Фотоприемник

 

Использование: в полупроводниковых приборах, в частности в фотоприемнике на карбиде кремния, работающих в УФ спектральном диапазоне. Сущность: в фотоприемнике потенциальный барьер выполнен в виде барьера Шоттки, между эпитаксиальным слоем карбида кремния и слоем металла в барьере Шоттки расположен слой собственного окисла толщиной в его рабочей области. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к фотоприемникам на карбиде кремния, работающим в УФ спектральном диапазоне (140-400 нм) и предназначенным для применения в спектрофотометрии. Существует необходимость измерения малых световых потоков в дальней ультрафиолетовой области спектра, и фотодиодные структуры должны обладать высокой чувствительностью в этой области и низкой чувствительностью в видимой области спектра. Известен фотодиод, включающий карбид-кремниевую монокристаллическую подложку, р-n-переход, полученный методом диффузии, и металлические контакты к р-n-переходу. Однако такой фотодиод имеет низкую чувствительность в области спектра λ< 300 нм. Известен также полупроводниковый фотоприемник, включающий карбид-кремниевую монокристаллическую подложку, расположенный на ней карбид-кремниевый монокристаллический слой, потенциальный барьер в виде р-n-перехода и контакты. Однако такой фотоприемник не может обладать хорошей фоточувствительностью в области спектра λ< 280 нм из-за наличия сильно поглощающего слоя полупроводника и нарушенного дефектного слоя в окрестности области объемного заряда и в самой этой области, в которой происходит интенсивная рекомбинация неравновесных носителей заряда. Целью изобретения является повышение чувствительности к излучению в УФ-диапазоне на длинах волн меньше 250 нм. Цель достигается тем, что в известном фотоприемнике, включающем эпитаксиальный слой карбида кремния на монокристаллической подложке с потенциальным барьером и металлическими контактами, согласно формуле изобретения потенциальный барьер выполнен в виде контакта Шоттки, расположенного в окне изолирующего слоя, а на поверхности эпитаксиального слоя под слоем металла размещен стабилизирующий ее слой собственного окисла толщиной 20-70 . Сущность изобретения состоит в следующем: выполнение потенциального барьера в виде барьера Шоттки позволяет увеличить чувствительность фотоприемника в УФ-области спектра с λ≅250 нм. Это объясняется тем, что в данной конструкции в отличие от прототипа отсутствует сильно поглощающий слой полупроводника и нарушенный слой в области, прилежащей к потенциальному барьеру, а упомянутый монокристаллический слой, в котором создается область объемного заряда, сохраняет такие исходные свойства, как время жизни и подвижность неосновных носителей заряда. Область объемного заряда потенциального барьера Шоттки находится на границе поверхности карбида кремния, и при поглощении коротковолнового УФ-излучения, когда 1/α≈W+I (α - коэффициент поглощения света, W - ширина области объемного заряда,I - диффузионная длина носителей заряда) происходит практически полное собирание созданных носителей, т. е. чувствительность в дальней УФ-области ( λ< 250 нм) значительно выше, чем у прототипа. Расположение контакта Шоттки в окне изолирующего слоя продиктовано тем, что толщина последнего за пределами окна 0,2 мкм, что необходимо для пассивации поверхности и намного превышает толщину туннельной прозрачности слоя. Расположение диэлектрического слоя SiO₂между упомянутым слоем монокристаллического карбида кремния и слоем металла в барьере Шоттки позволяет устранить закоротки барьера Шоттки, увеличить высоту потенциального барьера и тем самым уменьшить темновые стоки в барьере и увеличить эффективность преобразования в приборе. Это происходит в результате перестройки поверхности SiС при окислении и нейтрализации оборванных связей на поверхности SiC. При этом в результате термического разложения комплексов поверхности центр - ОН^-происходит стабилизация поверхности, что выражается в изменении заполнения поверхностных состояний, снижении энергии Ферми на поверхности и, как следствие, увеличении высоты потенциального барьера. Толщина диэлектрического слоя определялась требованиями неизменности уровня токопротекания и достижения положительного эффекта в повышении чувствительности фотоприемника. Диапазон 20-70 определен экспериментально, необходимая толщина для разных образцов в основном зависела от морфологии поверхности упомянутого монокристаллического слоя карбида кремния. При толщине диэлектрического слоя SiО₂ меньше 20 указанные положительные эффекты не проявлялись. При толщине, превышающей 70 , нарушалась неизменность уровня токопротекания за счет уменьшения туннельной прозрачности слоя. Устройство работает следующим образом. На барьер Шоттки через тонкий металлический слой, практически не поглощаясь, падает УФ-излучение, которое поглощается в области объемного заряда толщиной W≅0,1 мкм и в прилегающей к этой области толщиной L≅0,5 мкм. Генерированные светом носители заряда разделяются в области объемного заряда и создают ток во внешней цепи или фотоЭДС на разомкнутых контактах прибора. Фотоприемник выполнен на основе карбид кремниевой монокристаллической подложки 1 n-типа проводимости с концентрацией основных носителей заряда Nd-Na=(1-7) ˙10¹⁸ см^-3 с ориентацией [0001], толщиной 0,4 мм и площадью поверхности 4х4 мм². На подложке с помощью "сэндвич"-метода при 1800^оС в вакууме выращивали слой SIC-2 с концентрацией носителей заряда Nd-Na (1-2)˙10¹⁷ см^-3 толщиной (5-10) мкм. Затем эпитаксиальный слой окисляли в атмосфере кислорода при 1150^оС в течение 1 ч, создавая при этом маску 3 SiО₂ толщиной 0,2 мкм. После этого с помощью фотолитографии вскрывали "окно" в маске в "буферном" травителе, содержащем 1 ч. 49%-ной HF и 10 ч. насыщенного водного раствора NH₄F. Далее в "окне" поверхность эпитаксиального слоя окисляли в атмосфере кислорода при 1150^оС в течение 5 мин, создавая при этом слой окисла в "окне" толщиной 50 . В заключение формировали контакт со стороны подложки напылением Сr. После этого производили вакуумное напыление металла толщиной 0,2 мкм для создания контактов 5. Далее производилась фотолитография и слой металла в "окне" убирался травлением, а затем вакуумным напылением в "окне" создавался полупрозрачный слой Cr для создания барьера Шоттки 4. Создание барьерного фотоприемника на карбиде кремния позволяет расширить область чувствительности в ультрафиолетовом диапазоне до 140 нм с λ_max ≈210 нм. Заявляемый полупроводниковый фотоприемник имеет диапазон фоточувствительности 140-400 нм с абсолютной чувствительностью 0,1 А/Вт при λ_max=220 нм, пороговой чувствительностью не хуже 10-13 ВтГц^-1/2и темновыми токами при V_обр=1В и Т=296 К I=10^-12 А/см². У прототипа диапазон чувствительности 250-400 нм с λ_max =315 нм, темновые токи при Т=296 К и V_обр=1В I=10^-7 A/см². Абсолютная чувствительность 0,01 А/Вт при λ=250 нм. Таким образом, заявляемый фотоприемник по сравнению с прототипом повысил чувствительность на порядок. Дополнительным преимуществом заявляемого фотоприемника является расширение спектральной чувствительности в области коротких длин волн с λ<200 нм.

Формула изобретения

ФОТОПРИЕМНИК, содержащий монокристаллическую подложку из карбида кремния, расположенный на ней эпитаксиальный слой с потенциальным барьером и металлические контакты, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности к излучению в УФ-диапазоне на длинах волн меньше 250 нм, на поверхности эпитаксиального слоя размещен изолирующий слой с окном, а потенциальный барьер выполнен в виде барьера Шоттки, содержащего между слоем металла и эпитаксиальным слоем дополнительный слой собственного окисла толщиной 20 - 70 , и расположен в окне изолирующего слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1