DE2517939C2 - Verfahren zur Herstellung einer für Infrarotstrahlung empfindlichen Photodiode - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer für Infrarotstrahlung empfindlichen Photodiode

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer für Infrarotstrahlung empfindlichen Photodiode, bei dem man mittels Planartechnik in einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps zur Bildung eines pn-Überganges unter einem in einer dielektrischen Schutzschicht angebrachten Fenster, durch das die Oberfläche des Halbleiterkörpers freigelegt wird, eine Diffusionszone des entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt, und auf die Oberfläche der dielektrischen Schutzschicht metallische Ablagerungen aufbringt.
Auf Infrarotstrahlung ansprechende Sperrschichtphotoelemente mit einem pn-übergang sind bereits bekannt. Derartige Photoelemente bestehen Im wesentlichen aus einer Halblelterplatte mit zwei unterschiedlichen Zonen, und zwar einer Zone des Typs ρ und einer Zone des Typs n. Jede dieser Zonen Ist mit einem elektrischen Anschlußkontakt versehen. Wenn auf die Oberfläche einer dieser beiden Zonen eine Infrarotstrahlung auftrlfft, wird zwischen den beiden In offener Schaltung liegenden Elektroden ein Potentialunterschied erzeugt, der von der Strahlungsintensität und der Qualität des Detektors abhängig 1st.
Eine der Herstellungstechniken, die eine Industrielle Fabrikation derartiger Detektoren (mit einem oder mehreren Elementen) sowie die Verwirklichung von optoelektronischen Schaltungen auf dem Gebiet der Infrarotanzeige ermöglicht. Ist die sogenannte Planartechnik (siehe beispielsweise die US-PS 37 33 222). Die Planartechnik besteht darin, auf einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps eine dielektrische Schutzschicht abzulagern, und dann durch in der Schutzschicht angebrachte Fenster ein Dotierungsmaterial zu diffundieren, um die Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps und damit die pn-Übergänge zu erzeugen. Bei der gemäß der US-PS 37 33 222 hergestellten Photodiode besteht der Halbleiterkörper aus Silizium, während die dielektrische Schutzschicht aus SiO2 besteht, d. h., die Zusammensetzungen des Halbleiterkörpers und der Schutzschicht Hegen hinsichtlich ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaft relativ nahe beieinander. Zum Zwecke der Unterdrückung von Inversionszonen an der Oberfläche des Halbleiterkörpers wird bei dem bekannten Verfahren der Halbleiterkörper mit Neutronen bestrahlt. Eine derartige Neutronenbestrahlung Ist jedoch nicht für sämtliche Halbleiterkörpermaterialien geeignet, beispielsweise nicht für Halbleiterkörper aus HgCdTe, welches ein relativ sprödes Material ist, bei dem sich unter dem Einfluß einer Neutronenbestrahlung Gitterlücken bilden können, wodurch eine örtliche Veränderung des Leltungstypes des Materials hervorgerufen werden kann. Da außerdem die EmpPndllchkeltscharakterlstik von Silizium-Detektoren im wesentlichen innerhalb des sichtbaren Bereiches
jo des Spektrums liegt und bei einer Wellenlänge von 1,2 μΐη endet, bezieht sich das bekannte Verfahren nicht auf die Herstellung einer speziell für Infrarotstrahlung empfindlichen Photodiode. Die Neutronenbestrahlung hat außerdem nicht zum Ziel, die Bildung von Fehlstellen schon während der Herstellung der Photodiode zu unterdrücken, da diese Neutronenbestrahlung erst abschließend angewandt wird.
Wenn der Halbleiterkörper und die dielektrische Schutzschicht aus sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen bzw. Materlallen bestehen und demzufolge In physikalischer Hinsicht beträchtlich voneinander abweichende Eigenschaften haben, fühlt der abrupte Unterschied zwischen dem Halbleiterkörper und der Schutzschicht neben anderen Nachtellen zur Bildung von Inverslonszonen, die einen schädlichen Einfluß auf den Wirkungsgrad der Photodiode haben. Dieses Ist z. B. dann der Fall, wenn der Halbleiterkörper aus slnem Material auf der Basis von HgCdTe, wie es In der FR-PS 15 04 497 beschrieben ist, und die dielektrische Schutzschicht aus SlO, SiO2 oder ZnS bestehen.
Bei der Herstellung einer Photodiode mit einem Halbleiterkörper aus HgCdTe des Typs ρ (oder n) mittels Planartechnik wird auf dem Halbleiterkörper durch Verdampfen oder Zerstäuben eine dünne dielektrische Schutzschicht aufgetragen. Diese Schutzschicht hat die folgenden Eigenschaften: Sie Ist für Dotierungsmittel (Quecksilber, Indium, Kupfer usw.) undurchlässig, sie ist elektrisch isolierend und chemisch inert, und sie besitzt solche mechanischen Eigenschaften, daß sie bei der Fabrikation den verschiedenen Behandlungen wie Phototypie, thermischer Behandlung usw. widerstehen kann.
Verschiedene Dielektrika, wie SlO2, SlO und Si3N4, die
heute auf dem Gebiet der Halbleiterindustrie verwendet werden, entsprechen zumindest teilweise diesen Forderungen.
Anschließend diffundiert man ein Dotierungsmittel durch Fenster, die beispielsweise mittels Phototyple Innerhalb der Schutzschicht angebracht worden sind.
wodurch auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers n-Ziinen (oder p-Zonen) gebildet werden. Diese Zonen sind voneinander durch das Halbleitermaterial entgegengesetzten Typs getrennt. Diese unmittelbare Passivierung macht jedoch jede weitere Behandlung unmöglich, die es zum Ziele hätte, die elektrischen Eigenschaften der Photodiode zu verbessern. Einer dieser Parameter, wie etwa der Nebenschlußwiderstand, hängt zum großen Teil von den Zuständen der Materialoberfläche Im Bereich des pn-Überganges ab. Die phsikalische und chemische Natur !0 der Schutzschicht bestimmt ebenso wie die physikalische Natur der Grenzschicht zwischen der Schutzschicht und dem Halbleiterkörper die Qualität einer Photodiode.
Die verschiedenen vorstehend genannten Dielektrika ermöglichen es nicht, erhöhte Querimpedanzen zu erhalteil-Spannungen auf der Materialoberfläche verändern einerseits die Oberflächenleitung, während andererseits eine abrupte Grenzschicht zwischen den in physikalischer Hinsicht sehr unterschiedlichen Materialien eine Inversionszone erzeugt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein die Planartechnik benutzendes Verfahren zur Herstellung von für Infrarotstrahlung empfindlichen Photodioden zu schaffen, bei dem die Schwierigkeiten, die auf der fehlenden Übereinstimmung zwischen den physikalischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers und der Schutzschicht beruhen, insbesondere die Bildung von Inversionszonen, nicht auftreten.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß man auf dem Halbleiterkörper zunächst eine dünne Zwischenschicht aus einem Material ablagert, dessen Bestandteile derart ausgewählt sind aus den Bestandteilen des Materials des Halbleiterkörpers und in derartigen Anteilen vorliegen, daß die Gitterkonstante und der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht und des Halbleiterkörpers sehr ähnlich sind, die Zwischenschicht jedoch einen wesentlich höheren elektrischen Widerstand aufweist als der Halbleiterkörper, und daß man anschließend auf der dünnen Zwischenschicht die dielektrische Schutzschicht aufträgt und das auf diese Welse erhaltene Produkt thermisch so behandelt, daß zwischen dem Halbleiterkörper und der dünnen Zwischenschicht eine wechselseitige Diffusion erfolgt.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die elektrischen Eigenschaften der Photodiode bereits schon vor der Bildung des pn-Überganges verbessert. Durch das Vorhandensein der dünnen Zwischenschicht werden die oben beschriebenen Nachtelle ausgeschaltet, da durch diese Zwischenschicht der abrupte Unterschied zwischen dem Halbleiterkörper und der Schutzschicht vermieden wird, wobei diese dünne Zwischenschicht selbst jedoch nicht zur Bildung eines pn-Überganges beiträgt. Bei einem Halbleiterkörper aus HgCdTe wählt man vorzugsweise eine Zwischenschicht aus CdTe.
Die Erfindung wird Im folgenden an Hand der beillegenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Flg. 1 bis 5 in schematischer Darstellung eine Photodiode In verschiedenen Ansichten, die jeweils aufelnanderfolgenden Arbeltsstufen während der Herstellung der Photodiode entsprechen.
Bei der folgenden Beschreibung des Herstellungsverfahrens wird von einem Halbleiterkörper auf der Basis von HgCdTe ausgegangen; dieses Material ist insbeson- <>5 dere für die Erfassung von Infrarotstrahlung geeignet. Die Erfindung bezieht sich jedoch auch auf andere Materlallen, die für die Infrarotstrahlungsanzeige verwendet werden und bei denen die gleichen physikalischen Diskordanzprobleme mit dem Dielektrikum vorhanden sind.
Die nach dem Herstellungsverfahren abgelagerte dünne Zwischenschicht hat die folgenden physikalischen Eigenschaften: Sie ist elektrisch isolierend, sie hat einen Ausdehnungskoeffizienten, der ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Halbleiterkörpers ist und ihr Kristallgitter ist ebenfalls sehr ähnlich dem Kristallgitter des Halbleiterkörpers.
Im Fall von HgCdTe besteht die Zwischenschicht aus einer Schicht auf der Basis von HgCdTe, deren Quecksilberkonzentration unter der Quecksilberkonzentration des Halbleiterkörpers iiegt oder vorzugsweise gleich Null ist.
Die folgende Zusammenstellung zeigt die Übereinstimmung der physikalischen Charakteristika der Schichten, und zwar entsprechend einem Auszug aus »Semiconductors and Semimetals«, Band 5, Seiten 183-188, »Infrared detectors«, R. K. Willardson und Albert C. Beer, Academic Press, 1970, New York.
Gilterkonstante des
Kristallgitters
therm.. Ausdehnungskoeffizient
HgCdTe
CdTe
6,46-? χ 10-'°m
6,841 χ 10-10m
4,3 χ 10-'/° C
5,5 xlO-6/0 C
Die Photodiode wird auf die folgende Weise hergestellt:
1. Auf einem Halb'eiterkörper 1 des Typs ρ (oder n) wird eine dünne Zwischenschicht \a durch kathodische Zerstäubung, Epitaxie, durch Verdampfen oder irgendein anderes an sich bekanntes Verfahren abgelagert (F I g. 1).
2. Durch kathodisches Zerstäuben oder irgendein anderes bekanntes Verfahren wird eine dielektrische Schutzschicht 2 (Fig. 2) abgelagert, die für die Dotierungsmittel des Halbleiterkörpers undurchlässig und chemisch Inert Ist; SiO, SlO2 und ZnS entsprechen diesen Kriterien.
3. Es folgt eine thermische Behandlung in der Weise, daß eine gegenseitige Diffusion zwischen der sich rekristallisierenden dünnen Zwischenschicht la und dem Halbleiterkörper 1 stattfindet.
4. Mittels bekannter Planartechnik erfolgt das Aussparen der Fenster (Fi g. 3).
5. Man erzeugt durch Diffusion durch die In den beiden Schichten Xa und 2 angebrachten Fenster die dotierten Zonen 3 vom Typ η (oder p) (Flg. 4).
6. Auf einem kleinen Abschnitt der dielektrischen Schutzschicht 2 wird durch Ablagerung einer dünnen Chrom- oder Goldschicht 4 eine Metallablagerung gebildet, um die elektrischen Kontakte zu erhalten (Flg. 5).
Die thermische Behandlung ermöglicht die Verwirklichung einer Zwischenschicht la mit einer abgestuften Zusammensetzung. Es bildet sich zwischen dem Halbleiterkörper 1 und der Zwischenschicht la, die rekristallisiert, eine zusammengesetzte Schicht mit physikalischen Zwischeneigenschaften und einem erhöhten elektrischen Widerstand. Da der pn-übergang sich in diesem Bereich befindet, eliminiert man auf diese Welse die Sperrströme der Photodiode und man erhält zeltlich stabile thermische Eigenschaften.
Das Herstellungsverfahren ermöglicht die Anwendung einer geeigneten Planartechnologle, wie sie bei Integrierten Schaltungen angewandt wird, und es wird ein unmittelbarer und lang dauernder Schutz der Oberfläche des Überganges von dessen Bildung an gewährleistet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer für Infrarotstrahlung empfindlichen Photodiode, bei dem man mittels Planartechnik in einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps zur Bildung eines pn-Überganges unter einem in einer dielektrischen Schutzschicht angebrachten Fenster, durch das die Oberfläche des Halbleiterkörpers freigelegt wird, eine Diffusionszone des entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt, und auf die Oberfläche der dielektrischen Schutzschicht metallische Ablagerungen aufbringt, dadurch gekennzeichnet, daß man auf dem Halbleiterkörper zunächst eine dünne Zwischenschicht (la) aus einem Material ablagert, dessen Bestandteile derart ausgewählt sind, aus den Bestandteilen des Materials des Halbleiterkörpers und in derartigen Anteilen vorliegen, daß d'e Gitterkonstante und der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht und des Halbleiterkörpers sehr ähnlich sind, die Zwischenschicht jedoch einen wesentlich höheren elektrischen Widerstand aufweist als der Halbleiterkörper, und daß man anschließend auf der dünnen Zwischenschicht (la) die dielektrische Schutzschicht (2) aufträgt und das auf diese Welse erhaltene Produkt thermisch so behandelt, daß zwischen dem Halbleiterkörper und der dünnen Zwischenschicht eine wechselseitige Diffusion erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Zwischenschicht (la) durch kathodisches Zerstäuben abgelagert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Zwischenschicht (la) durch Epitaxie abgelagert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Zwischenschicht (la) durch Verdampfen unter Vakuum abgelagert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper aus HgCdTe und für die Zwischenschicht CdTe verwendet wird.
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