Способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического прибора

 

Использование: способы создания высокочувствительных фотодетекторов в ИК- и видимой области спектра излучения. Сущность изобретения: получают компенсированный кремний и приповерхностный слой с силицидом марганца при диффузионном циклически легированном марганце p-типа кремния марки КДБ-10. Удаляют силицидный слой с пяти граней параллелепипеда и на оставшейся грани создают многослойную структуру, состоящую из силицидов марганца, неоднородного кремния и компенсированного кремния. Наносят омические контакты на крайние области структуры. В результате возможно получение высокочувствительных фотодетекторов за счет создания гетерогенной структуры. 1 з.п.ф-лы, 6 табл., 2 ил.

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых фотоэлектрических приборов на основе диффузии легирующей примеси с последующей механической обработкой и может бать использовано для производства фотодетекторов в ИК-области и видимой области спектра излучения.

Известен способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического прибора, при котором легируют брусок низкоомного кремния марганцем, выполненного в форме параллелепипеда и удаляют низкоомный приповерхностный слой со всех шести граней и наносят контакты на противоположные торцы, а также известен способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического прибора, при котором легируют серебром или золотом высокоомный кремний. Недостатком является использование сложную технологию и драгоценных металлов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления полупроводникового фотоэлектрического прибора, при котором легируют брусок низкоомного кремния марганцем до получения компенсированного кристалла и удаляют образованный при легировании низкоомный слой со всех шести граней, оставляя только компенсированную область.

Недостатком этого способа является низкий выход годных приборов из-за большего разброса их параметров и низкая чувствительность. Это связано с тем, что при легировании образуются на приповерхностной области слой с совершенно иными физическими свойствами, чем объемная область, который сильно влияет на чувствительность и выход годных приборов.

Целью изобретения является повышение выхода годных приборов с одновременным повышением фоточувствительности.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления полупроводниковых приборов, основанном на легировании марганцем бруска низкоомного кремния, выполненного в форме параллелепипеда с последующим удалением низкоомного слоя с пяти граней, и нанесением контактов, с целью повышения выхода годных приборов с высокой чувствительностью, легирование производят при Т 900-955^оС в течении 30 мин с дальнейшим отжигом при Т 1040-1055^оС в течение 30-40 мин, на оставшейся грани параллелепипеда создают ступенчатую структуру, состоящую из пленок силицида марганца, неоднородного кремния, компенсированного кремния и контактов, нанесенных на крайние области структуры, при этом толщина слоев структуры составляет: пленка силицидов марганца 2-5 мкм, неоднородный кремний 30-40 мкм, компенсированный кремний 10-500 мкм.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что при создании данной структуры используются фотоэлектрические свойства пленок силицида марганца, неоднородной области, обусловленной силицидными включениями в кремний, а также компенсированной области кристалла, влияние гетерогенной структуры на прохождение тока через нее.

На фиг.1 представлено устройство для осуществления заявляемого способа; на фиг.2 - размеры и вид кристалла.

Из слитков монокристалла кремния р-типа марки КДБ-7 и 10, выращенного методом Чохральсого, алмазным диском вырезают образцы в виде параллелепипеда размерами (1-2)х(2-4)х(6-8)мм³. Шлифовку образцов производят с применением микропорошка карбида кремния марки М-14. С целью удаления нарушенного при шлифовке поверхностного слоя образцы обезжиривают в толуоле при температуре 40-50^оС и подвергают химическому травлению в растворе 1HF:5HNO₃ в течение 1-2 мин, пpомывают в деионизованной воде и сушат при температуре 95^oС. Образцы кремния помещают в количестве 4 шт. В кварцевые ампулы, предварительно промытые в растворе HNO₃:4HCl и прокипяченные в дистиллированной воде. В ампулу помещают 4 мг порошка марганца. Ампулу с образцами 3 и марганцем 4 откачивают до вакуума 10^-5 мм рт.ст. и запаивают. Размеры ампулы следующие: наружный диаметр 1 кварцевой ампулы 10 мм, толщина 2 стенок 1 мм, длина ампулы 60 мм. Затем ампулу помещают в горизонтальную печь и производят отжиг при Т 900-955^оС в течение 30 мин с дальнейшим поддержанием при температуре 1040-1050^оС в течение 30-40 мин. Колебания температуры в рабочей зоне печи не превышает ± 5^оС. После отжига образцы закаливают охлаждением со скоростью 120 град/с до температуры 950^оС с последующим сбрасыванием ампул в воду и выдерживают до Т 20^оС в течение 20 мин.

После вскрытия ампул поверхность образцов имеет р-тип проводимости, а объемная часть i-типа проводимости.

Установлено, что на поверхности образуется пленка высшего силицида марганца (MnSi1,72-1,75) толщиной 2-5 мкм, а на глубинах до 30-40 мкм образуется слой, состоящий из силицидных включений и кремния, легированного марганцем (Si<Mn>), далее идет компенсированный кремний.

Толщина образования пленки и неоднородного кремния в зависимости от длительности диффузии приведена в табл.1.

Как видно из табл.1 при длительностях отжига t 30-40 мин на поверхности образуется пленка толщиной 2-5 мкм, неоднородный слой 30-40 мкм. При меньших временах, чем t 20 мин пленка не успевает образоваться, а при больших чем t 40 мин временах толщина пленки составляет 4-5 мкм. Толщина неоднородного кремния равна 30-40 мкм во всем интервале длительности отжига.

Результаты зависимости толщины пленки ВСМ и компенсированной части от температуры отжига приведены в табл.2 и 3.

Как видно из табл.2 и 3 пленка ВСМ образуется при температуре отжига 900-955^оС, а при температурах ниже чем 900^оС она не образуется, а свыше 955^оС тоже не образуется. Высокая степень компенсации, близкой к собственной, обеспечивается при температурах 1040-1055^оС. При температурах ниже 1040^оС высокая степень компенсации не обеспечивается, при этом образец не докомпенсируется, а свыше 1055^оС происходит перекомпенсация, т.е. тип проводимости переходит в противоположный.

Образцы отшлифовывают пять из шести сторон по 40 мкм для удаления низкоомной области. На необработанной грани создают ступенчатообразную форму для получения необходимой структуры. Размеры и вид кристалла приведены на фиг.2, где 1 - пленка высшего силицида марганца, толщина 2-5 мкм; 2 - неоднородный слой, состоящий из включений силицида марганца и кремния, толщиной 30-40 мкм; 3 - компенсированный кремний толщиной 10-500 мкм; 4 - металлический контакт из AlGa; 5 - металлический контакт, напыленный из Au (Sb, Al); 6 - i-область (компенсированная) шириной 100-300 мкм. 7 - неоднородная область шириной 5-5,5 мм; 8 - пленка силицида марганца шириной 2-5 мкм.

Освещение структуры проводят в диапазоне длин волн 0,5-2,3 мкм. Свет падает перпендикулярно на ступенчатообразную поверхность.

Постоянное время τ структуры в пределах температур (77-160^оК) равны 10^-2 - 10^-4 с.

Толщина участков 1 и должна быть 30-40 мкм, при меньших глубинах фоточувствительность уменьшается (см. табл.4) за счет шунтирующего сопротивления неоднородной области 2.

Влияние толщины компенсированной области на фоточувствительность структуры показана в табл.5.

Как видно из табл.5 высокая фоточувствительность структуры наблюдается при толщине компенсированного кремния 10-500 мкм (при u 50В), а при толщинах 10 мкм и менее из-за малого поперечного сечения структуры фототок мал, а при значениях 500 мкм и более фототок не меняется. С целью экономии расходуемого сырья нежелательно использовать толстый слой компенсированного кремния.

Фотоэлектрические параметры данной структуры и характеристики известных приборов приведены в табл.6. Из табл.6 следует, что чувствительность полупроводниковых фотоэлектрических структур, полученных с помощью предложенного способа, в 10²-10⁴ раз выше известных.

Испытание на выход годных приборов проводился на 100 структурах, из них 91 показали фотоэлектрические параметры приведены в табл.6, что составляет 91% . Из оставшихся девяти структур, отказавшихся из-за механических повреждений поверхности -5; не работающих из-за плохих контактов -3 и дающих пониженную чувствительность -1.

Экономический эффект от полученных структур создается за счет большого выхода, высокой чувствительности, более упрощенной технологией изготовления, дешевизной и возможностью использовать их в ИК-области спектров излучения.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИБОРА, основанный на легировании марганцем бруска низкоомного кремния, выполненного в форме параллелепипеда с последующим удалением низкоомного слоя с пяти граней и нанесением контактов, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годных приборов с высокой чувствительностью, легирование производят при Т=900 - 955^oС в течение 30 мин с дальнейшим отжигом при Т=1040 - 1050^oС в течение 30 - 40 мин, на оставшейся грани параллелепипеда создают ступенчатую структуру, состоящую из пленок силицида марганца, неоднородного кремния, компенсированного кремния и контактов, нанесенных на крайние области структуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина слоев структуры составляет: пленка силицида марганца 2 - 5 мкм, неоднородный кремний 30 - 40 мкм, компенсированный кремний 10 - 500 кмк.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2