Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения

Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к микроэлектронной измерительной технике и может быть использовано в конструкции и технологии производства полупроводниковых датчиков (ППД) ультрафиолетового излучения (УФИ) на основе карбидокремниевого диода Шотки.

Известен ППД УФИ, содержащий подложку, слой полупроводника, чувствительного к УФИ, и электродную систему (ЭС), выполненную с образованием высокоомных (не менее 1 МОм/см²) параллельных участков в слое полупроводника (JP 5-33549, H 01 L 31/09, 1993).

Для повышения селективности измерений в ППД УФИ подложка изготовлена из монокристаллического сапфира, чувствительный элемент выполнен из эпитаксиально выращенного на подложке слоя нитрида алюминия, а ЭС сформирована между подложкой и слоем полупроводника в плоскости их раздела. ЭС может быть выполнена из W, SiC или сэндвич-структуры SiC/W в виде пары встречных гребенок с образованием в слое полупроводника параллельно включенных фоторезисторов (RU 2155418, H 01 L 31/09 2000).

Однако такие датчики обладают низкими чувствительностью и быстродействием, что свойственно ППД УФИ фоторезисторного типа. Кроме того, они требуют постоянного электрического питания.

Известен также ППД УФИ, выполненный на основе полупроводниковой структуры, чувствительной к УФИ, содержащей подложку из пористого карбида кремния n⁺-типа проводимости, на которую последовательно нанесены p- и n-эпитаксиальные слои карбида кремния с образованием p-n перехода. В данной структуре пористый карбид кремния не участвует в измерении УФИ, а используется как промежуточный материал, окисляемый в целевом продукте до SiO₂. Структура снабжена ЭС для подключения к внешней электрической цепи (US 5569932, H 01 L 47/00, 31/0312, 27/15, 33/00, 1996).

Данная конструкция также обладает низкими быстродействием и чувствительностью, связанными с ее биполярным исполнением и значительной толщиной эпитаксиальных слоев.

В известный уровень техники входит также ППД УФИ, содержащий подложку, выполненную из монокристаллического карбида кремния n⁺-типа проводимости с эпитаксиальным n-слоем, на который нанесено электроизоляционное покрытие со стороны принимаемого УФИ, ЭС с выпрямляющим электродом, соединенным с n-слоем подложки с образованием контакта Шотки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии, и выводные контакты, присоединенные к ЭС для подключения датчика к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения (M.Badila, G.Brezeanu, J.Millan, P.Godignon and al. Lift-Off technology for SiC UV detectors. - Diamond and related materials, 2000, №9, pp.994-997; RU 2178601, H 01 L 31/09, 2002).

Наиболее близким к заявляемому является ППД УФИ, содержащий подложку, включающую n⁺-монокристаллический, n-эпитаксиальный и пористый слои карбида кремния, электроизоляционное покрытие, нанесенное на пористый слой подложки со стороны принимаемого светового излучения, ЭС, включающую выпрямляющий электрод, соединенный с пористым слоем подложки с образованием контакта Шотки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии, и выводные контакты, присоединенные к ЭС для подключения датчика к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения. В данном ППД пористый слой SiC имеет глубину 230-250 им (Афанасьев А.В., Ильин В.А., Коровкина Н.М., Савенко А.Ю. Особенности технологии и свойств фотодетекторов на основе структур «металл-пористый карбид кремния» ПЖТФ, 2005, 31, 15, 1-6).

Прототипный ППД УФИ все же обладает низкой чувствительностью и является сложным в исполнении.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение чувствительности к УФИ и упрощение конструкции.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкцию ППД УФИ, содержащего подложку, включающую монокристаллический и пористый слои карбида кремния, электроизоляционное покрытие, нанесенное на пористый слой подложки со стороны принимаемого светового излучения, электродную систему, включающую выпрямляющий электрод, соединенный с пористым слоем подложки с образованием контакта Шотки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии, и выводные контакты, присоединенные к электродной системе для подключения датчика к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения, вносятся следующие изменения:

1) пористый слой сформирован непосредственно на поверхности монокристаллического слоя подложки;

2) пористый слой имеет глубину

где l - глубина пористого слоя, нм;

W - ширина обедненной области, нм.

Причинно-следственная связь между внесенными изменениями и достигнутым техническим результатом заключается в следующем. Формирование пористого слоя непосредственно на поверхности монокристаллического слоя подложки означает, что в предлагаемом устройстве изъят эпитаксиальный слой, что имеет следствием упрощение конструкции. Это стало возможным при соблюдении условия, описанного формулой (1). Как указано в описании прототипного устройства, в нем глубина пористого слоя l=230-250 нм при ширине обедненной области W=566 нм. Поэтому в прототипе l≈240:566=0,42W, что значительно ниже нижней границы пределов изменения l, установленных формулой (1). Из приведенных ниже примеров видно, что в этих условиях чувствительность датчика существенно снижается, особенно в отсутствии эпитаксиального слоя.

Техническим результатом, производным от достигнутого, является возможность использования подложки с монокристаллическим и пористым слоями SiC n- или p-типов проводимости. Такие подложки являются высокоомными, вследствие чего их наиболее целесообразно использовать в планарном варианте ППД УФИ (при n⁺-типе проводимости, как это имеет место в известных аналогах, в планарном варианте требуемые геометрические размеры элементов ЭС должны быть столь малы, что технически трудно осуществимы). Поэтому в планарном варианте датчика на подложке подложке n- или p-типа проводимости сформированы две группы контактов Шотки и два выводных контакта, соединенных с выпрямляющими электродами соответствующей группы контактов Шотки с образованием конфигурации пары встречных гребенок для обеспечения встречно-параллельного включения диодов Шотки.

На фиг.1 приведена схема ППД УФИ согласно п.1 формулы; на фиг.2 приведена схема ППД УФИ планарного типа согласно п.2 формулы; в табл.1 и 2 даны технические характеристики ППД УФИ с n⁺-подложкой к примеру 1, а также с p- и n-подложками к ППД УФИ планарного типа соответственно.

Предложенное техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

ПРИМЕР 1. В данном варианте ППД УФИ (фиг.1) содержит подложку, включающую монокристаллический 1 и пористый 2 n⁺-слои карбида кремния, электроизоляционное покрытие 3, нанесенное на пористый слой 2 подложки со стороны принимаемого светового излучения, ЭС, включающую выпрямляющий электрод 4, соединенный с пористым слоем 2 подложки с образованием контакта Шотки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии 3, выводной контакт 5, присоединенный к выпрямляющему электроду 4, и омический электрод 6, нанесенный на поверхность монокристаллического слоя 1 подложки, противоположную пористому слою 2, служащий вторым выводным контактом датчика. Элементы 5 и 6 предназначены для подключения датчика к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения.

Как видно из схемы, пористый слой 2 сформирован непосредственно на поверхности монокристаллического слоя 1 подложки без использования промежуточного эпитаксиального слоя. Глубина пористого слоя 2 выполнена из расчета согласно формуле (1), что обеспечивается технологическим режимом его формирования (поясняется ниже).

При необходимости ограничения ширины принимаемого спектра УФИ на поверхность выпрямляющего электрода 4 со стороны принимаемого светового потока может быть выполнен светофильтр (на фиг.1 не показан).

При подаче напряжения смещения между элементами 5 и 6 во внешней электрической цепи протекает фототек I_ф, значение которого пропорционально интенсивности принимаемого УФИ (фотодиодный режим). Возможна работа датчика в режимах холостого хода или короткого замыкания (в отсутствии напряжения смещения).

Данный вариант датчика может быть изготовлен следующим способом. На одной стороне пластины из монокристаллического n⁺-карбида кремния формируют пористый слой SiC с помощью электрохимической обработки в 2 объем.% плавиковой кислоты в течение 10 с при плотности тока 10 мА/см². Этот режим обеспечивает изготовление двухслойной подложки, где на монокристаллическом слое 1 SiC расположен пористый слой 2 SiC глубиной l≈33 нм, что составляет 0,88 W, поскольку в данном примере W=37,5 нм, что подтверждается расчетом по формуле, приведенной в (Зи С. Физика полупроводниковых приборов: 1 том / Пер. с англ. М., Мир, 1984, с.261), которая при нулевом напряжении смещения имеет вид:

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость;

ε₀=8,85·10^-14 - диэлектрическая постоянная, Ф/см;

q=1,6·10^-19 - заряд электрона, Кл;

N_d - уровень легирования полупроводника, см^-3;

U_d - диффузионный потенциал, В.

В данном примере ε=9,8; N_d=10¹⁸ см^-3; U_d=1,3 В. Следовательно,

,

вследствие чего l=33:37,5=0,42 ед.W.

Далее на пористый слой 2 наносят электроизоляционное покрытие 3 толщиной 0,4 мкм плазмохимическим осаждением SiO₂. Для формирования омического электрода 6 на поверхность монокристаллического слоя 1 подложки, противоположную пористому слою 2, наносят слой никеля толщиной 0,3 мкм путем магнетронного распыления Ni при температуре подложки 200°С. Затем проводят отжиг в вакууме (10^-3 Па) при температуре 1000°С в течение 0,5 мин. В электроизоляционном слое 3 с помощью фотолитографии вскрывают окно площадью 0,05 мм² до поверхности слоя 2. После этого формируют выпрямляющий электрод 4 нанесением слоя Au толщиной 10 нм на вскрытую поверхность пористого слоя 2 подложки. Далее формируют в окне выводной контакт 5 путем магнетронного распыления никеля на соответствующие участки выпрямляющего электрода 4 и электроизоляционного покрытия 3 через маску.

Для проведения сравнительных испытаний изготавливают также ППД УФИ с глубиной пористого слоя 0,6, 0,8, 1 и 1,2 W. Кроме того, изготавливают ППД УФИ, где l=0,42, а подложка дополнительно включает эпитаксиальный слой SiC, расположенный между слоями 1 и 2 (прототип).

Образцы ППД УФИ испытывают в фотодиодном режиме при напряжении смещения U_см=-1 В, а также в режиме короткого замыкания. УФИ создают из расчета интенсивности светового потока 9·10¹² квантов/(см²·с) в С-диапазоне (λ=254 нм). В качестве выходного параметра в фотодиодном режиме определяют фототок как отношение тока при освещении УФИ с длиной волны λ=254 нм к темновому току, а в режиме короткого замыкания - фототок в нА.

Результаты испытаний приведены в табл.1. Как видно из таблицы, в диапазоне толщин пористого слоя (0,8÷1,0) W значение фототока в фотодиодном режиме составляет (3÷6)·10⁴ отн.ед., а в режиме короткого замыкания - 6÷14 нА. В нижнем запредельном режиме (l=0,6 W) значения указанных фототоков составляют 1·10⁴ отн.ед. и 9 нА, а в верхнем запредельном режиме (l=1,2 W) - 9·10³ отн.ед. и 4,9 нА соответственно. Фоточувствительность заявленных вариантов датчика составляет 63÷76 мА/Вт (в запредельных режимах - 27÷32 мА/Вт). Значения указанных характеристик прототипа равно 2·10⁴ отн.ед., 9,1 нА и 50 мА/Вт соответственно.

ПРИМЕР 2. Планарный вариант ПОД УФИ (фиг.2) содержит подложку, включающую монокристаллический 1 и пористый 2 n- или p- слои карбида кремния, электроизоляционное покрытие 3, нанесенное на пористый слой 2 подложки со стороны принимаемого светового излучения, ЭС, включающую выпрямляющие электроды 4, соединенные с пористым слоем 2 подложки с образованием контактов Шотки через окна, выполненные в электроизоляционном покрытии 3, и выводные контакты 5, присоединенные к выпрямляющим электродам 4 для подключения датчика к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения.

Глубина пористого слоя 2 выполнена из расчета согласно формуле (1).

Здесь на подложке сформированы две группы контактов Шотки. Выпрямляющие электроды 4 в каждой группе соединены с соответствующим выводным контактом 5 с образованием конфигурации в виде пары встречных гребенок, что обеспечивает встречно-параллельное включение соответствующих диодов Шотки.

Датчики фиг.2 изготавливают аналогично примеру 1 в варианте с шестью параллельными цепями диодов Шотки при двух встречно включенных диодах в каждой цепи и испытывают, как в примере 1, в фотодиодном режиме при подаче напряжения смещения 1 В между выводными электродами 5.

Результаты испытания приведены в табл.2. Как видно из таблицы, в диапазоне толщин пористого слоя (0,8÷1,0)W значение фототока составляет (5÷7)·10⁴ и (0,8÷1)·10⁵ отн.ед. для подложек n- и p-типов проводимости соответственно (при запредельных l - от 10³ до 4·10⁴). Фоточувствительность заявленных вариантов датчика - 51÷94 мА/Вт, при нижнем и верхнем запредельных l - 21÷28 и 65÷74 мА/Вт соответственно против 2·10⁴ отн.ед. и 50 мА/Вт в прототипе.

Как проиллюстрировано приведенными примерами, в фотодиодном режиме предлагаемый датчик по сравнению с прототипом характеризуется в 2÷5 раз большим фототоком, а при оптимальном значении l=0,9 W - в 2 раза большей чувствительностью. При этом конструкция датчика упрощена за счет изъятия эпитаксиального слоя SiC в подложке, что имеет следствием его удешевление. Кроме того, расширен арсенал используемых средств за счет снятия ограничения на тип проводимости подложки. Очевидно, что в планарном варианте датчика имеется возможность дальнейшего повышения фототока и чувствительности за счет увеличения количества сформированных цепей встречных диодов Шотки.

Таблица 2
Технические характеристики планарного ППД УФИ к примеру 2
l. ед.W	Тип проводимости подложки	Наличие (+)/отсутствие (-) эпитаксиального слоя в подложке	Фототок, отн.ед.	Фоточувствительность, мА/Вт
0,4	n+	+(прототип)	2·104	50
0,6	n	-	103	21
p	-	3·103	28
0,8	n	-	6·104	51
p	-	8·104	59
0,9	n	-	7·104	87
p	-	105	94
1,0	n	-	5·104	71
p	-	8·104	82
1,2	n	-	2·104	65
p	-	4·104	74

1. Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения, содержащий подложку, включающую монокристаллический и пористый слои карбида кремния, электроизоляционное покрытие, нанесенное на пористый слой подложки со стороны принимаемого светового излучения, электродную систему, включающую выпрямляющий электрод, соединенный с пористым слоем подложки с образованием контакта Шотки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии, и выводные контакты, присоединенные к электродной системе для подключения датчика к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения, отличающийся тем, что пористый слой сформирован непосредственно на поверхности монокристаллического слоя подложки, при этом глубина пористого слоя выполнена из расчета

l=(0,8÷1,0)W,

где l - глубина пористого слоя, нм;

W - ширина обедненной области, нм.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что подложка имеет n- или p-тип проводимости, при этом на подложке сформированы две группы контактов Шотки и два выводных контакта, соединенных с выпрямляющими электродами с образованием конфигурации пары встречных гребенок для обеспечения встречно-параллельного включения диодов Шотки.