Патент на изобретение №2178601

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к микроэлектронике. Технический результат – селективное детектирование УФИ в диапазоне от 280 до 340 нм. Сущность: в конструкцию полупроводникового датчика УФИ, содержащего подложку, выполненную из монокристаллического карбида кремния n⁺-типа проводимости с эпитаксиальным n-слоем, омический электрод, соединенный с n⁺-областью подложки, электроизоляционное покрытие, нанесенное на n-слой подложки со стороны принимаемого светового излучения, выпрямляющий электрод, соединенный с образованием контакта Шотки с n-слоем подложки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии, и выводной контакт, присоединенный к выпрямляющему электроду для подключения к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения между омическим и выпрямляющим электродами, внесены следующие изменения: выпрямляющий электрод выполнен из тугоплавкого переходного металла, имеющего температуру плавления не ниже 1877^oС, на поверхность выпрямляющего электрода со стороны принимаемого светового излучения нанесен серебряный светофильтр толщиной от 8 до 15 нм, толщина выпрямляющего электрода составляет от 4 до 10 нм, соединение выпрямляющего электрода с n-слоем подложки выполнено через переходный слой карбида металла, из которого изготовлен выпрямляющий электрод толщиной от 1 до 7 нм. 1 з. п. ф-лы, 4 ил. , 2 табл.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых датчиков ультрафиолетового излучения (УФИ).

Известен датчик УФИ, содержащий полупроводниковую структуру с одним барьером, включающую слой некристаллического полупроводника с высоким удельным сопротивлением на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, источник напряжения и электродную систему, сформированную с возможностью подачи напряжения смещения от источника напряжения к полупроводниковой структуре (патент JP 4- 81352, H 01 L 31/09, 1992). Для повышения квантовой эффективности датчик может дополнительно содержать слой аморфного гидрогенизированного сплава Si_1-xC_x: H, нанесенный между подложкой и чувствительным к УФИ слоем (патент SU 1806425, H 01 L 31/101, 1993).

Его недостатками являются широкая полоса принимаемого спектра излучения, сложность в изготовлении и нестабильность технических характеристик из-за быстрого старения используемых материалов.

Для повышения чувствительности датчика к УФИ на входе светового потока может быть установлен рассеивающий элемент, содержащий SiO₂ (патент DE 4434858, G 01 J 1/42, 1994).

Данный рассеивающий элемент поглощает “жесткое” УФИ, что снижает чувствительность измерений в данной области.

Известен также датчик УФИ на основе фоторезистора, содержащий подложку, слой полупроводника, чувствительного к УФИ, и электродную систему, выполненную с образованием высокоомных (не менее 1 МОм/см²) параллельных участков в слое полупроводника (патент JP 5-33549, H 01 L 31/09, 1993). Для повышения чувствительности подложка изготовлена из монокристаллического сапфира, чувствительный элемент выполнен из эпитаксиально выращенного на подложке слоя нитрида алюминия, а электродная система сформирована между подложкой и слоем полупроводника в плоскости их раздела. В оптимальном варианте электродная система выполнена из W, SiC или сэндвич-структуры SiC/W (патент RU 2155418, 1999).

Однако данная конструкция обладает низким быстродействием, что присуще фотодетекторам резисторного типа.

Известен также твердотельный датчик УФИ, выполненный на подложке из сапфира с базисной плоскостью. При этом на поверхности подложки выращен монокристаллический слой нитрида алюминия и галлия (Al_xGa_1-xN), на котором расположен фотоприемник, выполненный в виде диода Шотки (патент US 4614961, H 01 L 27/14, 31/00, 1986).

Несмотря на возможность сдвига спектральной характеристики изменением соотношения алюминия и галлия в твердом растворе, этот датчик является широкополосным. Кроме того, датчик является дорогостоящим из-за использования сапфира, нитрида алюминия и сложной технологии изготовления его основных элементов.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является полупроводниковый датчик УФИ, содержащий подложку, выполненную из монокристаллического карбида кремния n⁺-типа проводимости с эпитаксиальным n-слоем, омический электрод, соединенный с n⁺-областью подложки, электроизоляционное покрытие, нанесенное на n-слой подложки со стороны принимаемого светового излучения, выпрямляющий электрод, соединенный с образованием контакта Шотки с n-слоем подложки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии, и выводной контакт, присоединенный к выпрямляющему электроду для подключения к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения между омическим и выпрямляющим электродами. При этом выпрямляющий электрод изготовлен из золота и имеет толщину 200

Прототипный датчик является широкополосным, так как охватывает диапазон ультрафиолетовой области в пределах от 210 до 380 нм, что не позволяет детектировать узкополосный сигнал внутри ультрафиолетового диапазона.

Техническая задача предлагаемого изобретения – селективное детектирование УФИ.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что в конструкцию полупроводникового датчика УФИ, содержащего подложку, выполненную из монокристаллического карбида кремния n⁺-типа проводимости с эпитаксиальным n-слоем, омический электрод, соединенный с n⁺-областью подложки, электроизоляционное покрытие, нанесенное на n-слой подложки со стороны принимаемого светового излучения, выпрямляющий электрод, соединенный с образованием контакта Шотки с n-слоем подложки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии, и выводной контакт, присоединенный к выпрямляющему электроду для подключения к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения между омическим и выпрямляющим электродами, внесены следующие изменения:
1) выпрямляющий электрод выполнен из тугоплавкого переходного металла, имеющего температуру плавления не ниже 1877^oC, например (в порядке предпочтения) из W, Ta, Cr, Mo;
2) на поверхность выпрямляющего электрода со стороны принимаемого светового излучения нанесен серебряный светофильтр толщиной от 8 до 15 нм;
3) толщина выпрямляющего электрода составляет от 4 до 10 нм;
4) соединение выпрямляющего электрода с n-слоем подложки выполнено через переходный слой карбида металла, из которого изготовлен выпрямляющий электрод толщиной от 1 до 7 нм.

Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом заключается в следующем. Серебряный светофильтр вырезает узкую полосу из принимаемого спектра УФИ. Изготовление выпрямляющего электрода из тугоплавкого переходного металла важно для обеспечения высокой адгезии к нему серебряного светофильтра. При этом возникает производная техническая задача препятствования деградации барьера Шотки в процессе эксплуатации датчика, решение которой обеспечивается соединением выпрямляющего электрода с n-слоем подложки через переходный слой карбида металла, из которого изготовлен выпрямляющий электрод. Указанный переходный слой образуется в результате отжига сформированного изделия с выпрямляющим электродом из переходного металла, имеющего температуру плавления 1877^oC (Cr) и более. Изготовление выпрямляющего электрода из золота, как это имеет место в прототипе, невозможно, так как при этом технологически невозможно образовать карбидную переходную область. Заявляемые ограничения толщины светофильтра, выпрямляющего электрода и переходного слоя обеспечивают, с одной стороны, полупрозрачность для прохождения детектируемого излучения к подложке, а, с другой стороны, сплошность слоев соответствующих материалов.

Омический электрод может быть выполнен из любого металла, допускающего высокотемпературный отжиг, например из никеля. Для нанесения электроизоляционного покрытия наиболее технологично использовать диоксид кремния. Возможно также нанесение слоя из нитрида алюминия или нитрида кремния.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого полупроводникового датчика УФИ; на фиг. 2 и 3 приведены вольт-амперная и спектральные-характеристики вариантов целевого изделия к примеру 1; на фиг. 4 приведены спектральные характеристики вариантов целевого изделия к примеру 2.

В табл. 1 и 2 приведены технические характеристики датчика к примерам 1 и 2 соответственно.

Полупроводниковый датчик УФИ содержит подложку 1, выполненную из монокристаллического карбида кремния n⁺-типа проводимости с эпитаксиальным n-слоем 2, омический электрод 3, соединенный с n⁺-областью подложки 1, электроизоляционное покрытие 4, нанесенное на n-слой 2 подложки 1 со стороны принимаемого светового излучения, выпрямляющий электрод 5 толщиной 4-10 нм, соединенный с n-слоем 2 подложки 1 с образованием контакта Шотки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии 4, и выводной контакт 6, присоединенный к выпрямляющему электроду 5 для подключения к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения между омическим и выпрямляющим электродами. Выпрямляющий электрод 5 выполнен из тугоплавкого переходного металла, а выводной контакт 6 – из металла, допускающего термокомпрессию. На поверхность выпрямляющего электрода 5 со стороны принимаемого светового излучения нанесен серебряный светофильтр 7 толщиной от 8-15 нм. Соединение выпрямляющего электрода 5 с n-слоем 2 подложки 1 выполнено через переходный слой 8 карбида металла, из которого изготовлен выпрямляющий электрод 5.

Датчик может работать в следующих режимах:
1. Режим холостого хода. В этом случае между омическим электродом и выходным контактом подключают вольтметр, с помощью которого регистрируют изменение напряжения засвеченного УФИ датчика по отношению к темновому напряжению.

2. Режим короткого замыкания. В этом случае между омическим электродом и выходным контактом подключают амперметр, с помощью которого регистрируют изменение тока засвеченного УФИ датчика по отношению к темновому току.

3. Фотодиодный режим. В этом случае между омическим и выводным контактами подключают источник напряжения смещения и фиксируют изменение тока при засветке датчика УФИ и без засветки. При этом рабочую точку выбирают на обратной ветви вольт-амперной характеристики датчика.

Способ изготовления датчика и его технические характеристики в зависимости от используемых материалов и геометрических размеров его элементов иллюстрируются следующими примерами.

ПРИМЕР 1. На полупроводниковую подложку 1, выполненную из монокристаллического карбида кремния n⁺-типа проводимости (уровень легирования азотом 510¹⁸ см^-3) с эпитаксиальным n-слоем 2 (уровень легирования азотом 10¹⁶ см^-3), со стороны слоя 2 наносят электроизоляционное покрытие 4 толщиной 0,40,1 мкм путем плазмохимического осаждения SiO₂. Для формирования омического электрода 3 на поверхность n⁺-подложки 1 наносят слой никеля толщиной 0,30,1 мкм путем магнетронного распыления Ni при температуре подложки 200^oC. Далее проводят отжиг в вакууме (10^-3 Па) при температуре 1000^oC в течение трех минут. В электроизоляционном слое 4 с помощью фотолитографии вскрывают окно до поверхности слоя 2 площадью 0,05 мм². Затем формируют выпрямляющий электрод 5 нанесением слоя вольфрама толщиной от 3 до 12 нм (для различных образцов датчиков) на вскрытую поверхность эпитаксиального слоя 2 подложки 1. После этого на поверхность выпрямляющего электрода 5 соответствующих образцов со стороны принимаемого УФИ осаждают слой Ag толщиной от 5 до 20 нм, формируя светофильтр 7. Осаждение элементов 5 и 7 проводят в едином технологическом цикле на установке магнетронного распыления при температуре подложки 13020^oC. Затем с помощью фотолитографии удаляют металлы, осажденные вне окна. Далее формируют в окне выходной контакт 7 путем магнетронного распыления никеля на соответствующие участки светофильтра 7 и электроизоляционного покрытия 4 через маску. Для образования переходной зоны 8 из карбида вольфрама проводят вакуумный отжиг сформированной структуры при температуре T = 400-600^oC и экспозиции t = 5-15 мин. За это время происходит карбидизация вольфрама на границе раздела слоев 2 и 5 с образованием переходного слоя 8 толщиной от 2 до 6 нм (толщина переходного слоя 8 с повышением температуры отжига увеличивается).

Аналогично изготавливают партию датчиков с выпрямляющим электродом 5 из хрома.

Образцы ВПП испытывают в фотодиодном режиме при напряжении смещения U_см= -2 В, а также в режимах холостого хода и короткого замыкания. УФИ создают из расчета интенсивности светового потока 10¹⁴ квантов/(см²с). В качестве выходных параметров определяют коэффициент выпрямления K_R (отношение темновых токов, протекающих в прямом и обратном направлениях при напряжении смещения U_см = 2 В), фототок I_ф (отношение тока при освещении УФИ с длиной волны = 310 нм к темновому току в режиме короткого замыкания и фотодиодном режиме при U_см = -2 В), а также напряжение холостого хода U_хх.

Как видно из табл. 1, образцы датчиков с толщиной выпрямляющего электрода 4-10 нм и светофильтра – 8-15 нм, имеют следующие технические характеристики: K_R 10⁷; I_ф = 10²-210³; U_хх = 0,4-0,6 В. При толщинах выпрямляющего электрода более 10 нм и/или светофильтра – более 15 нм датчики чувствительностью к УФИ не обладают. По-видимому, при больших толщинах элементов 5 и 7 происходит практически полное поглощение светового потока. Возможно также, что светопоглощение связано с увеличением ширины переходной области 8 при повышении температуры отжига до верхнего предела (600^oC), что наблюдается при анализе концентрационных профилей элементов на границе раздела металл-полупроводник, получаемых методом электронной Оже-спектроскопии.

Типичная темновая вольт-амперная характеристика образцов приведена на фиг. 2. Она относится к варианту датчика, указанного в строке 3 табл. 1.

На фиг. 3 приведены спектральные характеристики датчиков, имеющих средние и запредельные значения размерных параметров, в режиме короткого замыкания. Здесь кривая 1 относится к датчику табл. 1 с толщиной выпрямляющего электрода и светофильтра 7 и 10 нм соответственно. Данный датчик обладает селективностью в отношении приема УФИ в диапазоне длин волн от 31040 нм. В данном диапазоне I_ф = 10²-210³. Образец с толщиной выпрямляющего электрода и светофильтра в нижнем запредельном диапазоне (3 и 5 нм соответственно) не имеет экстремума в диапазоне УФИ (кривая 2), а образец с толщиной выпрямляющего электрод и светофильтра в верхнем запредельном диапазоне (12 и 20 нм соответственно) не чувствителен во всем диапазоне УФИ (кривая 3). Спектральные характеристики датчиков с граничными значениями размерных параметров являются промежуточными и ограничивают диапазон селективности приема.

ПРИМЕР 2. Датчики УФИ изготавливают, как в примере 1, с толщиной выпрямляющего электрода 7 нм, а светофильтра – 10 нм с использованием следующих материалов в конструкции выпрямляющего электрода: W, Mo, Cr, Ta, Pt, Ni, Al, Pd. Переходную область 8 формируют при различных температурах отжига в пределах от 150 до 800^oC для образования различной толщины переходной области 8. В контрольных вариантах отжиг не производят. Определяют ширину сформированной переходной области 8 методом электронной Оже-спектроскопии. Датчики испытывают, как в примере 1, после изготовления, а также через 1 год. Результаты приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, датчики с выпрямляющим электродом из Cr, Mo, Ta, W (температуры плавления 1877, 2620, 2996 и 3420^oC соответственно), имеющие карбидную переходную область 8 толщиной от 1 до 7 нм, обладают наиболее высокими и стабильными в течение 1 года эксплуатации значениями технических характеристик: K_R = 710⁵-10⁷; I_ф = 75-2000 отн. ед. При этом чем выше температура плавления материала выпрямляющего электрода, тем лучшими значениями указанных показателей качества обладает датчик. Наилучшими техническими характеристиками обладает датчик с выпрямляющим электродом из вольфрама. Полоса селективного детектирования данных датчиков – 280-340 нм (фиг. 4). В отсутствие сформированной переходной области, а также полупрозрачности (при ширине переходной области 10 нм и более) значения технических характеристик существенно ниже. Значения технических характеристик предлагаемых датчиков сохраняются в течение 1 года эксплуатации, тогда как в ряде контрольных вариантов наблюдается снижение K_R и I_ф на 10-50%.

Методом электронной Оже-спектрометрии установлено, что при данной технологии изготовления датчиков выпрямляющие электроды из Ni, Pd и Pt образуют в переходной области не карбиды, а силициды данных металлов, что имеет следствием снижение значений характеристик K_R и I_ф.

На фиг. 4 приведены для сравнения спектральные характеристики четырех оптимальных вариантов датчиков УФИ с выпрямляющими электродами, выполненными из W, Ta, Cr и Mo. Эти варианты выделены в табл. 2 жирным шрифтом. Как видно из характеристик, полоса селективного приема этих датчиков составляет 280-340 нм.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения обеспечивает селективный прием УФИ в узком диапазоне (280-340 нм против 210-380 нм в прототипе). Как показано в примерах, предлагаемый датчик УФИ обладает следующими значениями основных технических характеристик: K_R = 710₅-10₇; I_ф = 75-2000 отн. ед.

Технический результат, производный от внесенных изменений, заключается в удешевлении конструкции за счет изъятия золота из материалов электродной системы. Кроме того, обеспечена стабильность технических характеристик в течение длительного срока эксплуатации.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения, содержащий подложку, выполненную из монокристаллического карбида кремния n⁺-типа проводимости с эпитаксиальным n-слоем, омический электрод, соединенный с n⁺-областью подложки, электроизоляционное покрытие, нанесенное на n-слой подложки со стороны принимаемого светового излучения, выпрямляющий электрод, соединенный с n-слоем подложки с образованием контакта Шотки через окно, выполненное в электроизоляционном покрытии, и выводной контакт, присоединенный к выпрямляющему электроду для подключения к внешней электрической цепи и подачи напряжения смещения между омическим и выпрямляющим электродами, отличающийся тем, что выпрямляющий электрод выполнен из переходного металла, имеющего температуру плавления не менее 1877^oС, на поверхность выпрямляющего электрода со стороны принимаемого светового излучения нанесен серебряный светофильтр, а соединение выпрямляющего электрода с n-слоем подложки выполнено через переходный слой карбида металла, из которого изготовлен выпрямляющий электрод, при этом толщина светофильтра составляет от 8 до 15 нм, выпрямляющего электрода – от 4 до 10 нм, а переходного слоя – от 1 до 7 нм.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что выпрямляющий электрод выполнен из вольфрама.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 13.04.2004

Извещение опубликовано: 10.03.2005 БИ: 07/2005