ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЙ КАРБИД КРЕМНИЕВЫЙ ДЕТЕКТОР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам для ультрафиолетовой (УФ) области спектра.
Уровень техники
Современное развитие астрономии, аэрокосмической и военной техники остро нуждается в электронике нового поколения, способной работать в экстремальных условиях - повышенных уровнях радиации, высоких температур и химически активных сред.
Особенностью работы УФ детекторов является необходимость регистрировать слабые сигналы на фоне мощного видимого и инфракрасного излучения. Проблема усугубляется тем, что УФ излучение, которое составляет не более 9% от солнечного излучения, блокируется озоновым слоем на поверхности Земли и его эффективное наблюдение становится возможным только из верхних слоев атмосферы или из космоса с его повышенной радиационной активностью.
Наиболее перспективным материалом для создания УФ детекторов является широкозонный полупроводник SiC.
Из уровня техники известен патент RU 2528554 C1, опубл. 20.09.2014, в котором раскрыт высоковольтный карбидокремниевый диод, содержащий сильнолегированную подложку 6Н SiC p-типа проводимости, выполненную с возможностью нанесения на одну ее поверхность омического контакта Ni/Ti, а на другую - эпитаксиального слой n-типа проводимости, причем эпитаксиальный слой содержит ионно-легированный слой, содержащий атомы Al или B, выполненный с возможностью нанесения на него омического контакта, содержащего Al/Ti.
Предложенный диод не обеспечивает высокое структурное совершенство поверхности имплантированного слоя, что является определяющим для работы детекторов УФ излучения. Омический контакт к ионно-легированному p-слою Ti/AI не является оптически прозрачным и не пропускает излучение.
Однако именно p-слой с омическим контактом являются “входным окном” детекторов, поэтому непрозрачный омический контакт не подходит для создания УФ фотоприемника.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является патент US 5093576 A, опубл. 03.03.1992, в котором описан детектор ультрафиолетового излучения, содержащий подложку из SiC, имеющую первый тип проводимость, на одну поверхность которой нанесен первый эпитаксиальный слой SiC, имеющий тот же тип проводимости, что и у подложки, а на другую первый омический контакт из Al или сплава Al. На поверхности первого эпитаксиального слоя расположен второй эпитаксиальный слой SiC, имеющий противоположный тип проводимости по сравнению с первый эпитаксиальным слоем, что приводит к формированию эпитаксиального p-n перехода. Поверх второго эпитаксиального слоя p-типа проводимости сформирован омический контакт из NL Причем материалом подложки, первого и второго слоя является карбид кремния одного и того же политипа, выбранного из группы: 6H, 4H, 2H, 15R или 3C. Однако невозможно сформировать тонкие эпитаксиальные слои менее 0,3 мкм p-типа проводимости, необходимые для эффективной работы УФ детекторов.
В патенте другим вариантом формирования p-n переходов заявлен метод ионного легирования азота (N) в эпитаксиальные слои p-типа проводимости. Однако эпитаксиальные SiC слои p-типа проводимости весьма высокоомны, что существенно снижает эффективность работы УФ детекторов.
Кроме того, предлагаемые концентрации носителей заряда в подложках и эпитаксиальных слоях, также как и толщины эпитаксиальных слоев, не оптимальны, что снижает квантовую эффективность детекторов.
Раскрытие изобретения
Технической задачей полезной модели является создание высокотемпературного (до 500°C) радиационно-стойкого детектора ультрафиолетового излучения (200-400 нм) на основе карбид кремниевых ионно-легированных p-n структур.
Техническим результатом полезной модели является повышение квантовой эффективности детектора при высокой рабочей температуре в диапазоне длин волн 200-400 нм.
Указанный технический результат достигается за счет того, что детектор УФ излучения включает сильнолегированную подложку 4H-SiC n-типа проводимости, выполненную с возможностью нанесения на одну из ее поверхностей слаболегированного эпитаксиального слоя 4H-SiC n-типа проводимости, а на другую - первого омического контакта, причем эпитаксиальный слой n-типа выполнен с возможностью получения вблизи поверхности легированного ионами Al и отожженного слоя p-типа проводимости толщиной 0,3-0,35 мкм, при этом отожженный ионно-легированный слой выполнен с возможностью нанесения на его поверхность второго омического контакта.
D
18
19
-3
Подложка имеет толщину 300 мкм с концентрацией донорной примеси N=5×10-10 см.
D
14
15
-3
Эпитаксиальный слой имеет толщину 2-4 мкм с концентрацией донорной примеси N=10-10 см.
16
-2
Ионно-легированный слой p-типа проводимости содержит атомы Al, имплантированный в эпитаксиальный слой с энергией 100-120 кэВ, дозой 5×10 см и термически отожженный при температуре 1700°C в течение 10-15 с - импульсный отжиг.
В качестве материала второго омического контакта используется Al толщиной 70-80 нм, обладающего оптической прозрачностью для ультрафиолетового излучения.
В качестве материала первого омического контакта применены последовательно нанесенные на подложку слои Cr и Al.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображено сечение 4H-SiC структуры УФ детектора с ионно-легированным Al p-n переходом.
1 - подложка;
2 - эпитаксиальный слой;
3 - отожженный ионно-легированный слой;
4 - p-n переход;
5 - второй омический контакт;
6 - первый омический контакт.
На фиг. 2 представлены спектры квантовой эффективности, измеренные при 25°C, 4H-SiC детекторов с барьерами Шоттки (кривая 1) и с ионно-легированными p-n переходами (кривая 2). Барьеры Шоттки и ионно-легированные p-n переходы выполнены на структурах, содержащих подложку и эпитаксиальный слой n-типа проводимости с одинаковыми электрофизическими параметрами.
На фиг. 3 изображены спектры квантовой эффективности 4H-SiC детекторов с ионно-легированными p-n переходами, измеренные при 25°C (кривая 1) и при 500°C (кривая 2).
9
-2
На фиг. 4 представлены спектры квантовой эффективности, измеренные при 25°C, 4H-SiC детекторов с ионно-легированными p-n переходами до (кривая 1) и после (кривая 2) облучения ионами Xe с энергией 167 МэВ флюенсом 6×10 см.
Осуществление изобретения Детектор ультрафиолетового излучения (фиг. 1) включает сильнолегированную подложку (1) 4H-SiC n-типа проводимости, на одну из поверхностей которой нанесен слаболегированный эпитаксиальный слой (2) 4H-SiC n-типа проводимости, а на другую - первый омический контакт (6), причем в эпитаксиальном слое (2) методом имплантации ионов Al и импульсного термического отжига сформирован слой p-типа проводимости толщиной 0,3-0,35 мкм, на который нанесен второй омический контакт (5). При этом между ионно-легированным слоем (3) и эпитаксиальным слоем (2) образован p-n переход (4).
D
18
19
-3
Подложка имеет толщину 300 мкм с концентрацией донорной примеси N=5×10-10 см.
D
14
15
-3
Эпитаксиальный слой имеет толщину 2-4 мкм с концентрацией донорной примеси N=10-10 см.
16
-2
Ионно-легированный слой содержит атомы Al, имплантированные с энергией 100-120 кэВ, дозой 5×10 см и термически отожженные при температуре 1700°C в течение 10-15 с - импульсный отжиг.
В качестве материала второго омического контакта используется Al толщиной 70-80 нм, обладающего оптической прозрачностью для ультрафиолетового излучения.
В качестве материала первого омического контакта применены последовательно нанесенные на подложку слои Cr и Al.
Детектор ультрафиолетового излучения изготавливают следующим образом:
D
D
18
19
-3
14
15
-3
16
-2
На сильнолегированную подложку 4H-SiC с концентрацией донорной примеси N=5×10-10 см методом осаждения из газовой фазы наносят слаболегированный эпитаксиальный слой n-типа проводимости 4H-SiC толщиной 2-4 мкм с концентрацией донорной примеси N=10-10 см. Затем в поверхность эпитаксиального слоя имплантируют ионы Al с энергией 100-120 кэВ, дозой 5×10 см.
c
-4
-2
С целью активации акцепторной примеси Al и образования p-слоя толщиной 0,3-0,35 мкм, проводится термический импульсный отжиг легированных структур при температуре 1700°C в течение 10-15 с в атмосфере аргона, насыщенной парами кремния. Импульсный отжиг обеспечивает высокое структурное совершенство приповерхностной области, что приводит к уменьшению вклада приповерхностной рекомбинации, а, следовательно, к возрастанию фоточувствительности детекторов в коротковолновой области УФ спектра. Кроме того, такой отжиг сопровождается геттерированием дефектов в эпитаксиальном CVD слое, что приводит к увеличению диффузионной длины носителей заряда и к увеличению абсолютной фоточувствительности формируемых детекторов. При этом в процессе твердофазной эпитаксиальной кристаллизации формировались слои p-типа проводимости с прямоугольным (“box”) профилем внедренной примеси алюминия. Удельные сопротивления отожженных имплантированных слоев составляют ρ≤0.5 Ом см, что позволило сформировать на их поверхности методом термовакуумного напыления оптически прозрачный второй омический контакт, содержащий Al, с низким удельным контактным сопротивлением ρ≤3×10 Ом см. Первый омический контакт на поверхности подложки формировался термовакуумным напылением последовательно слоев хрома и алюминия.
+
-3
-2
Методами фотолитографии и последующего плазмохимического травления формировались меза структуры с p-n переходами различной площади, при этом омический контакт, содержащий Al, служил маской при травлении (фиг. 1, контакт 5). Низкоомные ионно-легированные p-слои и омический контакт, содержащий Al, служат “входным окном” УФ детекторов. Они не вносили дополнительного сопротивления в детекторные структуры, которые имели рекордно низкие значения дифференциальных сопротивлений Rd≤3×10 Ом см. Это обеспечивает минимальные потери входной энергии во “входном окне” детекторов и их характеристики (фиг. 2, кривая 2) аналогичны структурам с барьерами Шоттки (фиг. 2, кривая 1). Однако температурный диапазон работы детекторов на базе ионно-легированных p-n переходов, в отличие от структур с барьерами Шоттки (150°C), составляет 400-500°C с улучшением квантовой эффективности за счет отжига некоторых низкотемпературных дефектов в SiC (фиг. 3).
Детектор ультрафиолетового излучения работает следующим образом.
В фотодетекторе на основе p-n перехода протекают три основных процесса: генерация носителей заряда внешним излучением; перенос носителей заряда; взаимодействие тока с внешней цепью, обуславливающее появление выходного сигнала. Каждый из этих процессов налагает определенные требования к структуре фотодетектора для получения максимальной эффективности прибора.
Внешнее излучение попадает во “входное окно” детектора и генерирует фотоэлектроны и фотодырки как в области пространственного заряда p-n перехода, так и за его пределами, что приводит к увеличению проводимости. Коэффициент поглощения 4Н-SiC резко возрастает для длин волн менее 400 нм, что соответствует началу межзонного поглощения материала и определяет область его спектральной чувствительности. Длинноволновая граница этой области (400 нм) определяется шириной запрещенной зоны 4H-SiC (3.2 эВ). Коротковолновая граница спектра (200 нм) обусловлена приповерхностной рекомбинацией фотоносителей. В области коротких волн коэффициент поглощения очень велик, излучение поглощается очень близко к поверхности и времена рекомбинации фотоносителей настолько малы, что они не успевают уйти из поверхностного слоя. Поэтому качество поверхности детекторных структур играет важную роль в процессах рекомбинации фотоносителей, ускоряя их с ухудшением состояния поверхности.
+
-4
-2
c
Для эффективной генерации носителей заряда внешним излучением необходимо снижать потери энергии во “входном окне” детекторов, состоящего в нашем случае из ионно-легированного слоя p-типа проводимости и омического контакта к нему. Чтобы исключить потери на отражение и поглощение при освещении детектора, алюминиевый контакт делается прозрачным толщиной 70-80 нм с низким удельным контактным сопротивлением ρ≤3×10 Ом см, обеспечивающим однородное растекание тока по площади контакта.
+
+
+
Технология ионного легирования позволяет формировать тонкие слои различного типа проводимости. В нашем случае имплантацией ионов Al с последующим импульсным термическим отжигом формируются слои p-типа проводимости толщиной 0,3-0,35 мкм с низким удельным сопротивлением ρ≤0.5 Ом см. Работа диодов с тонкими низкоомными слоями p-типа проводимости и с низкоомными алюминиевыми омическими контактами подобна работе структур с барьерами Шоттки - наиболее высокоэффективными фотодетекторами (фиг. 2). В обоих случаях область формирования носителей заряда расположена в эпитаксиальном слое n-типа проводимости. В этом случае на спектральные характеристики заявленных структур не влияют процессы, происходящие в p-области p-n переходов, что наблюдается в детекторах, сформированных другими методами.
Заявленный метод формирования ионно-легированных p-n переходов сопровождается геттерированием дефектов в эпитаксиальном CVD слое, что приводит к увеличению времени жизни носителей заряда и к усилению фотоответа.
+
-3
-2
Тонкие ионно-легированные низкоомные слои p-типа проводимости не вносят дополнительного сопротивления в диодные структуры, обеспечивая рекордно низкие значения их дифференциальных сопротивлений Rd≤3×10 Ом см, что улучшает частотные характеристики детекторов.
Как показали эксперименты (Фиг. 2) заявленный детектор имеет квантовую эффективность на уровне детектора с барьером Шоттки, являющегося наиболее высокоэффективным детектором в настоящее время. Кроме того, заявленный детектор имеет высокую квантовую эффективность (Фиг. 3) при высокой рабочей температуре (до 500°C) детектора в диапазоне длин волн 200-400 нм.
Сформированные детекторы имеют следующие характеристики:
- диапазон спектральной фоточувствительности 200-400 нм с линейной зависимостью фототока от плотности потока излучения и эффективностью 80-90%;
- детекторы не чувствительны к видимому и ИК излучению (солнечно-слепые), что позволяет работать без светофильтров;
- детекторы работают при температурах 400-500°C с улучшением их квантовой эффективности;
- низкие значения темнового тока и высокая теплопроводность позволяют работать при высоких температурах без принудительного охлаждения;
- возможно формировать селективные фотодетекторы, в частности сформирован детектор канцерогенного излучения с максимумом 254 нм, провоцирующего онкологические заболевания (фиг. 2);
- температурный коэффициент квантовой эффективности не превышает 0.1%/0C, что обеспечивает высокую температурную стабильность при резких перепадах температур;
- детекторы имеют высокие значения электрической, химической и механической прочности, а также высокую радиационную стойкость:
- поглощенная доза в 50000 крад не приводит к изменению характеристик приборов;
2
- выдерживают жесткое УФ излучение мощностью до 1000 Вт/мв течение 5000 часов без деградации, что невозможно для других полупроводников;
15
-2
16
-2
7
10
-2
9
-2
9
-2
- сохраняют детектирующие свойства при облучении быстрыми нейтронами флюенсом 10 см, протонами 1.4×10 см, гамма-квантами 10 рад, тяжелыми ионами Kr флюенсом 1×10 см и ионами Bi флюенсом 2×10 см, а также ионами Xe флюенсом 6×10см (фиг. 4).
- Особенно важно отметить, что радиационный и временной ресурсы SiC приборов увеличиваются с ростом температуры до 500°C. Т.е. приборы, деградированные при высоких уровнях радиации, частично восстанавливали свои электрические характеристики при рабочих температурах 400-500°C и способны выдерживать дополнительные дозы облучения;
- Технология изготовления УФ SiC детекторов с ионно-легированными p-n переходами совместима с технологией интегральных схем.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет получить детекторы УФ излучений нового поколения с низкоомными тонкими ионно-легированными p-n переходами, сформированными в современном материале 4H-SiC, для работы в условиях повышенных температур (до 400-500°C) и жестких радиационных полей.
Полезная модель была раскрыта выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.