КРЕМНИЕВЫЙ PIN-ФОТОДИОД

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод (ФД) относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм. Он предназначен для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс), прежде всего с длиной волны 1,06 мкм. К такой аппаратуре относятся лазерные дальномеры, системы наведения по лучу, обнаружители лазерного излучения, системы защиты танков от лазерного оружия, высокоточное оружие и другие системы [1].
+
+
Известен кремниевый pin-фотодиод (патент на полезную модель РФ №82381 U1, ОАО «Московский завод «Сапфир») чувствительный к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм и содержащий подложку p-типа проводимости, в которой со стороны воздействия излучения сформированы фоточувствительная область n-типа рабочего p-n-перехода и область охранного кольца, а на другой стороне подложки сформирована область p-типа омического контакта.
Известен pin-фотодиод (В.П.Астахов и др., Результаты замены радиационно-сплавной технологии изготовления фотодиодов из InSb на планарную имплантацию. Физика твердого тела. Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского, 2009 г., №5, с.48-54), в котором двухслойные металлические контакты к фоточувствительной области и области охранного кольца состоят из слоя золота (Аu) толщиной 800 нм и подслоя хрома (Сr) толщиной 80 нм.
Известен кремниевый pin-фотодиод (US 2010/0240203 A1, Harvard University, дата публикации 23.09.2010 г.) в котором двухслойные контакты выполнены из слоя золота с подслоем хрома. При этом фотодиод содержит отражающую контактную систему, состоящую из пленок золота и хрома.
2
+
+
+
Известен кремниевый pin-фотодиод большой площади (патент на полезную модель РФ №56069 U1, ФГУП «НПО «Орион») чувствительный на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм и принятый в качестве прототипа. В подложке из монокристаллического кремния p-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 сформирован контактый слой p-типа проводимости. Создание двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою p-типа проводимости осуществлялось путем нанесения пленки золота с подслоем титана. Указанным патентом защищено изделие ФД 342, изготавливаемое ФГУП «НПО «Орион». Указанный фотодиод работает при напряжении 70 В. Недостатком этого прибора является низкий уровень монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм. Кроме того, процент выхода годных фотодиодов по чувствительности не превышает 85%.
Задачей полезной модели является повышение значения монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм и увеличение процента выхода годных приборов до 98%.
Технический результат достигается тем, что кремниевый pin-фотодиод, содержит подложку, фоточувствительную область и область охранного кольца, выполненные в подложке со стороны воздействия излучения, контактный слой, выполненный на другой стороне подложки, двухслойные контакты из слоя золота и подслоя хрома к фоточувствительной области и области охранного кольца, изолирующую и просветляющую пленку, отражающую контактную систему, расположенную на контактном слое и состоящую из пленок хрома и золота, причем толщина пленки хрома составляет 5-6 нм.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема кремниевого pin-фотодиода, где:
1 - подложка p-типа проводимости;
+
2 - фоточувствительная область n-типа проводимости;
+
3 - область охранного кольца n-типа проводимости;
+
4 - контактный слой p-типа проводимости;
5 - изолирующая и просветляющая пленка;
6 - слой золота (Аu);
7 - подслой хрома (Сr);
8 - пленка золота(Аu);
9 - пленка хрома(Сr).
+
2
Кремниевый pin-фотодиод состоит из подложки 1 p-типа проводимости. Со стороны воздействия излучения, в подложке сформирована фоточувствительная область 2 n-типа проводимости и область 3 охранного кольца. На другой стороне подложки сформирован контактный слой 4 p-типа проводимости. Со стороны фотодиода, на которое воздействует излучение, расположена пленка 5 двуокиси кремния (SiO), выполняющая функцию изолирующего и просветляющего покрытия. Двухслойные металлические контакты к фоточувствительной области 2 и области 3 охранного кольца состоят из слоя 6 золота и подслоя хрома 7. Отражающая контактная система состоит из пленки золота 8 и пленки хрома 9 толщиной 5-6 нм. Отражающая контактная система расположена на контактном слое 4.
-1
Проблемой разработки кремниевых ФД для длины волны 1,06 мкм является малый коэффициент поглощения излучения. Его значение составляет α~10 см [2]. Вследствие этого даже при весьма большой толщине пластины W~1 мм поглотится только 63% излучения. Из условий, оптимизации рабочего напряжения и быстродействия выбирают еще меньшую толщину пластины, W~450 мкм. Тогда поглощается, при однократном прохождении излучения, только следующая его часть:
где К - доля поглощенного излучения;
W - толщина пластины;
x - глубина поглощения излучения;
α - коэффициент поглощения излучения.
Это в два-три раза меньше, чем квантовый выход в окрестности максимума спектральной характеристики ~0,8-0,9 мкм.
В связи с этим создают на тыльной поверхности подложки отражающую контактную систему, которая обеспечивает повторное прохождение излучения. В этом случае квантовый выход повышается до значений:
Как видно из (1) и (2), чувствительность в этом случае повышается на 60%.
Известно, что высокий коэффициент отражения на длине волны 1,06 мкм имеют такие металлы, как медь (90%), серебро (96%), золото (98,6%) [3]. Медь и серебро, как правило, в качестве контактного материала не используются, так как они легко окисляются и образуют твердые растворы с металлами внешнего вывода - золотом и алюминием. Эти твердые растворы имеют повышенное электрическое сопротивление и низкую механическую прочность.
Золото наиболее пригодно для использования в качестве контактного слоя. Однако оно имеет плохую адгезию к кремнию, поэтому необходимо применять двухслойную систему, в которой золото играет роль верхнего проводящего слоя, а нижний металлический слой обеспечивает адгезию к кремнию. В качестве такого материала может быть использован хром, который имеет высокую адгезию к кремнию и создает хороший омический контакт. Недостатком хрома является низкий коэффициент отражения - 57%.
Известно, что при прохождении излучения через тонкие металлические пленки его интенсивность уменьшается по закону [3]:
0
где I - интенсивность падающего излучения;
х
I - интенсивность излучения, прошедшего через пленку толщиной х;
λ - длина волны;
n и k - оптические постоянные металла.
Для хрома n=3,59; k=1,26 [3].
Рассчитаем долю прошедшего излучения при толщине пленки хрома в контактной системе pin-фотодиода х=20 нм. Из соотношения (3) следует, что доля прошедшего излучения с длиной волны 1,06 мкм через пленку хрома с учетом двойного прохождения (х=40 нм) составляет 11,7%.
Таким образом, для увеличения отражения излучения от отражающей пленки контактной системы необходимо выбрать минимально допустимую толщину пленки хрома так, чтобы она обеспечивала наибольшее пропускание излучения, а отражение происходило от верхней пленки золота.
Уменьшение толщины пленки хрома возможно до такого уровня, при котором обеспечивается адгезия золота к кремнию.
Проведенные эксперименты показали, что минимальная толщина пленки хрома, обеспечивающая адгезию контактной системы к кремнию, составляет 5-6 нм. При такой толщине согласно (3) пропускание пленки хрома при двойном прохождении излучения через нее составляет 58,5% и 52,6% соответственно.
Пример. В соответствии с заявляемой полезной моделью был спроектирован кремниевый pin-ФД, разработана технология напыления тонких пленок хрома (толщина - 5-6 мкм), изготовлены 3 партии pin-ФД.
Напыление контактной системы Cr-Au проводилось на установке L-560 методом резистивного испарения из молибденовых испарителей. Контроль скорости напыления и толщины напыленной пленки осуществлялся in situ с помощью высокочастотного измерителя скорости осаждения и толщины осаждаемых пленок ХТС Инфикон фирмы Leybold-Heraues.
0
имп
На изготовленных фотодиодах измерялась монохроматическая чувствительность к постоянному (S) и импульсному (S) излучению. В таблице 1 приведены сравнительные типовые значения параметров фотодиодов с различными толщинами пленок хрома в контактной системе.
Таблица 1
Толщина пленки Сr в pin-фотодиоде
S<sub>0</sub>
S<sub>имп</sub>
х=20 нм
0,27
0,22
х=5-6 нм
0,43
0,33
Список литературы.
1. А.М.Филачев, И.И.Таубкин, М.А.Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. М.: Физматкнига, 2007 г., 384 с.
2. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов, М.: Мир, 1984 г., т.2, стр.347.
3. Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике, М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962 г., стр.158, 172, 174.