ГЕРМАНИЕВЫЙ ПЛАНАРНЫЙ ФОТОДИОД

Заявляемый германиевый планарный фотодиод относится к области фоточувствительных полупроводниковых приборов, регистрирующих излучение видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Эти приборы используются в лазерных оптико-электронных системах обнаружения источника излучения и определения направления в пространстве падающего лазерного луча, в автоматических системах ориентации при взлете-посадке летательных аппаратов, в лазерных локаторах и дальномерах, в радиометрах в составе двухдиапазонных фотоприемников, например, на основе фотоприемников из германия (Ge) и кремния (Si).
Известен аналог - германиевый фотодиод, содержащий подложку n-типа проводимости с диффузионной фоточувствительной областью p-типа проводимости и диффузионное охранное кольцо p-типа проводимости [Техника оптической связи. Фотоприемники. Под ред. У.Тсанга. - М.: Мир, 1988 г., 526 с].
Недостатком аналога является наличие дефектов и рекомбинационных центров в фоточувствительной области и области охранного кольца, что приводит к снижению уровня фотоэлектрических параметров. Наличие дефектов и рекомбинационных центров обусловлено высокой температурой и большим временем проведения процесса диффузии при создании диффузионных фоточувствительной области и области охранного кольца. Такой напряженный режим необходим, так как известные акцепторы-диффузанты, в том числе цинк (Zn) и бериллий (Be), которые использовали авторы аналога, имеют малый коэффициент диффузии в германии. Аналог имеет малый диаметр фоточувствительной площадки 80-100 мкм, что резко ограничивает область применения.
+
+
+
+
Наиболее близким к заявляемому устройству и принятым за прототип является планарный германиевый p-n-фотодиод большой площади. [Ю.М.Деготь и др. Планарный германиевый p-n фотодиод большой площади. Прикладная физика, 2004 г.№3, стр.79-82]. Фотодиод содержит германиевую полупроводниковую пластину n-типа проводимости с ионно-легированной областью p-типа проводимости и ионно-легированной областью охранного кольца p-типа проводимости, поверхностную пленку двуокиси кремния (S102) на рабочей стороне германиевой полупроводниковой пластины, защитную пленку двуокиси кремния, расположенную на поверхностной пленке двуокиси кремния, ионно-легированный приконтактный слой n-типа проводимости с обратной стороны германиевой полупроводниковой пластины, металлические контактные системы к областям n- и p-p-типа проводимости.
+
+
+
+
+
-3
+
Благодаря замене диффузионных областей n и p-p-типа проводимости, которые формируются при высокой температуре (Т=830°С), на ионно-легированные области n- и p-p-типа проводимости снижается концентрация дефектов и рекомбинационных центров в этих образцах, так как устраняются напряженные температурные и временные режимы. Это качественно улучшает фотоэлектрические параметры, позволяет изготавливать фотодиод с большой фоточувствительной площадкой - порядка 1 мм и более. Благодаря большой фоточувствительной площади расширяются области применения приборов. Германиевые фотодиоды с большой площадью используются в таких широкопольных оптико-электронных системах, как лазерные обнаружители, измерители направления излучения, радиометры, системы ориентации. Вместе с тем применение дополнительной защитной пленки двуокиси кремния не позволяет полностью решить вопросы стабилизации, надежности и долговечности прибора. Это обусловлено тем, что для финишных операций создания защитных пленок на сформированной германиевой полупроводниковой подложке допустимы только низкотемпературные процессы (<450°С), так как нагрев выше 450°С деформирует профиль примеси в областях p- и p-типа проводимости, вносит рекомбинационныс центры. По этой причине прототип содержит низкотемпературные пиролизные пленки двуокиси кремния. Такие пленки не свободны от пор - типичное значение концентрации пор составляет 4-8 см (в отличие от высокотемпературных пиролитических пленок, полученных при 700-900°С, которые пригодны для кремниевых приборов и практически свободны от пор). При столь высокой концентрации поры могут попадать на фоточувствительную площадку p-p-области, через поры на поверхность германия воздействует среда, что может вызвать избыточные шумы, привести к нестабильности, ограничить долговечность.
2
2
3
2
3
Заявляемая полезная модель решает задачи улучшения фотоэлектрических параметров, обеспечения стабильности, надежности и долговечности, устранения избыточных шумов германиевого фотодиода большой площади за счет замены защитной пленки двуокиси кремния на защитную пленку твердого раствора на основе двуокиси циркония (ZrO) -нового материала для фоточувствительных приборов. Таким новым материалом является кроме двуокиси циркония также фианит-монокристалл кубических твердых растворов на основе двуокиси циркония со стабилизирующими окислами иттрия (YO), или скандия (ScO), или лантаноидов. Двуокись циркония и особенно фианит являются материалами особо высокой механической прочности и химической стойкости. В отличие от двуокиси кремния в пленках двуокиси циркония и фианита отсутствуют поры на всей площади пластины германия стандартного диаметра 30 мм.
+
+
+
+
Для решения поставленных задач в известном германиевом планарном фотодиоде, содержащем германиевую полупроводниковую пластину n-типа проводимости с ионно-легированной фоточувствительной областью p-типа проводимости и ионно-легированной областью охранного кольца p-типа проводимости, поверхностную пленку двуокиси кремния с рабочей стороны германиевой полупроводниковой пластины, ионно-легированный приконтактный слой n-типа проводимости с обратной стороны германиевой полупроводниковой пластины, металлические контактные системы к областям n- и p-p-типа проводимости, на поверхностной пленке двуокиси кремния сформирована защитная пленка твердого раствора на основе двуокиси циркония.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлено сечение германиевого планарного фотодиода;
- на фиг.2 приводится осциллограмма шумов образца, конструкция которого соответствует прототипу;
- на фиг.3 представлена осциллограмма шумов образца, конструкция которого соответствует полезной модели
Германиевый планарный фотодиод содержит:
1 - германиевая полупроводниковая пластина n-типа проводимости;
2 - ионно-легированная фоточувствительная область p-типа проводимости;
+
3 - ионно-легированная область охранного кольца p-типа проводимости;
4 - поверхностная пленка двуокиси кремния;
+
5 - ионно-легированный приконтактный слой n-типа проводимости;
+
6 - металлическая контактная система к области n-типа проводимости;
+
7 - металлическая контактная система к области p-, p-типа проводимости;
8 - защитная пленка твердого раствора на основе двуокиси циркония.
Германиевый планарный фотодиод (фиг.1) работает следующим образом. На рабочую сторону германиевой пластины 1 падает оптическое излучение, в результате внутреннего фотоэффекта генерируется фототек, которой течет во внешнюю цепь через металлические контактные системы 6, 7. Одновременно в германиевом планарном фотодиоде генерируется шум, но только принципиально неустранимый дробовой шум. Избыточный шум не генерируется, так как его причиной могут стать поверхностные дефекты в области под защитной пленкой 8 и поверхностной пленкой 4, а применяемая защитная пленка 8 твердых растворов диоксида циркония свободна от пор. В результате германиевый планарный фотодиод работает с минимумом ошибок пропуска цепи и ложной тревоги, которые увеличиваются при возникновении избыточных шумов, что не допустимо.
д
15
-3
14
-2
15
-2
13
-2
+
+
Пример реализации заявляемого устройства. В соответствии с признаками заявляемой полезной модели авторы изготовили германиевые планарные фотодиоды с большой фоточувствительной площадкой диаметром 0 1 мм. Исходным материалом является промышленный слиток германия марки ГЭС 035/Г/6 (ТУ 48-4-293). Этот германий имеет n-тип проводимости, его удельное сопротивление ρ=0,35 Омсм, концентрация донорных примесей N≈5·10см. Диаметр слитка порядка 30 мм. Из слитка вырезались пластины 1, проводилась их стандартная механическая и химическая полировка. Конечная толщина пластины 1 составляла ~0,33 мм. Ионной имплантацией бериллия формировалось охранное кольцо 3. Энергия ионов составляла Е≈100 кэВ, их доза D≈10 см. Ионной имплантацией бора (В) формировалась фоточувствительная область 2. Энергия ионов составляла Е≈40 кэВ, их доза D≈10 см. Ионной имплантацией мышьяка (As) формировался приконтактный слой 5. Энергия ионов составляла Е≈130 кэВ, их доза D≈10 см. Окончательный профиль и структура этих областей достигались за счет отжига. Поверхностная пленка двуокиси кремния 4 наносилась пиролизом, се толщина составляла W≈800Å. Защитная пленка 8 фианита наносилась пиролизом, ее толщина составляла W≈1800Å. Металлические контактные системы 6, 7 к областям n- и p-p-типа проводимости формировались напылением системы титан-золото (Ti+Au), которая создает омический контакт.
Для сравнения заявляемого устройства с устройством-прототипом была изготовлена также партия образцов с отличительными признаками прототипа. В этих образцах защитной пленкой являлась пленка двуокиси кремния.
Кроме того, поскольку заявляемое устройство отличается прежде всего использованием фианита вместо двуокиси кремния в качестве защитной пленки, то для исследования свойств собственно пленок фианита, сопоставления их со свойствами пленок двуокиси кремния были изготовлены также образцы с пленками из указанных материалов на германиевой пластине диаметром 30 мм.
Исследование и сопоставление двух типов образцов - образцов с признаками заявляемого устройства и образцов с признаками прототипа.
Коэффициент оптического поглощения пленок измерялся с помощью эллипсометра, количество пор в пленках измерялось на трехканальном рентгеновском спектрометре. Измеренное значение коэффициента оптического поглощения пленки двуокиси кремния составляло n=1,47, а для пленки фианита - n=2,1. Известно [Техника оптической связи: Фотоприемники. Под ред. У.Тсанга. - М.: Мир, 1998 г., 526 с.], что отражение можно свести к нулю, если п пленки равно:
n
n
-2
где n - коэффициент отражения полупроводника; для германия n=4. Поэтому фианит (в отличие от двуокиси кремния) является идеальным материалом для просветления. Плотность пор (диаметром от 1 мкм) в двуокиси кремния составила 4-8 см. В пленке фианита такие поры отсутствовали (на пластинах с указанным диаметром 30 мм). Этим можно объяснить наблюдаемое ниже преимущество германиевых фотодиодов, изготавливаемых в соответствии с заявляемой полезной моделью (с фианитовой защитной пленкой) перед фотодиодами, изготовленных в соответствии с признаками-прототипа (с защитной пленкой двуокиси кремния).
Естественно, фианит как искусственный алмаз является химически стойким и механически прочным материалом. Наши эксперименты подтвердили химическую стойкость фианита: они не травились в сильных жидкостных травителях, а пленки двуокиси кремния - травились.
Различие в механической прочности подтвердилось с помощью опытов с острой стальной иглой: на пленках фианита игла не оставляла царапин, а на пленках двуокиси кремния игла оставляла глубокие царапины. Механическая прочность фианита повышает процент выхода годных на операциях сборки. При сборке фотодиодов с защитными пленками двуокиси кремния (конструкция прототипа) наблюдалось в ряде случаев повреждение этих пленок и пробой прибора. В то же время на фотодиодах с фианитовыми защитными пленками (конструкция заявляемого устройства) такие дефекты отсутствовали, обеспечивался 100% выход годных приборов при сборке.
На фотодиодах с защитными пленками фианита и с защитными пленками двуокиси кремния измерялись основные фотоэлектрические характеристики: монохроматическая чувствительность, темновой ток, шумовые характеристики.
Монохроматическая чувствительность на обоих типах образцов лежала в пределах 0,5-0,6 А/Вт при длине волны 1,06 и 1,55 мкм (длины волн широко распространенных лазеров). Это типичные значения фоточувствитсльности фотодиодов.
p
Темновой ток при рабочем напряжении U=1B у образцов с фианитовой защитной пленкой (полезная модель) был примерно на 10% ниже, чем у образцов с защитной пленкой из двуокиси кремния (прототип).
Качественное отличие образцов проявилось в шумовых характеристиках при повышении рабочего напряжения (до значения 3-5 В). В образцах с защитной пленкой двуокиси кремния (прототип) возникают сильные шумовые выбросы, характерные для телеграфного импульсного шума, смотрите осциллограмму шумов на фиг.2. Телеграфный шум описан в литературе, его возможной причиной являются процессы подключения-отключения проводящих каналов [М. Букингем. Шумы в электронных приборах и системах. - М.: Мир, 1986 г., 399 с.]. В исследованных образцах каналы могут возникать из-за наличия пор в пленке двуокиси кремния.
В фотодиодах с фианитовой защитной пленкой (полезная модель) импульсные шумы отсутствовали, шумовая дорожка на осциллограмме типична для нормального принципиально неустранимого дробового шума, фиг.3.
Появление импульсных шумов в оптико-электронной аппаратуре недопустимо, так как приводит к срабатыванию порогового устройства, к принятию ложного решения (шумовой импульс принимается за сигнал). Работа при повышенных напряжениях уменьшает емкость прибора, следовательно, улучшает его инерционность. Кроме того, повышение напряжения является принятой методикой ускоренных испытаний изделий на долговечность, наработку и стабильность. Сохранение нормального закона шумов и отсутствие избыточных шумов при повышенном напряжении в заявляемом устройстве подтверждают, что они выдержали указанные испытания (в отличие от устройств с признаками прототипа).
Проведенные эксперименты показали возможность изготовления германиевых планарных фотодиодов с большой фоточувствительной площадкой, устойчивых к механическим и химическим воздействиям на их поверхность, с увеличенным процентом выхода на операциях сборки, с улучшенными надежностными характеристиками (повышенными долговечностью, наработкой на отказ и стабильностью), с повышенным рабочим напряжением, что в свою очередь приводит к улучшению фотоэлектрических характеристик, устранению вероятности появления недопустимых импульсных шумов телеграфного типа, устранению по этой причине ложных срабатываний в оптико-электронной аппаратуре.