RU2169412C1

RU2169412C1 - Photodiode manufacturing process

Info

Publication number: RU2169412C1
Application number: RU99121080A
Authority: RU
Inventors: О.В. Вовк
Original assignee: Вовк Оксана Валерьевна
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2001-06-20

Abstract

FIELD: semiconductor devices. SUBSTANCE: source materials used for photodiode manufacture are silicon epitaxial structures, type 9-20 KEF (KES) 20-100; parameters used as criteria of photodiode serviceability are dark current that should be below 5•10^-7 A and integral sensitivity that should not change by more than 35% at no operating voltage and 15% at operating voltage of 3 V upon exposure to gamma- neutron radiation within flux range of 10¹³-10₁₄ cm^-2. EFFECT: enhanced resistance to heavy radiation effects.

Description

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов с p-n переходом и может использоваться при создании кремниевых фотодиодов, устойчивых к радиационным воздействиям. The invention relates to the manufacturing technology of semiconductor devices with a p-n junction and can be used to create silicon photodiodes that are resistant to radiation.

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.A known method of manufacturing a photodoid based on monocrystalline silicon [see, for example, technical documentation AGC 3.368.110 TU for the photodiode FD 20-32K, commercially available from the Sapphire factory, Moscow // VIMI, Moscow, December 1977 ]. The disadvantage of such photodiodes made on the basis of single-crystal silicon is a significant decrease in the values of the photoelectric parameters after radiation exposure: the change in the integral sensitivity can be up to 60% at U _p = 0 after exposure to gamma-neutron radiation of level 10 ¹⁴ cu

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.The closest in technical essence and adopted as a prototype is a method of manufacturing a photodiode based on silicon epitaxial high-resistance structures of type 20-25 KEF (KES) 400-600, including the formation of a pn junction and ohmic contact system [see, for example, AGC 3.368 technical documentation. 253 TUs for photodiode ФД 297М, commercially available by the Quartz plant in Chernivtsi // VIMI, Moscow, November 1992]. This method of manufacturing photodiodes makes it possible to realize standard initial values of the photoelectric parameters and to achieve a change in the integral sensitivity of ~ 40% at U _p = OV after exposure to gamma-neutron radiation at a level of 10 ¹⁴ g. e. However, such a device loses its operability at U _p = 3B after radiation exposure of the indicated level due to the enormous increase in the dark current. This drawback makes it impossible to use such photodiodes in the equipment.

Настоящее изобретение решает задачу создания устойчивого к сложным радиационным воздействиям фотодиода со стандартными или улучшенными фотоэлектрическими параметрами. The present invention solves the problem of creating a photodiode resistant to complex radiation effects with standard or improved photoelectric parameters.

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). To solve this problem, in a known method of manufacturing a photodiode, including the formation of a pn junction and a system of ohmic contacts, use source material of the type 9-20 KEF (IES) 20-100, where 9-20 denotes the thickness of the epitaxial layer in microns, 20-100 denotes the specific resistance of the epitaxial layer in Ohm • cm; KEF (KES) is silicon electronic doped with phosphorus (antimony).

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. The use of silicon epitaxial layers of type 9-20 KEF (KES) 20-100 allows, on the one hand, to achieve stability of the effective collection length of charge carriers, providing stability of sensitivity before and after radiation exposure due to the optimal ratio of the rates of the processes of reducing the diffusion length and increasing the width of the region space charge, and on the other hand - allows you to get a stable value of the dark current. As a result, we are able to create a device with the required values of the initial parameters and resistant to "hard" radiation influences. At the same time, the pn junction technology and its structure do not matter. Can be used ion doping, diffusion and other known methods.

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. The proposed method was tested in testing and manufacturing prototypes of photodiodes. Photodiodes were fabricated on epitaxial silicon structures with a resistivity of 20-100 Ohm • cm and a thickness of 9-20 microns. The formation of the pn junction was carried out by various methods: ion doping with subsequent high-temperature treatment, diffusion.

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.As parameters-criteria for the suitability of photodiodes selected:
I t at U _p = 3B - dark current
Si is the integral sensitivity to the source of type "A",
where U _p is the operating voltage. All parameters are measured before starting work and after radiation exposure.

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).After exposure to gamma-neutron radiation in the range of flows 10 ¹³ -10 ¹⁴ o E. The value of the integral sensitivity has changed by no more than 35% at U _p = OB and not more than 15% at U _p = 3B, the dark current values were less than 5 • 10 ^-7 A, which ensures the operability of the equipment (cu . = cm ^-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. The permissible limits of the thickness and resistivity of the epitaxial layer were determined by calculation and empirical methods according to the results of studies conducted on photodiodes fabricated on various epitaxial structures. In the course of these studies, it was found that the use of epitaxial layers with a thickness of less than 9 microns does not provide a standard initial value of sensitivity, and the use of epitaxial layers with a thickness of more than 20 microns with a resistivity of less than 20 Ohm • cm does not provide stability of parameters after radiation exposure. The use of silicon with a specific resistance of more than 100 Ohm • cm does not provide the required value of the dark current.

Конкретные оптимальные параметры эпитаксиального слоя выбираются в зависимости от исходных требуемых величин параметров фотодиодов и степени "жесткости" радиационных воздействий. The specific optimal parameters of the epitaxial layer are selected depending on the initial required values of the parameters of the photodiodes and the degree of "rigidity" of radiation exposure.

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. Thus, the use of epitaxial silicon of type 9–20 KEF (KES) 20–100 as the starting material makes it possible to create a photodiode with standard or improved initial parameters that is resistant to “hard” radiation influences.

Claims

A method of manufacturing a silicon-based photodiode, including the formation of a pn junction and an ohmic contact system, characterized in that for the manufacture of the photodiode using source material of type 9-20 KEF (IES) 20-100 and as parameters - criteria for the suitability of photodiodes - choose the value a dark current of less than 5 • 10 ^-7 A and a change in the integral sensitivity of no more than 35% at an operating voltage of U _p = 0 and 15% at U _p = 3 V after exposure to gamma-neutron radiation in a flux range of 10 ¹³ - 10 ¹⁴ cm ^-2 .