RU2155418C1

RU2155418C1 - Semiconductor sensor of ultraviolet radiation

Info

Publication number: RU2155418C1
Application number: RU99105813A
Authority: RU
Inventors: В.В. Лучинин; А.В. Корляков; С.В. Костромин; М.В. Четвергов; А.П. Сазанов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет; Центр технологии микроэлектроники
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-08-27

Abstract

FIELD: microelectronics, design of semiconductor sensors of ultraviolet radiation. SUBSTANCE: sensor includes substrate, semiconductor layer sensitive to ultraviolet radiation and electrode system built-up with formation of high-resistance parallel sections in semiconductor layer. High-sensitive element is produced from layer of AlN grown epitaxially, substrate is manufactured from monocrystalline sapphire and electrode system is formed in plane of interface of substrate with semiconductor layer. It is most preferable to manufacture electrode system in the form of pair of opposite combs with formation of parallel sections with value of form factor not above 0.01. EFFECT: improved measurement selectivity of ultraviolet radiation in C range and expanded arsenal of facilities used for this purpose. 2 cl, 5 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии конструирования полупроводниковых датчиков ультрафиолетового излучения (УФИ). The invention relates to microelectronics and can be used in the technology of designing semiconductor sensors of ultraviolet radiation (UVI).

Известен датчик УФИ, содержащий полупроводниковую структуру с одним барьером, включающую слой некристаллического полупроводника с высоким удельным сопротивлением на полупроводниковой подложке первого типа проводимости, источник напряжения и электродную систему (ЭС), сформированную с возможностью подачи напряжения смещения от источника напряжения к полупроводниковой структуре (патент JP 4-81352, H 01 L 31/09, 1992). A UVB sensor is known that contains a single-barrier semiconductor structure, including a non-crystalline semiconductor layer with a high resistivity on a semiconductor substrate of the first type of conductivity, a voltage source and an electrode system (ES) formed with the possibility of applying bias voltage from the voltage source to the semiconductor structure (JP patent 4-81352, H 01 L 31/09, 1992).

Для повышения квантовой эффективности датчика он дополнительно содержит слой аморфного гидрогенизированного сплава Si_1-xC_x:H, нанесенный между подложкой и чувствительным к УФИ слоем (патент SU 1806425, H 01 L 31/101, 1993).To increase the quantum efficiency of the sensor, it additionally contains a layer of an amorphous hydrogenated Si _1-x C _x : H alloy deposited between the substrate and the UV-sensitive layer (patent SU 1806425, H 01 L 31/101, 1993).

Однако данный датчик обладает низкой чувствительностью в "жесткой" области от 180 до 280 нм (C - диапазоне) УФИ, что усугубляется расположением электрода на световоспринимающей поверхности. Кроме того, известный датчик сложен в конструктивном отношении. However, this sensor has low sensitivity in the “hard” region from 180 to 280 nm (C - range) UV radiation, which is aggravated by the location of the electrode on a light-reflecting surface. In addition, the known sensor is structurally difficult.

Для повышения чувствительности датчика к УФИ на входе светового потока установлен рассеивающий элемент, содержащий Si0₂ (патент DE 4434858, G 01 J 1/42, 1994).To increase the sensitivity of the sensor to UVI, a scattering element containing Si0 ₂ is installed at the input of the light flux (patent DE 4434858, G 01 J 1/42, 1994).

Однако рассеивающий элемент поглощает "жесткое" УФИ, что снижает чувствительность измерений в данной области. However, the scattering element absorbs the “hard” UVR, which reduces the sensitivity of measurements in this area.

Наиболее близким к заявляемому является датчик УФИ, содержащий подложку, слой полупроводника, чувствительного к УФИ, и ЭС, выложенную с образованием высокоомных (не менее 1 МОм/см²) параллельных участков в слое полупроводника (патент JP 5-33549, H 01 L 31/09, 1993).Closest to the claimed is a UV sensor containing a substrate, a layer of a semiconductor sensitive to UV radiation, and an ES laid out with the formation of high-resistance (at least 1 MΩ / cm ² ) parallel sections in the semiconductor layer (patent JP 5-33549, H 01 L 31 / 09, 1993).

Недостатком данного датчика является широкая полоса принимаемого спектра частот УФИ, что имеет следствием низкие чувствительность, селективность и помехозащищенность измерений в C-диапазоне УФИ. The disadvantage of this sensor is the wide band of the received spectrum of UV radiation frequencies, which results in low sensitivity, selectivity and noise immunity of measurements in the C-range of UV radiation.

Техническая задача предлагаемого изобретения - повышение селективности измерений УФИ в C- диапазоне и расширение арсенала используемых для этой цели средств. The technical task of the invention is to increase the selectivity of UV measurements in the C-range and expand the arsenal of means used for this purpose.

Решение указанной задачи заключается в том, что в датчик УФИ, содержащий подложку, слой полупроводника, чувствительного к УФИ, и ЭС, выполненную с образованием высокоомных параллельных участков в слое полупроводника, внесены следующие изменения:
а) высокоомный чувствительный элемент выполнен из эпитаксиально выращенного на подложке слоя нитрида алюминия (AlN);
б) подложка изготовлена из монокристаллического сапфира;
в) ЭС сформирована в плоскости раздела подложки со слоем полупроводника.The solution to this problem lies in the fact that the UVI sensor containing a substrate, a layer of a semiconductor sensitive to UVI, and ES, made with the formation of high-resistance parallel sections in the semiconductor layer, the following changes were made:
a) the high-resistance sensitive element is made of an epitaxially grown on the substrate layer of aluminum nitride (AlN);
b) the substrate is made of single crystal sapphire;
c) an ES is formed in the interface plane of the substrate with a semiconductor layer.

Решение указанной технической задачи основано на использовании впервые установленного авторами неизвестного ранее явления резкого (на несколько порядков) уменьшения электрического сопротивления слоя нитрида алюминия, эпитаксиально выращенного на структурозадающей подложке, под действием УФИ С-диапазона. В этих условиях действие на AlN излучений с длинами волн, находящимися вне пределов С-диапазона, УФИ не оказывает влияния на уровень выходного сигнала датчика. Поэтому предлагаемый датчик является солнечнослепым. The solution of this technical problem is based on the use of a sharp (by several orders of magnitude) decrease in the electrical resistance of an aluminum nitride layer epitaxially grown on a structure-setting substrate, first established by the authors, under the influence of C-range UVI. Under these conditions, the effect on AlN of radiation with wavelengths outside the limits of the C-band, UV radiation does not affect the level of the sensor output signal. Therefore, the proposed sensor is sun blind.

Выбор сапфира в качестве материала подложки обусловлен тем, что в предлагаемой конструкции используются следующие свойства сапфира:
- высокое удельное сопротивление;
- монокристаллическая структура;
- стабильность электрических параметров при воздействии УФИ;
- прозрачность для УФИ, что обеспечивает возможность работы при освещении со стороны подложки.The choice of sapphire as the substrate material is due to the fact that the following properties of sapphire are used in the proposed design:
- high resistivity;
- single crystal structure;
- stability of electrical parameters when exposed to UVI;
- transparency for UVI, which provides the ability to work under lighting from the side of the substrate.

Расположение ЭС в плоскости раздела подложки со слоем AlN увеличивает активную поверхность датчика, поскольку не закрывается фоточувствительная область. Такая ЭС защищена от воздействия пыли и влаги, поэтому нет необходимости нанесения дополнительных защитных слоев, которые могли бы внести искажения в выходной сигнал. Кроме того, расположение ЭС на границе слоев AlN и сапфира технологично по выполнению. The location of the ES in the interface plane of the substrate with the AlN layer increases the active surface of the sensor, since the photosensitive region does not close. Such an ES is protected from dust and moisture, so there is no need to apply additional protective layers that could introduce distortions into the output signal. In addition, the location of the ES at the boundary of AlN and sapphire layers is technologically feasible.

Наиболее предпочтительным является выполнение ЭС в виде пары встречных гребенок с образованием в слое полупроводника параллельных участков с низким значением коэффициента формы (не более 0,01), что имеет следствием увеличение уровня выходного сигнала. Most preferred is the implementation of the ES in the form of a pair of oncoming combs with the formation in the semiconductor layer of parallel sections with a low value of the shape factor (not more than 0.01), which leads to an increase in the output signal level.

Коэффициент формы устанавливают по формуле:

где К - интегральный коэффициент формы;
l - расстояние между зубцами смежных гребенок ЭС, мкм;
b - длина зубца гребенки ЭС, мкм;
n - количество параллельно включенных фоторезисторов, образованных между зубцами смежных гребенок ЭС.The shape factor is determined by the formula:

where K is the integral coefficient of the form;
l is the distance between the teeth of adjacent combs ES, microns;
b is the length of the tooth comb ES, microns;
n is the number of parallel connected photoresistors formed between the teeth of adjacent ES combs.

Целесообразно выполнение ЭС из вольфрама (W), карбида кремния (SiC) или сэндвич-структуры SiC/W, поскольку W и SiC хорошо совмещаются со структурами сапфира и AlN, что обеспечивает возможность эпитаксиального наращивания используемых материалов, а также работоспособность датчика при высокой температуре. It is advisable to carry out ES from tungsten (W), silicon carbide (SiC) or a SiC / W sandwich structure, since W and SiC are well combined with sapphire and AlN structures, which makes it possible to epitaxially build up the materials used, as well as the operability of the sensor at high temperature.

На фиг. 1 приведена схема датчика УФИ в варианте со спиралеобразной ЭС. In FIG. 1 shows a diagram of a UV sensor in a variant with a spiral ES.

На фиг. 2 приведена схема датчика УФИ в варианте с гребенчатой ЭС. In FIG. 2 shows a diagram of a UV sensor in a variant with comb ES.

На фиг. 3 приведен график спектральной чувствительности датчика УФИ с гребенчатой ЭС. In FIG. Figure 3 shows a graph of the spectral sensitivity of a UVI sensor with a comb ES.

Полупроводниковый датчик УФИ (фиг. 1) содержит подложку 1, слой полупроводника 2, чувствительного к УФИ, и ЭС 3 с контактными площадками 4, выполненную с образованием высокоомных параллельных участков в слое полупроводника 2. Подложка 1 изготовлена из монокристаллического сапфира, слой 2 выполнен из AlN, эпитаксиально выращенного на подложке 1, а ЭС 3 сформирована в плоскости раздела подложки 1 со слоем полупроводника 2. В данном варианте ЭС 3 имеет спиралеобразную форму. The UVI semiconductor sensor (Fig. 1) contains a substrate 1, a UV-sensitive semiconductor layer 2, and an ES 3 with contact pads 4, made with the formation of high-resistance parallel sections in the semiconductor layer 2. The substrate 1 is made of single crystal sapphire, layer 2 is made of AlN epitaxially grown on the substrate 1, and the ES 3 is formed in the interface plane of the substrate 1 with a layer of semiconductor 2. In this embodiment, the ES 3 has a spiral shape.

Датчик изготавливают следующим образом. На подложку 1 из монокристаллического сапфира наносят одним из методов технологии микроэлектроники слой проводникового материала с последующим формированием в нем ЭС 3 с помощью фотолитографии. Далее производят эпитаксиальное наращивание AlN на подложку 1. При этом ЭС 3 оказывается расположенной между подложкой 1 и слоем 2 из AIN. Контактные площадки 4 вскрывают с помощью фотолитографии и подключают к внешней измерительной схеме. The sensor is made as follows. One of the methods of microelectronics technology is applied to a substrate 1 made of single-crystal sapphire using a layer of conductive material with the subsequent formation of ES 3 in it using photolithography. Next, epitaxial AlN is grown on the substrate 1. In this case, the ES 3 is located between the substrate 1 and the layer 2 of AIN. The contact pads 4 are opened using photolithography and connected to an external measuring circuit.

Датчики имеют темновое сопротивление 4•10⁹ - 6•10¹⁰ Ом, при этом наименьшим сопротивлением (4•10⁹ Ом) обладает датчик с ЭС из Mo, а наибольшим - из SiC/W (6•10¹⁰ Ом). Изменение электрического сопротивления элемента 2 под действием УФИ преобразуется внешней измерительной схемой в выходной токовый сигнал датчика.The sensors have a dark resistance of 4 • 10 ⁹ - 6 • 10 ¹⁰ Ohms, while the smallest resistance (4 • 10 ⁹ Ohms) has a sensor with an ES of Mo, and the largest - of SiC / W (6 • 10 ¹⁰ Ohms). The change in the electrical resistance of element 2 under the influence of UVI is converted by an external measuring circuit into the output current signal of the sensor.

В табл. 1 приведены основные технические характеристики датчиков УФИ фиг. 1 с ЭС 3, изготовленной из различных материалов: W, SiC, SiC/W, Мо, отснятые при подаче к контактным площадкам 4 напряжения 12 В и облучении датчиков от источника УФИ мощностью 10 и 20 мкВт, равномерно распределенной в C-диапазоне. Как видно из таблицы, датчики фиг. 1 обладают следующими значениями основных технических характеристик:
- максимальная чувствительность датчиков наблюдается в диапазоне длин волн λ = 235 - 240 нм;
- темновой ток - 2,1•10¹⁰ - 3,2•10^-9 A;
- рабочий ток - от 5,2•10⁷ до 1,8•10^-6 А (резкие различия рабочего и темнового тока вызваны соответствующим падением сопротивления датчиков под действием УФИ).In the table. 1 shows the main technical characteristics of UV sensors FIG. 1 with ES 3 made of various materials: W, SiC, SiC / W, Mo, captured when 12 V voltage was applied to the pads 4 and the sensors were irradiated from a UV source with a power of 10 and 20 μW, uniformly distributed in the C-range. As can be seen from the table, the sensors of FIG. 1 possess the following values of the main technical characteristics:
- the maximum sensitivity of the sensors is observed in the wavelength range λ = 235 - 240 nm;
- dark current - 2.1 • 10 ¹⁰ - 3.2 • 10 ^-9 A;
- operating current - from 5.2 • 10 ⁷ to 1.8 • 10 ^-6 A (sharp differences in the operating and dark currents are caused by a corresponding drop in the resistance of the sensors due to UV radiation).

Значения чувствительности датчиков рассчитаны по формуле:

где η - чувствительность, мА/Вт;
I_p - рабочий ток (ток при наличии УФИ), мА;
P - мощность УФИ, Вт.The sensitivity values of the sensors are calculated by the formula:

where η is the sensitivity, mA / W;
I _p - operating current (current with UVI), mA;
P - UV power, watts.

В отношении данного критерия наблюдаются наибольшие различия вариантов датчиков. Так, чувствительность датчика с ЭС из Mo минимальная и составляет 5,5•10^-2 - 6,2•10^-2 А/Вт, тогда как чувствительность датчика с ЭС из сэндвич-струкуры SiC/W максимальная и составляет 9,0•10^-2 - 9,2•10^-2 А/Вт.With respect to this criterion, the greatest differences are observed in the sensor variants. So, the sensitivity of the sensor with the ES from Mo is minimal and is 5.5 • 10 ^-2 - 6.2 • 10 ^-2 A / W, while the sensitivity of the sensor with the ES from the SiC / W sandwich structure is maximum and is 9.0 • 10 ^-2 - 9.2 • 10 ^-2 A / W.

В табл. 2 приведены основные технические характеристики датчиков фиг. 2 с ЭС 3, изготовленной из сэндвич-структуры SiC/W в виде пары встречных гребенок при следующих значениях коэффициента формы: 0,00003; 0,0001; 0,01 и 0,1. Значения интегрального коэффициента формы рассчитаны по формуле (I). Так, например, для ЭС, характеризуемой значениями l = 30 мкм, b = 7640 мкм, n = 175, из формулы (I) следует
K = 30/(7640-175)=0,00003.In the table. 2 shows the main technical characteristics of the sensors of FIG. 2 with ES 3 made of a SiC / W sandwich structure in the form of a pair of oncoming combs with the following values of the shape factor: 0.00003; 0.0001; 0.01 and 0.1. The values of the integral form factor are calculated by the formula (I). So, for example, for an ES characterized by l = 30 μm, b = 7640 μm, n = 175, it follows from formula (I)
K = 30 / (7640-175) = 0.00003.

Темновое сопротивление датчиков 6•10¹⁰ - 3•10¹⁴ Ом.The dark resistance of the sensors is 6 • 10 ¹⁰ - 3 • 10 ¹⁴ Ohms.

Данные табл. 2 получены при подаче к контактным площадкам 4 напряжения 12 В и облучении датчиков от источника УФИ мощностью 10 и 20 мкВт, равномерно распределенной в C-диапазоне. Как видно из таблицы и графика фиг. 3, максимальная чувствительность датчиков наблюдается в диапазоне длин волн 235 - 240 нм; темновой ток - 4,0•10^-14 - 2,1•10^-10 А; рабочий ток - 2,1•10^-11 - 1,8•10^-6 А. Чувствительность датчиков с К ≤ 0,01 составляет 1,6•10^-5 - 9,2•10^-2 А/Вт. Датчики с К=0,1 обладают низкой чувствительностью, равной 2•10^-6 А/Вт. При облучении датчика УФИ со стороны подложки значения технических характеристик измерений лежат в том же диапазоне как при плоской форме подложки, так и при подложке, изготовленной в форме линзы и сфокусированной на источник УФИ.The data table. 2 are obtained by applying 12 V to the pads 4 and irradiating the sensors from a UV source with a power of 10 and 20 μW, uniformly distributed in the C-range. As can be seen from the table and graph of FIG. 3, the maximum sensitivity of the sensors is observed in the wavelength range of 235 - 240 nm; dark current - 4.0 • 10 ^-14 - 2.1 • 10 ^-10 A; operating current - 2.1 • 10 ^-11 - 1.8 • 10 ^-6 A. The sensitivity of sensors with K ≤ 0.01 is 1.6 • 10 ^-5 - 9.2 • 10 ^-2 A / W. Sensors with K = 0.1 have a low sensitivity of 2 • 10 ^-6 A / W. When the UVI sensor is irradiated from the substrate, the values of the technical characteristics of the measurements lie in the same range both for the flat shape of the substrate and for the substrate made in the form of a lens and focused on the UV source.

Предлагаемый датчик по сравнению с прототипом обладает узкой полосой спектра принимаемых частот. Как видно из фиг. 3 и приведенных таблиц, новый датчик принимает лишь УФИ C-диапазона, вследствие чего он обладает высокой селективностью и помехозащищенностью по входному сигналу. Использование нового датчика УФИ не только расширяет арсенал используемых измерительных средств, но и предоставляет дополнительные удобства в возможности подачи сигнала через подложку (поскольку она оптически прозрачна), служащую одновременно защитной крышкой датчика, а также, при необходимости, фокусирования принимаемых лучей (в варианте с выполнением подложки в виде линзы). The proposed sensor in comparison with the prototype has a narrow band of the spectrum of received frequencies. As can be seen from FIG. 3 and the tables below, the new sensor accepts only C-range UVRs, as a result of which it has high selectivity and noise immunity for the input signal. The use of the new UVI sensor not only expands the arsenal of the used measuring tools, but also provides additional convenience in the possibility of supplying a signal through the substrate (since it is optically transparent), which serves both as a protective cover of the sensor and, if necessary, focusing the received rays (in the embodiment with lens substrates).

Claims

1. A semiconductor ultraviolet radiation sensor containing a substrate, a layer of a semiconductor sensitive to ultraviolet radiation, and an electrode system made with the formation of high resistance parallel sections in a semiconductor layer, characterized in that the substrate is made of single crystal sapphire, the sensitive element is made of epitaxially grown on the substrate a layer of aluminum nitride, and the electrode system is formed between the substrate and the semiconductor layer in the plane of their separation.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the electrode system is made in the form of a pair of oncoming combs with the formation of parallel-connected photoresistors in the semiconductor layer based on the calculation of the integral shape factor

where K is the integral coefficient of the form;
l is the distance between the teeth of adjacent combs of the electrode system, microns;
b is the length of the tooth of the comb of the electrode system, microns;
n is the number of parallel connected photoresistors formed between the teeth of adjacent combs of the electrode system.

3. The sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the electrode system of W, SiC or a sandwich structure SiC / W.