ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ К ИНФРАКРАСНОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ СТРУКТУРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
INFRARED RADIATION SENSITIVE STRUCTURE AND METHOD OF MAKING SAID STRUCTURE

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники, конкретно - к фотоприемным устройствам ИК-диапазона длин волн и технологии их изготовления.
2
3
4
Известна структура HgCdTe МДП-прибора [1], содержащая слои HgCdTe и CdTe и имеющая в своем составе CdTe-HgCdTe-гетеропереход и пассивирующий диэлектрический (защитный) слой, состоящий из материала, имеющего более широкую запрещенную зону, чем полупроводниковый материал детекторного слоя из HgCdTe. Диэлектриками под металлическим затвором могут быть SiO и SiN, сформированные осаждением из газовой фазы, или другой подходящий диэлектрик, нанесенный при относительно низкой температуре. Пассивирующий слой имеет толщину от 50 до 100 нм. Он выращивается в том же устройстве, что и подложка, например, методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) или химическим осаждением из газовой фазы металлоорганических соединений (в едином технологическом цикле). Отмечается высокое качество пассивации и высокое качество слоя CdTe из-за реализации согласованных кристаллических структур и из-за предотвращения влияния атмосферных загрязнений полупроводниковой структуры при росте слоев в едином технологическом цикле. Предполагается, что пассивирующий слой CdTe непроницаем для диффузионных загрязнений через него. Недостатком такой структуры является то, что отсутствие между подложкой и пассивирующим слоем промежуточного варизонного слоя не позволяет согласовать постоянные решеток подложки из HgCdTe и пассивирующего слоя из CdTe, что приводит к появлению поверхностных состояний на границе раздела HgCdTe-CdTe и отрицательно сказывается на таких характеристиках приборов с зарядовой связью (ПЗС), как время хранения и эффективность переноса зарядов, выполненных на основе такой структуры. Кроме того, в отсутствии согласующих варизонных слоев возможно появление значительных фиксированных зарядов в CdTe, что приводит к увеличению рабочих напряжений, а также подвижных зарядов, которые вызывают нестабильность рабочих характеристик прибора.
1-x
x
1-x
x
Известна структура инфракрасного (ИК) фоторезистора [2], содержащая слои CdTe, HgCdTe и CdTe, которая была изготовлена на основе выращенной методом МЛЭ гетероструктуры CdTe/HgCdTe при х=0,36. Изготовление гетероструктуры осуществлялось в едином технологическом процессе на подложке нелегированного арсенида галлия с ориентацией (211)В и включало следующие операции: выращивание буферного слоя CdTe толщиной 1,5 мкм на подложку из GaAs, выращивание на буферный слой CdTe слоя HgCdTe, где х=0,36, при температуре 185°С в течение 2 час со скоростью 1,5 мкм/час и выращивание верхнего пассивирующего слоя CdTe на слой HgCdTe. Недостатками такого фоторезистора и способа его изготовления является то, что выращивание гетероструктуры осуществлялось без изменения температурного режима во время всех операций для одного состава слоя HgCdTe. Это не позволяло управлять спектральным диапазоном фоточувствительности, ограничивало возможности создания других вариантов фотоприемных устройств, ограничивало возможности управления свойствами выращиваемых буферных слоев из CdTe и слоя из HgCdTe и не позволяло воздействовать на качество границ раздела. В такой структуре без согласующих варизонных слоев высока вероятность появления заметной плотности поверхностных состояний, больших фиксированных и подвижных зарядов, что приводит к ухудшению рабочих характеристик прибора, обусловленных рекомбинацией носителей заряда на гетерограницах.
Наиболее близкие фоточувствительная к ИК-излучению структура и способ ее изготовления по отношению к заявляемой структуре и способу ее изготовления описаны в [3]. Структура-прототип содержит последовательно соединенные подложку толщиной около 0,25 мм, изготовленную из CdTe, узкозонный рабочий детекторный слой толщиной около 10 мкм, изготовленный из HgCdTe, широкозонный подзатворный слой толщиной 0,1-1,0 мкм, изготовленный из HgCdTe, изолирующий слой толщиной 0,1-0,2 мкм, изготовленный из CdTe, и прозрачный для ИК-излучения затворный слой толщиной около 0,5 мкм, изготовленный из HgCdTe и выполняющий роль металлического электрода. Такая структура предназначена для ее фронтальной засветки через затворный слой и обычно используется как структура типа металл-диэлектрик-проводник (МДП), в которой широкозонный слой HgCdTe используется в качестве области для накопления и считывания фотогенерированных носителей заряда. Способ-прототип включает полировку подложки, изготовленную из CdTe, перенос ее в вакуумную камеру, которая содержит испарители Hg, Те и CdTe, предназначенные для изготовления методом МЛЭ слоев из HgCdTe и CdTe, выращивание слоя узкозонного HgCdTe толщиной около 10 мкм на подложке из CdTe, выращивание слоя широкозонного HgCdTe толщиной от 0,1 до 1,0 мкм на узкозонном слое, выращивание изолирующего слоя CdTe толщиной от 0,1 до 0,2 мкм на слое широкозонного HgCdTe и выращивание прозрачного для ИК-излучения затворного слоя HgCdTe толщиной около 0,5 мкм на слое CdTe. Эпитаксиальный рост слоев производится нанесением ртути, теллура и/или теллурида кадмия на подложку, нагретую до 200°С, при температурах источников эффузии около 200°С для Hg, около 400°С для Те и около 700°С для CdTe.
К недостаткам структуры-прототипа, изготавливаемой способом-прототипом, следует отнести нарушение пространственной периодичности кристаллических решеток на границах между материалами с разными постоянными решеток, в частности на границе подложки и узкозонного рабочего детекторного слоя (что препятствует нормальной работе такой структуре при освещении ее с тыльной стороны) и на границе широкозонного подзатворного слоя и изолирующего слоя, образование поверхностных состояний и появление фиксированных и подвижных зарядов, поверхностный изгиб зон, появление поверхностных проводящих каналов и поверхностных токов утечки, тунеллирование носителей зарядов через примесные уровни. Это приводит к нестабильности параметров (в том числе, сигнальных, пороговых, шумовых) изготовленных на основе такой структуры приборов в процессе их эксплуатации, снижает диапазон рабочих температур, приводит к гистерезисным явлениям, возрастанию рабочих электрических напряжений. При высокой плотности поверхностных состояний фоновые засветки, изменяя заряд на поверхностных состояниях, приводят к нестабильности напряжения плоских зон.
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - создание высокостабильной фоточувствительной к ИК-излучению структуры с расширенными функциональными возможностями, которую можно использовать в различных ПК фотоприемных устройствах, в частности в матрицах МДП-структур (в ПЗС-структурах), в фоторезисторных и фотодиодных матрицах.
1-x
x
д
1-x
x
д
д
1-x
x
д
д
Решение поставленной задачи достигается тем, что в фоточувствительную к инфракрасному излучению структуру, содержащую подложку, верхний слой которой образован из CdTe, рабочий детекторный слой толщиной около 10 мкм, изготовленный из HgCdTe, где х=х=0,2-0,3, изолирующий слой толщиной 0,1-0,2 мкм, изготовленный из CdTe, и верхний, прозрачный для ИК-излучения, проводящий слой толщиной порядка 0,5 мкм, дополнительно введены расположенный между подложкой и детекторным слоем нижний варизонный слой толщиной 0,5-6,0 мкм, изготовленный из HgCdTe, в котором значение х плавно уменьшается от значения х, находящегося в пределах 1-(х+0,1), до значения х, расположенный между рабочим детекторным слоем и изолирующим слоем верхний варизонный слой толщиной 0,03-1,00 мкм, изготовленный из HgCdTe, в котором значение х плавно увеличивается от значения х до значения, находящегося в пределах 1-(х+0,1), и диэлектрические слои, расположенные между изолирующим слоем из CdTe и верхним проводящим слоем.
В частном случае основа подложки выполнена из GaAs и на нее нанесены слой ZnTe толщиной 0,01-1,00 мкм и слой CdTe толщиной 4,0-7,0 мкм, входящие в состав подложки.
В частном случае основа подложки выполнена из Si и на нее нанесены слой ZnTe толщиной 0,01-1,00 мкм и слой CdTe толщиной 4,0-7,0 мкм, входящие в состав подложки.
В частном случае основа подложки выполнена из ZnCdTe и на нее нанесены слой ZnTe толщиной 0,03-0,30 мкм и слой CdTe толщиной 5,0-8,0 мкм, входящие в состав подложки.
2
3
В частном случае основа подложки выполнена из AlO и на нее нанесен слои CdTe толщиной 3-5 мкм, входящий в состав подложки.
В частном случае основа подложки выполнена из ZnCdTe и на нее нанесен слой CdTe толщиной 0,1-1,0 мкм, входящий в состав подложки.
В частном случае подложка выполнена из CdTe.
2
3
4
В частном случае между изолирующим слоем из CdTe и верхним проводящим слоем нанесены диэлектрический слой толщиной 0,07-0,20 мкм, изготовленный из SiO, и диэлектрический слой толщиной 0,03-0,50 мкм, изготовленный из SiN.
2
В частном случае между изолирующим слоем из CdTe и диэлектрическим слоем из SiO нанесен диэлектрический слой толщиной 0,1-0,2 мкм из ZnTe.
1-x
x
д
1-x
x
1-x
x
д
д
д
д
2
3
4
Решение поставленной задачи достигается также тем, что в способе изготовления фоточувствительной к инфракрасному излучению структуры, включающем подготовку подложки, верхний слой которой содержит CdTe, к нанесению на нее последующих слоев, и нанесение в ростовой камере методом молекулярно-лучевой эпитаксии детекторного слоя из HgCdTe толщиной около 10 мкм, где х=0,2-0,3, и изолирующего слоя из CdTe толщиной 0,1-0,2 мкм, в ростовой камере на подложку в едином технологическом процессе последовательно наносят нижний варизонный слой толщиной 0,5-6,0 мкм из HgCdTe, детекторный слой, верхний варизонный слой толщиной 0,03-1,00 мкм из HgCdTe и изолирующий слой, при этом значение х для нижнего варизонного слоя плавно уменьшают от значения х, находящегося в пределах 1-(х+0,1), до значения х, а значение х для верхнего варизонного слоя плавно увеличивают от значения х до значения, находящегося в пределах 1-(х+0,1), затем полупроводниковую структуру выносят из ростовой камеры и на ее верхнюю поверхность одним из низкотемпературных методов наносят диэлектрический слой толщиной 0,07-0,10 мкм из SiO, диэлектрический слой толщиной 0,03-0,50 мкм из SiN и верхний, проводящий слой толщиной порядка 0,5 мкм.
В частном случае перед выносом полупроводниковой структуры из ростовой камеры на ее изолирующий слой из CdTe наносят диэлектрический слой толщиной 0,1-0,2 мкм из ZnTe.
В частном случае нанесение нижнего и верхнего варизонных слоев и детекторного слоя проводят при температуре подложки, находящейся в диапазоне 170-190°С, и скорости роста слоев 1,0-3,5 мкм/ч, нанесение изолирующего слоя из CdTe - при температуре подложки, находящейся в диапазоне 180-220°С, и скорости роста слоя 0,05-1,00 мкм/ч, а нанесение диэлектрического слоя из ZnTe проводят при температуре подложки, находящейся в диапазоне 180-240°С, и скорости роста слоя 0,05-1,00 мкм/ч.
На чертеже изображена предлагаемая фоточувствительная к инфракрасному излучению структура (один из вариантов), в котором основа подложки выполнена из GaAs. Масштаб толщин различных слоев структуры взят произвольным.
1-x
x
1-x
x
1-x
x
2
3
4
На чертеже обозначено: 1 - подложка; 2 - слой подложки, содержащий CdTe; 3 - нижний варизонный слой, изготовленный из HgCdTe; 4 - рабочий детекторный слой, изготовленный из HgCdTe, где х=0,2-0,3; 5 - верхний варизонный слой, изготовленный из HgCdTe; 6 - изолирующий слой, изготовленный из CdTe; 7 - диэлектрический слой, изготовленный из ZnTe; 8 - диэлектрический слой, изготовленный из SiO; 9 - диэлектрический слой, изготовленный из SiN; 10 - верхний проводящий слой; 11 - основа подложки, выполненная из GaAs; 12 - слой, выполненный из ZnTe.
Оптический вход фоточувствительного прибора, изготовленного на основе предлагаемой структуры, может находиться как со стороны подложки 1, так и со стороны верхнего проводящего слоя 10. Основа подложки 11 также может быть изготовлена из ZnCdTe, и на нее может быть нанесен слой 12 из ZnTe, или вся подложка 1 может быть выполнена из CdTe.
Предложенная структура может использоваться в ПЗС, фоторезисторах и фотодиодах.
1-x
x
В качестве основы ПЗС предложенная структура используется следующим образом. Верхние проводящие слои ПЗС состоят из совокупности отдельных электродов 10, при этом межэлектродные промежутки между ними не превышают нескольких мкм. Тыловой электрический контакт создается к детекторному слою после локального удаления диэлектриков 7-9, изолирующего слоя 6 и верхнего варизонного слоя 5. Между верхними проводящими электродами и тыловым контактом прикладывают импульсы напряжения, приводящие к обеднению слоя 5 и приповерхностного детекторного слоя 4 основными носителями заряда. При облучении полупроводниковой структуры через подложку 1 или через верхние проводящие слои 10 ИК-излучением с длиной волны, достаточной для межзонной генерации носителей заряда, в детекторном слое 4 возникают электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем. При облучении полупроводниковой структуры через подложку 1 в ней уменьшаются потери носителей, связанные с их рекомбинацией на границе раздела между слоем из CdTe 2 и нижним варизонным слоем 3, из-за снижения плотности поверхностных состояний на этой границе. Неосновные носители заряда накапливаются в потенциальных ямах, расположенных в верхнем варизонном слое 5 (на поверхности варизонного слоя или на некотором расстоянии от его поверхности в зависимости от профиля значений х в HgCdTe варизонного слоя 5 и приложенных к верхним проводящим слоям 10 напряжений). Накопленные зарядовые пакеты неосновных носителей несут информацию об интенсивности излучения в областях отдельных электродов. Время накопления может быть достаточно велико из-за того, что потенциальные ямы находятся в верхнем варизонном слое 5, где темновые токи генерации неосновных носителей значительно меньше, чем в детекторном слое. После накопления зарядов возможно их считывание путем изменения управляющих напряжений на верхних электродах или на электродах, сформированных сверху изолирующего слоя CdTe 6. Под действием этих напряжений зарядовые пакеты смещаются вдоль поверхности структуры и считываются через выходное устройство, соединенное с ПЗС. Эффективность переноса зарядовых пакетов в предложенной структуре будет выше, чем в структуре-прототипе, из-за малой плотности поверхностных состояний на границе изолирующего слоя 6 и верхнего варизонного слоя 5, а рабочие напряжения будут меньше из-за снижения напряжений плоских зон путем контролируемого введения компенсирующего фиксированного заряда в диэлектрические слои 7-9.
Предложенная структура в качестве фоторезистора используется следующим образом. Фоторезистор действует как сопротивление, величина которого зависит от интенсивности излучения соответствующей длины волны. К верхнему проводящему слою 10 прикладывается напряжение (положительное или отрицательное смещение в зависимости от типа проводимости детекторного слоя) относительно квазинейтрального детекторного слоя, что приводит к обеднению неосновными носителями заряда приповерхностных областей верхнего варизонного слоя 5 и детекторного слоя 4. Тот же эффект может быть достигнут контролируемым введением в диэлектрические слои 7-9 фиксированного заряда. Наличие верхнего варизонного слоя 5 и/или наличие электрического поля, создаваемого разностью потенциалов между электродом 10 и квазинейтральным детекторным слоем, препятствует рекомбинации неосновных носителей на границе раздела изолирующего слоя 6 и верхнего варизонного слоя 5. Отметим, что скорость поверхностной рекомбинации в предложенной структуре будет низкой из-за малой плотности поверхностных состояний, обусловленной согласованием постоянных решеток в верхнем варизонном слое 5 и изолирующем слое 6. Снижение поверхностной рекомбинации приводит к увеличению времени жизни неравновесных (созданных излучением) носителей заряда в объеме полупроводника и повышению чувствительности фоторезистора. Согласование постоянных решеток в верхнем варизонном слое 5 и изолирующем слое 6 приводит к повышению стабильности характеристик. К этому же результату приводит использование защитных диэлектрических покрытий 7-9. Предложенная структура позволяет повысить чувствительность и стабильность характеристик фоторезистора.
В качестве фотодиода предложенная структура используется следующим образом. Вскрываются диэлектрические слои 6-9 с внешней стороны проводящего слоя 10, и создаются (например, методом ионной имплантации) со стороны верхней поверхности детекторного слоя области с противоположным детекторному слою типом проводимости полупроводника. ИК-излучение соответствующей длины волны создает электронно-дырочные пары, которые разделяются на потенциальном барьере между n- и р-областями рабочего детекторного слоя. Важной характеристикой фотодиода является темновое сопротивление n-р-перехода. В предложенной структуре такое сопротивление велико из-за малой величины тока поверхностной утечки (при качественной границе раздела между изолирующим слоем 6 и верхним варизонным слоем 5 ток поверхностной утечки мал). Малые напряжения плоских зон при введении компенсирующего фиксированного заряда в диэлектрические слои 7-9 также приводят к уменьшению проводимости вдоль поверхности раздела сред. Слои 7-9 обеспечивают стабильность характеристик фотодиода за счет защиты границы раздела между изолирующим слоем 6 и верхним варизонным слоем 5 от нежелательных внешних воздействий (например, атмосферных загрязнений).
Предложенная фоточувствительная к ИК-излучению структура и способ ее изготовления позволяют создавать на их основе ряд высокостабильных приборов: ПЗС-структуры с большим временем хранения и высокой эффективностью переноса, фоторезисторы и фотодиоды с высокой чувствительностью и высоким темновым сопротивлением. Достоинством предложенной структуры является возможность освещения ее как с лицевой, так и с тыльной стороны.
Источники информации
1. Пат. США №4885619, U.S. class: 357/24, МПК: H01L 29/78; заявл. 16.05.1989, опубл. 05.12.1989.
2. Yuan S., He L., Yu J., Yu M., Qiao Y., Zhu J. Infrared photoconductor fabricated with a molecular beam epitaxially grown CdTe/HgCdTe heterostructure, Appl. Phys. Lett., 1991, V.58(9), P.914-916.
3. Пат. США №Н894, U.S. class: 257/78, МПК: H01L 31/18; заявл. 13.07.1989, опубл. 05.03.1991 - прототип.