RU220600U1 - Гетероструктурный фотодиод для ближнего и среднего ИК-диапазона на основе нитевидных нанокристаллов арсенида-фосфида-висмутида индия на подложках кремния - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области полупроводниковой оптоэлектроники и может быть использована для создания фотодиодов, работающих в области ближнего и среднего инфракрасного диапазонов на основе гетероструктуры, состоящей из нитевидных нанокристаллов (ННК) твердых растворов полупроводникового материала InPAsBi и подложки Si, на которой данные кристаллы синтезируются. Техническим результатом, который может быть получен при реализации данной полезной модели, является уменьшение уровня темнового тока и повышение чувствительности фотодиодов за счет уменьшения объема фоточувствительной области при ее реализации внутри ННК и, в то же время, сохранение уровня оптического поглощения на единицу площади устройства в сравнении с аналогичными диодами, реализованными по планарной технологии. Реализация полезной модели предполагает использование кремниевых подложек, что позволит увеличить площади синтеза фотодиодных структур и уменьшить себестоимость отдельных элементов.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области полупроводниковой оптоэлектроники и может быть использована для создания фотодиодов, работающих в области ближнего и среднего инфракрасного диапазона длин волн.

Уровень техники

Основная особенность фотодиодов, работающих в области ближнего и среднего инфракрасного диапазона, - наличие больших обратных токов и повышенного уровня шумов, что связано с термогенерацией носителей заряда в объеме активной области прибора. В свою очередь, при использовании тонкопленочной технологии для производства фотодиодов, объем активной области жестко связан с эффективностью поглощения света, что делает фактически невозможным модернизацию полупроводниковой части классической конструкции фотодиода.

Нитевидные нанокристаллы (ННК) представляют собой кристаллические объекты, длина которых существенно больше их диаметра. При этом, диаметр ННК лежит в нанометровом диапазоне, обычно составляющем десятки-сотни нанометров. Интерес к использованию ННК для создания оптических устройств в целом и фотодиодов в частности обусловлен тем, что, благодаря малому диаметру, сопоставимому с длиной волны света, ННК обладают уникальными оптическими свойствами, существенно отличающимися от свойств тонких пленок. Важной особенностью ННК является возможность захвата света областью пространства вокруг ННК с толщиной порядка половины длины волны излучения, превосходя тем самым жесткую связь объема активной области и поглощающей способности. Благодаря этой особенности становится возможным создание фотодиодов с уменьшенным уровнем шумов.

Технология создания полупроводникового фотодиода предполагает формирование эпитаксиальной структуры, состоящей из нескольких эпитаксиальных слоев, отличающихся (а) по типу и уровню легирования для создания встроенного электрического поля, а также (б) по составу твердого раствора, что влияет на ширину запрещенной зоны, и как следствие диапазон энергий, поглощаемый фотонов, и уменьшает рекомбинацию фотогенерированных носителей заряда. Таким образом, в упрощенной конфигурации фотодиод состоит из двух слоев: 1) слабо легированной базы толщиной от нескольких сотен нанометров до единиц-десятков микрон в зависимости от материала и 2) сильно легированного эмиттерного слоя толщиной несколько десятков-сотен нанометров. При усложнении конструкции с целью улучшения характеристик работы устройства могут быть добавлены второй эмиттерный слой и широкозонные слои. Порядок расположения слоев и их функциональное назначение универсально для диодов как в тонкопленочном исполнении, так и на основе ННК, при этом конкретные характеристики таких слоев непосредственно определяются геометрией фотоприемных элементов.

Известны изобретения и способы (RU 0002515190, RU 02388115, RU 0002493632, RU 2399990 C1) формирования фотоприемных элементов, работающих в инфракрасной области спектра, на основе полупроводниковых материалов, содержащих свинец, а также элементы 6-ой группы таблицы Менделеева (например PbS, PbSe, PbSnTe:In). Данные фотоприемные элементы характеризуются возможностью работы в широком диапазоне длин волн вплоть до 22 мкм. Недостатком используемых в данных устройствах подходов является реализация устройства в виде фоторезистора, что приводит к большому уровню токового шума при приложении большого смещения. Вторым недостатком, является зависимость уровня шумов на фоторезисторе от уровня шумов источника питания, обеспечивающего смещение фоторезистора по напряжению.

Известны изобретения и способы (RU 00049361, RU 0002618483, RU 02340981) формирования инфракрасных фотоприемных элементов на основе полупроводниковых материалов группы А2В6. Одним из самых перспективных с точки зрения приборного применения является твердый раствор кадмий-ртуть-теллур, ширина запрещенной зоны которого может варьироваться в широком диапазоне и быть уменьшена фактически до нулевых значений, что обеспечивает возможность работы в широком диапазоне длин волн, ограниченных только технологическими особенностями получения таких пленок, и на практике составляет около 15 мкм. Преимуществом данной группы материалов также является возможность эпитаксиального синтеза на поверхности кремния или арсенида галлия. Недостатком метода является малые технологические окна для состава полупроводникового материала и сложность контроля характеристик материала в процессе синтеза. Вторым недостатком, связанным с узкой запрещенной зоной фотоактивного материала, является обязательное требование дополнительного охлаждения полупроводникового устройства для его работы.

Наиболее близкие изобретения и способы (RU 0002521156, RU 0002647980, ЕА 201201245) формирования инфракрасных фоточувствительных структур в виде гетероструктурных фотодиодов реализованы на основе твердых растворов полупроводникового материала группы А3В5: InAsSbP. Использование данного твердого раствора позволяет детектировать и количественно измерять световой поток в диапазоне длин волн от 2,0 до 4,7 мкм. В зависимости от выбора конфигурации удается достичь эффективной работы детектора в широком диапазоне длин волн с ограничением эффективности в коротковолновом диапазоне. Недостатком данных подходов является использование дорогостоящей подложки InAs для синтеза полупроводниковых структур.

Помимо указанных выше недостатков важно отметить общий для всех указанных изобретений и способов недостаток, связанный с использованием во всех случаях тонкопленочной технологии, что, как отмечалось выше, ограничивает диапазон толщин слоев для обеспечения достаточного уровня поглощения света. Следствием этого является повышенные уровни шумов фотодетекторов в сравнении с предлагаемым в настоящей полезной модели решением.

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является уменьшение уровня шумов инфракрасного фотодиода за счет использования в его конструкции нитевидных нанокристаллов при сохранении высокого уровня квантовой эффективности фотодиода, аналогичного фотодиодам, изготовленным по планарной технологии.

Раскрытие сущности полезной модели

Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что активная область фотодиодной структуры реализуется внутри ННК, обеспечивая тем самым уменьшение объема полупроводникового материала активной области при сохранении поглощающей способности ННК. В качестве материала ННК могут быть выбраны InAs, либо твердые растворы InPAs для создания более коротковолновых детекторов, или InAsBi для создания более длинноволновых. Помимо этого, возможна реализация активной области фотодиода на основе четверного твердого раствора InPAsBi для лучшего согласования зонной структуры и параметров решетки между слоями. Благодаря относительно небольшому диаметру и развитой боковой поверхности массивов ННК возможен их эпитаксиальный синтез на рассогласованных по параметру решетки подложках, т.к. в процессе синтеза происходит релаксация упругих напряжений на боковой поверхности ННК путем динамического изменения межатомного расстояния в синтезируемом ННК. В качестве ростовой подложки в настоящей полезной модели использован кремний с электронным или дырочным типом проводимости с уровнем легирования в диапазоне 10¹⁶-10²⁰ см^-3. Для улучшения электрических характеристик, синтезированная полупроводниковая структура подвергается обработке в водородной плазме для уменьшения количества рекомбинационных дефектов на интерфейсе ННК/подложка.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что в качестве активной области для формирования фотоприемной структуры будут выступать массивы ННК. Благодаря тому, что при диаметре ННК, сопоставимом с длиной волны излучения, удается достичь уровня поглощения аналогичного планарному слою при существенном уменьшении объема полупроводникового материала активной области. Таким образом, фотодиоды на основе ННК обладают меньшим уровнем темнового тока и, соответственно, меньшим уровнем токовых шумов по сравнению с аналогами на основе планарных слоев.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых к описанию чертежах дано:

Фиг. 1 - схематичное изображение фотоприемной структуры инфракрасного фотодиода, выполненного на основе InAs(P, Bi) ННК.

Фиг. 2 - изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, синтезированных на кремниевой подложке дырочного типа проводимости массивов ННК, имеющих нелегированное ядро InAs и оболочку InAsP с электронным типом проводимости.

Фиг. 3 - вольтамперная характеристика синтезированной структуры в условиях отсутствия освещения и при освещении. Температура измерения 300 К.

Фиг. 4 - модельная карта зависимости эффективности поглощения гексагонально-упакованного массива InAs ННК.

На чертежах используются следующие обозначения:

1 - контактный слой со стороны подложки

2 - кремниевая подложка

3 - ядро фотоактивной области нитевидного нанокристалла

4 - оболочка нитевидного нанокристалла

5 - слой электрической развязки подложки от контактного слоя со стороны нитевидных нанокристаллов

6 - контактный слой со стороны нитевидных нанокристаллов

Осуществление полезной модели

Кремниевая подложка очищается от органических и неорганических загрязнений в органических растворителях. Далее на подложке химическим способом формируется тонкий слой окисла методом Шираки. Затем подложка помещается в установку молекулярно-пучковой эпитаксии и проходит процедуру предварительного отжига при температуре 300-400 градусов Цельсия в течение 2-4 часов для удаления с поверхности подложки воды и остатков органики. Затем подложка помещается в сверхвысоковакуумную секцию установки эпитаксии, дальнейший процесс отжига и роста осуществляется при температурах до 900 градусов Цельсия.

Рост материала в виде ННК осуществляется путем выбора параметров роста: ростовых потоков и температуры подложки. Для синтеза р-n перехода, формирующего фотоприемную структуру, выбирается тип и уровень легирования подложки в соответствии с геометрией конечной полупроводниковой структуры.

Возможна конфигурация фотодиода с оптической засветкой со стороны нитевидных нанокристаллов. Для реализации такого варианта (фиг. 1) выбирается кремниевая подложка (2) с дырочным типом проводимости с уровнем легирования не менее 10¹⁶ см^-3, либо электронным типом проводимости и уровнем легирования не менее 5⋅10¹⁸ см^-3. При таком условии завершающим этапом процесса синтеза ННК должно быть формирование эмиттера электронного типа проводимости в первом случае, либо дырочного типа проводимости во втором случае, на верхней и боковой поверхности ННК (оболочке - 4) на основе более широкозонного материала, чем основная часть ННК (ядро - 3). Такая конфигурация обеспечивает формирование встроенного электрического поля и ограничение поверхностной рекомбинации носителей заряда. Так, в случае если основная часть ННК реализуется из InAs, то на финальной стадии процесса синтеза необходимо использовать InPAs с содержанием фосфора не менее 10%. Также возможно добавление Р или Bi в состав основной части ННК для смещения края поглощения фотоприемной структуры в коротковолновую или длинноволновую сторону, соответственно. Возможно добавление Bi в оболочку ННК для взаимной корректировки зонной структуры и согласования параметров решетки основной части ННК и оболочки ННК. Требуемый уровень легирования слоя определяется толщиной слоя, но не должен быть более 10¹⁸ см^-3, ввиду уменьшения квантовой эффективности прибора при превышении уровня легирования из-за усиления процессов рекомбинации.

Возможна конфигурация фотодиода с оптической засветкой со стороны подложки. Для реализации такого варианта выбирается кремниевая подложка (2) с дырочным типом проводимости с уровнем легирования не более 5⋅10¹⁷ см^-3 для предотвращения процессов паразитного поглощения света подложкой. При таком условии, основная часть ННК (ядро - 3) должно обладать дырочным типом проводимости с уровнем легирования не более 2⋅10¹⁷ см^-3. Минимальный уровень легирования определяется планируемой рабочей температурой работы диода. Завершающим этапом процесса синтеза ННК должно быть формирование эмиттера электронного типа проводимости на верхней и боковой поверхности ННК (оболочке - 4) на основе более широкозонного материала, чем основная часть ННК (ядро - 3), для формирования встроенного поля и ограничения поверхностной рекомбинации носителей заряда. Например, в случае, если основная часть ННК реализуется из InAs, то на финальной стадии процесса синтеза необходимо использовать InPAs с содержанием фосфора не менее 10%. Также возможно добавление Р или Bi в состав основной части ННК для корректировки края поглощения в коротковолновую или длинноволновую сторону соответственно. Возможно добавление Bi в оболочку ННК для взаимной корректировки зонной структуры и согласования параметров решетки основной части ННК и оболочки ННК. Требуемый уровень легирования слоя определяется толщиной слоя, но не должен быть более 10¹⁸ см^-3.

После окончания процесса эпитаксиального синтеза методами постростовых технологий проводится формирование функциональной приборной структуры. С помощью химической обработки, фотолитографии и вакуумного термического напыления формируется сплошной или сетчатый контакт (1) к подложке (2). Затем, методом центрифугирования проводится нанесение диэлектрического полимера (5) на лицевую поверхность эпитаксиальной структуры. С использованием метода плазменного травления проводится селективное удаление полимерного слоя с верхней части ННК. Затем методом фотолитографии, а также магнетронного распыления или вакуумного напыления формируется второй сплошной или зонированный (пиксельный) контакт (6) к вершинам ННК.

Для апробации метода формирования приборной структуры был проведен синтез массива нитевидных нанокристаллов InAs длиной 2-4 мкм, покрытых слоем InPAs толщиной 50 нм с электронным уровнем легирования (Фиг. 2) и проведена его постростовая обработка. Измерение вольтамперной характеристики структуры демонстрирует формирование встроенного поля и подтверждает работу диодной структуры (Фиг. 3).

Работа фотодиодной структуры, выполненной по способу, описанному выше, основана на поглощении падающего излучения ближнего и среднего инфракрасного диапазона в объеме материала ННК с образованием электрон-дырочных пар. Благодаря наличию встроенного электрического поля между ННК и подложкой происходит разделение носителей заряда и их дрейф к соответствующим эмиттерным областям.

Согласно численному моделированию, использование нитевидных нанокристаллов вместо планарных слоев позволяет обеспечить уровень поглощения, аналогичный планарному слою при уменьшении объема полупроводникового материала. На фиг. 4 изображена карта эффективности поглощения света упорядоченным в гексагональную упаковку массива нитевидных нанокристаллов InAs на длине волны 1.55 мкм, которая является одной из стандартных длин волн для передачи информации по высокоскоростным оптоволоконным линиям связи (ВОЛС). В диапазоне периодов следования ННК 750-1700 нм и диаметров 380-450 нм упорядоченный массив ННК обеспечивает возникновения резонансных условий поглощения света, что приводит к поглощению почти 100% падающего на ННК света.

Claims (2)

1. Гетероструктурный инфракрасный фотодиод с заданным профилем состава слоев и уровней легирования на основе полупроводниковых материалов группы A₃B₅, включающих в свой состав индий, мышьяк и фосфор, отличающийся тем, что фотоактивная область выполнена в виде нитевидных нанокристаллов, синтезированных на подложке кремния и образующих в месте с подложкой единую фотоактивную структуру.

2. Гетероструктурный инфракрасный фотодиод по п.1, отличающийся тем, что в состав нитевидных нанокристаллов может быть введен висмут для улучшения решеточного согласования в полупроводниковой структуре и уменьшения ширины запрещенной зоны эпитаксиальных слоев.