Способ изготовления полупроводникового лавинного фотодиода

 

Использование: в технологии изготовления полупроводниковых приборов с р-п переходом и может использоваться для создания лавинных фотодиодов (ЛФД) из различных полупроводниковых материалов и полупроводниковых соединений. Технический результат изобретения - совершенствование кристаллической структуры ЛФД по всей его площади, снижение микроплазменного шума и повышение чувствительности за счет увеличения рабочего напряжения ЛФД. Сущность: на завершающем этапе изготовления ЛФД после формирования контактов производят облучение гамма-нейтронным импульсом при средней энергии нейтронов 1,0-3,0 МэВ с интегральным потоком 5·10⁹-5·10¹² н/см².

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов с p-n переходом и может использоваться при создании лавинных фотодиодов (ЛФД) из различных полупроводниковых материалов и полупроводниковых соединений.

Известен способ изготовления лавинного фотодиода с четырехслойной п⁺pπp⁺- структурой на кремнии p-типа нарущиванием эпитаксиального π- слоя с уд.сопротивлением ρ ≥ 300 Ом·см и созданием глубокого ρ- слоя и мелкого n⁺ - слоя ионной имплантацией/см. H.Melehoier, A.R.Hartman. "Epitaxial silicon n⁺hπp⁺ avalache photodiodes for optical fiber cummunications at 800 to 900 nammeters". Int. Electron. Dev. Meet., Washington, DC. 1976. Jechm. Dig., New York, 1978/.

Недостатком данного способ является трудность получения совершенной кристаллической структуры по всей площади ЛФД, необходимой для реализации низкого уровня шумов и высокой чувствительности.

Другие известные способы изготовление лавинных фотодиодов также приводят к образования микродефектов в процессе технологического изготовления и, как следствие, к высокому уровню шумов/см., например, пат. США N 4654678, кл. 357 - 13, 1987 г., пат. США N 5021854, кл. 357 - 30, 1991 г., R.Forrel et al. Radiation detection performance of verry high gain avalanche photodiodes, Nuclear Instruments and Method in Physics Research, A 353, 1994, pp. 176 - 178/.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ изготовления кремниевого ЛФД, включающий формирование n⁺p перехода и системы омических контактов. Формирование n⁺p перехода осуществляют введением в кремний бора и фосфора (см. пат. США N 4127932, кл. 29-590, 1978 г.) Этот способ позволяет реализовать высокую чувствительность и малый уровень шумов за счет того, что распределение бора и фосфора в кремнии создает такую разностную дозу примеси, которая обеспечивает достаточно широкую область лавинного размножения при не слишком высоких электрических полях (2-3-·10⁵ В/см. Это позволяет получить высокий коэффициент усиления. Однако процент выхода годных приборов с высокой чувствительностью и низким уровнем шума невысок, так как в данном способе так же, как и в других известных способах, не удается получить совершенную кристаллическую структуру по всей площади p-n перехода.

Настоящее изобретение решает задачу совершенствования кристаллической структуры ЛФД по всей его площади.

Для решения этой задачи в известном способе изготовления ЛФД, включающем формирование p-n перехода и системы омических контактов, после формирования контактов производят облучение гамма-нейтронным импульсом при средней энергии нейтронов 1,0 - 3,0 МэВ с интегральным потоком 5·10^-9-5·10¹² н/см².

Введение операции облучения указанным импульсом после формирования контактов позволяет получить более совершенную кристаллическую структуру по всей площади ЛФД за счет того, что, как показал эксперимент, под действием указанных доз облучения происходит улучшение равновесности и упорядоченности структуры как полупроводникового материала, так и p-n перехода. Это, в свою очередь, приводит к снижению микроплазменного шума и позволяет повысить чувствительность за счет возможности увеличения рабочего напряжения ЛФД. В результате увеличивается и процент выхода годных.

При этом технология формирования p-n перехода и его структура не имеют значения. Может использоваться ионное легирование, диффузия, эпитаксия и др. известные методы.

Допустимые пределы изменения интегрального потока и средней энергии используемого гамма-нейтронного облучения определялись эмпирическим путем по результатам исследований, проведенных на различных материалах и структурах p-n переходов.

В процессе этих исследований было установлено, что интегральный поток, меньший 5·10⁹ н/см², явно недостаточен для заметного улучшения равновесности и упорядоченности структуры полупроводниковых материалов и p-n переходов. Дозы, большие 5· 10^-12, как правило, приводят к нарушениям структуры, ведущим к деградации параметров ЛФД.

Конкретные оптимальные параметры используемого облучения выбираются в зависимости от характеристик исходного полупроводникового материала и структуры перехода.

Предлагаемый метод был опробован при изготовлении опытных образцов ЛФД.

Были изготовлены образцы на кремнии с уд. сопротивлением 10 кОм·см со структурой перехода п⁺pπp⁺. Формирование p-n перехода осуществлялось различными методами: ионным легированием с последующей высокотемпературной обработкой, диффузией, эпитаксией. После нанесения омических контактов осуществляли приварку золотой проволоки к контактной площадке p-n перехода и p⁺ области. Затем образцы повергались облучению гамма-нейтронным импульсом со средней энергией нейтронов 1,5 МэВ при интегральном потоке (не более 5·10¹² н/см²), лежащем в пределах 5·10⁹-5·10¹² н/см².

В результате у всех образцов, независимо от способа формирования перехода, наблюдается рост рабочего напряжения при фиксированном значении спектральной плотности шума и увеличение чувствительности к импульсному излучению с длиной волны 1,06 мкм. Рабочее напряжение возрастало на 4-19 B, чувствительность - на 27 - 60%.

Аналогичные результаты были получены на структурах InGa-As/InGaAsP с n-p переходами, полученными диффузией и эпитаксией.

Такой рост параметров позволяет получать приборы более высокого качества, а, кроме того, использовать на практике те приборы, которые ранее, без облучения, были бы признаны негодными.

Таким образом, использование операции облучения гамма-нейтронным импульсом с заданными параметрами на завершающем этапе изготовления полупроводниковых ЛФД улучшает основные параметры приборов и способствует повышению процента выхода годных, что особенно важно при серийном выпуске ЛФД.

Формула изобретения

Способ изготовления полупроводникового лавинного фотодиода, включающий формирование p-n перехода и системы омических контактов, отличающийся тем, что после формирования контактов производят облучение гамма-нейтронным импульсом при средней энергии нейтронов 1,0 - 3,0 МэВ и интегральном потоке 5 · 10⁹ - 5 · 10¹² н/см².