Способ изготовления гибридной фотодиодной матрицы на антимониде индия

 

Изобретение относится к технологии изготовления матричных фотоприемников ИК диапазона 3-5 мкм. Сущность: на n-или p-подложку InSb с концентрацией носителей 10¹⁴...10¹⁵ см^-3 носят эпитаксиальный слой n⁺-InSb c n⁺ = (2-3) · 10¹⁸ см^-3 и толщиной 100-150 мкм, который в дальнейшем после утолщения подложки до примерно 10 мкм и формирования на ней имплантации ионов p-n-переходов выполняет роль n⁺-подложки, а в готовой матрице при освещении с тыльной стороны выполняет функцию оптического фильтра, отрезающего излучение с λ< за счет эффекта Бурштейна-Мосса. Кроме того, на внешнюю сторону эпитаксиального слоя наносят сетку канавок треугольной формы, совмещенную с сеткой промежутков между p-n-переходами, которые за счет эффекта иммерсии увеличивают коэффициент использования потока излучения, падающего на матрицу, и улучшают контрастность изображения при дифракции от сетки в зоне Френеля. Для считывания сигналов матрица на InSb соединяется с помощью индиевых столбиков с матрице на Si. 2 ил.

Изобретение относится к способам создания гибридных фотодиодных матрица на основе антимонида индия (InSb) и может быть использовано в технологии изготовления твердотельных преобразователей изобретения ИК диапазона 3-5 мкм.

Известен способ изготовления фотодиодной матрицы на InSb (США, N 4-237471, кл. 357/30 от 22.08.79), включающий выращивание на подложке InSb одного типа проводимости методом парофазной (ПФЭ) или жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) слоя (ЭС) InSb противоположного типа проводимости толщиной примерно 0,4 мкм и создание планарных p-n-переходов или в виде мезаструктур. Особенность способа состоит в том, что для улучшения характеристик фотодиодных структур сурьмы в ЭС частично замещается мышьяком или фосфором.

Недостаток способа заключается в том, что созданная с его помощью матрица освещается со стороны, на которой расположены омические контакты к переходам и токоведущие дорожки. Это снижает эффективность сбора лучистого потока. Данным способом невозможно изготовить матрицы с большим числом фотодиодов малых размеров и не предусмотрено изготовление длинноволнового оптического фильтра для защиты от паразитного коротковолнового излучения, например, солнца.

Известен способ изготовления фотодиодной матрицы на InSb (Франция, N 2-256135, МКИ H 01 L 31/06 от 02.12.83), включающий формирование на подложке p-InSb с p 10¹⁵ 10¹⁶ см^-3 p-n-переходов имплантацией ионов изотопа S⁺₃₄ с энергией 100-200 кэВ и дозой 5 · 10¹³ 10¹⁵ см^-3 с последующим отжигом радиационных дефектов при 350-400^oС. Разделение на элементарные фотодиоды производят методом фототравления с образованием мезаструктур. Наносят слой диэлектрика, в котором вскрывают окна до подложки, методом ионной имплантации создают контакты и соединяют с подложкой Si p-типа, содержащей каналы n-типа проводимости для предусиления/мультиплексирования. Освещение осуществляют через Si подложку на фронтальную поверхность матрицы из InSb, на которой расположены p-n-переходы.

Недостаток способа состоит в том, что созданная с его помощью матрица принимает излучение со стороны, где расположены омические контакты к переходам и токоведущие дорожки (на Si подложке). Это снижает эффективность сбора лучистого потока матрицей и делает невозможные его изготовление с большим числом фотодиодов малых размеров.

Известен способ (прототип) изготовления фотодиодной матрицы на InSb (Optical Enginnering, 1987, Vol.26, N 3. p.232-240), включающий формирование на подложке n-InSb с концентрацией доноров (1-2) · 10^-3 см^-3 p-n-переходов имплантацией ионов акцепторной примеси через окна в пленке SiO₂ с дозой 1 · 10¹⁵ см^-3, напыление в окна на p-области переходов индиевых столбиков, соединение матрицы p-n-переходов на InSb с матрицей на Si подложке для считывания и обработки сигналов. При этом для придания гибридной матрице прочности в процессе соединения матрицы на InSb с матрицей на Si зазор между ними заполняется эпоксидной смолой. Затем матрица на InSb утоньшается до примерно 10 мкм для освещения с тыльной стороны. Это дает возможность по сравнению с аналогами изготавливать матрицы с большим числом элементов малых размеров.

Недостаток способа состоит в том, что для операции утоньшения матрицы на InSb с готовыми фотодиодными структурами до примерно 10 мкм требуется прецизионный метод, так как предъявляются высокие требования к электрофизическим свойствами, в частности поверхностной рекомбинации обеих близко расположенных поверхностей матрицы для обеспечения высокой квантовой эффективности, а также высокие требования к согласованию по коэффициенту термического расширения с эпоксидной смолой при охлаждении гибридной матрицы до Т 78 К. Способ не обеспечивает защиту матрицы от засветки большой оптической мощности коротковолнового излучения и в нем не предусмотрено улучшение оптической развязки фотодиодных структур. Доводка готовой матрицы с большим числом элементов до очень малой толщины рабочей зоны (примерно) 10 мкм существенно снижает выхода годных изделий.

Для достижения технического результата, заключающегося в улучшении фотоэлектрических параметров матрицы, усовершенствования технологии ее изготовления и обеспечении помехозащищенности, в способе изготовления гибридной фотодиодной матрицы на антимониде индия (InSb), включающем формирование на лицей стороне подложки InSb с концентрацией носителей 10¹⁴ 10¹⁵ см^-3 матрицы p-n-переходов методом планарной имплантации примесей, соединение лицевой стороны матрицы p-n-переходов на подложке InSb с лицевой стороной матрицы на подложке Si с помощью индиевых столбиков и эпоксидной смолы и утоньшение тыльной стороны подложи InSb до толщины примерно 10 мкм перед формированием матрицы p-n-переходов на одной стороне подложки InSb выращивают методом эпитаксии слой n⁺-InSb толщиной 100-150 мкм с концентрацией электронов (2-3) 10¹⁸ см^-3, после чего другую сторону подложки InSb утоньшают и на ней формируют матрицу p-n-переходов, а перед соединением матриц на внешней стороне n⁺-слоя создают с шагом матрицы сетку канавок треугольной формы, совмещенную с сеткой промежутков между p-n-переходами матрицы, причем ширину канавок задают из условия обеспечения заданного коэффициента оптической развязки между p-n-переходами матрицы.

Нанесение на подложку InSb толстого (100-150 мкм) ЭС n⁺-InSb даст возможность: во-первых, в дальнейших технологических операциях использовать его в качестве n⁺-подложки (после операции утоньшения исходной подложки) при изготовлении p-n-переходов; во-вторых, сохранить структурное совершенство и электрофизические параметры исходной подложки, в которой находится рабочая зона p-n-переходов, и границы раздела n⁺-n слоев за счет увеличения общей толщины матрицы и ее механической прочности; в-третьих, появляется возможность работать с ней, например, вакуумными пинцетами.

Это приведет также к уменьшению вероятности образования в матрицах трещин и механических напряжений при групповом способе изготовления и увеличит выхода годных изделий.

При этом толстый n⁺-типа ЭС позволит ввести в технологию изготовления матриц операцию нанесения сетки канавок треугольной формы небольшой глубины (примерно 10% от толщины ЭС), которые, не уменьшая механической прочности матрицы, в готовом приборе выполняют важную функцию улучшения контрастности изображения, а сам ЭС функцию оптического фильтра.

На фиг.1 представлена схема последовательности технологических операций изготовления гибридной фотодиодной матрицы на InSb; на фиг.2 схема фотодиодной структуры матрицы на InSb и распределение интенсивности излучения на границе n⁺-n слоев: ширина p-n-перехода A₁, расстояние между канавками A₂, ширина промежутка между p-n-переходами B₁, ширина канавки B₂, толщина n-слоя D₁, толщина n⁺-слоя - D₂, кривая 1 изображение на границе n⁺-n слоев при дифракции на отверстии A₂ экрана в зоне Френеля, кривая 2 суммарное изображение на границе n⁺-n слоев, создаваемое отверстием A₂ в зоне Френеля и стороной C₂ канавки в зоне Фраунгофена (C₂ < D₂.

Пример. На подложку 1 n или p-типа с n(p) 10¹⁴ 10¹⁵ см^-3 наносят методом ПФЭ или ЖФЭ толстый (100 150 мкм) 30 сильно вырожденного n⁺-InSb c Nd (2-3) · 10¹⁸ см^-3 донорной примеси 2. Затем подложку утоньшают химико-механически до толщины примерно 10 мкм 3. Далее в этом n- или p-слое толщиной приблизительно 10 мкм формируют p-n-переходы методом планарной имплантации ионов примеси, создающей противоположный тип проводимости, используя для защиты планку SiO₂ 4. После этого на внешней стороне ЭС со стороны приема матрицей излучения создают с шагом матрицы сетку канавок треугольной формы, совмещенную с сеткой промежутков между p-n-переходами 5. Причем ширину канавок B₂ (фиг. 2) выбирают из условия обеспечения заданного коэффициента оптической развязки между p-n-переходами. Глубину канавок задают такой, чтобы излучение, падающее на стороны канавок, после преломления поступало в центральную область чувствительности площадок фотодиодных структур. Канавки могут быть изготовлены, например, методом ионного травления. После этого на поверхность ЭС наносят пленку просветляющего покрытия ZnS либо SiO₂. Затем к p-n-переходам создают омические контакты и напыляют индиевые столбики 6. Готовую матрицу фотодиодов на InSb соединяют с Si считывающей матрицей, на которой также предварительно напылены индиевые столбики 7. Соединение матриц производят сжатием через слой эпоксидной смолы, которая равномерно заполняет все пустоты между матрицами.

В фотодиодной матрице, изготовленной предлагаемым способом, изображение формируется следующим образом (фиг. 2). При освещении параллельным пучком матрицы с обратной стороны сетка канавок действует как экран, установленный в ближней зоне зоне Френеля относительно изображения на границе раздела n⁺-n слоев. В этом случае можно выделить два дифракционных эффекта. Дифракцию Френеля на отверстия A₂ экрана и дифракцию Фраунгофера на стороне C₂ треугольной канавки. Дифракция на отверстии A₂ экрана создает в зоне Френеля изображение на границе n⁺-n слоев (кривая 1), приведенное на фиг.2. Расчеты выполнены для матрицы с шагом 100 х 100 мкм, A₁ A₂ 80 мкм, B₁ B₂ 20 мкм, D₁ D₂ 90 мкм, E₂ 10 мкм и λ=4 мкм по известному соотношению для распределения интенсивности излучения в изображении от экрана в зоне Френеля где W=x(2/λR)^1/2; x - расстояние от края экрана; R D₂; C(wO и S(w) - интегралы Френеля.

На фиг. 2 кривая 2 относится к суммарному изображению на границе n⁺-n слоев, создаваемому отверстием A₂ в зоне Френеля и стороной C₂ канавки в зоне Фраунгофера (C₂ < D₂) с диаграммой направленности где q угол, отсчитываемый от нормали в центре стороны C_.2 (фиг.2). Причем интенсивность излучения в максимуме изображения в зоне Фраунгофера в (4C₂/A₂) раз меньше интенсивности в центре зоны Френеля.

В общем случае A₁ ≠ A₂ и B₁ ≠ B₂, которые выбирают в зависимости от величины заданной оптической развязки между фотодиодными структурами матрицы. Канавки желательно изготавливать с углом a (с ним связана глубина канавки E₂), который согласно фиг.2 легко определить из соотношения где показатель преломления ЭС n⁺-InSb.

Толстый ЭС n⁺-InSb, используемый при изготовлении матрицы в качестве n⁺-подложки, в готовой матрице выполняет функцию длиноволнового оптического фильтра, так как за счет эффекта Бурштейна-Мосса край поглощения в ЭС смещен в область коротких длин волн: при n⁺ 3 · 10¹⁸ см^-2 и Т 78 ЭС прозрачен для излучения с λ≥ 3, а излучение с с λ < 3 полностью поглощается в ЭС. Сетка канавок треугольной формы, нанесенная на толстый слой n⁺-InSb, прозрачный в спектральном диапазоне 3.5 мкм, и совмещенная с сеткой промежутков между p-n-переходами улучшит контрастность изображения и устранит генерацию фотоносителей в промежутках между p-n-переходами. При этом не будет теряться излучение, падающее на канавки, которые направляют его на p-n-переходы, увеличат тем самым сигналы (более эффективный сбор потока излучения матрицей), а также улучшат оптическую развязку и шумовые характеристики фотодиодных структур.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления гибридной фотодиодной матрицы на InSb по сравнению с прототипом позволяет
после выращивания на подложке InSb толстого (100-150 мкм) ЭС n⁺-InSb использовать его в дальнейших технологических операциях в качестве n⁺-подложки (после операции утоньшения исходной подложки) при изготовлении p-n-переходов, сохранить структурное совершенство и электрофизические параметры исходной подложки, в которой находится рабочая зона p-n-переходов, и границы раздела n⁺-n слоев за счет увеличения общей толщины матрицы и ее механической прочности;
ввести в технологию изготовления матриц операцию нанесения сетки канавок треугольной формы небольшой глубины (примерно 10% от толщины ЭС) на толстом ЭС, которые, не уменьшая механической прочности матрицы, в готовом приборе выполняют важную функцию улучшения контрастности изображения за счет улучшения оптической развязки фотодиодных структур, а сам n⁺-слой, как длинноволновой оптический фильтр, обеспечит защиту матрицы от засветки большой оптической мощности;
уменьшить вероятность образования в матрицах трещин и механических напряжений при групповом способе изготовления и увеличить выхода годных изделий.

Формула изобретения

Способ изготовления гибридной фотодиодной матрицы на антимониде индия (InSb), включающий формирование на лицевой стороне подложки InSb с концентрацией носителей 10¹⁴-10¹⁵см^-3 матрицы p-n-переходов методом планарной имплантации примесей, соединение лицевой стороны матрицы p-n-переходов на подложке InSb с лицевой стороной матрицы на подложке Si с помощью индиевых столбиков и эпоксидной смолы и утоньшение тыльной стороны подложки InSb до толщины ~10 мкм, отличающийся тем, что перед формированием матрицы р-n-переходов, на одной стороне подложки InSb выращивают методом эпитаксии слой n⁺-InSb толщиной 100-150 мкм с концентрацией электронов (2-3)·10¹⁸см^-3, после чего другую сторону подложки InSb утоньшают и на ней формируют матрицу р-n-переходов, а перед соединением матрицы на внешней стороне n⁺-слоя создают с шагом матрицы сетку канавок треугольной формы, совмещенную с сеткой промежутков между р-n-переходами матрицы, причем ширину канавок задают из условия обеспечения заданного коэффициента оптической развязки между р-n-переходами матрицы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2