Исследование фотоэлектрических процессов в фотоприемниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Уздовский, Владимир Валерьевич

• Уздовский, Владимир Валерьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Уздовский, Владимир Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ФОТОПРИЁМНИКАХ НА ОСНОВЕ ДИОДОВ ШОТТКИ И ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

1.1. Конструктивные и функциональные особенности фотоприёмников

1.1.1. Сравнение различных типов полупроводниковых фотодетекторов

1.1.2. Фотоприёмники широкого спектрального диапазона

1.1.3. Фотоэмиссионные детекторы на основе барьеров Шоттки

1.1.4. Процессы токопереноса

1.1.5. Приборы с зарядовой связью как элемент считывания и переноса информации в фотоприемниках

1.1.6. Конструктивные особенности и способы физической реализации приборов с зарядовой связью

1.2. Задачи исследования

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ ШОТТКИ С РАЗЛИЧНЫМИ

ТИПАМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДОВ И РАЗЛИЧНЫМ ТИПОМ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПОДЛОЖКИ

2.1. Методика исследования характеристик диодов Шоттки

2.2. Диоды Шоттки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование фотоэлектрических процессов в фотоприемниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью»

Перспективным направлением при разработке фотоэлектрических преобразователей изображения является использование фотоприёмников с барьерами Шоттки и регистрами, считывающими информацию на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Исследование в данной области ведутся в лабораториях России, США и Японии [1-4].

Для дистанционного зондирования в коротковолновом диапазоне инфракрасного излучения ведутся разработки детекторов на основе барьеров Шоттки с металлическим электродом из кобальта и никеля [5,6]. В таких детекторах высота барьера составляет 0,44 эВ и 0,4 эВ, соответственно. Повышенный интерес представляет измерение отражённой энергии в спектральном диапазоне 1-^-3 мкм для оценки ресурсов Земли со спутников [7-11]. Разрабатываются фотоприёмники с барьером Шоттки силицид платины - кремний р-типа, которые могут использоваться для детектирования электромагнитного излучения в спектральном диапазоне 3^-5 мкм [12-14]. Наименьшую высоту барьера Шоттки можно получить, используя силицид иридия на кремнии р-типа [15]. При этом возможна регистрация излучения в спектральном диапазоне 8 ^ 10 мкм. Однако здесь имеются определённые технологические трудности, связанные с воспроизводимостью процесса формирования силицида иридия, так как получить качественную границу раздела сложно, потому что формирование силицида осуществляется посредством диффузии кремния, а не иридия.

В последнее время активно исследуют барьеры Шоттки, в которых в качестве металлического электрода используется золото в сочетании с различными типами полупроводниковых материалов [16-23]. Интерес исследований связан с потребностью создания фотоприёмников с широкой спектральной характеристикой фоточувствительности, охватывающий как ультрафиолетовую, так и инфракрасную область спектра. Использование таких фотоприёмников позволит проводить исследование по оценке ресурсов Земли из космоса, осуществлять ориентацию объектов в космическом пространстве по ультрафиолетовому излучению солнечной короны. Поэтому для разработки фотоэлектрических преобразователей изображения актуальной задачей является исследование фотоэлектрических процессов в фотоприемниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании фотоэлектрических процессов в фотоприёмных устройствах широкого спектрального диапазона с использованием различных типов металлических электродов для барьеров Шоттки на кремниевых подложках с различной кристаллографической ориентацией и различным типом проводимости, а также считывающих регистров на основе приборов с зарядовой связью.

Научная новизна

1. Исследованы спектральные фоточувствительности фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью с чувствительностью в диапазоне длин волн 0,3 ч- 2,2 мкм.

2. Показано, что спектр фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой включают две области, обусловленные поглощением в кремнии и поглощением в тонком металлическом слое фотодиода.

3.Установлено положительное влияние низкотемпературного отжига на стабильность и обратные токи фотоприёмных структур с барьером Шоттки.

4. Установлено, что барьер Шоттки на основе структуры золото -кремний />-типа проводимости обладает наиболее широкополосной спектральной характеристикой фоточувствительности: от 0,3 мкм до 2,2 мкм мкм и наименьшим потенциальным барьером от 0,25 0,40 эВ по сравнению с другими исследованными барьерами Шоттки. Показано, что данный барьер Шоттки может обладать темновыми токами до 20 нА/см2.

5. Показано, что наилучшими характеристиками обладали фотоприемные структуры с тонкими слоями золота ~ 10 -ь 15 нм.

6. Установлено, что образование силицидов золота при низкотемпературном отжиге приводит к уменьшению фоточувствительности фотоприемника в длинноволновой области спектра для длин волн от 1 мкм до 2,2 мкм и увеличению фоточувствительности в коротковолновой области спектра для длин волн от 0,3 мкм до 1 мкм.

7. Показана возможность создания фотоприемных структур на основе диодов Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости и приборов с зарядовой связью, которые позволяют регистрировать ультрафиолетовое или инфракрасное излучение при одновременной регистрации длин волн в видимой области спектра.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований фоточувствительности в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра, приемников излучения на основе структуры тонкий слой металла (молибден, ниобий, золото) -кремний с различной кристаллографической ориентацией и типом проводимости.

2. Результаты экспериментальных исследований по оптимизации технологии изготовления фотоприемников на основе диодов Шоттки со структурой тонкий слой золота - кремний р-типа проводимости обладающих фоточувствительностью в спектральном диапазоне 0,3 мкм - 2,2 мкм.

3. Результаты теоретических исследований и численного моделирования на ЭВМ фоторелаксации носителей заряда в приповерхностном и объемном каналах приборов с зарядовой связью.

4. Результаты численного моделирования на ЭВМ по оптимизации значений потенциалов на электродах приборов с зарядовой связью, позволяющих надежно удерживать носители заряда в потенциальных ямах приповерхностного и объемного каналов.

5. Результаты экспериментальных исследований по модификации спектральных характеристик фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью с помощью низкотемпературного отжига.

Результаты данной работы, могут быть использованы для улучшения рабочих характеристик выпускаемых в настоящее время фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью, а также для оптимизации конструктивно-технологических параметров при разработке новых высокочувствительных с широкой спектральной полосой фотоприемных устройств.

Достоверность результатов исследований заключается в следующем: работа представляет собой комплексное теоретическое и экспериментальное исследование. Теоретические положения базируются на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов, структур металл - диэлектрик - полупроводник. Экспериментальные исследования выполнены с использованием традиционных оптических, электрических и зондовых методов, характерных для работы с фотоприемными устройствами на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования имеют хорошее соответствие, что подтверждает достоверность результатов исследований.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Уздовский, Владимир Валерьевич

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать следующим образом:

1. Исследованы спектральные фоточувствительности фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью с чувствительностью в диапазоне длин волн 0,3 + 2,2 мкм.

2. Показано, что в спектре фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью можно выделить две области, обусловленные поглощением в кремнии и поглощением в металлическом слое фотодиода.

3. Установлено положительное влияние низкотемпературного отжига на стабильность и обратные токи фотоприёмных структур с барьером Шоттки.

4. Установлено, что барьер Шоттки на основе структуры золото -кремний р-типа проводимости обладает наиболее широкополосной спектральной характеристикой фоточувствительности: от 0,3 мкм до 2,2 мкм и наименьшим потенциальным барьером от 0,25 + 0,40 эВ по сравнению с другими исследованными барьерами Шоттки. Показано, что данный о барьер Шоттки может обладать темновыми токами до 20 нА/см .

5. Показано, что наилучшими характеристиками обладали фотоприемные структуры с тонкими слоями золота ~ 10 -т- 15 нм.

6. Установлено, что образование силицидов золота при низкотемпературном отжиге приводит к уменьшению фоточувствительности фотоприемника в длинноволновой области спектра для длин волн от 1 мкм до 2,2 мкм и увеличению фоточувствительности в коротковолновой области спектра для длин волн от 0,3 мкм до 1 мкм.

7. Показана возможность создания фотоприемных структур на основе диодов Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости и приборов с зарядовой связью, которые позволяют регистрировать ультрафиолетовое или инфракрасное излучение при одновременной регистрации нескольких диапазонов длин волн в видимой области спектра.

Выражаю глубокую благодарность моим научным руководителям докт. физ.-мат. наук Романову Валерию Павловичу, канд. физ.-мат. наук Минаеву Вячеславу Вениаминовичу за постоянное внимание и помощь при выполнении работы, а также моему научному консультанту канд. физ.-мат. наук Хайновскому Владимиру Ивановичу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Уздовский, Владимир Валерьевич, 2005 год

1. Lin T.L., Park J.S., Gunapala S.D., Jones E.W. and Del Castillo H.M., "Doping-spike PtSi Schottky infrared detectors with extended cutoff wavelengths" // IEEE Trans. Electron Devices, v. 42, 1995, p. 1216-1220

2. Kosonocky W.F., Shallcross F.V., Villani T.S. and Groppe J.V., "160x244 element PtSi Schottky-barrier IR-CCD image sensor" // IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-32, 1995, p. 1564-1572

3. Villani T.S., Esposito B.J., Pletcher T.J., Sauer D.J., Levine P.A., Shallcross F.V., Meray G.M., Tower J.R., "Performance of generation III 640 x 480 PtSi MOS array" // Proc. SPIE, v. 2225, 1994, p. 2-10

4. Shoda M., Akagawa K. and Kazama T., "A 410k pixel PtSi Schottky-barrier infrared CCD image sensor" // Proc. SPIE, v. 2744, 1996, p. 23-32

5. Kurianski J., Vermeiren J., Claeys C., Stessens W., Maex K. and Keersmaecker R. De, "Development and evaluation of CoSi2 Schottky barrier infrared detectors" // Proc. SPIE, v. 1157, 1989, p. 145-152

6. Kurianski J., Dammer J. Van, Vermeiren J., Maex M. and Claeys C., "Nickel silicide Schottky barrier detectors for short wavelength infrared applications" // Proc. SPIE, v. 1308, 1990, p. 27-34

7. Elabd H., Villani T.S. and Tower J.R., "High density Schottky-barrier infrared charge-coupled device (IRCCD) sensors for short wavelength, infrared (SWIR) application at intermediate temperature" // Proc. SPIE, v. 345, 1982, p. 161-171

8. Elabd H., Villani T. and Kosonocky W., "Palladium-silicide Schottky-barrier IR-CCD for SWIR applications at intermediate temperatures" // IEEE Electron Device Lett., v. EDL-3, 1982, p. 89-90

9. Tower J.R., Cope A.D., Pellon L.E., McCarthy B.M., Strong R.T., Kinnard K.F., Moldovan A.G., Levine P.A., Elabd H., Hoffman D.M.,

10. Kramer W.M., Longsderff R.W., Kennerly R.E. and Calvine W.M., "Development of multispectral detector technology" // Proc. SPIE, v. 570, 1985, p. 172-183

11. Tower J.R., Pellon L.E., McCarthy B.M., Elabd H., Moldovan A.G., Kosonocky W.F., Kakshoven J.E. and Tom D., "Shortwave infrared 512 x 2 line sensor for earth resources applications" // IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-32, 1985, p. 1574-1583

12. Sauer D.J., Shallcross F.V., Hsueh F.L., Meray G.M., Levine PA., Gilmartin H.R., Villani T.S., Esposito B.J. and Tower J.R., "640x480 MOS PtSi IR sensor" // Proc. SPIE, v. 1540, 1991, p. 285-296

13. Gates J.L., Connelly W.G., Franklin T.D., Mills R.E., Price F.W. and Wittwer T.Y., "488 x 640-element platinum silicide Schottky focal plane array" // Proc. SPIE, v. 1540, 1991, p. 262-273

14. Pellegrini P.W., Golubovic A. and Ludington C.E., "A comparison of iridium silicide and platinum silicide photodiodes" // Proc. SPIE, v. 782, 1987, p. 93-98

15. Рюхтин В. В., Добровольский Ю. Г., Шимановский А. Б., "Кремниевые р-п-фотодиоды для ультрафиолетовой области спектра" // ТКЭА, № 4-5, 2001, с. 44-46

16. Ascheulov A. A., Godovanjuk V. M., Dobrovolsky Yu. G. and oth., "Silicon р-г'-я-photodiode with little value of dark proceed" // SPIE, v. 3890, 1999, p. 119-124

17. Астахов В. П., Гиндин Д. А., Карпов В. В., Сорокин К. В., "О влиянии сопротивления поверхностного канала на темновой ток квадрантных p-i-n фотодиодов на кремнии" // Прикладная физика, №2, 1999, с. 79-85

18. Pecz В., "Contact formation in SiC devices" // Appl. Surf. Sci., v. 153, 2001, p. 1-8

19. La Via F., Roccaforte F., Makhtari A., Raineri V., Musumeci P., Calcagnom L., "Structural and electrical characterization of titanium and nickel silicide contacts on silicon carbide" // Microectron. Eng., v. 60, 2002, p. 269-282

20. Defives D., Durand O., Wyczick F., Noblanc O., Brylinski C., Meyer F., "Electrical behavior and microstructural analysis of metal Schottky contacts on 4H-SiC" // Microectron. Eng., v. 55, 2001, p. 369-374

21. Афанасьев А.В., Ильин B.A., Коровкина H.M., Савенко А.Ю., "Особенности технологий и свойств фотодетекторов на основе структур металл пористый карбид кремния" // Письма в ЖТФ, том 31, вып. 15, 2005, с. 1

22. Рогальский А., "Инфракрасные детекторы" // Пер. с англ. под ред. А.В.Войцеховского, Новосибирск: Наука, 2003, 636 с.

23. Носов Ю.Р., Шилин В.А., "Полупроводниковые приборы с зарядовой связью" // М.: Сов. радио, 1976, 280 с.26