ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
AVALANCHE PHOTODIODE AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Область техники
Группа изобретений относится к полупроводниковым приборам, а именно к лавинным фотодиодам (ЛФД), предназначенным для преобразования оптического сигнала в электрический. Изобретение может быть использовано в оптических системах связи, в системах измерения в качестве оптоэлектронного датчика, в том числе при регистрации одиночных фотонов в системах квантовой криптографии, в интегральной оптоэлектронике и системах тестирования интегральных схем, а также в других областях, предполагающих регистрацию оптического сигнала.
Уровень техники
Известен детектор одиночных фотонов на основе лавинного фотодиода (ОЛФД) и способ его изготовления [Sara Pellegrini, Ryan Е. Warburton, Lionel J. J. Tan, Jo Shien Ng, Andrey B. Krysa, Kristian Groom, John P. R. David, Sergio Cova, Michael J. Robertson, and Gerald S. Buller. Design and Performance of an InGaAs-InP Single-Photon Avalanche Diode Detector. IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 42, NO. 4, APRIL 2006 397].
16
-3
x
Детектор содержит диодную полупроводниковую гетероструктуру, состоящую из последовательности эпитаксиальных слоев, выращенных на положке InP - буферный слой InP, поглощающий слой нелегированного InGaAs толщиной 2.5 мкм, слой градиентного состава из четверного твердого раствора InGaAsP, зарядный слой InP толщиной 300 нм n-типа  с концентрацией носителей заряда 6×10 см, верхний слой InP в составе двух слоев-частей, с первой частью, наименее удаленной от подложки, являющейся областью лавинного умножения, расположенной на зарядном слое, и с расположенной на первой части и наиболее удаленной от подложки второй частью с локальной областью легирования цинком проводимости р-типа, дополнительно снабженной охранными кольцами. Указанная гетероструктура снабжена с планарной стороны защитным слоем с окном для доступа к локальной области легирования цинком, выполненным из SiN, и электрическими контактами, один из которых сформирован с планарной стороны, в отношении локальной области легирования цинком, второй - с тыльной стороны подложки.
+
x
Способ изготовления ОЛФД включает выращивание перечисленных эпитаксиальных слоев гетероструктуры методом MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), проведение двухстадийного процесса диффузии цинка для получения заданного профиля легирования активной локальной р-области в InP и охранных колец, для осуществления которого наносят диэлектрическое, маскирующее покрытие и изготавливают в нем сквозные окна, с помощью которых проводят диффузию цинка, формируя локальную область легирования цинком, после чего диэлектрическое покрытие удаляют. Далее на полученную гетероструктуру наносят защитный слой SiN, в котором изготавливают окна с последующим проведением металлизации Au/Zn/Au с планарной стороны и с тыльной стороны подложки для получения электрических контактов.
Однако известное решение характеризуется сложностью изготовления градиентного слоя требуемого состава на основе четверного твердого раствора InGaAsP. При изготовлении необходимо прецизионное поддержание температуры роста и плотности потоков реагентов. Отсутствие контроля относительно параметров роста, в частности, температуры может приводить к несбалансированности перехода от ширины запрещенной зоны светопоглощающего слоя к ширине запрещенной зоны зарядного слоя (или области лавинного умножения) при сохранении постоянной решетки, обуславливающей накопление дырок на гетерогранице. Состав твердого раствора должен обеспечивать согласование постоянных решеток составов светопоглощающего слоя, указанного градиентного слоя и зарядового слоя. При невыполнении этого условия в слоях формируются дислокации несоответствия. Эти протяженные дефекты кристаллической структуры являются центрами безизлучательной рекомбинации и существенно ухудшают выходные параметры ОЛФД - снижают квантовую эффективность счета и повышают частоту темнового счета.
Кроме того, известное решение характеризуется неудовлетворительной воспроизводимостью глубины легирования цинком при формировании области лавинного умножения в слое InP. Для воспроизводимости параметров получаемых чипов ОЛФД толщина области лавинного умножения должна иметь минимальный разброс (менее 10%). Большой разброс по толщине области лавинного умножения приводит к разбросу в величине основных параметров (напряжение пробоя, квантовая эффективность счета, частота темнового счета), превышающему допустимые значения.
x
x
Кроме того, использование SiN в качестве материала защитного слоя может приводить к образованию трещин в слое при незначительном изменении условий его осаждения [Sara Pellegrini, InGaAs/InP SINGLE-PHOTON AVALANCHE DIODES. Thesis submitted for the Degree of Doctor of Philosophy, Heriot-Watt University, School of Engineering and Physical Science, 2005]. Для слоя из SiN характерно наличие встроенных механических напряжений, являющихся причиной его растрескивания. Трещины в активной области ОЛФД могут приводить к выходу его из строя.
Следует отметить недостаток, связанный с плохой адгезией слоя металлизации Au/Zn/Au. Плохая адгезия приводит к отслаиванию металлического контакта и отказу в работе ОЛФД.
Известные решения в силу указанных недостатков не обеспечивают преодоление технической проблемы, связанной с повышением процента выхода годных изделий при производстве лавинных фотодетекторов с оптимизацией рабочих характеристик и стабилизацией рабочих параметров.
Из уровня техники известны способ формирования p-n-перехода при изготовлении полупроводникового устройства и полупроводниковое устройство - лавинный фотодиод (ЛФД) (заявка US 2013/0207217 А1, опубликован 15.08.2013).
Лавинный фотодиод выполнен на основе диодной гетероструктуры в составе подложки и расположенных последовательно на подложке светопоглощающего слоя, зарядового слоя, слоя в составе, по крайней мере, двух слоев-частей - первая часть, являющаяся областью лавинного умножения, вторая часть с локальной областью легирования цинком и p-n-переходом, образованным в результате диффузионного легирования цинком в одну стадию. Дополнительно устройство снабжено защитным слоем и электрическими контактами, один из которых выполнен в отношении части слоя с локальной областью легирования цинком, второй - кольцевой электрический контакт, расположен на тыльной стороне подложки.
Способ изготовления лавинного фотодиода включает этап формирования р-n-перехода и локальной области легирования цинком с проведением диффузии цинка в одну стадию, а именно, сначала посредством реактивного ионного травления или жидкостного химического травления формируют углубление на поверхности слоя InP, а именно, на поверхности второй слоя-части, предназначенной для формирования p-n-перехода и локальной области легирования цинком. Углубление формируют заданного размера в диаметре, заданной глубины, с боковыми стенками, расположенными относительно плоскости дна углубления под наклоном. Затем наносят диффузионную маску - защитное покрытие, выполняя в ней сквозное окно, обеспечивающее свободный, без перекрывания, доступ к углублению и в отношении заданного участка поверхности слоя полупроводника по периметру углубления, после чего проводят диффузию цинка через сквозное окно в маске на требуемую глубину в отношении дна углубления и заданного участка поверхности слоя полупроводника по периметру углубления. Дополнительно, в целях получения готового полупроводникового устройства - лавинного фотодиода (ЛФД), изготавливают электрические контакты.
+
Однако в документе US 2013/0207217 не приведены требования к плоскостности дна вытравливаемого углубления. Это требование является существенным для формирования заданного профиля одностадийного диффузионного легирования цинком р-области. Перепад высот рельефа дна углубления травления должен быть в пределах 0,5-20 нм. Невыполнение этого условия может привести к неконтролируемому пробою ЛФД и низкому выходу годных чипов. Выполнение этого требования сопряжено со сложным процессом формирования углубления заданной геометрии в слое InP - круглой формы с плоским, зеркально гладким дном и ровными стенками.
Следует отметить отсутствие каких-либо других мер, обеспечивающих точную толщину области лавинного умножения, лежащих вне фокуса внимания на операции формирования p-n-перехода, препятствующих диффузии цинка в область лавинного умножения. Кроме того, в защитном слое и электрических контактах возможно образование трещин, наличие которых может привести к выходу из строя устройства; а недостаточная адгезия материала контактов может обуславливать их отслаивание.
Таким образом, приведенные устройство и способ его изготовления не обеспечивают преодоление технической проблемы, связанной с повышением процента выхода годных изделий при производстве устройств для регистрации фотонов с достижением оптимизации рабочих характеристик и стабилизацией рабочих параметров.
Наиболее близкими к заявляемым решениям являются эпитаксиальная структура лавинного диода и способ изготовления лавинного диода (документ CN 106887469 В, опубликован 07.05.2019).
17
-3
0,52
0,48
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x-y)
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x-y)
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x-y)
0,53
0,47
x
y
(1-x-y)
x
(1-x)
y
(1-y)
x
(1-х)
y
(1-у)
x
y
(1-x-y)
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x
y)
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x-y)
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x-y)
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x-y)
Эпитаксиальная структура лавинного диода выполнена в составе эпитаксиальных слоев, выращенных на положке InP, в последовательности: светопоглощающий слой, слой в составе двух слоев-частей - с первой частью, являющейся областью лавинного умножения, и второй частью, содержащей локальную область легирования цинком, при этом в направлении от подложки сначала расположена первая часть, являющаяся областью лавинного умножения, затем вторая часть с локальной областью легирования цинком, выполненная на основе слоя InP, который исходно не легирован или легирован до получения концентрации носителей заряда менее 10 см, а локальная область легирования цинком сформирована посредством диффузии. Первая часть слоя, являющаяся областью лавинного умножения, выполнена с использованием материала из группы - InAlAs, InGaAsP, InGaAlAs, для указанных четверных твердых растворов InGaAsP, InGaAlAs характерен градиент состава, при этом для материала InGaAsP 0<х<1, 0<у<1, для материала InGaAlAs 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1. В указанных четверных твердых растворах изменение состава за счет изменения молярной доли компоненты твердого раствора реализовано непрерывно или дискретно при фиксированном значении молярной доли компоненты твердого раствора х=0,52, соответственно, с изменением в направлении светопоглощающего слоя значения молярной доли компоненты у от у=0,15 до ее значения у=0 или от значения молярной доли компоненты у=0,15 с шагом 0,05 до ее значения у=0 в пределах толщины области лавинного умножения. Светопоглощающий слой реализован с использованием материала из группы - InAlAs, InP, InGaAlAs или InGaAsP, при этом для материала InGaAsP 0<х<1, 0<у<1, для материала InGaAlAs 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1. Кроме того, в составе рассматриваемой эпитаксиальной структуры выполнен зарядовый слой, расположенный между светопоглощающим слоем и слоем с областью лавинного умножения. Зарядовый слой выполнен с использованием материала InGaAsP или InGaAl.As, при этом для материала InGaAsP 0<х<1, 0<у<1, для материала InGaAlAs 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1. Также в составе эпитаксиальной структуры сформирован градиентный слой, который также расположен между светопоглощающим слоем и первой частью, являющейся областью лавинного умножения, слоя в составе двух слоев-частей, а именно, между светопоглощающим слоем и зарядовым слоем. Градиентный слой выполнен в виде слоя из InGaAsP, InGaAlAs с градиентом состава, при этом для материала InGaAsP 0<х<1, 0<у<1, для материала InGaAl As 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1.
0,53
0,47
x
(1-x)
y
(1-y)
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x-y)
17
-3
Способ изготовления лавинного диода осуществляют посредством эпитаксиального выращивания упомянутых слоев гетероструктуры на подложке. Конкретный выбор материала для формирования светопоглощающего слоя осуществляют с учетом энергии фотонов, которые подлежат регистрации изготавливаемым устройством. Так, для регистрации фотонов с соответствующей длиной волны, равной 1,55 мкм, в оптоволоконных линиях связи, как правило, выбирают материал InGaAs. Если устройство предназначено для регистрации фотонов с длиной волны 1,06 мкм, выбор предпочтителен в пользу InGaAsP соответствующего состава. Градиентные слои формируют с градиентом состава. Как правило, используемый материал для формирования зарядового слоя является тем же самым материалом, который используют для получения области лавинного умножения. Тем не менее, может быть использован и другой материал. В частности, может быть использован материал, характеризующийся значением постоянной решетки, близким по значению к постоянной решетки материала подложки, или более широкозонный материал, например, InGaAsP или InGaAlAs. Выбор приведенных материалов для эпитаксиального выращивания слоя в составе двух слоев-частей - первой части слоя, являющейся областью лавинного умножения, и второй части слоя для формирования локальной области легирования цинком обусловлен тем, что скорость диффузии цинка в данных материалах намного ниже, чем в InP. Поэтому при реализации диффузией цинка формирования локальной области легирования цинком в InP лишь небольшое количество цинка диффундирует в область лавинного умножения и, таким образом, достигается контроль за границей раздела между первой частью слоя с областью лавинного умножения и второй частью слоя, в которой формируют в процессе изготовления лавинного диода локальную область легирования цинком, обеспечивая более точно глубину диффузии цинка и размеры области лавинного умножения. Эпитаксиальное выращивание второй части слоя для формирования локальной области легирования цинком осуществляют с использованием материала InP, который исходно не легирован или легирован до получения концентрации носителей заряда менее 10 см. В завершение формируют локальную область легирования цинком посредством диффузии цинка. Диффузию цинка осуществляют с использованием высокотемпературной паровой фазы цинка, или тонкопленочного покрытия из содержащего цинк материала при высокотемпературном нагреве, или технологического этапа в процессе MOCVD.
Использование приведенных составов в документе CN 106887469 для формирования области лавинного умножения является средством для эффективного решения проблемы неравномерности диффузии цинка, а значит, достижения точности толщины области лавинного умножения и, как следствие, повышения процента выхода годных изделий, достижения оптимизации рабочих характеристик, стабилизации рабочих параметров. Однако для указанных многокомпонентных твердых растворов характерна более дефектная, неупорядоченная структура по сравнению с бинарными соединениями. Это приводит к большей концентрации электрически активных дефектов и примесей в области лавинного умножения фотодиода. Следствием этого является повышенный темновой ток, уменьшение времени жизни и подвижности носителей заряда, что приводит к уменьшению динамического диапазона чувствительности лавинного фотодиода в линейном режиме и снижению квантовой эффективности, увеличению темновой скорости счета в гейгеровском режиме. Кроме того, следует отметить отсутствие реализации мер по оптимизации градиентного слоя. Как следствие, это может привести к ограничению предельной рабочей частоты фотодиода.
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в преодолении недостатков, присущих аналогам, раскрытым при описании уровня техники, за счет разработки лавинного фотодиода и способа его изготовления методом планарной технологии, обеспечивающих повышение процента выхода годных изделий, достижение оптимизации и стабилизации рабочих параметров.
Раскрытие изобретения
+
15
-3
Техническим результатом является обеспечение контролируемой глубины фронта залегания диффузионной границы легирующей примеси при формировании р-области в полупроводниковой гетероструктуре в процессе изготовления лавинного фотодиода, характеризующейся уменьшением величины разброса толщины области лавинного умножения (менее 10%), при уменьшении концентрации электрически активных дефектов и примесей в области лавинного умножения за счет снижения концентрации легирующей примеси (менее 2×10 см) в данной области, что положительно влияет на рабочие параметры лавинного фотодиода для регистрации одиночных фотонов.
+
Контролируемая глубина фронта залегания диффузионной границы легирующей примеси реализуется более простым способом, по сравнению с известными аналогами, за счет снижения требований к технологическим параметрам диффузии при формировании р-области.
При реализации изобретения достигается замедление процесса диффузии цинка в область лавинного умножения более, чем в 1000 раз по сравнению с прототипом, и улучшение воспроизводимости глубины легирования цинком по площади гетероструктуры при формировании области лавинного умножения в слое InP, достижение более точной толщины области лавинного умножения по площади гетероструктуры; снижение накопления носителей заряда на гетерогранице; предотвращение выхода из строя устройства для регистрации одиночных фотонов на основе лавинного фотодиода.
Технический результат достигается полупроводниковой гетероструктурой для лавинного фотодиода, содержащей расположенные на подложке эпитаксиальные слои, включая верхний слой в составе, по меньшей мере, двух слоев-частей - с первой частью, предназначенной для формирования области лавинного умножения, и второй частью, предназначенной для формирования локальной области легирования цинком, выполненной из InP, в которой первая часть выполнена из InP и отделена от второй части промежуточной частью в виде эпитаксиального стоп⋅слоя, выполненного из кристаллического кремния (Si) с возможностью обеспечения электрической неактивности данного стоп⋅слоя в материале InP.
15
-3
В полупроводниковой гетероструктуре стоп⋅слой может быть выполнен из двух или четырех атомных слоев кремния. Первая и вторая части верхнего слоя могут быть выполнены из намеренно нелегированного InP с допустимой концентрацией носителей заряда n-типа не более 2×10 см, при этом первая часть верхнего слоя имеет толщину 0,3÷1,5 мкм, вторая часть - 1,5÷3,5 мкм.
x
y
(1-x-y)
x
y
(1-x-y)
x
y
(1-x-y)
x
y
(1-x-y)
0,53
0,41
0,06
0,53
0,31
0,06
0,53
0,2
0,27
В одном из вариантов реализации изобретения полупроводниковая гетероструктура содержит градиентный слой, расположенный в составе эпитаксиальных слоев между подложкой и верхним слоем, и выполненный в виде системы из 2÷9 согласованных по параметру решетки с InP слоев четверного твердого раствора InGaAlAs с 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1 с возможностью устранения разрыва валентной зоны между смежными с ним эпитаксиальными слоями. Градиентный слой может быть выполнен в виде системы, включающей три слоя четверного твердого раствора InGaAlAs с дискретным изменением молярной доли компоненты твердого раствора у, характеризующимся ее уменьшением от слоя к слою, с ее наибольшим значением в составе слоя, наименее удаленного от подложки, с ее наименьшим значением в составе слоя, наиболее удаленного от подложки. Слои четверного твердого раствора InGaAlAs предпочтительно выполнены одной и той же толщины, выбранной из интервала значений 15÷25 нм. В слоях четверного твердого раствора InGaAlAs молярная доля компоненты твердого раствора х фиксирована, х=0,53, слой, наименее удаленный от подложки, выполнен с составом намеренно нелегированного InGaAlAs, средний слой выполнен с составом намеренно нелегированного InGaAlAs, слой, наиболее удаленный от подложки, выполнен с составом намеренно нелегированного InGaAlAs.
18
-3
В одном из вариантов реализации изобретения полупроводниковая гетероструктура содержит буферный слой, расположенный в составе эпитаксиальных слоев непосредственно на подложке, который выполнен из InP, легированного Si, n-типа с концентрацией носителей заряда 2÷10×10 см, толщиной 0,3÷1,5 мкм.
0.53
0,47
15
-3
В одном из вариантов реализации изобретения полупроводниковая гетероструктура содержит светопоглощающий слой, расположенный в составе эпитаксиальных слоев между подложкой и верхним слоем, и выполненный из намеренно нелегированного InGaAs с концентрацией носителей заряда n-типа не более 2×10 см, толщиной 1÷3 мкм.
17
-3
В одном из вариантов реализации изобретения полупроводниковая гетероструктура содержит градиентный слой, зарядный слой, расположенный в составе эпитаксиальных слоев между подложкой и верхним слоем, при этом зарядный слой выполнен из InP, легированного кремнием, n-типа с концентрацией носителей заряда 0,5÷1×10 см, толщиной 0,1÷0,3 мкм.
В полупроводниковой гетероструктуре использована подложка InP ориентации (001), n-типа проводимости.
2
Технический результат достигается лавинным фотодиодом, включающим полупроводниковую гетероструктуру, содержащую расположенные на подложке эпитаксиальные слои, верхний слой которой выполнен в составе, по меньшей мере, двух слоев-частей - с первой частью, предназначенной для формирования области лавинного умножения, и второй частью, выполненной из InP, и содержащей сформированную локальную область легирования цинком; гетероструктура снабжена по крайней мере с планарной стороны защитным слоем из SiO со сквозным окном для доступа к локальной области легирования цинком и электрическими контактами, один из которых выполнен с планарной стороны к локальной области легирования цинком, второй - расположен на тыльной стороне подложки; в лавинном фотодиоде гетероструктура имеет описанное выше конструктивное выполнение, электрический контакт с планарной стороны выполнен кольцевого типа, частично расположенный на защитном слое, реализован с возможностью повышения прочности его адгезии к защитному слою.
В лавинном фотодиоде контакт кольцевого типа с планарной стороны может быть выполнен из последовательно расположенных слоев Ti, Zn, Au толщиной 15-25 нм, 15-25 нм, и 140-160 нм, соответственно, а контакт, расположенный на тыльной стороне подложки - из последовательно расположенных слоев Ge, Au, Ni, Au толщиной 15-25 нм, 20-50 нм, 15-25 нм, 180-220 нм, соответственно.
Технический результат достигается способом изготовления полупроводниковой гетероструктуры, включающим эпитаксиальное выращивание на подложке слоев, включая верхний слой, в составе, по меньшей мере, двух слоев-частей - с первой частью, предназначенной для формирования области лавинного умножения, и второй частью, предназначенной для формирования локальной области легирования цинком, выполненной из InP, в котором указанное эпитаксиальное выращивание слоев осуществляют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии; при формировании верхнего слоя ее первую часть выполняют из InP, затем на первой части формируют стоп⋅слой из эпитаксиального кристаллического кремния (Si) с возможностью обеспечения электрической неактивности данного стоп⋅слоя в материале InP, на котором далее формируют вторую часть верхнего слоя.
2
2
15
2
15
2
12
2
-9
15
2
15
2
В способе первую часть верхнего слоя выращивают при температуре 460÷540°С, плотности потока молекул фосфора Р в пересчете на атомарный фосфор 1÷3×10 ат./см⋅с, плотности потока атомов индия 0,2÷1×10 ат./см⋅с; стоп⋅слой формируют при температуре роста 400÷420°С, плотности потока атомов кремния 0,2÷1×10 ат./см⋅с, при фоновом давлении элементов V группы - фосфора и мышьяка - в зоне роста не более 2×10 Торр; вторую часть верхнего слоя выращивают при температуре 460÷540°С, плотности потока молекул фосфора Р в пересчете на атомарный фосфор 1÷3×10 ат./см⋅с, плотности потока атомов индия 0,2÷0,1×10ат./см⋅с.
4
2
2
4
2
2
15
2
15
2,
14
2
14
2
15
2
15
2
15
2
15
2
15
2
15
2
15
2
В одном из вариантов реализации способа градиентный слой выращивают при температуре роста 460÷540°С, плотности потока молекул мышьяка As или As в пересчете на атомарный мышьяк 1÷3×10 ат./см⋅с, плотности потока атомов индия 0,2÷1×10 ат./смс, плотности потока атомов галлия 2÷9×10 ат./см⋅с, плотности потока атомов алюминия 0,4÷1×10 ат./см⋅с; буферный слой выращивают при температуре роста 460÷520°С, плотности потока молекул фосфора Р в пересчете на атомарный фосфор 1÷3×10 ат./см⋅с, плотности потока атомов индия 0,2÷0,9×10 ат./см⋅с; светопоглощающий слой выращивают при температуре 460÷520°С, плотности потока молекул мышьяка As или As в пересчете на атомарный мышьяк 1÷3×10 ат./см⋅с, плотности потока атомов индия 0,2÷0,9×10 ат./см⋅с, атомов галлия 0,18÷0,8×10ат./см⋅с; зарядный слой выращивают при температуре 460÷540°С, плотности потока молекул фосфора Р в пересчете на атомарный фосфор 1÷3×10 ат./см⋅с, плотности потока атомов индия 0,2÷1×10ат./см⋅с.
4
2
15
2
В способе подложку перед осуществлением роста эпитаксиальных слоев обрабатывают для получения атомарно-чистой поверхности, для чего проводят ее нагрев в ростовой камере установки молекулярно-лучевой эпитаксии до температуры 520÷540°С в потоке молекул As или As с плотностью 1÷3×10ат./см⋅с и выдерживают в течение 15÷30 минут.
Технический результат достигается способом изготовления лавинного фотодиода, включающим формирование на подложке полупроводниковой гетероструктуры, включающей верхний слой, формирование в верхнем слое локальной области легирования цинком посредством диффузии цинка через предварительно сформированное углубление, формирование электрических контактов, один из которых выполняют с планарной стороны к локальной области легирования цинком, второй - на тыльной стороне подложки, в котором полупроводниковую гетероструктуру формируют описанным выше способом, при этом углубление для диффузии цинком выполняют во второй части верхнего слоя посредством сухого плазменного травления, обеспечивающего заданную геометрию углубления, плоскостность дна и гладкость стенок, и задающего требуемый профиль легирования в процессе диффузии.
2
2
3
2
3
2
3
-4
2
Для реализации этапа сухого плазменного травления в одном из вариантов осуществления изобретения сначала на верхнем слое формируют защитную маску со сквозным окном, при этом маску изготавливают на основе SiO, синтезированного окислением моносилана в реакторе пониженного давления - при давлении 150 Торр, при температуре синтеза 195°С, толщиной 0,3 мкм, для получения окна осуществляют прямую литографию и травление SiO в буферном травителе, затем проводят сухое плазменное травление InP в плазме высокочастотного разряда в среде BCl:N:Ar с использованием циклического режима травления-охлаждения при соотношении газов-реагентов, равном 10:4:15 см/мин, при давлении 4 мТорр, со скоростью травления 37 нм/мин до достижения глубины 0,2÷1 мкм, после чего защитную маску удаляют для осуществления процесса диффузии цинка. Диффузию цинка проводят предпочтительно с использованием планарного источника на основе ZnP глубиной до стоп⋅слоя с уровнем легирования, обеспечивающим получение значения контактного сопротивления не более 4,5×10 Ом⋅см. Контакт с планарной стороны к локальной области легирования цинком с частичным расположением его на защитном слое может быть изготовлен методом обратной фотолитографии по многослойной металлизации Ti/Zn/Au с использованием термического испарения для осаждения указанной трехслойной композиции с достижением необходимых толщин, с последующим вжиганием в течение 0,5÷1,5 мин в атмосфере водорода при температуре 400÷420°С, а контакт, расположенный на тыльной стороне подложки может быть изготовлен напылением композиции Ge/Au/Ni/Au с достижением необходимых толщин, с последующим вжиганием в течение 4÷6 мин в атмосфере водорода при температуре 350÷400°С.
Достижение указанного технического результата и преодоление технической проблемы обеспечивается следующим.
+
Во-первых, в предлагаемых технических решениях формируют и используют стоп⋅слой, являющийся эпитаксиальным сверхтонким слоем, электрически неактивным, сформированный молекулярно-лучевой эпитаксией, который может состоять из двух или четырех атомных слоев Si. Такой слой не влияет на транспорт носителей заряда (дырок) из области лавинного умножения в область контакта. Указанный элемент выполняет функцию блокирования диффузии цинка из локальной области легирования цинком. Стоп⋅слой осаждают эпитаксиально после формирования первой части слоя из InP, являющейся областью лавинного умножения. Затем на стоп⋅слое эпитаксиально формируют вторую часть указанного слоя из InP, в которой последующими операциями изготавливают локальную область легирования цинком (р-область) посредством проведения диффузии цинка. В этом случае область лавинного умножения формируется из бинарного соединения, в котором может быть обеспечено высокое структурное совершенство, пониженная концентрация электрически активных примесей и дефектов, по сравнению с многокомпонентными твердыми растворами, описанными в прототипе. Выполнение стоп⋅слоя из эпитаксиального кристаллического кремния позволяет полностью блокировать диффузию цинка из-за большей энергии связи Si-Si (222 кДж/моль), по сравнению со связью In-P (130 кДж/моль) в InP, что более чем в 1000 раз подавляет скорость диффузии цинка по вакансионному механизму. Это позволяет получать заданную толщину области лавинного умножения при существенно более широком диапазоне изменений условий проведения процесса диффузии цинка. Предпочтительно использование двух или четырех монослоев кремния для обеспечения электрической неактивности стоп⋅слоя в матрице InP.
Для воспроизводимости параметров получаемых чипов ЛФД толщина области лавинного умножения должна иметь минимальный разброс (менее 10%). Увеличение разброса по толщине области лавинного умножения приводит к разбросу в величине основных параметров: напряжение пробоя, квантовая эффективность счета, частота темнового счета. Поэтому формирование и использование стоп⋅слоя в конструкции гетероструктуры является существенным в целях обеспечения технического результата в части достижения кардинального уменьшения скорости (более чем в 1000 раз) диффузии цинка в область лавинного умножения и улучшения воспроизводимости глубины легирования цинком при формировании области лавинного умножения в слое InP, достижения более точной толщины области лавинного умножения при отсутствии в отношении последней возникновения больших концентраций электрически активных дефектов и примесей.
x
y
(1-x-y)
+
Во-вторых, в одном из вариантов осуществления заявляемых технических решений в составе гетероструктуры может быть использован градиентный слой, выполненный с возможностью устранения разрыва валентной зоны между светопоглощающим и последующим слоем (зарядным слоем или слоем с областью лавинного умножения) системой, по меньшей мере, из трех согласованных по параметру решетки с InP слоев четверного твердого раствора InGaAlAs с 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1, которые получены, как и все слои гетероструктуры, посредством выращивания молекулярно-лучевой эпитаксией. Указанная реализация обеспечивает более эффективный транспорт носителей заряда - дырок за счет снижения накопления дырок на гетерогранице. При генерации в результате поглощения фотонов в светопоглощающем слое электронно-дырочных пар, дырки дрейфуют по направлению к первой части слоя, являющейся областью лавинного умножения, в результате прикладываемого электрического поля между локальной областью легирования цинком р-типа и подложкой через гетерограницу, на которой может происходить их накопление, связанное с разрывом валентной зоны на 0,62 эВ, являющееся причиной существенного ограничения предельной рабочей частоты фотодиода и квантовой эффективности.
Составы материалов светопоглощающего слоя и зарядного слоя (или области лавинного умножения) являются разными, что обуславливает возникновение энергетических барьеров, которые уменьшают дрейф носителей заряда и тем самым снижают частотную характеристику фотодиода. Градиентный слой выполняет функцию понижения негативного влияния этих факторов. Формирование градиентного слоя базируется на реализации общей тенденции, заключающейся в постепенном и/или ступенчатом переходе от ширины запрещенной зоны светопоглощающего слоя к ширине запрещенной зоны зарядного слоя (или области лавинного умножения) при сохранении постоянной решетки. В отношении предлагаемого решения это касается перехода от светопоглощающего слоя на основе InGaAs к зарядному слою на основе InP (или области лавинного умножения на основе InP) при сохранении постоянной решетки InP.
x
(1-x)
y
(1-y)
x
y
(1-x-y)
x
y
(1-x-y
x
(1-x)
y
(1-y)
Как правило, выращивание гетероэпитаксиальной структуры для изготовления ЛФД проводят методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOCVD). Данным методом, согласно документу CN 106887469 В, осуществляют выполнение градиентного слоя из InGaAsP, InGaAlAs. Выбор в заявляемых технических решениях в качестве материала градиентного слоя твердого раствора InGaAl)As обусловлен обстоятельством замещения только по подрешетке элементов III группы InGaAlAs. Это позволяет снизить требование к точности поддержания температуры роста, так как коэффициенты встраивания элементов III группы в рабочем диапазоне температур роста не зависят от температуры. В отношении твердого раствора InGaAsP замещение элемента V группы требует прецизионного поддержания основных параметров роста: плотности потоков веществ (с точностью менее 1%) и температуры подложки (с точностью менее 1°С), так как величины коэффициентов встраивания в эпитаксиальный слой элементов V группы сильно зависят от температуры роста. Такая точность воспроизведения и поддержания температуры роста является сложной технической задачей, что обуславливает невозможность точного контроля в целях прецизионного формирования слоя заданного состава и, как следствие, отсутствие гарантий получения требуемого состава. С другой стороны, в предлагаемых решениях выращивание слоев гетероструктуры, включая градиентный слой, обеспечивают молекулярно-лучевой эпитаксией. По сравнению с методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, метод молекулярно-лучевой эпитаксии предпочтителен в связи с его возможностями обеспечить более точный контроль параметров роста при осуществлении процесса, в частности, обеспечить точность контроля температуры роста, как параметра, влияющего на коэффициенты встраивания, и гарантировать получение с прецизионной точностью требуемого состава.
Таким образом, с одной стороны, выбор указанного твердого раствора для формирования градиентного слоя, диктуемый не столь критичной зависимостью от температура роста коэффициентов встраивания элементов III группы в рабочем диапазоне температур роста, и, с другой стороны, формирование градиентного слоя методом молекулярно-лучевой эпитаксии с достижением точности контроля температуры роста, как параметра, влияющего на коэффициенты встраивания, и гарантирующего получение требуемого с прецизионной точностью состава, в сочетании обеспечивают в большей степени достижение технического результата в части снижения накопления носителей заряда на гетерогранице, чем известные решения приведенного уровня техники.
3
+
В-третьих, при реализации способа изготовления диодной гетероструктуры формируют локальную область легирования цинком, осуществляя диффузию цинка, тем, что сначала выполняют углубление на поверхности основы из слоя InP посредством сухого плазменного травления, обеспечивающего заданную геометрию углубления с плоским дном (перепад высот по площади углубления в пределах ±0,01 нм), и задающего требуемый профиль легирования в процессе диффузии, затем осуществляют диффузию цинка. Сухое плазменное травление в атмосфере BCl наиболее точно обеспечивает геометрическую конфигурацию углубления с требуемым качеством поверхности дна и боковых стенок для получения при последующей диффузии цинка р-области с точно заданным профилем легирования, препятствует возникновению краевых геометрических эффектов p-n-перехода и, таким образом, предотвращает возникновение локального преждевременного электрического пробоя и выход из строя устройства, повышает процент выхода годных изделий. Кроме того, точное формирование профиля легирования при последующей диффузии цинка обеспечивает необходимую степень локализации области сильного электрического поля.
2
2
6
-8
2
В-четвертых, в устройстве для регистрации одиночных фотонов на основе диодной гетероструктуры защитный слой выполнен из SiO, синтезированного в реакторе пониженного давления, а электрические контакты реализованы с возможностью повышения их адгезии. Получение данного слоя указанным синтезом обеспечивает высокую адгезию слоя SiO и его высокую диэлектрическую прочность (плотность тока при электрическом поле 2×10 В/см составляет 6×10 А/см). Кроме того, данный слой характеризуется отсутствием механических напряжений и обеспечивает границу раздела диэлектрик/полупроводник, исключающую поверхностные утечки. Это гарантирует отсутствие трещин в защитном слое, предотвращает выход из строя лавинного фотодиода, повышает процент выхода годных изделий. С другой стороны, использование указанного слоя в качестве защитного покрытия обеспечивает высокую адгезию слоев металлизации при использовании, в частности, адгезионного подслоя титана, формируемых термическим напылением. Таким образом, электрический контакт кольцевого типа реализован с возможностью повышения его адгезии также и в отношении защитного слоя. Достигаемая высокая адгезия как в отношении локальной области легирования цинком, так и в отношении защитного слоя препятствует отслаиванию контакта, в частности, от защитного слоя, в связи с чем обеспечивается предотвращение выхода из строя устройства для регистрации одиночных фотонов на основе лавинного фотодиода на стадии его эксплуатации и повышается процент выхода годных изделий при производстве. Для повышения адгезии слоя металлизации к диэлектрическому покрытию для изготовления контактов предложено использовать 3-х слойную композицию Ti/Zn/Au, напыляемую термическим способом.
Краткое описание чертежей
Сущность предлагаемых технических решений поясняется чертежами.
На Фиг. 1 схематически представлена детализация более удаленной от подложки части полупроводниковой гетероструктуры (верхний слой), демонстрирующая слой в составе двух слоев-частей, разделенных стоп⋅слоем, с локальной областью легирования цинком, сформированной во второй части; на Фиг. 2 схематически показан в поперечном сечении один из вариантов конструкции лавинного фотодиода, включающего диодную гетероструктуру; на Фиг. 3-8 схематически представлены этапы формирования локальной области легирования цинком в верхнем слое, а именно: на Фиг. 3 - этап изготовления защитной маски со сквозным окном для реализации этапа сухого травления; на Фиг. 4 - этап осуществления сухого травления с использованием защитной маски со сквозным окном; на Фиг. 5 - изготовленное углубление для последующего проведения диффузии цинка и получения локальной области легирования цинком; на Фиг. 6 - этап изготовления защитной маски со сквозным окном для реализации диффузии цинка; на Фиг. 7 - этап диффузии цинка; на Фиг. 8 - полученные локальные области легирования цинком; на Фиг. 9 представлена фотография поперечного среза лавинного фотодиода заявляемой конструкции, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, демонстрирующая область легирования, ограниченную стоп⋅слоем из кремния.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - подложка; 2 - буферный слой; 3 ⋅светопоглощающий слой; 4 - наименее удаленный от подложки слой в системе градиентного слоя; 5 - средний слой в системе градиентного слоя; 6 - наиболее удаленный от подложки слой в системе градиентного слоя; 7 - зарядный слой; 8 - первая часть верхнего слоя, содержащая область лавинного умножения; 9 - стоп⋅слой; 10 -вторая часть верхнего слоя с локальной областью легирования цинком; 11 - локальная область легирования цинком; 12 - контакт; 13 - контакт; 14 - охранное кольцо, 15 - защитный слой.
Осуществление изобретения
Далее представлено подробное описание заявляемых технических решений, не ограничивающее их сущность. Специалисту понятно, что изобретения имеют широкую область применения, и описание их осуществления носит исключительно пояснительный характер, демонстрирующий возможность достижения заявленного технического результата. Настоящие технические решения могут подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, может изменяться количество эпитаксиальных слоев в гетероструктуре, их уровень легирования и толщины, состав отдельных слоев.
В обобщенном варианте выполнения полупроводниковая гетероструктура лавинного фотодиода содержит (см. Фиг. 1) последовательно расположенные на подложке 1 светопоглощающий слой 3, градиентный слой, содержащий систему, по меньшей мере, из трех слоев 4, 5, 6, верхний слой в составе трех слоев-частей - с первой частью 8, предназначенной для формирования области лавинного умножения, промежуточной (или средней) частью, выполненной в виде стоп⋅слоя 9, второй частью 10, предназначенной для формирования локальной области легирования цинком. Приведенные слои в составе гетероструктуры выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
x
y
(1-x-y)
Первая 8 и вторая 10 части верхнего слоя выполнены из InP. Стоп⋅слой 9, расположенный между указанными частями, предпочтительно выполнен из двух или четырех атомных слоев Si. Градиентный слой выполнен с возможностью устранения разрыва валентной зоны между светопоглощающим и последующим слоем системой из трех согласованных по параметру решетки с InP слоев четверного твердого раствора InGaAlAs с 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1.
Возможен вариант реализации гетероструктуры, которая содержит перечисленные выше эпитаксиальные слои, а также буферный слой, расположенный непосредственно на подложке, и/или зарядный слой, расположенный между градиентным и верхним слоями.
Каждый слой гетероструктуры определяется своим компонентным составом и электрофизическими параметрами. Слои гетероструктуры должны иметь параметры постоянной кристаллической решетки, совпадающие с постоянной решетки подложки. Поскольку формирование слоев, отличных от верхнего слоя, значимо не влияет на достижение технического результата и находится в пределах возможностей специалистов в данной области техники, то последующее описание данных слоев представлено исключительно для лучшего понимания сущности заявляемых решений - конструкции ЛФД и способа его изготовления в целом. После прочтения раскрытия сущности изобретения специалистам в данной области техники будет понятно, как можно осуществить заявляемое изобретение для формирования различных типов лавинных фотодиодов, а также других полупроводниковых устройств, которые содержат р-n-переход.
Упомянутые слои полупроводниковой гетероструктуры в конструкции лавинного фотодиода выполнены с возможностью реализации следующих функций.
0,53
0,47
15
-3
Светопоглощающий слой 3 выполнен с возможностью поглощения фотонов и генерирования в результате последнего электронно-дырочных пар - носителей заряда. Как правило, светопоглощающий слой 3 выполнен толщиной, обеспечивающей возможность поглощения не менее 90% падающего света длиной волны, подлежащей регистрации, из полупроводника, характеризующегося наименьшей шириной запрещенной зоны по сравнению с полупроводником, используемым для выполнения слоев, расположенных в направлении от подложки после светопоглощающего слоя. Толщина светопоглощающего слоя 3 составляет от 1 до 3 мкм. В одном из вариантов реализации изобретения светопоглощающий слой 3 выполнен из намеренно нелегированного InGaAs с концентрацией n-типа не более 2×10 см. Состав светопоглощающего слоя 3 в отношении параметров решетки согласован с кристаллической решеткой InP.
x
y
(1-x-y)
Градиентный слой выполнен с возможностью сглаживания энергетического рельефа потолка валентной зоны, достижения сбалансированности параметров кристаллической решетки в отношении светопоглощающего слоя 3 и последующего, в направлении от подложки 1, слоя. Градиентный слой, выполненный с возможностью устранения между светопоглощающим и последующим слоем разрыва валентной зоны, реализован системой, по меньше мере, из трех согласованных по параметру решетки с InP слоев четверного твердого раствора InGaAlAs с 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1. Максимальное количество слоев определяется разрывом в валентной зоне - 0,62 эВ. При рабочей температуре (215-230 К) этот разрыв должен быть преодолен зарядом дырки с шагом не менее 3 kT (около 60 мэВ), что составляет 9 слоев. В одном из вариантов осуществления изобретения указанные слои четверного твердого раствора могут быть реализованы одной и той же толщины, выбранной из интервала значений 15÷25 нм, например, 20 нм. Кроме того, слои системы могут быть реализованы с дискретным изменением молярной доли компоненты твердого раствора у, характеризующимся ее уменьшением от слоя к слою. Наибольшее значение указанной молярной доли компоненты твердого раствора у - в составе слоя 4, наименее удаленного от подложки. Наименьшее значение указанной молярной доли компоненты твердого раствора у - в составе слоя 6, наиболее удаленного от подложки.
0,53
0,41
0,06
0,53
0,31
0,16
0,53
0,2
0,27
В одном из вариантов осуществления изобретения в указанных слоях молярная доля компоненты твердого раствора х фиксирована, и составляет х=0,53. Слой 4, наименее удаленный от подложки, выполнен с составом намеренно нелегированного InGaAlAs. Средний слой 5 выполнен с составом намеренно нелегированного InGaAlAs. Слой 6, наиболее удаленный от подложки, выполнен с составом намеренно нелегированного InGaAlAs.
Состав определяется шириной запрещенной зоны, в отношении слоя 4, наименее удаленного от подложки, ширина запрещенной зоны близка по величине к ширине запрещенной зоны светопоглощающего слоя 3. В то время как в отношении слоя 6, наиболее удаленного от подложки, ширина запрещенной зоны близка по величине к ширине запрещенной зоны последующего слоя (зарядного слоя 7 или слоя с областью лавинного умножения 8).
Оптимальным для градиентного слоя, является выполнение его системой в составе трех слоев с изменением молярной доли компоненты твердого раствора у вышеприведенным образом при указанном фиксированном значении молярной доли компоненты твердого раствора х, что в сочетании с указанными значениями толщины каждого из слоев обеспечивает достижение высокой квантовой эффективности.
15
-3
Первая часть 8 из состава верхнего слоя, выполненная из InP, в которой расположена область лавинного умножения, предназначена для локализации области сильного электрического поля. Первая часть верхнего слоя выполнена из намеренного нелегированного InP с концентрацией n-типа не более 2×10 см и толщиной 0,3÷1,5 мкм.
15
-3
Вторая часть 10 верхнего слоя предназначена для формирования локальной области легирования цинком, выполнена из намеренно нелегированного InP с концентрацией n-типа не более 2×10 см и толщиной 1,5÷3,5 мкм.
Стоп⋅слой 9 выполнен с возможностью подавления диффузии цинка. Стоп⋅слой определяет толщину области локального умножения и ограничивает глубину проникновения (залегания) легирующей примеси цинка. В одном из вариантов осуществления изобретения стоп⋅слой выполняют толщиной в два (0,293 нм) или четыре атомных слоя кремния. Выбор указанной толщины диктуется тем, что стоп⋅слой 9 должен быть электрически неактивным, не вносить значительных искажений в параметры кристаллической решетки.
18
-3
В составе гетероструктуры на подложке 1 может быть расположен буферный слой 2 (см. Фиг. 1), являющийся вспомогательным слоем. Буферный слой выращивают для обеспечения высокого структурного совершенства формируемых на нем слоев за счет согласования им постоянных кристаллических решеток. В одном из вариантов осуществления изобретения буферный слой выполнен из InP, легированного Si, n-типа с концентрацией носителей заряда 2÷10×10 см, толщиной 0,3÷1,5 мкм.
+
17
-3
Кроме того, состав гетероструктуры может содержать зарядный слой 7. Его функция - реализация пространственного распределения электрического поля с максимальной напряженностью в области лавинного умножения, с локализацией ее между металлургической границей робласти локальной области легирования цинком и зарядным слоем. Также указанный слой предотвращает возможность формирования туннельного тока в светопоглощающем слое 3. Зарядный слой 7 выполнен между градиентным слоем и первой частью верхнего слоя, содержащей область лавинного умножения, 8 из InP, легированного кремнием, n-типа с концентрацией носителей заряда 0,5÷1×10 см, толщиной от 0,1 до 0,3 мкм.
В качестве подложки 1 может быть использована подложка InP, легированная S, ориентации (001), n-типа проводимости.
+
На основе описанной полупроводниковой гетероструктуры в обобщенном варианте лавинный фотодиод (см. Фиг. 2) содержит сформированную в верхнем слое локальную область легирования цинком (область р-типа) посредством диффузии цинка, обеспечивающую реализацию p-n-перехода, защитный слой 15, размещенный по крайней мере с планарной стороны гетероструктуры для доступа к локальной области легирования цинком 11, и электрические контакты 12 и 13.
Один из контактов - 12, расположен с планарной стороны, выполнен кольцевого типа и частично расположен на защитном слое 15. Предпочтительным является выполнение данного контакта из последовательно расположенных слоев Ti, Zn, Au толщиной 15-25 нм, 15-25 нм, и 140-160 нм, соответственно. Указанный контакт реализован с возможностью повышения его адгезии к защитному слою. Контакт 13 расположен на тыльной стороне подложки 1, выполнен из последовательно расположенных слоев Ge, Au, Ni, Au толщиной 15-25 нм, 20-50 нм, 15-25 нм, 180-220 нм, соответственно.
Лавинный фотодиод (см. Фиг. 2) содержит, кроме упомянутых конструктивных элементов, по крайней мере, одно охранное кольцо 14, а также снабжен просветляющим покрытием, расположенным на планарной стороне (на Фиг. 2 не показано). Охранное кольцо 14 (см. Фиг. 2) выполнено с возможностью охвата активной, рабочей, области устройства, и предназначено для минимизации поверхностного тока утечки. В устройстве может быть выполнено более одного охранных колец с образованием концентрической системы относительно активной области.
В обобщенном варианте предлагаемый способ изготовления полупроводниковой гетероструктуры включает последовательное выращивание на подложке 1 эпитаксиальных слоев методом молекулярной лучевой эпитаксии ⋅светопоглощающего слоя 3, градиентного слоя из системы, по меньшей мере, трех слоев 4, 5, 6, верхнего слоя в составе трех слоев-частей из InP - с первой частью 8, содержащей область лавинного умножения, которую выполняют в первую очередь, формируют из InP, затем выполняют промежуточный стоп⋅слой 9 из двух или четырех атомных слоев Si, после чего формируют вторую часть 10 из InP.
В частном случае реализации способа на подложке 1 выполняют молекулярно-лучевой эпитаксией последовательность слоев, представленную на фиг. 2.
18
-3
15
2
4
2
Перед осуществлением роста эпитаксиальных слоев подложку InP, легированную 5, с ориентацией (001), n-типа проводимости, с концентрацией носителей заряда 1÷10×10 см подвергают обработке в целях получения атомарно-чистой поверхности. Проводят ее нагрев в ростовой камере установки молекулярно-лучевой эпитаксии до температуры 520÷540°С в потоке молекул As или As с плотностью 1÷3×10 ат./см⋅с и выдерживают в течение, как правило, 15-30 минут.
18
-3
15
2,
15
2
2
После окончания предварительной обработки на подложке 1 выполняют буферный слой 2. Слой выращивают из InP, осуществляя легирование Si с получением n-типа с концентрацией носителей заряда 2÷10×10 см, толщиной 0,3÷1,5 мкм, при температуре роста 460÷520°С, при плотности потока молекул фосфора Р в пересчете на атомарный фосфор 1÷3×10 ат./смс, при плотности потока атомов индия 0,2÷1×10 ат./см⋅с.
0,53
0,47
4
2
13
-3
15
2
15
2
15
2
На буферном слое 2 формируют светопоглощающий слой 3. Слой выращивают намеренно нелегированным, например, из InGaAs n-типа с концентрацией носителей заряда не более 2×10 см и толщиной 1÷3 мкм. Рост осуществляют при температуре 460÷520°С, при плотности потока молекул мышьяка As или As в пересчете на атомарный мышьяк 1÷3×10 ат./см⋅с, при плотности потока атомов индия 0,2÷1×10ат./см⋅с, при плотности потока атомов галлия 0,2÷1×10 ат./см⋅с, поддерживая соотношение между плотностями потоков атомов индия и галлия 0,53/0,47.
x
y
(1-x-y)
4
2
0,53
0,41
0,06
0,53
0,31
0,16
0,53
0,2
0,27
15
2
15
2
14
2
14
2
На светопоглощающем слое 3 формируют градиентный слой. Слой формируют системой, содержащей от 3 до 20 согласованных по параметру решетки с InP слоев четверного твердого раствора InGaAlAs с 0<х<1, 0<у<1 и 0<(х+у)<1. В одном из вариантов реализации изобретения каждый из указанных слоев системы выполняют с одной и той же толщиной, например, 20 нм, с дискретным изменением молярной доли компоненты твердого раствора у, характеризующимся ее уменьшением от слоя к слою, с ее наибольшим значением в составе слоя, наименее удаленного от подложки, 4 с ее наименьшим значением в составе слоя, наиболее удаленного от подложки, 6. Слои выращивают при температуре роста 460÷540°С, при плотности потока молекул мышьяка As или As в пересчете на атомарный мышьяк 1÷3×10 ат./см'С, при плотности потока атомов индия 0,2÷1×10 ат./см⋅с, при плотности потока атомов галлия 2÷8×10 ат./см⋅с, при плотности потока атомов алюминия 0,4÷1×10 ат./см⋅с. В системе из трех слоев в указанных слоях молярную долю компоненты твердого раствора х фиксируют, х=0,53. Слой, наименее удаленный от подложки, 4 выращивают с составом намеренно нелегированного InGaAlAs, поддерживая соотношение между плотностями потоков атомов индия к сумме потоков атомов галлия и алюминия 0,53/0,47, а соотношение между плотностями потоков атомов галлия и алюминия 0,41/0,06. Выращивание среднего слоя 5 осуществляют с составом намеренно нелегированного InGaAlAs, поддерживая соотношение между плотностями потоков атомов индия к сумме потоков атомов галлия и алюминия 0,53/0,47, а соотношение между плотностями потоков атомов галлия и алюминия 0,31/0,16. Выращивание слоя, наиболее удаленного от подложки, 6 осуществляют с составом намеренно нелегированного InGaAlAs, поддерживая соотношение между плотностями потоков атомов индия к сумме потоков атомов галлия и алюминия 0,53/0,47, а соотношение между плотностями потоков атомов галлия и алюминия 0,2/0,27.
17
-3
15
2
15
2
2
После формирования градиентного слоя осуществляют рост зарядного слоя 7. Слой выращивают легированным, из InP. Легирование осуществляют кремнием с получением n-типа с концентрацией носителей заряда 0,5÷1×10 см, толщиной 0,1÷0,3 мкм. Рост осуществляют при температуре 460÷540 С, при плотности потока молекул фосфора Р в пересчете на атомарный фосфор 1÷3×10 ат./см⋅с, при плотности потока атомов индия 0,2÷1×10ат./см⋅с.
15
-3
15
2
15
2
2
После формирования зарядного слоя приступают к формированию первой части верхнего слоя, содержащей область лавинного умножения, 8, которую выполняют из InP n-типа с концентрацией носителей не более 2×10 см толщиной 0,3÷1,5 мкм. Рост проводят при температуре 460÷540°С, при плотности потока молекул фосфора Р в пересчете на атомарный фосфор 1÷3×10ат./см⋅с, при плотности потока атомов индия 0,2÷1×10ат./см⋅с.
12
2
-9
Затем формируют стоп⋅слой 9 из двух или четырех атомных слоев Si. Формирование осуществляют при температуре роста 400÷420°С, плотности потока атомов кремния 0,2÷1×10 ат./см⋅с, при фоновом давлении элементов V группы -фосфора и мышьяка - в зоне роста не более 2×10 Торр.
15
-3
15
2,
15
2
2
В завершение процесса изготовления полупроводниковой гетероструктуры формируют вторую часть верхнего слоя из InP в составе трех слоев-частей. Слой изготавливают из намеренно нелегированного InP n-типа с концентрацией носителей не более 2×10 см, толщиной 1,5÷3,5 мкм. Рост осуществляют при температуре 460÷540°С, плотности потока молекул фосфора Р в пересчете на атомарный фосфор 1÷3×10ат./смс, плотности потока атомов индия 0,2÷1×10 ат./см⋅с.
В обобщенном варианте предлагаемый способ изготовления лавинного фотодиода на базе полученной полупроводниковой гетероструктуры включает получение локальной области легирования цинком 11 в верхнем слое, а именно в ее второй части 10, посредством осуществления диффузии цинка; формирование электрических контактов 12 и 13, один из которых - 12, выполняют с планарной стороны к локальной области легирования цинком, второй - 13, на тыльной стороне подложки.
При формировании локальной области легирования цинком сначала выполняют углубление (см. Фиг. 3-5) на поверхности второй части верхнего слоя из InP посредством сухого плазменного травления, обеспечивающего заданную геометрию углубления, плоскостность дна и гладкость стенок, и задающую требуемый профиль легирования в процессе диффузии, затем осуществляют диффузию цинка (см. Фиг. 6-8).
Локальную область легирования цинком во второй части верхнего слоя формируют с использованием литографических процессов. При этом используют позитивные фоторезисты Microchemical AmbH, Германия. Прямую фотолитографию для формирования меток совмещения и окон в диэлектрических маскирующих слоях проводят с помощью фоторезиста S1813G2SP15, который наносят толщиной, например, 1,4 мкм. Вскрытие окон в фоторезисте проводят соответствующими проявителями.
2
3
2
3
В частном случае реализации способа выполнение углубления на поверхности слоя из InP посредством сухого плазменного травления осуществляют тем, что сначала изготавливают защитную маску со сквозным окном для проведения сухого травления (см. Фиг. 3). Маску изготавливают на основе SiO, синтезированного окислением моносилана в реакторе пониженного давления - при давлении 150 Торр (±5%), при температуре синтеза 195°С (±2,5%), толщиной 0,30 мкм (±10%). Для получения окна осуществляют прямую литографию в буферном травителе. Затем проводят сухое плазменное травление InP (см. Фиг. 4) в плазме высокочастотного разряда в среде BCl:N:Ar с использованием циклического режима травления-охлаждения (от 2 до 20 циклов). Соотношение газов-реагентов составляет 10:4:15 см/мин. (±5%). Травление осуществляют при давлении 4 мТорр (±5%), со скоростью травления 37 нм/мин (±15%) до достижения глубины 0,2+1 мкм. Ухудшений морфологии, обусловленных проведением процесса, не выявлено: rms поверхности до травления составляло 1,2 нм, после - 1,1 нм. В результате получают углубление (см. Фиг. 5) с плоским зеркальным дном и зеркально-гладкими стенками.
Затем приступают к осуществлению диффузии цинка (см. Фиг. 6-8).
2
3
2
Используют защитную маску со сквозным окном для реализации диффузии, выполняя в ней сквозное окно, обеспечивающее свободный, без перекрывания, доступ к углублению и в отношении заданного участка поверхности слоя полупроводника по периметру углубления (см. Фиг. 6). Маску изготавливают на основе SiO, синтезированного окислением моносилана в реакторе пониженного давления - при давлении 150 Торр (±5%), при температуре синтеза 150°С (±2,5%), толщиной 0,25÷0,35 мкм. Для получения окна осуществляют прямую литографию в буферном травителе. Далее проводят диффузию цинка (см. Фиг. 7) с использованием планарного источника на основе ZnP. В результате получают во второй части верхнего слоя 10 локальную область легирования цинком 11 с заданной геометрией (см. Фиг 8), глубиной до стоп⋅слоя 9.
Одновременно с получением локальной области легирования цинком 11 может быть сформировано (см. Фиг. 6-8) охранное кольцо 14 (см. Фиг. 2) за счет изготовления дополнительного сквозного окна в защитной маске, посредством которого обеспечивают диффузию цинка для его получения.
3
2
3
2
Легирование InP цинком может быть реализовано способами, доступными из уровня техники, в частности, проведением диффузии из плоского источника ZnP [М.О. Петрушков, М.А. Путято, И.Б. Чистохин, Б.Р. Семягин, Е.А. Емельянов, М.Ю. Есин, Т.А. Гаврилова, А.В. Васев, В.В. Преображенский, Метод диффузии цинка в InP через узкий зазор с использованием планарного источника на основе ZnP, Письма в ЖТФ, 2018, т.44, №14, с. 19-25; патент RU 2686523] с достижением равномерности распределения профиля, глубины и уровня легирования по площади легирования, отсутствием термохимической эрозии поверхности InP.
18
-3
+
Известные способы легирования образцов InP цинком обеспечивают максимальный уровень легирования до величины 1÷2×10 см. Это отрицательно влияет на возможность получения низкого контактного сопротивления при формировании омического контакта к р-области. Существенно увеличить уровень акцепторного легирования (в 5-7 раз) возможно при помощи последующего отжига. Экспериментально получено, что отжиг при 600°С в течение 1 мин приводит к повышению концентрации активной примеси в 6-7 раз; отжиг при 550°С в течение 2 мин - в 5-6 раз; отжиг при 500°С в течение 2 мин - в 3-4 раза, а при отжиге 450°С в течение 2 мин - в 2 раза. Увеличение времени отжига до 5-10 мин не приводит к существенному изменению концентрации, поскольку процесс быстро выходит на насыщение.
-4
2
Таким образом, легирование осуществляют глубиной до стоп⋅слоя с достижением уровня легирования, обеспечивающего получение низкого контактного сопротивления, сопоставимого со значением 4,5×10 Ом⋅см, после чего удаляют защитную маску со сквозным окном для реализации диффузии и получения локальной области легирования цинком (охранного кольца или системы охранных колец).
Далее изготавливают электрические контакты 12 и 13, один из которых - 12, выполняют с планарной стороны к локальной области легирования цинком, второй - 13, на тыльной стороне подложки.
-3
2
-4
2
-4
2
Известно, что контакт с планарной стороны - к области локального легирования цинком 11 (см. Фиг. 8) может быть изготовлен с использованием способов, в которых применены стандартные композиции, например, Zn/Au или Au/Zn/Au [C.L. Cheng, L.A. Coldren, B.I. Miller, J.A. Rentschler, C.C. Shen. Electronics Letters, 1982, v. 18, No 17, p.755 -756.; E. Kuphal, Low resistance ohmic contacts to n- and p-InP, Solid-State Electronics, 1981, v. 24, No. 1, p. 69-78.; T. Clausen, O. Leistiko, Metallurgical optimization for ohmic contacts to InP using conventional metallization schemes, Microelectronic Engineering, 1992, v. 18, p. 305-325, K. Zhang, H. Tang, X. Wu, J. Xu, X. Li, H. Gong, Improved Au/Zn/Au ohmic contacts for p-type InP, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2008; v. 03, p. 6621]. Кроме того, контакт может быть изготовлен с применением термического испарения [A. YAMAGUCHI, Material Characterization of Semiconductor Devices, SEI TECHNICAL REVIEW, 2010, v. 70, pp. 17-27]. Путем проведения экспериментальных исследований выявлено, что наилучшую адгезию контакта к легированной цинком поверхности InP (анод) достигают при его формировании с трехслойным металлическим слоем Ti/Zn/Au. При этом перед напылением подслоя титана поверхность InP подвергают ионной очистке в режиме, обеспечивающем минимальную толщину собственного оксидного слоя, контроль которой может быть реализован методом одноволновой эллипсометрии (ЛЭФ-3М). При повышении температуры вжигания контакта с 385 до 420°С контактное сопротивление р уменьшается на порядок, с величины порядка 10 Ом⋅смдо 4,5×10 Ом⋅см. Для контакта типа Ti/Zn/Au наименьшее значение ρ составляет 8,3×10 Ом⋅см.
Таким образом, для реализации устройства формирование омического контакта к аноду из трехслойной композиции Ti/Zn/Au (например, 20/20/150 нм), напыляемой термическим способом, обеспечивается при вжигании контакта при температуре 400-420°С.
Омический контакт с тыльной стороны подложки - к катоду формируют с использованием стандартных процессов термического напыления четырехслойной композиции Ge/Au/Ni/Au (например, 20/40/20/200) нм с последующим вжиганием контакта.
Омический контакт к тыльной стороне подложки n-InP может быть изготовлен напылением многослойной композиции Ge/Au/Ni [A.G. Baca, F. Ren, J.С. Zolpera, R.D. Briggsa, S.J. Peartonc, A survey of ohmic contacts to III-V compound semiconductors, Thin Solid Films, 1997, v. 308-309, p. 599-606] со значениями толщины для указанных слоев, соответственно, 20, 40, 20 нм. Для уменьшения слоевого сопротивления контакта в виде Au/Ge/Ni на его поверхность дополнительно может быть осажден слой Au толщиной 100÷200 нм [Hung-Cheng Lin, Sidat Senanayake, Keh-Yung Cheng, Optimization of AuGe-Ni-Au Ohmic Contacts for GaAs MOSFETs, IEEE Transactions on Electron Devices, 2003, v. 50, No. 4, pp. 880-885]. Вжигание контакта реализовано в атмосфере водорода при температуре 385°С в течение 4-6 минут. Непосредственно перед напылением слоев металлизации и нанесением диэлектрических слоев проводят химическую обработку поверхности InP в разбавленном, например, 1:10, водном растворе хлористоводородной кислоты для удаления собственного оксидного слоя.
+
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления технических решений с достижением указанного технического результата, приведены нижеследующие примеры, согласно которым были изготовлены три варианта лавинных фотодиодов (Примеры 1-3), где в Таблицах 1-8 представлены технологические параметры формирования эпитаксиальных слоев полупроводниковой гетероструктуры, в Таблицах 9-11 представлены технологические параметры изготовления лавинного фотодиода, включая параметры проведения диффузии цинка для формирования р-области в верхнем слое гетероструктуры, параметры формирования омических контактов. В Таблице 12 представлены рабочие параметры изготовленных лавинных фотодиодов.
Изготовление полупроводниковой гетероструктуры.
Изготовление лавинного фотодиода
Полученные полупроводниковые гетерострутуры по примерам 1-3 использовали для изготовления трех лавинных фотодиодов.
Полученные полупроводниковые гетероструктуры и лавинные фотодиоды были измерены и протестированы в системе для регистрации одиночных фотонов.
0.53
0.47
g
g
Электрон-дырочные пары, фотогенерированные в слое InGaAs (ширина запрещенной зоны E ~ 0,75 эВ при комнатной температуре от 20 до 26°С), разделяются под действием электрического поля. Дырки дрейфуют в область лавинного умножения широкозонного InP (ширина запрещенной зоны E ~ 1,35 эВ при комнатной температуре от 20 до 26°С), где возможно, подобно триггеру, возникновение лавинного тока. Между светопоглощающим слоем и областью лавинного умножения расположен зарядный слой, посредством которого происходит формирование сильного электрического поля в области лавинного умножения и слабого электрического поля в светопоглощающем слое. Слой градиентного состава InGaAlAs снижает эффект накопления дырок, связанных с разрывом валентной зоны на 0,60-0,62 эВ и обеспечивает согласование по постоянной кристаллической решетки.
+
+
+
Диффузионное распределение р-области в наиболее удаленном от подложки слое -i-слое InP получаемой формы на глубину около 2 мкм позволяет, во-первых, предотвратить возникновение локального преждевременного электрического пробоя (краевые геометрические эффекты р-n перехода) и, во-вторых, локализовать область сильного электрического поля. Для формирования требуемого профиля р-области в данной конструкции используют диффузионное легирование цинком с предварительно вытравленным InP на глубину 0,5 мкм через окно в диэлектрическом маскирующем слое. Выполненные охранные кольца, окружающие р-область ОЛФД минимизируют поверхностные утечки. Ток утечки по периферии не должен подвергаться лавинному умножению.
На экспериментальном стенде были проведены измерения основных параметров лавинного фотодиода (величина темнового тока, частота темнового счета, квантовая эффективность счета). Стенд работает в импульсном режиме (gated) с активным гашением лавины. В качестве источника одиночных фотонов использовалось излучение лазерного диода с длиной волны 1550 нм, ослабляемое до однофотонного уровня.
Генерируемый лавинный ток лавинного фотодиода через разделительную емкость попадал на один из входов компаратора. Уровни срабатывания компаратора регулируются преобразователем. Разностное напряжение выше уровня срабатывания попадает на формирователь импульсов и далее сигнал считывается программируемой логической интегральной схемой. Одновременно подается сигнал на блок стробирования/активного гашения, что приводит к активному гашению лавинного тока. В исходное состояние система приводится с помощью подачи контроллером сигнала.
В gated режиме импульсный сигнал имеет вид строба длительностью 5 не с регулируемой частотой повторения 0,1-100 МГц.
Управление установкой счета фотонов осуществляется с помощью команд длиной 5 байт.В случае появления лавинного тока через лавинный фотодиод срабатывает блок регистрации лавины и возникает сигнал. Это приводит к запуску модуля, который по прошествии времени ожидания формирует сигнал срабатывания лавины. Далее определяется количество срабатываний фотоприемного модуля. После окончания работы модуля данные передаются на компьютер.
-12
В таблице 12 приведены результаты измерений разброса параметров лавинных диодов. Измеренные значения темнового тока при температуре 216 К составили 3 10 А при обратном напряжении 0,95 от напряжения пробоя 65-67 В. Частота темнового счета в гейгеровском режиме составила около 40 кГц, а квантовая эффективность счета 15%. Данные параметры соответствуют требованиям, предъявляемым к детекторам одиночных фотонов в оптоволоконных квантовых системах связи.