности шума, радиационносплавная технология.
Введение
В ОАО «МЗ «Сапфир» разработана и внедрена в производство технология изготовления планарных фотодиодов из антимонида индия. Технология относится к разряду уникальных [1] и основана на применении локальной имплантации ионов бериллия. Для защиты поверхности применены пленки собственного анодного окисла и SiOx, позволившие фактически избавиться от поверхностных каналов и стабилизировать свойства поверхности. Дополнительный топологический элемент - закороченный «кольцевой» р-и-переход, окружающий фоточувстви-тельную площадку (ФЧП) или группу площадок, позволяет избавиться от одного из наблюдавшихся ранее типов взрывных шумов [2] и уменьшить темновые токи за счет оттягивания на себя части равновесных неосновных носителей заряда, дающих вклад в темновой ток, от границ ФЧП [3].
Эта технология оказалась крайне удобной и обеспечивающей наиболее высокий уровень не только квантовой эффективности (п >70%), но и порогового фотоэлектрического параметра: обна-ружительной способности в максимуме спектральной чувствительности ^^тах>1.5-1011 см-Гц12-Вт-1
(при температуре фона 300 К и угле поля зрения 60°), который позволяет использовать такие ФД для обнаружения сигналов на уровне теоретического предела, а именно в режиме ограничения фоном (BLIP-режиме). Последнее обусловлено крайне низкими значениями темновых токов - обратных токов р-и-переходов. Кроме того, изготавливаемые по этой технологии ФД оказались значительно более термически стойкими, они выдерживают прогрев при температурах до 120°С, в отличие от радиационносплавных ФД, выдерживающих прогрев до температур 70-80°С.
Все изложенное позволяет считать целесообразной унификацию планарной имплантаци-онной технологии для всех ФД на основе InSb.
В связи с этим такая технология была опробована и внедрена в возобновленом производстве двухплощадочных растровых ФД со сравнительно большими ФЧП: центральная круговая ФЧП (00.5 мм) и окружающая ее кольцевая ФЧП с внутренним диаметром 00.9 мм и внешним диаметром 01.5 мм. Приблизительно 50% площади каждой ФЧП закрыты непрозрачными участками сложной конфигурации (растром), которые нанесены, как правило, в виде пленки Сг или Сг + Аи на сапфировый диск. Такие ФД
изготавливались ранее по радиационно-сплавной технологии, заключающейся во вплавлении п+-^Ь с концентрацией ~ 5 -1018 см 3 в р-^Ь с концентрацией носителей ~1013 см-3. Затем про-
+
изводилась полировка поверхности п -слоя. Разделение круговой и кольцевой ФЧП, а также внешнее ограничение кольцевой ФЧП осуществлялось электроэрозионным фрезерованием с последующим обтравливанием и защитой поверхности анодным окислом. Характерным для конструкции этих ФД является то, что их засветка производится через «-область толщиной 100-120 мкм, являющуюся благодаря эффекту Бурштейна - Мосса прозрачной для излучения с длиной волны более 3.6 мкм. Эта конструкция делает ФД нечувствительным к видимому излучению. Характеристики таких ФД изучались ранее и представлены в работах [4, 5].
ФД с планарными р-п-переходами круговой и кольцевой площадок изготовлены на основе следующих технологических операций:
- локальная, в области круговой и кольцевой площадок, а также дополнительного закороченного «кольцевого» p-n-перехода, двухстадийная имплантация ионов Ве+ с энергиями ионов и дозами имплантации, составляющими Е1 = 100 кэВ и Ф1 = 3-1014 см-2 на первой стадии и Е2 = 30 кэВ и Ф2 = 1-1014 см-2 на второй стадии;
- последующий отжиг с капсулирующей пленкой из SiO2 при Т = 375°С в течение
0.5 часа (пленка SiO2 толщиной ~0.8 мкм наносится при температуре ~ 300°С в процессе окисления моносилана; задача пленки - не допустить испарения сурьмы при отжиге);
- защита поверхности двухслойным покрытием из собственного анодного окисла (АО) с поверхностной пленкой SiOx;
- создание металлической разводки из слоя хрома ^ = 80 нм) с поверхностным слоем Аи ^ = 800 нм).
Для устранения влияния видимого излучения на поверхность сапфирового окна капсулы, в которую помещался кристалл, наклеивался фильтр из просветленного арсенида индия, который обеспечивает левую границу пропускания 3.2 мкм при рабочей температуре 80 К. Растр из пленки Сг+Аи создавался непосредственно на поверхностной пленке SiOx обеих ФЧП.
Параллельно с планарными ФД исследовались характеристики ФД, изготовленных по радиационно-сплавной технологии. Поперечные сечения планарных и радиационно-сплавных ФД представлены на рис. 1.
Измерения фотоэлектрических параметров проводились по методикам ГОСТ 17772-88: сигналы измерялись от АЧТ 500К; частота измерения и полоса пропускания усилителя при измерении токов сигналов 1с и шумов !ш составляли 4000 Гц и 275 Гц, соответственно.
Результаты измерений значений 1с и !ш, а также удельной обнаружительной способности (D*), тока короткого замыкания - фонового тока (!ф), интегральной токовой чувствительности ^^), а также токовой чувствительности и обна-ружительной способности в максимуме спек*
тральной чувствительности ^тах и D ^тах, соответственно) для обоих видов ФД представлены в таблице 1. В двух последних случаях учи-
Рис. 1. Топология и поперечное сечение исследуемых структур: а) радиационно-сплавной ФД: 1 - подложка «+-типа; 2 - круговая площадка р-типа; 3 - кольцевая площадка р-типа; 4 - контакты к площадкам и базе; 5 - сапфир с растром; 6 - клей; б) планарный ФД: 1 - подложка «-типа; 2 - круговая площадка p+-типа (планарный р+-«-переход); 3 - кольцевая площадка р+-типа (планарный р+-«-переход); 4 - дополнительный короткозамкнутый р+-«-переход; 5 - пленка собственного анодного окисла; 6 - пленка $ЮХ; 7 - «закоротка» дополнительного р+-«-перехода (контакт к базе); 8 - контакты к площадкам; 9 - растр на поверхности ФЧП; 10 - сапфировое окно капсулы; 11 - фильтр из InAs; 12 - воздушный зазор
тывались относительные спектральные характеристики планарных и радиационно-сплавных ФД, представленные на рис. 2, из которых определялись значения коэффициента использования излучения (К) для этих ФД, отличающиеся всего на 13% (см. табл. 1). Спектральные зависимости напряжения сигнала измерялись спектрометром ИКС-29.
В табл. 1 представлены также значения дифференциальных сопротивлений обеих ФЧП при нулевом смещении (Яд), рассчитанные из экспериментальных темновых ВАХ при температуре фона 300 К, представленных на рис. 3.
Провал в области 3.2—3.5 мкм на спектральной характеристике планарного ФД обусловлен
поглощением клея между сапфировым диском капсулы и фильтром из арсенида индия.
Из данных рис. 3 следует, что для планарных ФД характерны пологие участки обратных ветвей темновых ВАХ при малых напряжениях и больший по сравнению с радиационно-сплавными ФД уровень тока на этих участках, что свидетельствует об их преимущественно фоновой природе и в меньшей мере о поверхностных утечках. Напряжение отсечки у этих ФД также больше на —0.03—0.05 В, чем у радиационносплавных.
Соотношение темновых фоновых токов кольцевых и круговых площадок при нулевом смещении для радиационно-сплавных ФД соот-
Таблица 1
Значения параметров кольцевой и круговой площадок планарных и радиационно-сплавных ФД
Тип фотодиода Тип площадки Параметр
< 0 X т 5 с И м 'я < 0 X 'н X 1—1 П % о т < Л О О ^ ~ и х у |£ о 2 О к £
Планарный Кольцевая 3.2 0.35 9 0.02 6.4 0.139 2.52 46.0 120
Круговая 0.51 1.4 0.01 6.1 0.139 44.6 350
Радиационно- Кольцевая 1.9 0.2 4.5 0.016 2.2 0.123 1.62 19.5 14
сплавной Круговая 0.3 0.8 0.008 2.5 0.123 20.3 160
X, мкм
Рис. 2. Относительные спектральные зависимости чувствительности планарных (1) и радиационно-сплавных (2) ФД
ветствует соотношению их площадей, но величины токов у радиационно-сплавных ФД в 3-
4 раза меньше, чем у планарных ФД, свидетельствуя о меньшей квантовой эффективности радиационно-сплавных ФД. Это согласуется с данными таблицы 1, касающимися токов короткого замыкания и сигналов, которые в ~ 2
раза ниже у радиационно-сплавных ФД. Кроме того, для радиационно-сплавных ФД характерна значительная утечка, шунтирующая р-п-пере-ход, о чем свидетельствует увеличенный наклон ВАХ ФЧП вблизи и = 0 и низкое значение рассчитанного в этой точке дифференциального сопротивления (см. табл. 1). Для обоих типов
^ А
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики планарных (1, 2) и радиационно-сплавных (3, 4) фотодиодов; 1, 3 - кольцевые площадки, 2, 4 - круговые площадки
10 ІШ '041'' юисхі ІПОто
/Гц
Рис. 4. СПМШ планарного ФД
ФД характерны отношения напряжений сигналов кольцевых и круговых площадок, близкие к 6, что соответствует отношению их площадей. Т ак же соотносятся и токи короткого замыкания площадок. В то же время соответствующие отношения тока шума составляют ~ 2, что близко к величине корня квадратного из отношения периметров площадок. Последнее обстоятельство свидетельствует об определяющем влиянии токов поверхностной утечки на значения тока шума площадок обоих типов ФД, что согласуется также с данными табл. 1, касающимися значений Rд.
Из соотношения значений Б* для кольцевых и круговых площадок следует, что у радиационно-сплавных ФД больший вклад в шумы вносят поверхностные утечки кольцевых площадок, а у планарных ФД - поверхностные утечки круговых площадок. Поскольку площадь кольцевых площадок в ~ 6 раз больше площади круговых, эти обстоятельства свидетельствуют о высокой равномерности поверхностных свойств по площади площадок и о меньших поверхностных утечках в случае планарных ФД, а также о больших нарушениях поверхности при выделении мезоструктуры круговой и кольцевой площадок радиационно-сплавных ФД. Следует также отметить, что по величине Б* планарные ФД выигрывают у серийных в 2.5-3 раза. Величины квантовой эффективности, рассчитанные на основе данных по $ятах, составляют ~70% для планарных и ~46% для радиационносплавных ФД. При этом левый край спектральной характеристики радиационно-сплавных ФД смещен на ~0.3 мкм вправо, а ее правый край
имеет ранний спад, начинающийся от 4.5 мкм (рис. 2). Оценки показали, что такое отличие уменьшает мощность полезно поглощаемого излучения и снижает квантовую эффективность на ~25%.
В целом, эти данные свидетельствуют о том, что у планарных ФД квантовая эффективность на ~50% выше, чем у радиационно-сплавных, причем за счет более широкой спектральной характеристики выигрыш составляет ~25%, а дополнительное увеличение на ~25% обусловлено более эффективным разделением фотоносителей, то есть более совершенной металлургической границей р-и-перехода.
На типичных ФД обоих типов измерялись спектральные плотности мощности шума (СПМШ) по методике работы [6].
СПМШ, представленные на рис. 4, являются типичными для планарных ФД, свидетельствующими о незначительной поверхностной утечке. При обратных смещениях до 120 мВ у этих ФД возрастает только шум типа 1/и только в диапазоне частот от 0 до 10 Гц, а при больших частотах спектр не изменяется. При этом точка перехода шума 1// в белый шум не смещается, что обычно характеризует стабильные ФД.
Типичными и соответствующими ВАХ являются СПМШ, полученные для радиационносплавных ФД (см. рис. 5). В отличие от планарных у таких ФД во всем диапазоне частот преобладает шум типа 1//уже при небольших прямом и обратном смещениях. При увеличении напряжения смещения (и прямого и обратного) от нулевого значения участок шума 1/расши-
1Е 2С
1Е-:: -
1е;1-
1Е-25
Ч,--
. . ’■*
ь-Л ,11., *1
Смещение на р-и-переходе ..... ПчН
■ ■ -II ' (о братное)
■:(_ |.^ (обратное)
ЧГ |'- (обратное)
■ 1[[ |'3 (обратное) (прямое)
\£';гV--"-
13
100
13СС
1»»
• ‘ * I
■ссссс
/ Гц
Рис. 5. СПМШ радиационно-сплавного ФД
ряется на 4 порядка, смещаясь от 10 Гц до 100 кГц. Т акого вида спектры характерны именно для нестабильных ФД со значительными поверхностными утечками.
Таблица 2
Результаты шумового анализа планарных и радиационно-сплавных ФД
В табл. 2 представлены экспериментальные значения квадрата шумового тока ФД на частоте 4 кГц (столбец 2) и значения, рассчитанные для дробового шума при преобладании фонового тока над остальными (столбец 4) по формуле:
1„2 = 2qI б -А/ ,
где 1ф - фоновый ток, q - заряд электрона, А/-полоса пропускания усилителя.
Хорошее совпадение теоретических и экспериментальных значений іП / А/ (данные столбцов 2 и 4) свидетельствует как о достоверности результатов измерений, так и о том, что приборы работают в режиме ограничения фоном.
По стойкости к прогревам при 90°С и устойчивости тока шума к обратному смещению планарные ФД также выигрывают у радиационносплавных: они не изменяют значений параметров при этих прогревах, в то время как радиационно-сплавные ФД полностью деградируют. При этом для планарных ФД характерно, что они имеют диапазон напряжений обратного смещения в пределах 0-800 мВ, в котором напряжение шума не возрастает (у радиационносплавных ФД этот диапазон составляет 0-20 мВ). Планарные ФД обладают лучшей равномерностью чувствительности по ФЧП, чем радиационно-сплавные.
Выводы
1. Замена радиационно-сплавной технологии изготовления фотодиодов на планарную
имплантационную позволила улучшить в 2-3 раза пороговые параметры ФД. Это произошло из-за повышения квантовой эффективности ФД на ~50% и снижения уровня поверхностных утечек. При этом 25% возрастания квантовой эффективности обусловлены расширением спектральной характеристики, а остальные ~25% - повышением качества металлургической границы р-п-перехода.
2. Наиболее значительное улучшение пороговых параметров при замене технологии произошло на большей площадке из-за резкого уменьшения токов утечки, приведшего к кардинальному снижению уровня шумов. При этом фактически устранен шум типа 1//.
3. Изготовленные планарные ФД значительно превосходят радиационно-сплавные по термической стойкости, допустимым обратным смещениям и равномерности чувствительности площадок.
Список литературы
1. Астахов В.П., Варганов С.В., Демидова Л.В. и др. Способ изготовления планарных фотодиодов на антимониде индия. Патент РФ № 1589963.
2. Астахов В.П., Дудкин В.Ф., Кернер Б.С. и др. Механизмы взрывного шума р-п-переходов // Микроэлектроника. 1989. Вып. 5. С. 455-463.
3. Астахов В.П., Гиндин Д.А., Карпов В.В. О влиянии дополнительного планарного короткозамкнутого р-п-перехода, расположенного вблизи основного // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24, № 6.
С. 72- 76.
4. Хадсон Р. Инфракрасные системы: Пер. с англ./ Под ред. Н.В. Васильченко. М.: Мир, 1972. 536 с.
5. Мирошникова И.Н. Сравнительные характеристики фотодиодов из 1^Ь с глубокозалегающими р-п-переходами, полученными различными методами // В кн.: Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы докладов науч.-техн. семинара. М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, МЭИ, 2002. С. 189-198.
6. Соколик С.А., Гуляев А.М., Мирошнико-ва И.Н. Совершенствование установки для исследования низкочастотного шума полупроводниковых приборов и структур // Измерительная техника. 1997. № 1. С. 61-65.
Тип фотодиода (!2,/А/)экс, А2-Гц-1 1ф, мкА (І П^Хеор? А2-Гц-1
Планарный 2-10-24 7.85 2.540-24
Радиационно-сплавной 110-24 3.2 1-10-24
RESULTS OF REPLACEMENT OF SERIAL ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY OF INSB PHOTODIODES BY ION IMPLANTATION PLANAR TECHNOLOGY
V.P. Astakhov, P.D. Gindin, A.M. Gulyaev, V.G. Zinoviev, V. V. Karpov, A.D. Maksimov, I.N. Miroshnikova
Photodiodes (PD) with «large» circular and annular areas having common centre have been fabricated using the ion implantation planar technology and their photoelectric characteristics have been studied. At the same time, PDs fabricated by the serial alloy technology have been studied. In both cases, the photoelectric parameters have been measured according to GOST 17772-88 standard. Volt-ampere characteristics and noise power spectral densities of both types of PDs have also been measured. The replacement of the serial alloy fabrication technology by the ion implantation planar one has been found to improve PD threshold parameters by the factor of 2 to 2.5.
Keywords: InSb, implantation, noise power spectral density, alloy technology.
