Кремниевый p-i-n фотодиод с низкими темновыми токами

Полезная модель относится к p-i-n фотодиодам (ФД), и предназначена для использования в быстродействующей электронно-оптической аппаратуре, работающей в спектральном диапазоне 0,6-1,1 мкм.
2
+
Известен кремниевый p-i-n фотодиод большой площади (см. RU №56069, H01L 31/00, H01L 27/00, 27.08.2006), чувствительный на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм, который принят в качестве ближайшего аналога. В подложке из монокристаллического кремния р-типа проводимости с помощью диффузии фосфора через пленку двуокиси кремния (SiO) сформированы области n-типа проводимости: фоточувствительная область и область охранного кольца. На другой стороне подложки диффузией бора сформирован слой р-типа проводимости. Создание двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою p-типа проводимости осуществляется путем нанесения пленки золота с подслоем титана.
Недостатком полезной модели является снижение процента выхода годных изделий по значениям темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца, из-за образования инверсионных слоев с высокой концентрацией неосновных носителей заряда в приповерхностных областях. Образование этих слоев приводит к большому вкладу поверхностных токов утечки в темновые токи фоточувствительных площадок и охранного кольца и снижению сопротивления между ними. Указанные слои возникают во время высокотемпературных процессов из-за образования положительного встроенного заряда на границе окисел-кремний и диффузии загрязняющих примесей, приводящих к изменению типа проводимости с p-типа на n-тип в приповерхностной области кремния. Кроме того, наличие на поверхности структуры неконтролируемых следов высокоподвижных ионов натрия приводит к нестабильности характеристик ФД, чему способствуют высокие рабочие напряжения p-i-n фотодиодов, увеличивающие скорость миграции ионов. Все это приводит к снижению процента выхода годных приборов.
Темновой ток ФД является важнейшим параметром, от которого зависит пороговая чувствительность и стабильность характеристик фотоприемника. Величина темнового тока определяется как объемными свойствами структуры прибора, так и наличием паразитных поверхностных каналов. При использовании для p-i-n структур высокоомных базовых материалов устранение поверхностных каналов становится важнейшей задачей, поскольку при рабочих напряжениях ФД поверхностные токи могут во много раз превышать объемные.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является снижение уровня темнового тока фоточувствительных площадок и охранного кольца и снижение нестабильности характеристик.
Технический результат - снижение уровня темнового тока фотодиода и повышение стабильности характеристик.
+
+
11
12
-2
Поставленная задача обеспечивается устранением инверсионных слоев в приповерхностных областях ФД и созданием в окисле ловушек для подвижных ионов. Это достигается тем, что p-i-n фотодиод, содержащий высокоомную подложку р-типа, защитный окисел и диффузионные n области фоточувствительного слоя и охранного кольца на освещаемой стороне, диффузионную область p-типа на тыльной стороне, содержит дополнительно под слоем окисла ионнолегированный слой бора с поверхностной концентрацией 10-10 см.
Сущность полезной модели поясняется изображениями.
+
+
+
На фиг. 1 изображена структура фотодиода. Здесь показаны диффузионные n и p-области, окисный слой и схематически обозначен ионнолегированный р-слой, созданный имплантацией бора.
На фиг. 2 представлена вольт-амперная характеристика р-n-перехода, не содержащая ионнолегированного слоя бора.
На фиг. 3 представлена вольт-амперная характеристика предлагаемой полезной модели p-i-n фотодиода с наличием ионнолегированного слоя бора.
Пример реализации полезной модели.
В качестве исходного материала использовался кремний p-типа проводимости с удельным сопротивлением 10000÷15000 Ом⋅см. Толщина пластин составила 250 мкм. Для формирования основного p-n-перехода и охранного кольца, в пластину кремния проводилась диффузия фосфора методом открытой трубы при температуре 1050°С на глубину порядка 2 мкм. В обратную сторону проводилась подконтактная диффузия бора на глубину 1-1,5 мкм и слоевым сопротивлением 10-12 .Для формирования омических контактов с лицевой и обратной стороны пластины в вакууме напылялась система металлов Ti-Ni-Au с последующим гальваническим осаждением золота. После вскрытия контактных окон проверялись вольт-амперные характеристики фотодиода. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода, измеренная на приборе Л2-56, представлена на фиг. 2. Видно, что обратный ток полученного p-n-перехода очень велик и характеристика имеет практически резистивный характер.
Для борьбы с каналами инверсии, полученные пластины были подвергнуты ионной имплантации бором. Легирование осуществлялось во всю пластину без использования дополнительных масок. Структура полезной модели представлена на фиг. 1.
12
13
-2
2
Легирование через слой окисла, имеет ряд положительных моментов. Во-первых, сокращается технологический процесс, поскольку отсутствуют операции удаления окисла, фотолитографии, повторного создания окисла. Во-вторых, сопутствующее ионное легирование самого окисла дозами 10-10 см приводит к образованию эффективных ловушек в окисле для ионов Na (Курносов В.В., Юдин «Технология производства полупроводниковых приборов и ИС» М, ВШ, 1986 г.). Это устраняет дрейф высокоподвижных ионов Na и повышает стабильность границы раздела Si-SiO.
12
-2
2
2
11
-2
Важным моментом является выбор дозы и энергии процесса ионной имплантации. Оценка минимальной дозы для случая 100% активации бора при поверхностной концентрации зарядов 10 см составляет 0.16 мкКл/см. При этом целесообразно увеличить минимальную дозу на один-два порядка с таким расчетом, чтобы основная часть ионов осталась в диэлектрическом слое. В связи с этим имплантация бора была произведена дозой 5 мкКл/см при энергии 100 кэВ. Это позволило при толщине окисла 0,5 мкм создать ионнолегированный слой бора с поверхностной концентрацией около 2⋅10 см.
T
11
12
-2
Вольт-амперная характеристика предлагаемого p-i-n фотодиода приведена на фиг. 3. Как видно, у полезной модели наблюдалась диодная вольт-амперная характеристика, что свидетельствовало об устранении каналов инверсии. Значение темнового тока фотодиодов составляло 0,5÷2,5 мкА, что можно считать хорошим результатом для фотодиода с диаметром приемной площадки 13 мм. Значения пробивных напряжений (при I=20 мкА) достигали 50-70 В. Вместе с тем излишне высокая концентрация бора в приповерхностной области может привести к нежелательному снижению пробивных напряжений диода. Действительно, при значительном увеличении дозы легирования наблюдалось снижение пробивных напряжений до единиц вольт. Оптимальным следует считать диапазон доз 10-10 см.
Предлагаемая полезная модель позволяет снизить уровень темнового тока фоточувствительных площадок и охранного кольца и повысить стабильность характеристик, тем самым увеличить процент выхода годных приборов.