Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта и способ ее изготовления

Изобретение относится к исследованию оптических свойств и метрологии полупроводников и фотоэлектрических структур, а именно к измерению квантового выхода внутреннего фотоэффекта в полупроводниках. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта содержит рабочую поверхность, на которую поступает излучение, полупроводниковую базовую область с одним типом проводимости, металлические контакты, барьеры, разделяющие носители заряда и области с типом проводимости, противоположным типу проводимости базы, расположены в части рабочей поверхности, на которую поступает излучение, на указанных областях и барьерах расположены металлические контакты, барьеры и указанные области с контактами на них имеют форму гребенки из полосок с одинаковой шириной и эквидистантными расстояниями между ними, и структура характеризуется теоретической моделью расчета. Также предложен способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта. Изобретение обеспечивает упрощение процесса измерения, повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона и расширение функциональной значимости. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к исследованию оптических свойств и метрологии полупроводников и фотоэлектрических структур, а именно к измерению квантового выхода внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

Отсутствие в настоящее время фотоэлектрических структур для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта, позволяющих обеспечить реализацию достаточно достоверных способов измерения величины квантового выхода, обуславливает ошибки при обычных способах определения диффузионных и рекомбинационных параметров в тонких поверхностных слоях фотодиодных структур и фотопреобразователей и при оценке рекомбинационных параметров освещаемой поверхности.

Известна фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта для светодиодных структур (А.с. СССР №1005605, 1982, МПК H01L 21/66), представляющая полупроводниковую светодиодную структуру с p-n-переходом.

Недостатками указанной структуры являются громоздкость и сложность конструкции устройства измерения с указанной структурой, низкая точность и достоверность измерений, низкая чувствительность.

В качестве прототипа принята фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта (Вавилов B.C., Брицын К.И. О квантовом выходе внутреннего фотоэффекта в германии. ЖЭТФ, т.34, вып.2, 1958, с.521), содержащая рабочую поверхность, на которую поступает излучение, барьеры, разделяющие носители заряда, металлические контакты.

Указанная структура является плоским полупроводниковым фотопреобразователем, включающим тонкий легированный слой на всей освещаемой поверхности, плоский p-n-переход на малой глубине от поверхности и невыпрямляющий контакт на тыльной стороне. Использованная модель однородного легированного слоя не соответствует реальным применяемым структурам, содержащим неоднородное распределение легирующих примесей, которое приводит к возникновению встроенных электрических полей. Условие, реализуемое в указанной структуре: коэффициент разделения носителей заряда не зависит от длины волны излучения, не справедливо для реальных применяемых структур с неоднородными легированными слоями на освещаемой поверхности. Использование указанной структуры не позволяет учитывать возможность возникновения на поверхности легированного слоя так называемого «мертвого слоя», в котором не происходят фотогенерация и перенос носителей заряда. Для определения квантового выхода на указанной структуре необходимо измерение нескольких физических величин, характеризующих структуру, и использование теоретической модели переноса носителей заряда в полупроводниковом слое, что усложняет процесс измерений.

Недостатками указанной структуры являются сложность процесса измерений, низкая достоверность и точность результатов измерений, узкий спектральный диапазон.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса измерения, повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона и расширение функциональной значимости.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в фотоэлектрической структуре для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта, содержащей рабочую поверхность, на которую поступает излучение, полупроводниковую базовую область с одним типом проводимости, металлические контакты, барьеры, разделяющие носители заряда и области с типом проводимости, противоположным типу проводимости базы, расположены в части рабочей поверхности, на которую поступает излучение, на указанных областях и барьерах расположены металлические контакты, барьеры и указанные области с контактами на них имеют форму гребенки из полосок с одинаковой шириной и эквидистантными расстояниями между ними, и структура характеризуется теоретической моделью расчета.

Также повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона достигается тем, что барьеры, разделяющие носители, являются p-n-переходами или барьерами Шоттки.

Для повышения точности измерений и расширения спектрального диапазона на рабочей поверхности, на которую поступает излучение, может быть расположено несколько барьеров разного типа.

Также повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона достигается тем, что контакт на тыльной стороне не сплошной, и на нее поступает дополнительное излучение; рабочая поверхность, на которую поступает дополнительное излучение, с барьерами и контактами на них, расположена, по крайней мере, еще на одной поверхности структуры, а также тем, что структура может являться двумерной, и при этом ее элементы распложены в плоскости, или структура может являться трехмерной, и барьеры с контактами размещены в пространстве на нескольких поверхностях структуры.

Также повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона достигается тем, что на части хотя бы одной рабочей поверхности, свободной от барьеров, разделяющих носители, расположена пассивирующая пленка.

В способе изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта, включающем создание барьеров, разделяющих носители, нанесение металлических контактов, фотоэлектрическую структуру создают методами мезотехнологии, в части рабочей поверхности, на которую поступает излучение, создают области с проводимостью, противоположной проводимости базы с образованием барьеров, разделяющих носители заряда, на барьерах и указанных областях создают металлические контакты, при этом барьеры и указанные области с контактами на них образуют форму гребенки из полосок с одинаковой шириной и эквидистантными расстояниями между ними.

Также расширение функциональной значимости достигается тем, что барьеры, разделяющие носители, создают диффузией, эпитаксией или ионным легированием, а также тем, что барьеры, разделяющие носители, создают нанесением металла с образованием барьера Шоттки.

Дополнительно повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона достигается тем, что на рабочей поверхности, на которую поступает излучение, создают несколько барьеров разного типа, а также тем, что на тыльную сторону наносят не сплошной металлический контакт.

Также повышение точности и достоверности измерений, расширение спектрального диапазона достигается тем, что барьеры, разделяющие носители, и контакты на них в форме гребенки создают, по крайней мере, на двух поверхностях структуры; структура может быть выполнена в плоскости - двумерной, также структура может быть выполнена в пространстве - трехмерной, и барьеры с контактами могут быть созданы на нескольких поверхностях структуры; а также тем, что на завершающем этапе проводят пассивацию части рабочих поверхностей, свободной от барьеров, разделяющих носители.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3.

На фиг.1 показаны основные элементы конструкции фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта с диффузионными p-n-переходами и сплошным металлическим контактом на тыльной стороне. На фиг.2 показаны основные элементы конструкции фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта с рабочими поверхностями, барьерами и контактами на них, симметрично расположенные на двух противоположных сторонах структуры. На фиг.3 показаны основные элементы конструкции варианта фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта с рабочими поверхностями, барьерами и контактами на них, расположенными со смещением на двух противоположных сторонах структуры.

На фиг.1 фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта состоит из базы р-типа 1; рабочей поверхности 2; элементов структуры 3; мезообластей n-типа 4; барьеров, разделяющих носители заряда, 5; металлических контактов 6; сплошного металлического контакта 7; l - размер элемента структуры; d - размер p-n-перехода; w - размер контакта на рабочей поверхности.

Структура является двухмерной. Барьеры, разделяющие носители, 5 являются диффузионными p-n-переходами. База р-типа 1 представляет собой полупроводниковую пластину р-типа, толщина которой много больше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Барьеры, разделяющие носители заряда, 5 расположены на части рабочей поверхности 2 между базой р-типа 1 и диффузионными мезообластями n-типа 4. На барьерах, разделяющие носители, 5 и мезообластях n-типа 4 расположены металлические контакты 6. Мезообласти n-типа 4 не фотоактивны. Барьеры, разделяющие носители, 5 и мезообласти n-типа 4 с контактами 6 на них представляют собой полоски одинаковой ширины и образуют форму гребенки. Расстояния между полосками эквидистантное. Мезообласти n-типа 4 обладают равной глубиной 50 нм-10 мкм. Соотношение ширины полосок и расстояния между ними не более 1:2. На тыльной стороне структуры расположен сплошной металлический контакт 7.

На фиг.2 фотоэлектрическая структура также включает вместо базы р-типа 1 базу областей n-типа 8; вместо областей n-типа 4 мезообласти р-типа 9; барьеры, разделяющие носители заряда, 10, пассивирующую пленку 11. Мезообласти р-типа 9, барьеры, разделяющие носители, 10 и металлические контакты 6 на них симметрично расположены на двух противоположных сторонах двухмерной структуры. Мезообласти р-типа 9 не фотоактивны. Обе указанные противоположные стороны структуры являются рабочими поверхностями 2, на которые поступает излучение. На части рабочих поверхностей 2, свободной от барьеров 10 и контактов 6, размещена пассивирующая пленка 11.

На фиг.3 мезообласти n-типа 4, барьеры, разделяющие носители, 5 и металлические контакты 6 на них расположены на двух противоположных сторонах двухмерной структуры со смещением.

Устройство работает следующим образом.

На рабочую поверхность 2 фотоэлектрической структуры, на каждый элемент структуры 3 поступает монохроматическое излучение заданной длины волны. Происходит частичное поглощение квантов света с энергией, большей ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, переход электронов из валентной зоны в зону проводимости и образование носителей заряда. Образующиеся в базе р-типа 1 носители движутся к барьерам, разделяющим носители, 5 и разделяются барьерами 5. В результате между металлическими контактами 6 и сплошным металлическим контактом 7 на тыльной стороне возникает фототок. Благодаря тому что мезообласти 4 с проводимостью, противоположной проводимости базы 1, барьеры 5 и контакты 6 к ним расположены определенным образом, возникающий спектральный фототок имеет равное значение в широком диапазоне значений длины волны поступающего излучения λ при одном и том же потоке. При этом спектральная зависимость коэффициента разделения носителей заряда имеет П-образную форму в широкой спектральной области практически при любых значениях скорости поверхностной рекомбинации.

Так как при этом предлагаемая фотоэлектрическая структура описывается определенной моделью расчета параметров, то на основании модели можно рассчитать пространственные распределения концентрации и потоков носителей заряда и через спектральную чувствительность структуры рассчитать коэффициент разделения носителей барьерами 5 в элементе структуры 3 и в структуре в целом.

Фотоэлектрическая структура, приведенная на фиг.1, описывается следующей моделью.

Уравнение для избыточной концентрации неосновных носителей заряда в базовой области р-типа (электронов) Δn(х,у) фотоэлектрической мезоструктуры при монохроматическом освещении имеет вид:

Здесь: L и D - соответственно диффузионная длина и коэффициент диффузии носителей, Ф - плотность потока квантов на поверхность х=0, α - коэффициент их поглощения.

Граничные условия при х=0, включая p-n-переход, имеют следующий вид:

в области 0≤y≤ℓ-w/2

где S - скорость рекомбинации на освещаемой поверхности;

в области ℓ≥у≥ℓ-w/2

.

Аналогично представляется граничное условие на поверхности х=d.

Граничные условия при у=0 и у=ℓ:

Спектральная чувствительность структуры J(λ) [мкА/мВт] определяется выражением:

где: λ [нм] - длина волны излучения; h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; hc [эВ·мкм]=1,239; R(λ) - коэффициент отражения излучения, κ(λ) - квантовый выход внутреннего фотоэффекта, Q(λ) - коэффициент разделения носителей заряда p-n-переходом.

Таким образом, можно оценить характеристическую длину волны для фотоэлектрической структуры λ_s и область длин волн λ<λ_s, где коэффициент разделения носителей заряда фактически имеет П-образную форму. Что позволяет измерять только одну величину и не накладывает определенных условий на характеристики поверхностей и слоев.

Пример изготовления фотоэлектрической структуры.

В одной стороне полупроводниковой пластины из кремния р-типа, являющейся единым полупроводниковым кристаллом (марка КДБ, ориентация <100>, толщина 300 мкм, диффузионная длина 158 мкм), методами мезотехнологии создают области n-типа и металлические контакты к ним.

Создается маска из тонкого слоя диэлектрика, например двуокиси кремния SiO₂, с помощью фотолитографии в пленке диэлектрика вскрываются «окна». При этом «окна» представляют собой полоски одинаковой ширины, расположенные на эквидистантном расстоянии друг от друга, и осуществляется локальная термическая диффузия фосфора с образованием в рабочей поверхности пластины мезообластей n-типа равной глубины 50 нм ÷ 10 мкм, а соотношение ширины полосок и расстояния между ними не более 1:2. В результате образуются барьеры, разделяющие носители, - диффузионные p-n-переходы. В фотолитографии следует отметить возрастание требований к точности проведения процесса совмещения металлизации с мезообластями и барьерами, разделяющими носители: металлизация должна покрывать всю мезаобласть с барьером, задается минимальное перекрытие металлизации барьеров, нельзя допускать смещения контактов.

Стравливают маску с рабочей поверхности.

Далее маскированием и фотолитографией создают маску с «окнами» над мезообластями n-типа и барьерами, разделяющими носители. Проводят металлизацию в «окна» напылением в вакууме или химическим осаждением с образованием металлических контактов на мезообластях n-типа и барьерах, разделяющих носители. В результате получают гребенку из полосок мезообластей n-типа, барьеров, разделяющих носители в рабочей поверхности, и металлических контактов на них.

Стравливают маску с рабочей поверхности.

Далее проводят металлизацию противоположной стороны пластины с образованием сплошного металлического контакта.

В результате получается конструкция фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта, представленная на фиг.1.

Важнейшей особенностью предлагаемой мезоструктуры является то, что коэффициент разделения фактически имеет П-образную форму в широкой спектральной области практически при любых значениях скорости поверхностной рекомбинации. Это контрастирует с прототипом, содержащим поверхностный легированный слой и обладающим, как и указывалось выше, резко выраженной зависимостью фоточувствительности от длины волны. Выявленная особенность предложенной в изобретении структуры фотоприемника является физической основой создания высокоэффективного способа измерения квантового выхода.

Предлагаемая структура позволяет осуществить простой и эффективный способ измерений, обеспечить точность и достоверность измерений, расширить спектральный диапазон при измерении квантового выхода внутреннего фотоэффекта, упростить устройство и способ измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта в полупроводниках.

1. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта, содержащая рабочую поверхность, на которую поступает излучение, полупроводниковую базовую область с одним типом проводимости, металлические контакты, отличающееся тем, что барьеры, разделяющие носители заряда и области с типом проводимости, противоположным типу проводимости базы, расположены в части рабочей поверхности, на которую поступает излучение, на указанных областях и барьерах расположены металлические контакты, барьеры и указанные области с контактами на них имеют форму гребенки из полосок с одинаковой шириной и эквидистантными расстояниями между ними, и структура характеризуется теоретической моделью расчета.

2. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.1, отличающаяся тем, что барьеры, разделяющие носители, являются р-n-переходами.

3. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.1, отличающаяся тем, что барьеры, разделяющие носители, являются барьерами Шоттки.

4. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.1, отличающаяся тем, что на рабочей поверхности, на которую поступает излучение, расположено несколько барьеров разного типа.

5. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.1, отличающаяся тем, что контакт на тыльной стороне не сплошной и на нее поступает дополнительное излучение.

6. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.1, отличающаяся тем, что рабочая поверхность, на которую поступает дополнительное излучение, с барьерами и контактами на них расположена по крайней мере еще на одной поверхности структуры.

7. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.1, отличающаяся тем, что структура является двумерной и ее элементы распложены в плоскости.

8. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.1, отличающаяся тем, что структура является трехмерной и барьеры с контактами размещены в пространстве на нескольких поверхностях структуры.

9. Фотоэлектрическая структура для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.1, отличающаяся тем, что на части хотя бы одной рабочей поверхности, свободной от барьеров, разделяющих носители, расположена пассивирующаяя пленка.

10. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта, включающий создание барьеров, разделяющих носители, нанесение металлических контактов, отличающийся тем, что фотоэлектрическую структуру создают методами мезотехнологии, в части рабочей поверхности, на которую поступает излучение, создают области с проводимостью, противоположной проводимости базы, с образованием барьеров, разделяющих носители заряда, на барьерах и указанных областях создают металлические контакты, при этом барьеры и указанные области с контактами на них образуют форму гребенки из полосок с одинаковой шириной и эквидистантными расстояниями между ними.

11. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.10, отличающийся тем, что барьеры, разделяющие носители, создают диффузией, эпитаксией или ионным легированием.

12. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.10, отличающийся тем, что барьеры, разделяющие носители, создают нанесением металла с образованием барьера Шоттки.

13. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.10, отличающийся тем, что на рабочей поверхности, на которую поступает излучение, создают несколько барьеров разного типа.

14. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.10, отличающийся тем, что на тыльную сторону наносят несплошной металлический контакт.

15. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.10, отличающийся тем, что барьеры, разделяющие носители, и контакты на них в форме гребенки создают, по крайней мере, на двух поверхностях структуры.

16. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.10, отличающийся тем, что структуру выполняют в плоскости двумерной.

17. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.10, или 11, или 12, или 13, отличающийся тем, что структуру выполняют в пространстве трехмерной и барьеры с контактами создают на нескольких поверхностях структуры.

18. Способ изготовления фотоэлектрической структуры для измерения квантового выхода внутреннего фотоэффекта по п.10, отличающийся тем, что на завершающем этапе проводят пассивацию части рабочих поверхностей, свободной от барьеров, разделяющих носители.