Лекция 2

Тема 2. Фотоэлектрические приемники оптического и ближнего ик-диапазона спектра.

Лавинный фотодиод. В отличие от обычных фотодиодов с р-п переходом, лавинные фотодиоды обладают механизмом внутреннего усиления. При одинаковой падающей мощности фотосигнал лавинного фотодиода превышает сигнал обычного фотодиода тех же размеров, изготовленного из того же самого полупроводникового материала. Хотя внутреннее усиление не приводит к увеличению отношения сигнал - шум, а скорее может уменьшить его, имеется возможность снизить требования к шумовым характеристикам предусилителей, используемых в фотоприемных устройствах с ЛФД. Кроме того, при определенных условиях значительное лавинное усиление можно получить без уменьшения быстродействия фотодиодов. В конечном итоге ЛФД можно рассматривать как твердотельный аналог фотоумножителя.

Механизм лавинного усиления наблюдается в р-n переходе для неслишком высоких уровней легирования при обратных смещениях. При высоких уровнях легирования туннельный эффект Зинера препятствует возникновению лавины. (Для туннельного эффекта необходимы большие напряженности полей, но в узком слое полупроводника, ширина которого недостаточна для развития лавины.) При отсутствии внешнего фотосигнала носители, появление которых обусловлено термической генерацией, испытывают ускоряющее действие поля в области р-n перехода, достаточное для того, чтобы при соударениях с атомами вызывать дополнительную ионизацию последних. Дополнительные электроны, образуемые при этом, в свою очередь, испытывают ускорение и приводят к генерации новых свободных электронов. Таким образом, поле вблизи р-n перехода приводит к образованию лавины. Поскольку первичным толчком к образованию лавины могут служить и возбужденные фотоизлучением электроны или дырки, механизм лавинного усиления можно рассматривать как процесс, приводящий к увеличению числа возбужденных фотоизлучением носителей тока.

Из-за трудности обеспечения достаточно сильных однородных полей при больших площадях р-п переходов ЛФД имеют, как правило, малые размеры.

р-i-n фотодиод. В отличие от приборов с резким р-п переходом, в р-i-n фотодиодах между р- и n-областями находится область полупроводника с собственной проводимостью. Если изготовить одну из областей (обычно р- для Si) тонкой по сравнению с длиной оптического поглощения, то падающее излучение, проникая в область собственной проводимости, будет генерировать электронно-дырочные пары. Сильное электрическое способствует быстрому дрейфу носителей, в результате чего частотная характеристика р-i-n фотодиода простирается в область более высоких частот по сравнению с характеристикой обычного фотодиода из того же самого полупроводникового материала.

Фотодиод с барьером Шоттки. Потенциальный барьер, возникающий на изготовленном специальным образом контакте металл - полупроводник, приводит к разделению возбужденных фотоизлучением электронов и дырок, обеспечивая появление фотосигнала. В большинстве случаев слой металла делается полупрозрачным для падающего излучения. Оптическая генерация носителей происходит в толще полупроводника или в непосредственной близости от потенциального барьера. В некоторых случаях излучение падает со стороны полупроводника, толщина которого в этом случае должна быть достаточно малой, чтобы возбужденные фотоизлучением носители могли диффундировать к барьеру.

Не во всех случаях в полупроводнике можно обеспечить проводимость как р-, так и n-типа. В связи с этим фотодиоды с барьером Шотки приобретают особый интерес при использовании материалов, в которых невозможно создание р-n переходов. Они также нашли применение в качестве фотоприемников для ультрафиолетового и видимого диапазонов спектра, особенно для лазерных применений, где требуется высокое быстродействие (во многих случаях вплоть до нескольких гигагерц).

Фотодиоды с гетеропереходом. Значительный интерес в 60-е годы вызвало применение полупроводниковых гетеропереходов в качестве широкозонных эмиттеров в транзисторах. Гетеропереходы изготавливаются методом эпитаксиального наращивания одного полупроводника, например GaAs, на поверхности другого (Gе), имеющего похожее строение кристаллической решетки. Выпрямляющие свойства таких переходов обнаруживаются не только в структурах, содержащих контактирующие р- и n- области, но и в структурах, типа n-n и p-p. Для создания фотоприемников на ультрафиолетовую область спектра широко используются гетероструктуры GaAs - AlAs, Al_xGa_1-xAs - GaAs. Использование более широкозонного, чем GaAs, соединения, прозрачного в коротковолновой области спектра, в качестве «окна», пропускающего высокоэнергетичные фотоны в глубоко лежащую область разделяющего носители заряда потенциального барьера, облегчает получение высокой чувствительности в ультрафиолетовой области. Фотодиоды с гетеропереходом Al_xGa_1-xAs - GaAs обладают высоким быстродействием.

Солнечные элементы. Одним из важных видов применения структур с р-n переходом является изготовление на их основе солнечных элементов. Солнечные элементы предназначены для преобразования солнечной энергии в электрическую, поэтому имеют область спектральной чувствительности максимально приближенную к спектру излучения солнца. В этом случае р-n переход работает в фотогальваническом (вентильном) режиме (см. Рис. 5а.).

Технологии изготовления фотодиодных кристаллов на InSb и фоторезисторов на КРТ

Основой технологии фотодиодных кристаллов на InSb является действующая технология фоточувствительного элемента 0С5.399.100.

Общая технологическая схема его изготовления:

1. Изготовление исходной пластины из антимонида индия ИСЭ-2В ОС7.340.145.

2. Формирование на ней меток совмещения и защитной маски.

3. Ионное легирование для получения дырочного слоя на глубине  1 мкм в режимах:

Е1 = 100 кэВ	Д = 50 мкКул/см2
Е2 = 30 кэВ	Д = 10 мкКул/см2

4. Отжиг дефектов капсулированного легированного слоя

5. Формирование основного защитного окисла.

6. Нанесение дополнительного защитного покрытия.

7. Вскрытие контактных окон в диэлектрике.

8. Нанесение контактов, ограничителей фоточувствительных площадок и закороток «охранного» кольца.

9. Резка пластин на линейки.

10. Полученная фоточувствительная линейка ОС7.340.142 приклеивается клеем ОР-3 ОСТ3.4196-78 к сапфировому диску  22 х 1, который склеивается с контактным растром (сапфировым фигурным диском  22 х 1 с нанесенным контактным слоем Cr - Au) ОС7.344.118 или ОС7.344.191.

4. Контактные площадки кристалла (ОС7.340.142) соединяются термокомпрессией тонкой ( 30 мкм) золотой проволокой длиной (10  1 ) мм с соответствующими площадками контактного растра.

4. Полученный таким образом фоточувствительный элемент герметизируется герметизируется приклеиванием к нему фасонным диском (кольцом ОС8.686.005) и тонким сапфировым диском.

5. После контроля вольт-амперной и вольт-шумовой характеристик к ф.ч.э. приклеивается диафрагма ОС8.266.074.

Обычно формирование основного защитного покрытия производится в электролите, содержащем в качестве электропроводящей добавки сернистый натрий, а в качестве органического растворителя - изопропиловый спирт. Анодное окисление ведется в гальваностатическом режиме при плотности тока (0,02 - 0,5) мА/см² или вольт-статическом режиме при напряжении (12-30)В.

Проверка качества линеек и собранных капсул производится в жидком азоте при вымороженном фоне. Определяется отсутствие коротких замыканий, обрывов, контролируется форма вольт-амперной характеристики, диффреренциальное сопротивление в рабочей точке , точка перегиба и наклон вольт-шумовой характеристики (И_п) по АГЦ/ОС5.399 .100 ТК10.

ФЧЭ, изготовленные по этой технологии, имеют квантовую эффективность около 0,8, что обеспечивает при  = 5 мкм предельную токовую чувствительность (3,0 - 3,3) А/Вт.

При заданной в ТЗ (ТУ ОС2.003.023) эффективности фонового излучения (1,5 х 10^-4) Вт/см² можно пренебречь в частотном диапазоне (800  100) Гц избыточной составляющей (1/f) тока шума.

Рассмотрение литературных данных по технологии изготовления фотоприемников ИК-диапазона на основе фоторезисторов из КРТ и наш опыт показывает, что в настоящее время разработчикам новых приборов все большее внимание приходится уделять вопросу качества используемого полупроводникового материала. Особое значение имеют: пространственное распределение электрически активных неоднородностей в объеме КРТ (связанное, как правило, с фоновыми примесями в полупроводниковых кристаллах, которые концентрируются на структурных дефектах кристаллической решетки), однородность состава материала по пластине, а также исходные электрофизические параметры материала (концентрация и подвижность основных носителей заряда, время жизни неосновных носителей). Большой разброс этих параметров не позволяет реализовать воспроизводимую технологию изготовления фотоприемников с высокими характеристиками, особенно при изготовлении многоэлементных и субматричных фотоприемников. Поэтому повышается роль отбора исходного материала для длинных линеек фоторезисторов и проводимого с этой целью входного контроля параметров исходных пластин. Использование исходных полупроводниковых пластин с высокими параметрами часто не позволяет реализовать их в фоточувствительных элементах, в частности, из-за неоптимальной топологии фоточувствительных элементов (ФЧЭ) и неоптимальных режимов проведения некоторых технологических операций.

Оптимальная топология фоточувствительного элемента с числом фоточувствительных площадок 128 определяется исходя из требований технического задания и в соответствии с техническими возможностями технологической линейки. Технологические маршруты и фотошаблоны позволяют обеспечить изготовление ФЧЭ как на основе объемного, так и эпитаксиального материала КРТ. Фотошаблоны и в том и в другом случаях используются одни и те же (геометрия их показана на рис.1). Топология фоточувствительного элемента может быть как стандартной, т.е. с прилеганием контактных областей (металлизации) непосредственно к оптической площадке ФЧЭ, так и топология «с подтенением» (так называемый «overlap detector»), в которой омические контакты отодвигаются от оптической площадки ФЧЭ в целях минимизации эффектов деградации времени жизни избыточных носителей и их «выметания» под действием приложенного электрического поля.

Теоретический анализ работы детектора «с подтенением» показывает возможность существенного улучшения электрических и фотоэлектрических параметров фотоприемника (вольтовой чувствительности, эффективного времени жизни неосновных носителей, значения 1/f шума и обнаружительной способности) по отношению к фотоприемникам со стандартной топологией фоточувствительного элемента.

Фоточувствительные элементы из объемного монокристаллического полупроводникового материала n-Hg_1-xCd_xTe изготавливались на основе базовой технологии, основные процессы технологического маршрута которой изложены ниже.

Диэлектрик

Разделение

Индий

Рисунок 1. Топология фотоприемника.

Состав материала (х) выбирается в интервале значений от 0,203 до 0,210, таким образом, чтобы обеспечить расположение максимума относительной спектральной чувствительности в диапазоне 10,5:12 мкм.

Концентрация основных носителей заряда при 77К n_77К=(3,0÷4,0)х10¹⁴см^-3, а их подвижность Время жизни неосновных носителей заряда Пластины с указанными электрофизическими характеристиками отбираются по сертификатам соответствия ТУ на поставляемый материал. Дополнительно проводится входной контроль параметров материала пластин, в процессе проведения которого измеряются коэффициент Холла и величина удельного электрического сопротивления четырехзондовым методом Ван-дер-Пау и на основании этих данных рассчитываются концентрация и подвижность основных носителей заряда.

Однородность электрических характеристик материала оценивается путем снятия зависимости измеряемой величины постоянной Холла при разных значениях напряженности магнитного поля. Отсутствие или незначительность такой зависимости указывает на то, что значения концентрации и подвижности основных носителей заряда в различных областях пластины близки друг к другу, а количество неосновных носителей незначительно. Сильная полевая зависимость постоянной Холла свидетельствует о пространственной неоднородности электрофизических параметров, т.е. о наличии областей материала, в которых значения концентрации и подвижности электронной проводимости заметно отличаются, что не позволяет реализовать заданные параметры фотоприемника.

В ходе проведения входного контроля определяется также состав материала (параметр х) в нескольких точках и время жизни неосновных носителей.

Маршрут изготовления фоторезистивной линейки.

1. Изготовление тонкой структуры.

   1. Измерение электрофизических параметров.

   2. Двустороннее шлифование.

   3. Химико-механическая полировка (ХМП).

   4. Обезжиривание, травление.

   5. Анодное окисление.

   6. Приклейка пластин на подложку из Ge.

   7. Одностороннее шлифование.

   8. ХМП, промывка.

   9. Обезжиривание, травление.

   10. Контроль.

   11. Фотолитография-1 (ФЛГ-1). Формирование рисунка диэлектрика по фоторезисту.

   12. Напыление CdTe d~0,27 0,3 мкм.

   13. Взрыв фоторезиста.

   14. ФЛГ-2. Формирование рисунка контактной площадки по фоторезисту.

   15. Высаживание индия электролитическим способом (d~1,6 мкм) снятие фоторезиста в кислородной плазме.

   16. ФЛГ-3. Формирование рисунка ФЧЭ по фоторезисту.

   17. Выделение меза-структуры (разделение элементов) методом ионного травления.

   18. Снятие фоторезиста в кислородной плазме.

   19. Подготовка чувствительного элемента к резке.

   20. Резка на чипы, промывка, контроль.

   21. Распайка чипа ФЧЭ на растр. (Оценка ФЭП).

   22. Напыление защитного антиотражающего покрытия (ZnSe – 0,55 мкм + скандиат иттрия 0,35 мкм).