Кремниевые фотоприемники с избирательной чувствительностью в ближней ультрафиолетовой области оптического спектра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Ласткин, Валентин Александрович

• Ласткин, Валентин Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Ласткин, Валентин Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ФОТОПРИЕМНИКИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА

1.1 Особенности полупроводниковых УФ фотодиодов

1.2 Материалы для изготовления УФ фотоприемников

1.2.1 Фотоприёмники на основе ваАв

1.2.2 Фотоприемники на основе ваР

1.2.3 Фотоприемники на основе нитридов

1.2.4 Фотоприемники на основе

1.2.5 Фотоприемники на основе алмаза

1.2.6 Фотоприемники на основе полупроводников

типа АПВУ1

1.3 Кремниевые УФ фотоприемники

1.3.1 Фотодиоды на основе инверсионного слоя

1.3.2 Фотодиоды с барьером Шоттки

1.3.3 Фотодиоды с р-п-переходом, сформированным акцепторами

1.3.4 Фотодиоды с р-п-переходом, сформированным донорами

1.3.5 Система люминофор - кремниевый фотоприемник

1.4 Кремниевые УФ фотоприемники с селективной чувствительностью

1.4.1 Фотодиоды с тонким эпитаксиальным слоем

1.4.2 Фотодиоды с тормозящим полем и УФ фильтром

1.4.3 Использование системы "кремний на изоляторе"

1.4.4 Трехдиапазонный УФ фотоприемник

1.6 Выводы

ГЛАВА 2 ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО УФ ФОТОДИОДА

2.1 Выбор примеси для создания мелкозалегающих р-п-переходов

2.2 Разработка техпроцессов для создания мелких

р-л-переходов

2.3 Исследование ионно-легированных профилей мышьяка

2.3.1 Анодное окисление кремния

2.3.2 Определение концентрации и коэффициента термодиффузии

2.4 Технология изготовления УФ фотодиода

2.5 Выводы

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИКОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФОТОДИОДОВ

3.1 Относительная спектральная характеристика

3.2 Абсолютная токовая чувствительность

3.2.1 Измерение ультрафиолетовой чувствительности

3.2.2 Измерение длинноволновой чувствительности

3.3 Исследование спектрального состава источников излучения

3.4 Установка для исследования вольтамперных характеристик

3.5 Выводы

ГЛАВА 4 СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ УФ ФОТОДИОДОВ

4.1 Дозовая зависимость УФ чувствительности

4.2 Влияние легирования через окисную плёнку

4.3 Сравнение ионно-легированных фотодиодов с инверсионным и диффузионным

4.4 Влияние уровня легирования подложки на спектральную

чувствительность

4.5 Влияние неоднородно легированной подложки

4.6 Влияние встроенного тормозящего поля

4.7 Использование УФ фильтров

4.8 Основные характеристики разработанных фотоприемников

4.8.1 Широко диапазонный УФ фотодиод

4.8.2 Селективный УФ фотодиод

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

]

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кремниевые фотоприемники с избирательной чувствительностью в ближней ультрафиолетовой области оптического спектра»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современной оптоэлектроники требует все более широкого освоения различных диапазонов оптического спектра. В последнее время большой интерес вызывает ультрафиолетовый (УФ) диапазон. Работающие в этом диапазоне устройства находят широкое применение, как коммерческое, так и военное. В коммерческом секторе это: пожарные датчики обнаружения пламени, диагностика плазмы, зондирование атмосферы, спектральный анализ биологических и химических веществ, контроль качества пищевых продуктов, приборы для измерения биодоз УФ в медицине (мониторы загара, приборы стерилизации). Среди военных применений можно отметить обнаружение факела двигателей стартующих ракет, слежение за воздушными целями, закрытую связь между искусственными спутниками, поскольку УФ лучи не проникают сквозь озоновый слой земной атмосферы. Во многих случаях желательно, чтобы фотоприемник имел высокую чувствительность в УФ диапазоне и низкую в других областях оптического спектра. Например: использование УФ канала в многоспектральных датчиках противопожарных систем дает возможность отличить излучение пламени от солнечных бликов или излучения просто нагретых объектов, что позволяет существенным образом повысить их надежность и исключить ложные срабатывания. Подавление чувствительности в видимой области может быть достигнуто при использовании широкозонных твердотельных фотодетекторов или вакуумных фотоэлементов. Вакуумные приборы отличаются большими размерами, невысокой надежностью и сравнительной дороговизной, что ограничивает их применение в современной электронике. Имеющийся в настоящее время набор известных полупроводников с широкой запрещенной зоной позволяет принципиально реализовать любые технические требования. Однако, технология широкозонных материалов и приборов на их основе часто вызывает значительные проблемы, оказывается чрезвычайно затратной, особенно когда речь идет о приемниках с большой чувствительной площадкой. Среди прочих

большой практический интерес могли бы представлять кремниевые УФ фотоприемники. Кремний технологичен, имеет низкую стоимость, хорошо освоен промышленностью и фотоприёмники на основе кремния хорошо зарекомендовали себя в оптоэлектронике. Вместе с тем, классические кремниевые фотоприемники отличаются высокой чувствительностью в видимом и ближнем ИК диапазонах и слабой в УФ области. Для повышения УФ чувствительности требуется разработка специальных поверхностно-барьерных структур, уменьшающих влияние поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда. Для снижения чувствительности в видимой области можно использовать УФ светофильтры. Однако, этот вариант приводит к росту цены, кроме того увеличиваются размеры ФП и вносятся дополнительные оптические потери. Интересным является вариант формирования самой структуры ФП, имеющей селективную спектральную чувствительность. Однако, для его реализации требуется разработка специальных технологических процессов, направленных на снижение области собирания фотоносителей, образованных видимым и ИК излучением.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка кремниевого фотоприемника с высокой избирательной чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:

- разработать технологические процессы для получения высокой чувствительности кремниевых фотодиодов (ФД) в УФ области спектра;

- разработать методы анализа и контроля субмикронных полупроводниковых слоев, необходимых при изготовлении УФ фотодиодов;

- разработать технологические процессы для снижения чувствительности кремниевых ФД к видимому й ИК диапазонам без потери чувствительности в УФ части спектра;

- исследовать спектральную чувствительность разработанных фотоприемных структур.

Методы исследования. Для решения поставленных задач проводились вариации технологических методов получения фоточувствительных структур; измерялись электрические параметры, включающие вольт-амперные характеристики, вольт-фарадные характеристики; для исследования спектральных характеристик использовались оптические методы измерения спектральной чувствительности.

Научная новизна работы:

- Установлена высокая эффективность использования субмикронных р-п-переходов, сформированных имплантацией мышьяка, для повышения чувствительности кремниевых фотоприемников в УФ области спектра.

- Получена зависимость чувствительности кремниевых ФД в УФ области спектра от дозы имплантации мышьяка. Установлено максимальное значение дозы примеси, превышение которой приводит к спаду фоточувствительности в УФ диапазоне.

- Разработана технология селективных кремниевых фотодиодов с максимумом чувствительности в УФ области спектра.

Обоснованность и достоверность технических и экспериментальных исследований основана на использовании апробированных методик исследования, согласием экспериментальных данных с теорией приборов, широким обсуждением результатов на конференциях и семинарах, включая публикации в рецензируемых журналах.

Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

- Изготовлены и внедрены в производство широкодиапазонные фотодиоды с высокой чувствительностью в ближнем ультрафиолетовом диапазоне.

- Разработанная технология получения субмикронных /?->г-переходов может быть использована при изготовлении биполярных и полевых транзисторов СВЧ диапазона.

- Разработана методика анализа концентрационных профилей для субмикронных полупроводниковых слоёв методом послойного травления тестовых структур Ван дер Пау.

- Освоена технология кремниевых ФД со встроенным "тормозящим" полем в базе, позволившая значительно снизить чувствительность УФ фотоприемников в видимом и ИК диапазонах оптического спектра.

Результаты диссертационной работы представляют практический и научный интерес для специалистов:

- работающих в области проектирования и производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем;

- потребителей данной продукции с целью контроля и анализа оптического излучения в медицине, спектроаналитических исследованиях, военной и гражданской технике.

Материалы исследований были освещены в шести дипломных проектах для подтверждения квалификаций бакалавр, инженер и магистр в Новгородском государственном университете по специальности "электроника и микроэлектроника".

Перечень публикаций приведен в заключении.

На конкурсе персональных грантов "Участник молодежного научно-исследовательского конкурса" в 2009 году получен грант государственной поддержки.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Использование процесса ионной имплантации мышьяка позволяет формировать в кремнии субмикронные я+-р-переходы с высокой квантовой эффективностью в УФ области.

2) Для сохранения высокой чувствительности в УФ области доза имплантации мышьяка не должна превышать 200 мкКл/см .

3) Использование встроенного тормозящего электрического поля позволяет существенно снизить фоточувствительность в видимой и ближней ИК области.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Конкурсные работы аспирантов и молодых ученых по направлению "Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности" 2009 г., Санкт-Петербург.

2. XI всероссийская молодежная научная школа "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические основы и применение", 2007 г., Саранск.

3. XII Всероссийская молодежная научная школа "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические основы и применение" 2008 г., Саранск.

4. XVI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" 2009 г., Зеленоград.

5. IX научно-техническая конференция "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" 2010 г., Звенигород.

6. X научно-техническая конференция "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" 2011 г., Дубна.

7. XV научная конференция НовГУ 2008 г., Великий Новгород.

8. XI Всероссийская научно-техническая конференция "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" 2012 г., Дубна.

9. IV Всероссийская конференция "Физические и физико-химические основы ионной имплантации" 2012 г., Новосибирск.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендуемых ВАК: одна статья в научно-техническом журнале "Датчики и системы"; одна статья в научно-техническом журнале "Электроника: наука, технология, бизнес"; две статьи в научно-техническом и прикладном журнале Вестник Новгородского Государственного университета. Остальные 10 статей опубликованы на всероссийских и межвузовских научно-технических конкурсах и конференциях. Перечень публикаций приведен в заключении.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 102 наименований. Объем диссертации составляет 164 страницы, включая 99 рисунков, 8 таблиц.

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены научные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена анализу современного состояния и развития ультрафиолетовых фотоприемников, изготовленных на основе различных полупроводниковых материалов. Рассмотрены особенности каждого из материалов, отмечены преимущества и недостатки разрабатываемых на их основе УФ датчиков. Особое внимание уделено разработкам УФ фотоприемников на основе кремния, как самого популярного, отработанного и хорошо изученного полупроводника. Определены основные проблемы

изготовления кремниевых УФ датчиков, требующие дальнейшего изучения и исследований.

Во второй главе рассмотрены основные принципы построения и технология изготовления кремниевых УФ фотодиодов. Приведено обоснование выбранной технологии прибора, включающей определение типа примеси и способа получения субмикронных р-и-переходов. Основное внимание было уделено рассмотрению упрощенных математических моделей, описывающих процессы ионного легирования мышьяка в кремний. Дано подробное описание метода исследования ионно-легированных концентрационных профилей мышьяка с помощью методики послойного травления и четырехзондовых исследований. Описана методика расчета коэффициента термодиффузии мышьяка при отжиге ионно-имплантированных структур. Показаны основные технологические этапы изготовления кремниевых фотодиодов с высокой квантовой эффективностью в УФ диапазоне.

В третьей главе излагаются методики измерения основных метрологических параметров исследуемых приборов. Приведена методология исследования спектральной относительной и абсолютной чувствительности фотодиодов. Описано основное метрологическое оборудование, которое было использовано для проведения оптикоэлектрических измерений.

Четвертая глава посвящена описанию экспериментов и результатов исследований способов управления спектральной характеристикой кремниевых фотодиодов, с целью получения высокой избирательной чувствительности в ультрафиолетовой области спектра. Приведены спектральные характеристики фотодиодов различных конструкций и способов изготовления. Рассмотрены методы управления чувствительностью фотодиодов в длинноволновой и коротковолновой частях спектра. По результатам исследований проведен

сравнительный анализ разработанных конструкций фотодиодов с существующими аналогами отечественного и зарубежного производства.

В заключении сделаны выводы по работе и даны рекомендации по дальнейшему развитию кремниевых ультрафиолетовых фотодиодов, приведен перечень опубликованных научных статей.

ГЛАВА 1 ФОТОПРИЕМНИКИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА

1.1 Особенности полупроводниковых УФ фотодиодов

Естественным источником ультрафиолетового излучения является Солнце, основная энергия которого достигает поверхности Земли в видимом и инфракрасном спектральном диапазоне. УФ излучение, попадающее в атмосферу Земли, занимает участок длин волн от 200 до 400 нм. В этом диапазоне выделяют три области, которые различаются по биологическому воздействию и проникающей способности: УФ-А (315 - 400 нм), УФ-В (280 - 315 нм) и УФ-С (200-280 нм)[1].

В последнее время в мире интенсивно развиваются полупроводниковые фотоприемники УФ диапазона [2-10] для использования в ряде важнейших применений [2,3]:

— экологии (например, для контроля „озоновой дыры" над Землей);

— биотехнологии (синтез витаминов ^и Бз);

— медицине (физиотерапия, аутотрансфузия крови, профилактика простудных заболеваний, индикация канцерогенного излучения).

Кроме того, УФ диапазон привлекателен для решения многих задач оборонного назначения. Например, в ответ на развитие средств' ПВО разработчики головок самонаведения ракет включают в них дополнительные "цвета" — в последние 10-15 лет это УФ-диапазон 0,25-0,35 мкм [9]. Наиболее эффективное обнаружение пламени можно получить от ракеты переносного зенитно-ракетного комплекса (ПЗРК) и других источников открытого пламени. При этом детектор УФ-излучения может быть использован как дополнительное средство, например к ИК-системе обнаружения. В ИК-спектре выхлопной хвост ракеты может достигать нескольких сотен метров. УФ-датчик при приближении к ракете зафиксирует только источник пламени, и наведение будет очень точным.

Полупроводниковые фотоприемники, особенно структуры с потенциальным барьером, имеют высокую эффективность, малые вес и габариты, не чувствительны к магнитным полям, имеют большую надежность, чем вакуумные фотоэлементы. Полупроводниковые фотоприемники обычно характеризуются рядом параметров, главные из которых:

— спектральная область фоточувствительности, АХ;

— квантовая эффективность или токовая фоточувствительность, г|, Бь*

— площадь фотоприемной поверхности, 8эф",

— удельная обнаружительная способность, Б*;

— порог фоточувствительности (шумовой эквивалент мощности);

— быстродействие, т (или граничная рабочая частота);

— температурные коэффициенты параметров ост;

— операционные параметры: стабильность, устойчивость к ионизирующему излучению, максимально допустимое рабочее напряжение У^, масса т, габариты.

Спектральная чувствительность фотоприемников в УФ области спектра определяется многими факторами, главный из которых — ширина запрещенной зоны используемого полупроводника. Длинноволновая граница идеального УФ фотоприемника должна соответствовать границе видимой и УФ областей (А, = 0.38 мкм), т.е. коэффициент поглощения света в исходном полупроводнике должен быть как можно меньшим при А> 0.38 мкм и как можно большим при Х< 0.38 мкм. С этой точки зрения наиболее перспективны материалы с Её > 3 эВ. Однако круг применяемых полупроводников определяется не только значением Е8. Необходимо учитывать такие факторы, как коэффициент отражения и коэффициент преломления материала в УФ области спектра, состояние поверхности, ее дефектность и др. При выборе исходного полупроводника важную роль также играет и уровень разработки технологии его получения.

Главной проблемой, которая стоит перед производителями этих приборов, является проблема материаловедения широкозонных полупроводников. Ультрафиолетовая фотоэлектроника началась в 60-е годы 20-го века с кремниевых

приборов, поскольку Si был освоен промышленностью и к этому времени уже хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для солнечных элементов. В то же время высокая чувствительность кремниевых фотоприемников к видимому и особенно к инфракрасному (ИК) излучению потребовала использования более широкозонных полупроводников, и в 80—90-е годы наиболее распространенным стал GaP, который к этому времени уже применялся для светоизлучающих диодов [3]. Однако необходимость в солнечно-слепых фотоприемниках, главным образом для регистрации пламени ракет, вызвала в последнее время "нитридный бум" - интенсивно осваиваются широкозонные полупроводники: GaN, AIN и твердые растворы на их основе. Следует отметить, что фоточувствительность УФ фотоприемников существенно зависит от эффективности разделения носителей тока, возбужденных коротковолновым светом в приповерхностной области. Это накладывает жесткие условия на качество поверхности полупроводника. Следует добиваться малой плотности поверхностных состояний, низкой скорости поверхностной рекомбинации, отсутствия нарушенного поверхностного слоя. К наиболее часто используемым типам УФ фотоприемников относятся фотодиоды с мелким р-и-переходом, гетерофотодиоды с широкозонным «окном», а также диоды Шоттки. Далее рассмотрены основные полупроводниковые материалы и их свойства, которые получили наибольшую актуальность на сегодняшний день для создания фотоприемников ультрафиолетового диапазона.

1.2 Материалы для изготовления УФ фотоприемников

1.2.1 Фотоприёмники на основе GaAs

Арсенид галлия, как более широкозонный по сравнению с кремнием полупроводник (Eg= 1,43 эВ при Т = 300 К), является перспективным материалом для создания фотоприемников видимого и УФ излучения с повышенными рабочими температурами [8]. Более высокая подвижность

носителей обеспечивает хорошее быстродействие приборов. Спектральная область фоточувствительности обычных фотодиодов на основе ваАв находится в диапазоне 0,3 ... 0,9 мкм с максимумом вблизи 0,85 мкм. Для получения высокой чувствительности в УФ области спектра использовалась структура металл-полупроводник. В качестве полупрозрачного барьерного контакта наиболее часто применяется золото, дающее наибольшую высоту барьера. Оно характеризуется слабой зависимостью коэффициента пропускания от Я и большой устойчивостью к воздействию внешней среды. Полупрозрачный барьерный контакт получали либо вакуумным напылением металла, либо электрохимическим или химическим осаждением. Оптимальная толщина слоя золота составила 9...15 нм. Для уменьшения поверхностных утечек и увеличения напряжения пробоя формируются мезаструктуры с охранными кольцами. В качестве герметизирующего покрытия, служащего одновременно и просветляющим окном, используются диэлектрические слои 8Ю2, Zr02, ZnS. На рисунке 1.1 представлена спектральная характеристика фотодиода на основе ваАБ.

А/Вш 2«

%г

0 o,z <?,« 0,6 ты

Рисунок 1.1 - Спектральная характеристика фотодиода на основе

контакта Au-n-GaAs [8]

Фотодиоды на основе арсенида галлия обладали широким динамическим диапазоном и выдерживали сильные засветки. Повышение температуры до 80 С

незначительно изменяло их фоточувствительность. Замена слоя золота,

обладающего постоянной прозрачностью практически во всем диапазоне спектральной чувствительности арсенида галлия, другим металлом с селективной прозрачностью в УФ области позволило создать УФ фотоприемники с селективной фоточувствительностью. На основе структуры Ag-GaAs был создан фотоприемник с максимумом фоточувствительности при X = 0,32 мкм [86]. Полупрозрачный слой серебра создавали вакуумным напылением при температуре подложки 150°С. Оптимальная толщина слоя Ag 40 нм. Исходным материалом служил монокристаллический ваАБ с

17 3

концентрацией электронов примерно 3-10 см" . Поверхность его обрабатывалась в растворе брома с метанолом. Омическим контактом служил слой серебра, напыленный на поверхность ваАБ и отожженный при 400°С в атмосфере водорода. Диаметр чувствительной площадки фотодиода составил 1 мм. К недостаткам ваАэ фотодиодов с барьером Шоттки следует отнести трудности, связанные с достижением воспроизводимости и контроля формирования качественных тонких полупрозрачных пленок металлов. Эти сложности приводят к высоким значениям темновых токов. Кроме того, чувствительность материала ко всему спектру видимого излучения делает их малоперспективными для создания солнечно-слепых приборов.

1.2.2 Фотоприемники на основе СаР

Использование СаР в фотоприемниках для УФ области спектра основано на том, что, хотя ваР имеет Её= 2.27эВ, что значительно меньше энергии квантов УФ излучения, этот полупроводник непрямозонный и имеет пороговую энергию прямых оптических переходов с высоким коэффициентом поглощения света (Е0 = 2.8эВ), достаточно близкую к границе УФ области спектра. Благодаря большой ширине запрещенной зоны спектральная область чувствительности фотодиодов Шоттки составляет 0.2 - 0.55 мкм (рисунок 1.2) с максимумом при - 0.4 мкм. При этом величина 57 достигает 0.12 А/Вт в максимуме спектра и 0.03 А/Вт при 0.254 мкм. Величина £)* в этих структурах

достигает 1013 - 1014Вт1-Гц1/2 •см. Использование оксида на основе соединения индия и олова (1ТО) вместо А и позволило увеличить фоточувствительность до 0.3-0.4 А/Вт.

Длина волны, мкы

Рисунок 1.2 - Спектр фоточувствительности фотоприёмника на основе

Au-n-GaP [3]

Недостаток структур на основе фосфида галлия заключается в образовании токсичных соединений при химической и механической обработке, а также наличие чувствительности в синей и зелёной областях видимого спектра. Для устранения чувствительности к видимому свету GaP фотодиоды комплектуются УФ светофильтрами.

1.2.3 Фотоприемники на основе нитридов

Фотоприемники на основе полупроводниковых нитридов перспективны для УФ области спектра, поскольку их ширина запрещенной зоны близка к границе видимой и УФ областей спектра. Система AIN - GaN образует непрерывный ряд прямозонных твердых растворов, позволяющих создавать фотоприемники с резким длинноволновым краем фоточувствительности, расположенным практически в любом месте ближней УФ области [3]. Диоды Шоттки на основе структур Pd-n-GaN-n+-GaN (п =3-1016-1017 см"3, п+=3- 1018см"3)

имели спектральную область чувствительности 0.25 - 0.37 мкм, величину 81 =0.16 А/Вт, которая мало изменялась во всем спектральном диапазоне (рисунок 1.3).

А/Вт

0.00

0.24 0.28 0.32 0.36 0.40 0.44 0.4$ Длина волны, мкм

Рисунок 1.3 - Спектр чувствительности фотоприёмника типа Pd-n-GaN [3]

Основные свойства таких фотоприемников существенно зависели от качества исходного материала, которое в основном определялось величиной рассогласования постоянных решетки подложки и эпитаксиального слоя А а/а. Из-за отсутствия собственной подложки GaN обычно выращивается на сапфире, где Аа/а = 16% или на SiC (Аа/а =3.2%).

Твердые растворы GaN - A1N используются для изготовления солнечно-слепых (solar-blind) фотоприемников (А, < 0.3 мкм), а также приемников, нечувствительных к видимому и ИК излучению (blind to the optical light, cX< 0.38 мкм), которые используются для регистрации УФ излучения Солнца в космосе и на Земле. С ростом содержания A1N в твердом растворе AlxGai.xN длинноволновый край фоточувствительности сдвигается в сторону более коротких волн (рисунок 1.4). Он соответствует: X = 0.365 мкм (х = 0), X = 0.32 мкм (х=0.35), X = 0.23 мкм (х = 0.75), X = 0.2 мкм (х = 1). Обычно этот край очень резкий: с ростом длины волны X от 0.3 до 0.36 мкм (при х = 0.36) или от 0.285 до 0.35 мкм (при х=0.35) токовая чувствительность Sj уменьшается на 4 порядка величины.

а/Вт si

ir2

1 rs -

1(Г3

I0-4

lûr6

0.24 0.28 0J2 0.36 0.40 0.44 0.48 Длина волны, мкм

■........' ........* ■ ■■■»■ > ' - » - ' - ■ » '.........' - ■■ ■

Рисунок 1.4 - Спектры фоточувствительности AlxGai.xN-фотоприёмников с барьером Шоттки при различном содержании A1N в твёрдом растворе [3]

В УФ области величина Si почти постоянна и составляет: 0.05А/Вт при нулевом смещении и 0.11 А/Вт при смещении -5В.

К недостаткам фотоприемников на основе нитридов следует отнести низкое качество исходных структур, их высокая стоимость и сложности, связанные с технологической обработкой самого материала при изготовлении приборов.

1.2.4 Фотоприемники на основе SiC

Карбид кремния благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам стал популярным материалом для изготовления силовых приборов. Важными достоинствами SiC являются: наличие собственной подложки, высокая насыщенная скорость электронов, большие значения теплопроводности и критической напряженности поля. Приборы на SiC способны работать при высоких температурах (высокотемпературная электроника) и при высоких напряжениях и токах [3, 11]. Отсутствие деградации при мощном длительном УФ облучении (в отличие от других материалов) и нечувствительность SiC-фотодиодов к видимому и ИК излучению делают данный материал

привлекательным для создания УФ фотоприемников [5]. Карбид кремния имеет множество политипов, причем наиболее актуальными для УФ фотометрии являются бН-БЮ и 4Н-8Ю с Её= 3.0 и 3.23эВ, соответственно. Фотоприемники с барьером Шоттки Сг-п-БЮ имели спектральную область фоточувствительности 0,2—0,4 мкм с максимумом при 0,275 мкм, где 57 = 0.15А/Вт. Эти приборы могли работать при высоких напряжениях и

16 17 3

температурах, например, фотодиоды Аи-п- Н-81С (и=5-10 -10 см" ) работали вплоть до 573 К. Напряжение пробоя Упроб= 100-170 В при 300 К (обратный ток при V < У^ не превышал Ю"10 А). Особенности зонной структуры 4Н-8Ю дали уникальную возможность создать полосовой фотоприемник со спектром, близким к спектру бактерицидного излучения: спектральная область 0.24—0.3 мкм с максимумом при 0.252 мкм (ц- 0.3) (рисунок 1.5).

Длина волны, мкм

Рисунок 1.5- Спектр фоточувствительности фотоприёмника с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ласткин, Валентин Александрович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 8.590-2001. Средства измерений характеристик ультрафиолетового излучения в охране труда. - М.: ГУП ВНИИОФИ, 2001. -53 с.

2. Зотов В.Д. Современные средства детектирования УФ излучений и их применение / В.Д. Зотов, Е.П. Виноградова, Р.С. Грошев // Труды конференции "Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения". - Москва, октябрь 2010. - С. 533-541.

3. Бланк Т.В. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра / Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг //ФТП. - 2003.

- Т.37, вып 9. - С.1025-1055.

4. Ламкин И.А. Солнечнослепые и видимослепые фотодетекторы на основе AlGaN / И.А. Ламкин, С.А. Тарасов, С.Ю. Курин, В.Н. Жмерик // Тезисы докладов 9-й Всероссийской конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия

- структуры и приборы". - Санкт-Петербург, 2013. - С. 115-116.

5. Афанасьев А.В. Ильин В. А. Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения. Патент РФ на изобретение № 2292609 С1. -2006.

6. Матричные фотоприемные модули ультрафиолетового диапазона спектра на основе гетероэпитаксиальных структур AlGaN / К.О. Болтарь, И.Д. Бурлаков, Н.И. Яковлева и др. // XI Всероссийская конференция "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы". - 2013. - С. 108-110.

7. Kalinina Е. Selective 4H-SiC UV detectors / E. Kalinina, O. Konstantinov, A. Lebedev, Yu. Gol'dberg // ECSCRM-2012 "Silicon Carbide and Related Materials 2012". - Saint-Petersburg, 2012. - p. 1014-1017.

8. Анисимова И.Д. Полупроводниковые фотоприёмники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра / И.Д. Анисимова, И.М. Викулин, и др.; Под ред. В.И. Стафеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

9. Колежук К.В. Новое поколение фотоприемников ультрафиолетового излучения / К.В. Колежук, В.Н. Комащенко, Г.И. Шереметова, Ф.И. Коржинский, В.М. Чмиль // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2003. - №3. - С. 51-52.

10. Алтухов А. А. Ультрафиолетовый фотоприемник для спектрального диапазона 0,19-0,28 мкм на природном алмазе типа 2а / А. А. Алтухов, В. В. Ерёмин, В. А. Киреев, А. В. Митёнкин // Прикладная физика. - 2006. - № 2. - С. 66.

11. Иванов П.А. Влияние быстрой термообработки на вольт-амперные характеристики 4Н-81С-диодов с барьером Шоттки / П.А. Иванов, Н.Д. Ильинская, А.С. Потапов, Т.П. Самсонова, А.В. Афанасьев, В.А. Ильин // ФТП. - 2013. - Т. 47. - вып. 1. - С. 83 - 86.

12. Селезнёв Б.И. Ионная имплантация и радиационные дефекты в полупроводниках / Б.И. Селезнёв // Метод, указания к курсам лекций./ НовГУ им. Ярослава Мудрого. - Новгород, 1996. - 49 с.

13. Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов / Л.П. Павлов. - М.: Высш. шк., 1987. - 239 с.

14. Добровольский Ю.Г. Кремниевые p-n-фотодиоды для ближней ультрафиолетовой области спектра / Ю.Г. Добровольский, В.В. Рюхин, А.Б. Шимановский // Компоненты для электронной аппаратуры. - 2001. - № 4-5. - с. 44-46.

15. Hamamatsu Photodiodes // Cat. N KPD0001E06. - Dec. 1997.

16. EG&G Optoelectronics // Short from catalog emitters and detectors. -1996.-issue 1.

17. Korde R. Stable, high quantum efficiency, UV-enhanced silicon photodiodes by arsenic diffusion / R. Korde, J. Geist // Solide-state Electronics. -1987. - v.30. - №1. - p. 89-92.

18. R. E. Tressler, H. J. Boglin, J. Monkpwski, J. Stach, Gabe De Munda and C. Volk// Solid-St. Techn. - 1984. - 27,165.

19. R. S. Korde, P. N. Goswami and M. S. Tyagi // J. Inst. Electron. Tetecomm. Engrs. - India, 1979. - 25, 251.

20. Ghandi S. K. VLSI Fabrication Principles in Silicon and Gallium Arsenide / S. K. Ghandi // Wiley. - New York, 1983. - p. 173.

21. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, p. 31. Wiley, New York (1969).

22. A. R. Schaefer, E. F. Zalewski and J. Geist // Appl. Opt. - 1983. - 22. - p.

1232.

23. Budde W. Optical Radiation Measurements / W. Budde // Physical Detectors of Optical Radiation. - 1983. - Vol. 4. - p. 39.

24. R. L. Booker and J. Geist // Appl. Opt. - 1984. - 23. - p. 1940.

25. J. Geist and C. S. Wang // Phys. Rev. - 1983. - 27. - p. 4841.

26. Майоров M. Ж. Система люминофор - кремниевый фотоприемник и спектры ее фоточувствительности / М. Ж. Майоров, Б. М. Орлов // Радиотехника и электроника. - 1976. - № 12. - с. 2585-2587.

27. Марковский JI. Я. Люминофоры / Л. Я. Марковский, Ф. М. Пекерман, Л. Н. Петошина. - Изд. Химия, 1966.

28. Соболева Н. А. Фотоэлектронные приборы / Н. А. Соболева, А. Е. Меламид. - Изд. Высшая школа, 1974.

29. Ouchi Н. Silicon p-n Junction Photodiodes Sensitive to Ultraviolet Radiation / H. Ouchi, T. Makai, T. Kamei and M. Okamura // IEEE Trans. Electron. - 1979. - ED-26.

30. Irvin J. C. Resistivity of bulk silicon and of diffused layers in silicon / J. C. Irvin // Bell Syst. Tech. J. - Feb, 1962. - vol. 41. - p. 387-410.

31. Popovic R. S. A Silicon Ultraviolet Detector / R. S. Popovic, K. Solt, U. Falk, Z. Stoessel // Sensors and Actuators. - 1990. - A21-A23. - p. 553-558.

32. Bates B. Interference filters for the far ultraviolet (1700 A to 2400 A) / B. Bates and D. J. Bradley // Appl. Opt. - 1966. - №5. - p. 971 -975.

33. Seidel Т. E. A review of rapid thermal annealing (RTA) of B, BF2, and As ions implanted into silicon / Т. E. Seidel. D J. Lischner. C. S. Pai. R. V. Knoell. D. M. Maher and D. C. Jacobson // Nucl. Instrum. Methods Phys. - 1985. - p. 251-260.

34. Solt K. Optically transparent PtSi Schottky contacts on silicon-structure and electrical properties / K. Solt. - 1988. - p.703-705.

35. Kireev P. S. Semiconductors Physics / P. S. Kireev. - Moscow: Mir. -1975. - Ch. 8.

36. Rabus H. Ultra-performance in the Ultraviolet for high-accuracy UV detection, PtSi/n-Si Schottky photodiodes offer many advantages / H. Rabus // Electronic Imaging & Signal Processing. - 31 September, 2003.

37. Patent Application Publication, US 2008/0111205 Al, sheet 1 of 15. - may 15, 2008.

38. Риссел X. Ионная имплантация / X. Риссел, И. Руге; Под ред. М.И. Гусевой. - М.: Наука, 1983. - 360 с.

39. Курносов А.И. Технология производства полупроводниковых

(

приборов и интегральных микросхем / А.И. Курносов, В.В. Юдин. - М.: Высшая школа, 1986. - 368 с.

40. Пичугин И.Г. Технология полупроводниковых приборов / И.Г. Пичугин, Ю.М. Таиров. - М: Высшая, школа, 1984. - 288 с.

41. Шишлянников Б. М. Физическая химия материалов и процессов электронной техники / Б. М. Шишлянников // Учебное пособие./ НовГУ им. Ярослава Мудрого. - Новгород, 2003. - 83 с.

42. Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи. - М.: Мир, 1984. -

456 с.

43. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника / Ю.Р. Носов - М.: Сов. Радио, 1977. -

232 с.

44. Павлов А.В. Оптико-электронные приборы / А.В. Павлов - М.: Энергия,1974. - 360 с.

45. Васильченко Н.В. Измерение параметров приемников оптического излучения / Н.В. Васильченко, В.А. Борисов и др.; Под ред. JI.H. Курбатова, Н.В. Васильченко. - М.: Радио и связь, 1983. - 320с.

46. Бланк Т.В. Фотоприемники ультрафиолетового излучения на основе структур металл-широкозонный полупроводник / Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг, Е.В. Калинина, О.В. Константинов, Е.А. Поссе //ФТП. - 2003. - Т.37, вып 8. -С. 968-974.

47. Анисимова И.Д. Фотоприёмники ультрафиолетового диапазона на основе широкозонных соединений АЗВ5 / И.Д. Анисимова, В.И. Стафеев. - М.: Радио и связь, 1984. - 256 с.

48. Neuberger М. Silicon / М. Neuberger // Hughes Aircraft Company. -California, 1969. - p. 109-131. 1

49. Hansen Т.Е. Silicon UV-Photodiodes Using Natural Inversion Layers // Т.Е. Hansen // Physica Scripta. - 1978. - v. 18. - p.471-475.

50. Hansen Т.Е. Inverterte UV-fotodioder / Т.Е. Hansen // CIIR-report. -Norwegian, 1978.

51. B.E. Deal, M. Sklar, A.S. Grove, E.H. Snow // J. Electrochem. Soc. -1967.- 114,266.

52. J. Lindmayer and J.F. Allison // Comsat Techn. - 1973. - Review 3, 1.

53. von Muench.W., Gessert, C. and Koeninger, M.E. // IEEE Trans, on Electr. - 1976.-ED-23.-p.1203.

54. Salter, G.C. and Thomas, R.E. // Solid-State Electronics. - 1977. - 20, 95.

55. Grove, A.S. Physics and Technology of Semiconductor Devices / A.S. Grove. - New York, 1967. - p. 347.

56. S. S. Li, F. A. Lindholm and С. T. Wang // J. appl. Phys. - 1972. - 43,

4123.

57. H. Ouchi, -T. Makai, T. Kamei and M. Okamura // IEEE Trans. Electron. -1979.-ED-26.-p. 1965.

58. Т. E. Hansen // Physica Scripia. - 1978. - 18, 471.

59. W, Munch, Jap. J. // Appl. Phys. - 1977. - 16, 271.

60. S. Chamberlain//J. appl. Phys. - 1979. - 50,7228.

61. Korde R. Proc. First Portland Int. Conf. on Silicon Materials and Technology / R. Korde // Oregon State University. - 1985.

62. J. Dziewior and W. Schmid // Appl. Phys. Lett. - 1977. - 31, 346.

63. J. Geist, J. // appl. Phys. - 1980. - 51, 3993.

64. J. Verdebout // Appl. Opt. 23. - 19844339.

65. J. Geist, E. Liang and A. R. Schaefer // J. appl. Phys. - 1981. - 52,4879.

66. Т. B. McGee, C, Leung, H. Kawayoshi, В. K, Furman and C. A. Evans // Appl. Phys. Lett. - 1981.- 39,413.

67. Jastrebski L. In: Semiconductor Silicon / L. Jastrebski and P. Zanzucchi // The Electrochemical Society. - 1981. - p. 138.

68. S. M. Hu // Appi. Phys. Lett. - 1973. - 22. - p. 261.

69. Д.В. Полупрозрачный p-GaN (С8,0)-фотокатод: распределения фотоэлектронов по поперечным энергиям / Д.В. Горшков, В.В. Бакин, Г.Э. Шайблер, А.С. Терехов // IX Всероссийская конференция "Нитриды галлия, индия и алюминия". - 2013. - С. 113-114.

70. Wolffenbuttel R. F. Operation of the silicon colour filtering clement / R. F. Wolffenbuttel // Sensors and Actuators. - 1989. - № 6. - C. 13-23.

71. Nicolet M.A. Diffusion barriers in layered contact structures / M.A. Nicolet and M. Bartur // J. Vac. Sci. Technol. - 1981. - № 19. - C. 786-793.

72. Филиппова Л.Г. Изучение способов фильтрации оптического излучения / Л.Г. Филиппова. - Новосибирск: Изд. Новосибирского университета. - 1998. - 23 с.

73. Sze S. М. Physics of Semiconductor Devices / S. M. Sze. - New York, 1981.-p. 45-48.

74. MacDonald D. К. C. Noise and Fluctuations: An Introduction / D. К. C. MacDonald - New York, 1962. - p. 12-23.

75. Павлов А. В. Приемники излучений автоматических оптико-электронных приборов / А. В. Павлов, А. И. Черников. - Изд. Энергия, 1972.

76. Lindmayer J The violet cell: An improved silicon solar cell / J. Lindmayer J. F. // Allison COMSAT Tech. Rev. - 1973. - vol. 3. - p. 1-21.

77. Williams R. L. Fast high-sensitivity silicon photodiodes / R. L. Williams // Opt. Soc. Amer. - Nov. 1962. - vol. 52. - p. 1237-1244.

78. Болтакс Б. И. Диффузия в полупроводниках / Б. И. Болтакс. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961 г. -463 с.

79. Ершов А.В. Интерференционные многослойные зеркала в оптоэлектронике / А.В. Ершов, И.А. Карабанова // Лабораторная работа по курсу «физико-химические основы технологии». - Н. Новгород, 2007. - ННГУ. -26 с.

80. Бугер Р. Окисление, диффузия, эпитаксия / Р. Бугер, Р. Донов. - М.: Мир, 1969.-452 с.

81. Кикоин И.К. Таблицы физических величин / И.К. Кикоин // Справочник. - М.: Атомиздат, 1976. - 1006 с.

82. Шоу Д. Атомная диффузия в полупроводниках / Шоу Д. - М.: Мир, 1975.-675 с.

83. Тилл У. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление / У. Тилл, Дж. Лаксон. - М.: Мир, 1985. - 504 с.

84. Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов / Е.З. Мазель, Ф.П. Пресс. - М.: Энергия, 1974. - 384 с.

85. Васильев A.M. Полупроводниковые фотопреобразователи / A.M. Васильев, А.П. Ландсман - М.: Сов. Радио, 1971. - 246 с.

86. Baertsch R.D. An Ag-GaAs Schottky-Barrier Ultraviolet Detector / R.D. Baertsch, J.R. Richardson // Journal of Applied Physics. - Jan. 1969. - vol. 40.- № l.-p. 229-235.

87. Александров O.B. Моделирование низкотемпературной диффузии мышьяка из сильно легированного слоя кремния / О.В. Александров // ФТП. -2002. - Т. 36. - вып. 4. - С. 392 - 396.

88. Александров O.B. Модель образования фиксированного заряда в термическом диоксиде кремния / О.В. Александров, А.И. Дусь // ФТП. - 2011. -Т. 45. - вып. 4. - С. 474 - 480.

89. Ласткин В. А. Кремниевые фотоприемники с высокой чувствительностью к ультрафиолетовому излучению / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Датчики и Системы. - июнь, 2009. - № 6 (121). -С.49-51.

90. Ласткин В.А. Усовершенствованный кремниевый УФ-фотодиод, полученный имплантацией мышьяка / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010. - № 2. - С.72-73.

91. Ласткин В.А. Селективные датчики ультрафиолетового излучения / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Вестник Новгородского Государственного университета. - ноябрь 2011. - № 65 - С. 17-20.

92. Ласткин В.А. Исследование ионно-диффузионных профилей легирования кремния донорами / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов, Д.А. Стафеев // Вестник Новгородского Государственного университета. -2008. - № 46. - С.41-43.

93. Ласткин В.А. Исследование фоточувствительности ионно-легированных структур на основе кремния в УФ-области спектра / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Сборник трудов 6-й всероссийской молодежной научной школы "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические основы и применение". - Саранск: Изд-во Мордовского университета. - 2007. - С.99-100.

94. Ласткин В.А. Анализ влияния технологических параметров и типа кремниевых фотоприемников на их фоточувствительность в УФ-области спектра / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Сборник трудов 7-й всероссийской молодежной научной школы "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические основы и применение". -Саранск: Изд-во Мордовского университета. - 2008. - С. 182-184.

95. Ласткин В. А. Влияние степени легирования подложки на чувствительность кремниевых фотодиодов / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Тезисы докладов 16-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика". - М: Изд-во ИПК МИЭТ. - 2009 г. - С.78.

96. Ласткин В. А. Кремниевые УФ фотоприемники с низкой чувствительностью к видимому и ближнему ИК диапазонам / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Материалы IX научно-технической конференции "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА". - М: Изд-во ФГУП «НЛП Пульсар». - 2010. - С.114-116.

97. Ласткин В.А. Селективные датчики УФ излучения на основе кремния / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Материалы X научно-технической конференции "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА". - М: Изд-во ФГУП «НЛП Пульсар». - 2011 г - С.128-131.

98. Ласткин В. А. Кремниевые фотоприемники с высокой чувствительностью к ультрафиолетовому излучению / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // Сборник конкурсных работ аспирантов и молодых ученых по направлению "Стратегическое партнерство вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности". - Санкт-Петербург 2009 г. - С.30-35.

99. Ласткин В.А. Определение глубины нарушенного слоя в процессе ионной имплантации / В.А. Ласткин, Д.А. Стафеев // XV научная конференция НовГУ. - Великий Новгород: Издательство ЗАО «Новгородский технопарк». -апрель, 2008.

100. Ласткин В.А. Стенд для измерения спектральной чувствительности фотоприемников в широком спектральном интервале / В.А. Ласткин // Микроэлектроника и информатика. - Москва, 2006 г. - С. 134

101. Ласткин В. А. Кремниевые фотоприемники с избирательной чувствительностью в УФ области спектра / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // XI Всероссийская научно-техническая конференция "Твердотельная

электроника. Сложные функциональные блоки РЭА". - М.: Изд-во ФГУП «НПП Пульсар». - 2012 г. - С. 122-125.

102. Ласткин В. А. Исследование ионно-диффузионных профилей легирования кремния мышьяком / В.А. Ласткин, В.В. Гаврушко, A.C. Ионов // IV Всероссийская конференция "Физические и физико-химические основы ионной имплантации". - Новосибирск, 2012 г.,- С.37.