ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SEMICONDUCTOR ULTRAVIOLET RADIATION SENSOR BASED ON ALUMINIUM NITRIDE AND METHOD OF MAKING SAID SENSOR

Изобретения относятся к микроэлектронике и могут быть использованы в технологии конструирования полупроводниковых датчиков (ППД) ультрафиолетового излучения (УФИ) с чувствительным слоем, выполненным из нитрида алюминия (A1N).
Известен датчик УФИ, содержащий полупроводниковую структуру с одним барьером, включающую слой некристаллического полупроводника с высоким удельным сопротивлением на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, источник напряжения и электродную систему (ЭС), сформированную с возможностью подачи напряжения смещения от источника напряжения к полупроводниковой структуре (JP 4-81352, H01L 31/09, 1992).
Известен также ППД УФИ, содержащий подложку из монокристаллического сапфира, эпитаксиально выращенный на подложке фоточувствительный слой AlN и ЭС, выполненную с образованием высокоомных параллельных участков в слое AlN, а ЭС сформирована в плоскости раздела подложки со слоем полупроводника (RU 2155418, H01L 31/09, 2000).
Однако данные датчики принципиально не могут работать в генераторном режиме, требуя установки источника электрического питания во внешней измерительной цепи, что затрудняет их использование в полевых условиях.
Основная тенденция развития данного вида техники заключается в повышении чувствительности целевого изделия за счет покрытия подложки монтажным слоем, выполняющим функцию дислокационного фильтра, обеспечивающего высокое структурное совершенство фоточувствительного слоя AlN.
Эта тенденция реализована в ППД УФИ на основе нитрида алюминия, содержащего подложку, на которой последовательно расположены монтажный слой, выполненный из низкотемпературного нитрида алюминия несовершенной структуры, нитрида галлия или из твердого раствора n-Al(Ga)N, и фоточувствительный слой нитрида алюминия. Датчик содержит также электродную систему, включающую омический электрод, соединенный с монтажным слоем и выпрямляющий электрод, соединенный с фоточувствительным слоем нитрида алюминия с образованием контакта Шотки (US 20080087914, H01L 1/00,21/00,2008).
Такой датчик обладает низкой фоточувствительностью из-за влияния помех, связанных с рекомбинацией носителей зарядов в межэлектродном пространстве. Кроме того, он нетехнологичен в изготовлении.
Наиболее близким к заявляемому является ППД УФИ на основе нитрида алюминия, содержащий подложку, на которой последовательно расположены монтажный слой, выполненный из нитрида титана, и фоточувствительный слой нитрида алюминия, и электродную систему, включающую платиновый выпрямляющий электрод, соединенный с фоточувствительным слоем нитрида алюминия с образованием контакта Шотки, первый и второй выводы для присоединения к внешней измерительной цепи, причем первый вывод связан с монтажным слоем, а второй вывод связан с выпрямляющим электродом (Спивак А.М. Формирование многослойных фотоприемных структур ультрафиолетового диапазона на основе тонких пленок нитрида алюминия. - “Вакуумная техника и технология”, 2008, т.18, №1, с.13-15). Здесь монтажный слой одновременно выполняет функцию омического электрода, что имеет следствием повышение чувствительности датчика за счет уменьшения межэлектродного сопротивления, а также упрощение его конструкции.
В конструкции прототипа площадь выпрямляющего электрода должна быть значительной для увеличения фототока. Однако выполнение этого требования препятствует проникновению УФИ к участку фоточувствительного слоя, закрытому данным электродом. Поэтому фоточувствительность прототипного датчика продолжает оставаться низкой.
Технической задачей предлагаемого ППД УФИ является повышение его фоточувствительности.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкцию ППД УФИ, содержащего подложку, на которой последовательно расположены монтажный слой, выполненный из нитрида титана, и фоточувствительный слой нитрида алюминия, и электродную систему, включающую платиновый выпрямляющий электрод, соединенный с фоточувствительным слоем нитрида алюминия с образованием контакта Шотки, и первый, и второй выводы для присоединения к внешней измерительной цепи, причем первый вывод связан с монтажным слоем, а второй вывод связан с выпрямляющим электродом, вносится следующее изменение: выпрямляющий электрод выполнен полупрозрачным в С-области ультрафиолетового диапазона излучения.
Степень прозрачности выпрямляющего электрода зависит от технологии его изготовления, что рассматривается далее.
Причинно-следственная связь между внесенным изменением и достигнутым техническим результатом заключается в том, что полупрозрачный электрод обеспечивает возможность приема УФИ закрываемого им участка поверхности фоточувствительного слоя датчика, что имеет следствием резкое повышение его фоточувствительности.
Известен способ изготовления ППД УФИ, предусматривающий формирование металлических электродов на рабочую поверхность подложки с последующим покрытием рабочей поверхности подложки и электродов тонкой пленкой A1N без использования монтажного слоя с помощью реактивного распыления или химического осаждения из газовой фазы (WO 2008133920, H01L 23/29; H01L 23/28, 2008).
Известен также способ изготовления ППД УФИ путем нанесения слоя проводникового материала на подложку из монокристаллического сапфира с последующим формированием в нем ЭС с помощью фотолитографии. Далее производят эпитаксиальное наращивание A1N и подключают ЭС к внешней измерительной схеме (RU 2155418, H01L 31/09,2000).
Однако целевые изделия, полученные данными способами, обладают низкой чувствительностью из-за структурного несовершенства фоточувствительного слоя AlN.
Для обеспечения структурного совершенства фоточувствительного слоя A1N ближайший аналог способа предусматривает последовательное нанесение на подложку осаждением из газовой фазы металлоорганических соединений монтажного слоя низкотемпературного нитрида алюминия несовершенной структуры, нитрида галлия или твердого раствора n-Al(Ga)N при температуре 800°С и более и фоточувствительного слоя нитрида алюминия при температуре свыше 1000°С с последующим формированием электродной системы, включающей омический электрод, соединенный с монтажным слоем и выпрямляющий электрод, соединенный с фоточувствительным слоем нитрида алюминия с образованием контакта Шотки, и выводов для подключения выпрямляющего и омического электродов к внешней измерительной цепи (US 20080087914, H01L 31/00, 21/00, 2008).
Недостатком этого способа является низкая фоточувствительность получаемых целевых изделий. Кроме того, данный способ обладает низкой технологичностью, вплоть до несовместимости с типовыми процессами кремниевой микротехнологии из-за необходимости проведения процессов нанесения монтажного и фоточувствительного слоев при высоких температурах, что не позволяет предварительно формировать другие интегральные элементы (например, элементы схемы обработки фотосигнала) на одном кристалле с датчиком.
Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления ППД УФИ на основе нитрида алюминия, предусматривающий последовательное нанесение на подложку монтажного слоя нитрида титана и фоточувствительного слоя нитрида алюминия реактивным магнетронным распылением на общей технологической установке в азотсодержащей газовой среде с последующим формированием алюминиевого или платинового выпрямляющего электрода, соединенного с фоточувствительным слоем нитрида алюминия с образованием контакта Шотки, и выводов для подключения выпрямляющего электрода и монтажного слоя к внешней измерительной цепи электродом (Спивак А.М. Формирование многослойных фотоприемных структур ультрафиолетового диапазона на основе тонких пленок нитрида алюминия. - “Вакуумная техника и технология”, 2008, т.18, №1, с.13-15).
При техническом осуществлении данного способа нанесение монтажного и фоточувствительного слоев реактивным магнетронным распылением возможно в общеизвестных режимах, в частности, при относительно низкой температуре подложки 350°С, что обеспечивает совместимость с типовыми процессами кремниевой микротехнологии.
Однако чувствительность целевых изделий, изготавливаемых прототипным способом, продолжает оставаться низкой из-за уменьшения активной области фоточувствительного слоя по причине непрозрачности закрывающего эту область слоя выпрямляющего электрода.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение фоточувствительности целевого изделия.
Решение указанной технической задачи заключается в том, что в способ изготовления ППД УФИ на основе нитрида алюминия, предусматривающий последовательное нанесение на подложку монтажного слоя нитрида титана и фоточувствительного слоя нитрида алюминия реактивным магнетронным распылением на общей технологической установке в азотсодержащей газовой среде с последующим формированием платинового выпрямляющего электрода, соединенного с фоточувствительным слоем нитрида алюминия с образованием контакта Шотки, и выводов для подключения выпрямляющего электрода и монтажного слоя к внешней измерительной цепи, вносятся следующие изменения:
1) операции нанесения монтажного и фоточувствительного слоев производят непрерывно, не допуская остывания подложки;
2) платиновый выпрямляющий электрод формируют полупрозрачным в С-области ультрафиолетового диапазона трехэлектродным ионно-плазменным распылением платиновой мишени при давлении 0,5÷0,6 Па в течение 4÷6 минут, потенциале мишени 0,45÷0,55 кВ и анодном токе 0,8÷1,2 А.
Непрерывное выполнение операций нанесения монтажного и фоточувствительного слоев реактивным магнетронным распылением на одной технологической установке в азотсодержащей газовой среде, не допуская остывания подложки, обеспечивает наиболее высокое структурное совершенство фоточувствительного слоя. В противном случае на поверхности TiN успевают появиться микрочастицы, ухудшающие структуру слоя AlN, что снижает чувствительность и надежность целевого изделия, вплоть до закорачивания электродов.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого ППД УФИ; на фиг.2 представлена спектральная характеристика датчика к приведенному примеру; в табл.1 приведены данные о чувствительности ППД УФИ в режиме короткого замыкания в зависимости от значения технологических параметров операции нанесения выпрямляющего электрода.
ППД УФИ (фиг.1) содержит кремниевую подложку 1, на которой последовательно расположены монтажный слой 2, выполненный из TiN, и фоточувствительный слой 3, выполненный из AlN, и ЭС, включающую полупрозрачный в С-области УФИ платиновый выпрямляющий электрод 4, соединенный с фоточувствительным слоем 3 с образованием контакта Шотки. Для подключения к внешней измерительной цепи выполнены токопроводящие выводы 5 и 6, при этом вывод 5 приварен к монтажному слою 2, выполняющему в данном изделии также функцию омического электрода, а вывод 6 приварен к выпрямляющему электроду 4.
При облучении со стороны полупрозрачного электрода 4 УФИ С-области в фоточувствительном слое 3 генерируются носители заряда за счет межзонного возбуждения УФИ. Указанные носители заряда разделяются электрическим полем барьера Шотки, вследствие чего во внешней измерительной цепи протекает фототок (в данном случае имеется в виду ток короткого замыкания), значение которого зависит от мощности источника УФИ.
При наличии во внешней измерительной цепи источника ЭДС датчик работает в режиме обратно включенного фотодиода, сопротивление которого зависит от мощности источника УФИ.
2
-2
Данный ППД УФИ изготовлен следующим образом. На кремниевую подложку 1 наносят монтажный слой 2 нитрида титана реактивным магнетронным распылением титановой мишени на постоянном токе 2 А в азотсодержащей газовой среде (Аr 70 объем. %; N 30 объем. %) при давлении 1 Па и температуре подложки 330°С в течение 12 мин. Выращенный слой TiN имеет толщину 0,6 мкм и удельное сопротивление 40 мкОм·см. Немедленно по окончании данной операции на той же технологической установке при том же значении температуры, давления и состава газовой смеси на монтажный слой 2 наносят фоточувствительный слой 3 нитрида алюминия магнетронным распылением алюминиевой мишени на переменном токе частотой 13,56 МГц при мощности разряда 500 Вт в течение 6 ч. Толщина выращенного слоя A1N составляет 0,5 мкм. Плотность сквозных дефектов в нем не более 10000 см. По месту присоединения вывода 5 к слою 2 слой 3 вытравливают слабым раствором КОН. Далее на открытой поверхности фоточувствительного слоя 3 формируют платиновый выпрямляющий электрод 4, образовав барьер Шотки между данным электродом и фоточувствительным слоем 3.
Полупрозрачность платинового выпрямляющего электрода 4 в С-области ультрафиолетового диапазона обеспечивается режимом его формирования. Выпрямляющий электрод 4 формируют трехэлектродным ионно-плазменным распылением платиновой мишени. В данном примере операцию формирования выпрямляющего электрода 4 проводят при различных значениях давления в диапазоне от 0,4 до 0,7 Па, экспозиции в диапазоне от 3 до 8 мин, потенциале мишени в диапазоне от 0,4 до 0,6 кВ и анодном токе в диапазоне от 0,6 до 1,4 А. После этого к монтажному слою 2 и выпрямляющему электроду 4 приваривают выводы 5 и 6 соответственно, выполненные из Аu.
Как видно из таблицы, целевое изделие работоспособно при следующих значениях технологических параметров ионно-плазменного распыления платиновой мишени: давление 0,5÷0,6 Па; экспозиция 4÷6 мин; потенциал мишени 0,45÷0,55 кВ; анодный ток 0,8÷1,2 А. При указанных значениях технологических параметров фоточувствительность целевого изделия в режиме короткого замыкания составляет 65÷72 мА/Вт, что, по данным испытаний, проведенных в Центре технологий микроэлектроники, более чем в 9 раз, превосходит фоточувствительность прототипных изделий. При этом в оптимальном режиме прозрачность выпрямляющего электрода достигает 34%. При нижних запредельных значениях технологических параметров невозможно обеспечить целостность выпрямляющего электрода, а при верхних запредельных значениях технологических параметров фоточувствительность резко снижается из-за слабой прозрачности выпрямляющего электрода. Спектральная область поглощения ППД в данном примере лежит в пределах от 210 до 290 нм (фиг.2).
Таким образом, использование предлагаемых технических решений по сравнению с прототипом позволяет повысить чувствительность ППД УФИ. Технический результат, производный от достигнутого, заключается в естественной селективности в отношении спектра принимаемых сигналов УФИ.
Технические характеристики ППД УФИ в зависимости от режима нанесения выпрямляющего электрода
Значение режимных параметров
Фоточувствительность, мА/Вт
Примечание (прозрачность электрода, %)
давление, Па
экспозиция, мин
потенциал мишени, кВ
анодный ток, А
0,4
3
0,40
0,6
32
Pt покрывает <50% фоточувствительного слоя
0,5
4
0,45
0,8
65
0,55
5
0,50
1,0
72
34
0,6
6
0,55
1,2
71
0,7
8
0,60
1,4
18
<10