CC BY
279
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.382.4
ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОДИОД В.В.Гаврушко, В.А.Ласткин* WIDE-RANGE SILICON PHOTODIODE
V.V.Gavrushko, V.A.Lastkin*
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Valery. Gavrushko@novsu.ru
*ОАО «ОКБПланета», Великий Новгород
Приведены сведения о технологии получения и свойствах кремниевого фотоприемника, полученного мелкой имплантацией мышьяка на глубину 0,2 мкм. Произведено сравнение традиционного диффузионного фотодиода и фотодиода с мелким р-n переходом, которое продемонстрировало существенное расширение диапазона спектральной чувствительности у предлагаемого фотоприемника. Приведены электрические характеристики полученного фотодиода.
Ключевые слова: ионная имплантация, кремний, фотодиод, спектральная чувствительность, обратный ток, емкость
This article contains information about the technology and properties of silicon photodetector being obtained by the implantation of arsenic to a depth of 0.2 |jm. We carried out the comparison of a standard diffusive photodiode and the new one having shallow p-n junction which demonstrated an increase in spectral response range of the new sensor. Some electrical characteristics of the photodetector are presented.
Keywords: ion implantation, silicon, photodiode, spectral response, inverse current, capacity
1. Введение
Для решения некоторых задач в оптоэлектро-нике требуются фотоприемники с хорошей чувствительностью в широком спектральном диапазоне. Например, такие фотоприемники нужны для проведения спектральных измерений, их потребность обусловлена развитием литографии, астрофизики [1]. Традиционные кремниевые диффузионные фотодиоды обладают ярко выраженной неоднородной спектральной характеристикой с максимумом в видимой или ближней инфракрасной области спектра. При этом они имеют значительно худшую чувствительность в ультрафиолетовой области, что сужает их спектральный диапазон и ограничивает применение. Низкая УФ чувствительность является следствием значительного влияния на фототок процесса поверхностной рекомбинации в коротковолновой области спектра.
Для расширения спектрального диапазона можно использовать инверсионные и поверхностно-барьерные типы фотодиодов [2,3]. Фотодиоды с инверсионным слоем, формируемым на поверхности подложки непосредственно под окисной плёнкой, обладают невысокой надежностью, так как при воздействии высокоэнергетическими фотонами ультрафиолетового излучения инверсный слой со временем деградирует. Второй вариант фотодиодов, с барьером Шоттки, фоточувствительная область которого по-
крыта тонкой полупрозрачной металлической пленкой, характеризуется трудностями в достижении воспроизводимости и контроле формирования тонких металлических пленок. Кроме того, невысокое качество барьера Шоттки может приводить к большим значениям темнового тока. Более интересным, на наш взгляд, является фотодиод с супер мелким р-п-переходом, который должен быть свободен от указанных недостатков [4]. В настоящей работе приведены результаты сравнения традиционного диффузионного фотодиода и фотодиода с мелким р-п-переходом, полученным методом ионной имплантации.
2. Технология получения прибора
На рис.1 представлена структура разработанного фотоприемника.
Просветляющее покрытие Si1'.1
Рис.1. Структура кремниевого широкодиапазонного фотодиода
Исходным материалом служил кремний р-типа с удельным сопротивлением 10 Ом-см. Для получения хорошей чувствительности к УФ излучению были изготовлены диоды с мелким р-п-переходом, сформированным ионной имплантацией мышьяка в подложку кремния. Легирование осуществлялось дозами 50-100 мкКл/см2, при энергии 50 кэВ. Для уменьшения коэффициента отражения падающего излучения на фоточувствительной области выращивалась антиотражающая пленка SiO2 толщиной около 60 нм, оптимизированная на длину волны 350 нм. После термического отжига формировался p-n-переход с хорошими электрическими характеристиками на глубине около 0,2 мкм. Для обеспечения омического контакта с ^слоем по периферийной области фоточувствительного слоя проводилась подконтактная п+ диффузия фосфора на глубину около 2 мкм. Диффузионные p+ области служили для ограничения канала инверсии, вносимого зарядом окисла. Омический контакт получался напылением алюминия с последующим вжиганием при температуре 450°С. Размер чувствительной области составлял 2,7^2,7 мм2.
Для сравнения с такими же размерами были изготовлены стандартные фотодиоды с глубиной п-слоя около 1,7 мкм, который формировался диффузией фосфора из жидкого источника РС13 методом открытой трубы при температуре 1050°С. Виды концентрационных профилей фосфора и мышьяка в полученных фотодиодах, снятые методом измерения дифференциальной проводимости тестовых структур Ван дер Пау, представлены на рис.2.
10
10
10
10
10
10
10
Профи. 1ь фос< ора
Ч Пр офиль мышья ка
\
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Глубина легирования, мкм
1,8
Рис.2. Профили распределения примесей в диффузионном и ионнолегированном фотодиодах
Из сравнения полученных данных можно предположить, что более крутой профиль мышьяка с высоким градиентом концентрации примеси должен создавать у поверхности значительное тянущее электрическое поле, что, в свою очередь, должно уменьшить влияние поверхностной рекомбинации и способствовать повышению чувствительности в УФ области спектра.
3. Результаты и обсуждение
На рис.3 приведены спектральные характеристики изготовленных фотодиодов. Как видно, квантовая эффективность у ионно-легированного фотодиода в коротковолновой области оказалась значительно более высокой, чем у диффузионного, что вызвано высоким коэффициентом собирания фотоносителей мелкозалегающим p-n-переходом. Измеренная токовая чувствительность ионно-легированного фотодиода на длине волны 365 нм составила около 0,15 А/Вт, а у диффузионного — 0,05 А/Вт. Таким образом, из полученных результатов видно, что наличие мелкого слоя имплантированного мышьяка и встроенного электрического поля обеспечило повышение чувствительности к ультрафиолетовому излучению и расширению области спектральной чувствительности кремниевого фотодиода.
1,2
№
Я
л
ч _ а
0,8
£ 0,6 п
о Я н О
0,4
0,2
0
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Длина волны, нм
-о-Ионно-легированный фотодиод —»—Диффузионный фотодиод
Рис.3. Спектральные характеристики экспериментальных фотодиодов
Типичная вольт-амперная характеристика тем-нового тока ионно-легированного фотодиода показана на рис.4. Значение темнового тока имело низкую величину (около 5 нА при смещении -10 В), что позволяет использовать такие фотодиоды для регистрации слабых световых потоков.
Напряжение смещения, В
г-0- 5 - 0 - 5 -2 0 -2
—м-
Рис.4. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики ион-но-легированного фотодиода
1
Емкость р-п-перехода, измеренная при смещении -3В на частоте 1 МГц, при использовании материала подложки с удельным сопротивлением 10 Ом-см составила 650 пФ.
4. Выводы
Таким образом, разработанная технология позволила существенным образом расширить диапазон спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов (280-900 нм на уровне 0,5) по сравнению с диффузионными (450-900 нм). Более широкий спектральный диапазон и высокая чувствительность полученных фотодиодов, при учете недорогой кремниевой технологии, делает целесообразным их использование в массовых приборах для контроля оптического излучения от УФ до ближнего ИК диапазона.
1. Забродский В.В., Аруев П.Н., Белик В.П. и др. Исследование стабильности кремниевых фотодиодов в вакуумном ультрафиолете // Физика и техника полупроводников. 2013. Т.47. Вып. 2. С.178-181.
2. Полупроводниковые фотоприемники / Под ред. В.И.Стафеева. М.: Радио и связь, 1984. 216 с.
3. Павлык Б.В., Слободзян Д.П., Грыпа А.С. и др. Совершенство поверхности кристаллов p-Si и радиационно-
стимулированные изменения характеристик поверхностно-барьерных структур Bi-Si-Al // Физика и техника полупроводников. 2012. Т.46. Вып. 8. С.1017-1021:
4. 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.
References
1. V.V.Zabrodskii, P.N.Aruev, V.P.Belik, B.Ia.Ber, D.Iu.Kazantsev, M.V.Drozdova, N.V.Zabrodskaia, M.S.Lazeeva, A.D.Nikolenko, V.L.Sukhanov, V.V.Filimonov, E.V.Sherstnev. Issledovanie stabil'nosti kremnievykh fotodiodov v vakuumnom ul'trafiolete [Investigation of the silicon photodiodes' stability at VUV irradiation]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov -Semiconductors, 2013, vol. 47, iss. 2, pp. 178-181.
2. V.I.Stafeev. Poluprovodnikovye fotopriemniki [Semiconducting photodetectors]. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1984, 216 p.
3. B.V.Pavlyk et al. Sovershenstvo poverkhnosti kristallov p-Si i radiatsionno-stimulirovannye izmeneniia kharakteristik poverkhnostno-bar'ernykh struktur [The perfection of the p-Si crystal surface and radiation-stimulated changes of characteristics of surface-barrier structures Bi-Si-Al]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov - Semiconductors, 2012, vol. 46, iss. 8, pp. 1017-1021.
4. V.V.Gavrushko, A.S.Ionov, V.A.Lastkin. Kremnievye fotopriemniki s vysokoi chuvstvitel'nost'iu k UF izlucheniiu [Silicon photodetectors with high UV sensitivity]. Datchiki & Sistemy - Sensors & Systems, 2009, no. 6(121), pp. 4951.
