Способ изготовления фотодиода

 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов. Технический результат изобретения заключается в создании кремниевого фотодиода, устойчивого к сильным радиационным воздействиям. Сущность: в качестве исходного материала используются кремниевые эпитаксиальные структуры типа 9-20 КЭФ(КЭС) 20-100, а в качестве параметров - критериев годности фотодиодов - выбирают значения темнового тока менее 5•10^-7 А и изменение интегральной чувствительности не более чем на 35% при нулевом рабочем напряжении и на 15% при рабочем напряжении 3В после воздействия гамма-нейтронного излучения в диапазоне потоков 10¹³-10¹⁴см^-2.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов с p-n переходом и может использоваться при создании кремниевых фотодиодов, устойчивых к радиационным воздействиям.

Известен способ изготовления фотодоида на основе монокристаллического кремния [см., например, техническую документацию АГЦ 3.368.110 ТУ на фотодиод ФД 20-32К, серийно выпускаемый заводом "Сапфир", г. Москва// ВИМИ, г.Москва, декабрь 1977 г.]. Недостатком таких фотодиодов, изготовленных на основе монокристаллического кремния, является значительное уменьшение величин фотоэлектрических параметров после радиационных воздействий: изменение интегральной чувствительности может составлять до 60% при U_р=0 после воздействия гамма-нейтронного излучения уровня 10¹⁴ у.е.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ изготовления фотодиода на основе кремниевых эпитаксиальных высокоомных структур типа 20-25 КЭФ (КЭС) 400-600, включающий формирование p-n перехода и системы омических контактов [см., например, техническую документацию АГЦ 3.368.253 ТУ на фотодиод ФД 297М, серийно выпускаемый заводом "Кварц" г.Черновцы // ВИМИ, г.Москва, ноябрь 1992 г.]. Этот способ изготовления фотодиодов позволяет реализовать стандартные исходные значения фотоэлектрических параметров и добиться изменения интегральной чувствительности ~ 40% при U_р=OВ после воздействия гамма-нейтронного излучения уровня 10¹⁴ у. е. Однако такой прибор теряет работоспособность при U_p=3B после радиационных воздействий указанного уровня за счет колоссального возрастания темнового тока. Этот недостаток делает невозможным применение таких фотодиодов в аппаратуре.

Настоящее изобретение решает задачу создания устойчивого к сложным радиационным воздействиям фотодиода со стандартными или улучшенными фотоэлектрическими параметрами.

Для решения этой задачи в известном способе изготовления фотодиода, включающем формирование p-n перехода и системы омических контактов, используют исходный материал типа 9-20 КЭФ (КЭС) 20-100, где 9-20 обозначает толщину эпитаксиального слоя в мкм, 20-100 обозначает удельное сопротивление эпитаксиального слоя в Ом•см, КЭФ (КЭС)-кремний электронный, легированный фосфором (сурьмой).

Использование кремниевых эпитаксиальных слоев типа 9-20 КЭФ(КЭС) 20-100 позволяет, с одной стороны, добиться стабильности эффективной длины сбора носителей заряда, обеспечивающей стабильность чувствительности до и после радиационных воздействий за счет оптимального соотношения скоростей процессов уменьшения диффузионной длины и возрастания ширины области пространственного заряда, а с другой стороны - позволяет получить стабильную величину темнового тока. В результате мы имеем возможность создать прибор с требуемыми величинами исходных параметров и устойчивый к "жестким" радиационным воздействиям. При этом технология p-n перехода и его структура не имеют значения. Может использоваться ионное легирование, диффузия и другие известные методы.

Предлагаемый способ был апробирован при испытаниях и изготовлении опытных образцов фотодиодов. Были изготовлены фотодиоды на эпитаксиальных кремниевых структурах с удельным сопротивлением 20-100 Ом•см и толщиной 9-20 мкм. Формирование p-n перехода осуществлялось различными методами: ионным легированием с последующей высокотемпературной обработкой, диффузией.

В качестве параметров-критериев годности фотодиодов выбраны: I т при U_p=3B - темновой ток Si - интегральная чувствительность к источнику типа "А", где U_p - рабочее напряжение. Все параметры замеряют перед началом работы и после радиационных воздействий.

После воздействия гамма-нейтронного излучения в диапазоне потоков 10¹³-10¹⁴ у. е. значение интегральной чувствительности изменились не более чем на 35% при U_p=OB и не более чем на 15% при U_p=3B, значения темнового тока составили менее 5•10^-7 А, что обеспечивает работоспособность аппаратуры (у.е.= см^-2).

Допустимые пределы величин толщины и удельного сопротивления эпитаксиального слоя определялись расчетным и эмпирическим путями по результатам исследований, проведенных на фотодиодах, изготовленных на различных эпитаксиальных структурах. В процессе этих исследований установлено, что применение эпитаксиальных слоев толщиной менее 9 мкм не обеспечивает стандартную исходную величину чувствительности, а применение эпитаксиальных слоев толщиной более 20 мкм с удельным сопротивлением менее 20 Ом•см не обеспечивает стабильности параметров после радиационных воздействий. Применение кремния с удельным сопротивлением более 100 Ом•см не обеспечивает требуемой величины темнового тока.

Конкретные оптимальные параметры эпитаксиального слоя выбираются в зависимости от исходных требуемых величин параметров фотодиодов и степени "жесткости" радиационных воздействий.

Таким образом, использование в качестве исходного материала эпитаксиального кремния типа 9-20 КЭФ (КЭС) 20-100 позволяет создать фотодиод со стандартными или улучшенными исходными параметрами, устойчивый к "жестким" радиационным воздействиям.

Формула изобретения

Способ изготовления фотодиода на основе кремния, включающий формирование р-n перехода и системы омических контактов, отличающийся тем, что для изготовления фотодиода используют исходный материал типа 9 - 20 КЭФ (КЭС) 20 - 100 и в качестве параметров - критериев годности фотодиодов - выбирают значение темнового тока менее 5 • 10^-7 А и изменение интегральной чувствительности не более чем на 35% при рабочем напряжении U_р = 0 и на 15% при U_p = 3В после воздействия гамма-нейтронного излучения в диапазоне потоков 10¹³ - 10¹⁴ см^-2.