Влияние пленки пористого кремния на спектральную характеристику кремниевого фотодиода

3

ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 621.383.5

ВЛИЯНИЕ ПЛЕНКИ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ НА СПЕКТРАЛЬНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ КРЕМНИЕВОГО ФОТОДИОДА

В.И. Соколов, Хуинь Конг Ту

Рассмотрено влияние пленки пористого кремния, сформированной методом анодного электрохимического травления р-области, на спектральную характеристику кремниевого фотодиода. Показано, что созданный слой пористого кремния приводит к существенному увеличению спектральной чувствительности во всей области спектра. Наблюдается изменение спектральной чувствительности фотодиода во времени. Ключевые слова: пористый кремний, спектральная характеристика, фотодиод.

Важными характеристиками фотодиодов (ФД) является спектральная характеристика и величина фоточувствительности. Известно, что спектральная характеристика фоточувствительности ФД зависит как от объемных параметров полупроводника, так и от конструкции поверхности. Существующие технологии полупроводникового приборостроения позволяют реализовать конструкции фотоприемников, параметры которых, в большинстве случаев, далеки от теоретически достижимых пределов. Это обусловлено использованием высокотемпературных технологических процессов, которые способствуют увеличению дефектности полупроводниковых кристаллов и уменьшению времени жизни носителей заряда [1, 2]. Дальнейшее улучшение параметров и характеристик ФД может быть связано, например, с использованием флип-чип конструкций [3] или конструкций ФД с точечным контактом на обращенной к источнику поверхности [4].

В работе рассматриваются результаты исследований влияния на спектральную характеристику кремниевого ФД пленки пористого кремния (ПК), сформированной методом анодного электрохимического травления р-области ФД [5, 7].

В качестве объектов исследования использовались планарные структуры кремниевых ФД типа ФП-1, изготовленные по стандартной планарной технологии методом локальной диффузии из газовой фазы. Исходной подложкой для изготовления ФД являлась пластина монокристаллического кремния п-типа с удельным сопротивлением 20 Ом-м, легированная фосфором и ориентированная в кристаллографической плоскости (100). Ниже приведена сокращенная схема технологического процесса изготовления планарной структуры ФД:

- термическое окисление кремниевой подложки (формирование маскирующего слоя 8Ю2);

- стравливание слоя 8Ю2 с обратной стороны подложки;

- диффузия фосфора из газовой фазы, источник - РОС13; концентрация фосфора в подложке составляет

порядка 1020;

- стравливание фосфоросиликатного стекла и окисла;

- термическое окисление кремниевой подложки (формирование маскирующего слоя 8Ю2);

- фотолитография в слое 8Ю2 (вскрытие «окон» для локальной диффузии бора), размер «окон» -

- локальная диффузия бора из постоянного источника ВВг3 (первая стадия диффузии);

- вторая стадия диффузии (разгонка фосфора в атмосфере сухого кислорода), глубина диффузии -

- фотолитография в слое 8Ю2 (вскрытие окон для омических контактов к анодам ФД);

- термовакуумное напыление пленки алюминия для получения омических контактов;

- фотолитография в пленке алюминия и термический отжиг (формирование омических контактов к анодам фотодиодов).

Схема структуры ФД, изготовленной по приведенной выше технологии, представлена на рис. 1. Для получения пленки ПК на фоточувствительной поверхности ФД использовался процесс анодирования в растворе ИБ (30%). Слои ПК формировались в однокамерной ячейке с платиновыми электродами при комнатной температуре. Плотность тока была фиксирована и равнялась 20 мА/см2, а продолжительность процедуры анодирования варьировалась и составляла t = 1, 2, 3, 4, 5 мин. При временах анодирования 23 мин стабильно получались тонкие слои ПК. Такие слои обеспечивали получение повторяемых спек-

Введение

Методика эксперимента

1,2 мкм;

ВЛИЯНИЕ ПЛЕНКИ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ НА СПЕКТРАЛЬНУЮ .

тральных характеристик ФД. При увеличении времени травления до 4-5 мин часто возникали трудности при снятии спектральных характеристик, что, по-видимому, было связано с локальными протравлениями р-областей анодов, приводящими к частичному закорачиванию р-п-переходов. В связи с этим все экспериментальные образцы, на которых проводились исследования спектральных характеристик, анодировались в течение 3 мин. Все образцы анодировались при естественном освещении подложек. После электрохимической обработки образцы промывались в деионизованной воде и просушивались на воздухе в термостате при температуре 80-90°С. Площадь пленки ПК занимает около 50% площади анода ФД.

Рис. 1. Схема кремниевого планарного ФД: 1 - кремниевый кристалл п-типа; 2 - диффузионная р-область; 3 - контактная п+ - область, легированная фосфором; 4 - омический контакт;

5 - просветляющее покрытие ЭЮ2

С помощью спектрофотометра СФ-26 на полученных экспериментальных образцах проводились измерения спектральной зависимости структур при комнатной температуре в диапазоне длин волн 4001200 нм с шагом 20 нм. В результате измерений спектральных характеристик образцов, полученных при разных временах травления, оптимальным временем травления, как уже было сказано выше, было установлено 3 мин.

Результаты и их обсуждение

Результаты проведенных исследований изменения спектральной чувствительности экспериментальных образцов до и после травления слоя 8Ю2 и электрохимической обработки представлены на рис. 2. Как видно из приведенного рисунка, для ФД с ПК покрытием спектральная чувствительность существенно увеличивается.

3,5

о н о н с

е

Рис. 2. Спектральная характеристика фотодиода, с которого снят слой защитного окисла и поверхность его р-области обработана электрохимическим травлением: - без слоя ЭЮг;

- со слоем ЭЮг; - с ПК покрытием

Чувствительность ФД зависит как от физических ограничений, связанных с выбором материала для его получения, так и от конструкции фотоприемника. Для ее увеличения необходимо уменьшать отражение падающего оптического излучения от поверхности ФД и увеличивать коэффициент собирания носителей заряда.

Известно, что малые размеры нанокристаллов ПК и большая общая площадь их поверхности обусловливают большую чувствительность ПК к внешней среде. Поверхность свежеприготовленного ПК

покрыта группами 81-Их, причем количество атомов водорода в таких группах может быть больше, чем в группах на поверхности монокристаллического кремния [8]. Такое покрытие в малых нанокристаллах (меньше 3 нм), согласно [9], увеличивает энергию излучаемых квантов света из-за ликвидации связей 81-О, которые захватывают электроны экситонов, уменьшая этим энергию излучаемых квантов.

Более того, ПК рассматривается как двухфазная система, содержащая квантово-размерные нано-кристаллы (пс-81) в матрице пористого 81Ох. При этом граница ПК с р-81 содержит участки пс-81/р-81 и 8Юх/р-81. При поглощении света в ПК имеет место также захват неравновесных дырок на ловушки внутренней поверхности пс-81/81Ох во время действия последовательного излучения.

Если энергия кванта падающего излучения больше ширины запрещенной зоны р-81, но меньше ширины запрещенной зоны ПК, то излучение поглощается в р-81. С увеличением энергии квантов падающего излучения до значений, соответствующих энергии ширины запрещенной зоны ПК, происходит фотогенерация дырок в ПК.

Кроме того, немаловажным механизмом, определяющим высокую спектральную чувствительность исследуемых фотодиодов, является низкая скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела пористый кремний - монокристаллический кремний. При исследовании фотоиндуцированного захвата заряда в ПК в [10] была обнаружена компонента фотоЭДС, связанная с областью обеднения в р-81 на границе с ПК, и установлено присутствие медленных состояний на поверхности пор.

Следует отметить, что в случае хранения экспериментальных образцов на воздухе был обнаружен спад спектральной чувствительности. Она постепенно уменьшается с увеличением времени хранения. Данные, иллюстрирующие изменение спектральной чувствительности экспериментальных образцов, приведены на рис. 3. Эффект уменьшения спектральной чувствительности можно объяснить тем, что поверхность свежеприготовленного ПК покрыта группами 81-Их. В процессе хранения ПК происходит окисление кремния, и группы 81-Их замещаются группами 81-Ох, т.е. имеет место дегидрирование поверхности. Эти группы захватывают электроны экситонов, уменьшая этим энергию излучаемых квантов. В дополнение к этому, поверхность ПК очень чувствительна к внешней среде. На ней адсорбированы также ОИ-группы, углеродные соединения и следы фтора, хлора и азота [11].

< Ьй

Ьй

о н о н

с ©

0 0,5 1

- исходный образец; _

^ - 14 дней хранения; - 112 дней хранения;

2,5 3 3,5

-2дены, хранения:

Рис. 3. Изменение спектральной характеристики фотодиода с пленкой ПК на поверхности анода

в процессе хранения в комнатных условиях

Заключение

Из сказанного можно делать вывод, что формирование пленки пористого кремния на чувствительной поверхности фотодиода приводит к увеличению его спектральной чувствительности. Эти результаты могут быть использованы при разработке перспективных кремниевых солнечных элементов и оптических фильтров.

Литература

1. Торопкин Г.Н. Основы надежности изделий квантовой электроники. - М.: Радио и связь, 1983. -240 с.

2. Парфенов О.Д. Технология микросхем. - М.: Высшая школа, 1986. - 320 с.

3. Holland S.E., Wang N.W., Moses W.W. Development of low noise, back-side illuminated silicon photodiode arrays // IEEE Transactions on Nuclear Science. - 1997. - V. 44. - № 3. - P. 443-447.

ПРИМЕНЕНИЕ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

4. Андреев И.А., Ильинская Н.Д., Куницына Е.В., Михайлова М.П., Яковлев М.П. Высокоэффективные фотодиоды на основе GaInAsSb / GaAlAsSb для спектрального диапазона 0,9-2,55 мкм с большим диаметром чувствительной площадки // ФТП. - 2003. - T. 37. - Вып. 8. - C. 974-979.

5. Rouquerol J., Avnir D., Fairbridge C.W., Everett D.H., Haynes J.H., Pernicone N., Ramsay J.D.F., Sing K.S.W., Unger K.K. Recommendations for the characterization of porous solids // Pure Appl. Chem. - 1994. - V. 66. - № 8. - P. 1739-1758.

6. Canham L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers // J.Appl. Phys. Lett. - 1990. - V. 57. - № 10. - P. 1046-1048.

7. Федулова Г.В., Нечитайлов А.А. Щелочное вскрытие макропор при изготовлении кремниевых структур со сквозными каналами // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2007. - Т. 40. - С. 75-79.

8. Canham L.T. Properties of porous silicon. - London: INSPEC, 1997. - 364 p.

9. Wolkin M.V., Jorne J., Fauchet P.M., Allan G., Delerue C. Electronic States and Luminescence in Porous Silicon Quantum Dots: The Role of Oxygen // Phys. Rev. Lett. - 1999. - V. 82. - № 1. - P. 197-200.

10. Матвеева А.Б., Константинова Е.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Исследование фотоЭДС и фотоиндуцированного захвата заряда в пористом кремнии // ФТП. - 1995. - Т. 29. - Вып. 12. - С. 2180-2188.

11. Балагуров Л. А., Павлов В.Ф., Петрова Е.А., Боронина Г.П. Исследование пористого кремния и его старения методами полного внешнего отражения рентгеновских лучей и инфракрасной спектроскопии // ФТП. - 1997. - T. 31. - Вып. 8. - C. 957-960.

Соколов Владимир Иванович - Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, доктор физ.-мат.

наук, профессор

Хуинь Конг Ту - Санкт-Петербургский государственный университет информационных

технологий, механики и оптики, аспирант, Picochip912@yahoo.com

УДК 532.783

ПРИМЕНЕНИЕ НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ

О.Г. Габараев, Ю.И. Купоросов, М.Г. Томилин

Описано применение нематических жидких кристаллов (НЖК) для визуализации структурных дефектов в кварцевом элементе резонатора промышленного производства. Объектом исследования были структурные неоднородности в кристаллическом кварце, как природного происхождения, так и возникающие в процессе технологических операций. Проведено сравнение метода НЖК с методами травления, рентгеновской и акустической дефектоскопии. Показано, что предложенный метод НЖК является неразрушающим по сравнению с методом травления; точнее акустического метода и позволяет в отличие от него дать интегральную картину свойств изучаемой области поверхности; является экспрессным и более дешевым по сравнению с рентгеновским методом. Метод НЖК можно рассматривать как независимый метод, дающий дополнительную информацию о свойствах поверхности изучаемых объектов. Ключевые слова: жидкие кристаллы, дефектоскопия, поверхность, структурные неоднородности, неразрушающий контроль, кристаллический кварц.

Введение

Кварцевый резонатор - это прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы [1, С. 10-16; 21-27; 85]. Внешний вид кварцевого резонатора показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид кварцевого резонатора: 1 - кварцевый элемент (КЭ); 2 - кварцедержатель;

3 - электрод