Фотодиод

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Белорусский государственный университет(72) Авторы Чапланов Аркадий Михайлович Адашкевич Сергей Владимирович Емельяненко Юрий Савельевич Маркевич Мария Ивановна Стельмах Вячеслав Фомич Колос Владимир Владимирович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Белорусский государственный университет(57) 1. Фотодиод, содержащий прозрачный металлический электрод, нанесенный на одну сторону полупроводникового слоя и образующий с ним выпрямляющий переход, а также второй электрод, расположенный на поверхности кремниевой подложки, отличающийся тем, что полупроводниковый слой выполнен в виде тонкой поликристаллической пленки дисилицида титана модификации С 49 с переменной шириной запрещенной зоны, а второй электрод, образующий с противоположной стороной полупроводникового слоя омический переход, расположен между указанным слоем и кремниевой подложкой и выполнен в виде приповерхностного слоя этой подложки, легированного мышьяком до поверхностной концентрации от 21015 до 51015 см-2. 2. Фотодиод по п. 1, отличающийся тем, что поликристаллическая пленка выполнена в виде совокупности зерен столбчатой формы. 16070 1 2012.06.30 Изобретение относится к опто-микроэлектронике и может использоваться в технологии производства фотоприемников и других оптоэлектронных приборов. Известны фотодиоды на основе перехода, сформированного в монокристалле полупроводника, например кремния или германия 1, спектральная чувствительность которых определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и рекомбинационными процессами фотовозбужденных носителей заряда на поверхности полупроводника. Фотодиоды 1 снабжены омическими контактами к - и -областям полупроводника и обычно эксплуатируются при обратном смещении. Достижение в фотодиодах 1 высоких значений параметров быстродействия и спектральной фоточувствительности ограничивается жесткими требованиями к технологии изготовления и качеству монокристаллических полупроводников. Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются гетеропереходные фотодиоды 2, состоящие из подложки из монокристаллического кремния, на которую нанесен слой поликристаллического 43, и двух контактов прозрачного алюминиевого контакта, нанесенного на слой 43, и контакта из алюминия, хрома или теллура, нанесенного с противоположной стороны кремниевой подложки. Фотодиоды 2 отличаются повышенными по сравнению с фотодиодами 1 спектральной чувствительностью и быстродействием. Вместе с тем фотодиоды 2 несовместимы с кремниевой технологией интегральных микросхем, а их структура и производство чувствительны к режимам технологических операций и качеству материалов. Задачей данного технического решения является создание фотодиодов, совместимых с кремниевой технологией интегральных микросхем при повышенных значениях спектральной чувствительности и быстродействия. Поставленная задача решается тем, что в фотодиоде, содержащем прозрачный металлический электрод, нанесенный на одну сторону полупроводникового слоя и образующий с ним выпрямляющий переход, а также второй электрод, расположенный на поверхности кремниевой подложки, полупроводниковый слой выполнен в виде тонкой поликристаллической пленки дисилицида титана модификации С 49 с переменной шириной запрещенной зоны, а второй электрод, образующий с противоположной стороной полупроводникового слоя омический переход, расположен между указанным слоем и кремниевой подложкой и выполнен в виде приповерхностного слоя этой подложки, легированного мышьяком до поверхностной концентрации от 21015 до 51015 см-2, причем поликристаллическая пленка может быть выполнена в виде совокупности зерен столбчатой формы. Научной основой данного технического решения являются обнаруженные авторами полупроводниковые свойства тонкой поликристаллической пленки дисилицида титана(2) модификации С 49 в отличие от известного свойства металлической проводимости дисилицида титана модификации С 54, используемого в кремниевой технологии для создания электрических соединений между элементами субмикронных размеров. Существенным преимуществом дисилицида титана обеих модификаций является их технологическая совместимость с технологией производства современных кремниевых интегральных микросхем, в том числе и с субмикронными размерами элементов. Это обеспечивает возможность использования обнаруженных полупроводниковых свойств, в том числе свойства фотопроводимости, в хорошо отработанных режимах и на оборудовании, используемом в современной электронной промышленности. Сущность заявляемого технического решения поясняется фигурой, где схематически представлена структура варианта фотодиода, использующего слой полупроводника толщиной 70 нм на основе поликристаллической полупроводниковой пленки дисилицида титана модификации С 49. Из фигуры видно, что слой полупроводника 1 расположен на кремниевой подложке 2. На внешней стороне слоя полупроводника 1 расположен прозрачный металлический электрод 3, например, на основе тонкой (10 нм) пленки золота, образующей с ней выпрямляющий переход, а между второй стороной слоя полупро 2 16070 1 2012.06.30 водника 1 и кремниевой подложкой 2 расположен второй электрод 4, например, на основе приповерхностного слоя кремниевой подложки, легированной мышьяком, образующий со слоем полупроводника 1 омический переход. При оптических измерениях к электродам 2 и 4 обычно подключается электрическое напряжение обратной полярности, как показано на фигуре. Фотодиод работает следующим образом. При освещении слоя полупроводника 1 основная часть квантов света проникает, как и в известном фотодиоде 2, через металлический электрод 3, поскольку его толщина мала (около 10 нм для ). Кванты света с энергией, большей ширины запрещенной зоны слоя полупроводника 1, для которых он не прозрачен, поглощаются и возбуждают фотоносители заряда, увеличивающие ток обратно смещенного перехода (фигура). В предложенном фотодиоде сохраняются известные преимущества прототипа 2 по возможности регистрации квантов света в расширенном спектральном диапазоне и быстродействию фотодиода. Вместе с тем, в отличие от известного фотодиода 2, существенно, что благодаря новому конструктивному решению второго электрода 4 в виде приповерхностного слоя кремниевой подложки 2, легированной мышьяком до концентрации 21015 до 51015 см-2,например, с помощью известных способов ионной имплантации и термической активации донорной примеси , формируется тонкий сильнолегированный слой кремния -типа. Это обеспечивает получение омического контакта электрода 4 с требуемым низким электрическим сопротивлением, но со структурой и на основе операций, характерных для кремниевой технологии. Во-вторых, благодаря использованию слоя атомов мышьяка с большим ковалентным радиусом и поверхностной концентрацией от 21015 до 51015 см-2, соизмеримой с поверхностной концентрацией атомовна поверхности монокристаллической кремниевой подложки, обеспечивается оптимальный технологический режим формирования полупроводникового слоя 2 требуемой модификации С 49 с требуемой структурой зерен. Это обеспечивается тем, что процесс синтеза пленки 2, осуществляемый на основе взаимной диффузии атомовв предварительно нанесенную на кремниевую подложку пленку титана, осуществляется за счет операции быстрой термической обработки через сильнолегированный слой из атомов . Благодаря этому слой из атомов мышьяка выполняет особую функцию ограничения диффузии атомоввив . В результате этого обеспечиваются контролируемое зарождение островков 2 модификации С 49 на границе раздела кремниевая подложка - пленка титана, дальнейший контролируемый рост островков и формирование на их основе столбчатой структуры 2 модификации С 49, и подавление образования модификации С 54. Нижняя граница интервала от 21015 до 51015 см-2 определяется требованиями к минимальной концентрации атомов мышьяка, необходимой для ограничения диффузии атомов, верхняя граница определяется ограничениями на температуру и время быстрой термической обработки, принятой в кремниевой технологии. При этом также существенно, что полупроводниковая поликристаллическая пленка 2 состоит из массива поликристаллов столбчатой формы только модификации С 49 с повышенной атомной плотностью у их основания за счет начальных условий их формирования и дополнительного подлегирования атомами мышьяка, а также с пониженной атомной плотностью у их вершин (со стороны верхнего электрода). Благодаря этому ширина энергетической зоны в торцевой части слоя полупроводника 1 у электрода 3 больше, нежели у нижнего слоя полупроводника 1 у электрода 4. Вследствие этого, в отличие от фотодиода 2, сформированный слой полупроводника 1 является структурой с переменной шириной запрещенной зоны, что обеспечивает дополнительное расширение спектральной чувствительности данного фотодиода от 0,3 до 1,2 мкм. Более того, наличие в слое 2 у границы электрода 4 градиента в распределении донорных атомов , возникшего вследствие их частичной диффузии из области электрода 4 при быстрой термической обработ 3 16070 1 2012.06.30 ке, приводит к образованию в слое полупроводника 1 ускоряющего фотоэлектроны внутреннего электрического поля из ионизированных атомов. Это обеспечивает дополнительное, по сравнению с 2, повышение быстродействия фотодиода. Таким образом, совместимость предложенного изобретения с кремниевой технологией интегральных микросхем при повышенных значениях спектральной чувствительности и быстродействия обеспечивается благодаря совокупности существенных отличий его признаков от известного технического решения 2, поскольку элементы предложенного устройства формируются на кремниевой подложке с использованием в своей структуре как самого кремния, так и отработанных в кремниевой технологии операций и средств диагностики их режимов, а сам фотодиод может интегрироваться в состав кремниевой оптоэлектронной микросхемы. Источники информации 1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы Учеб. для вузов по спец. Полупроводники и диэлектрики и Полупроводниковые и микроэлектронные приборы 4-е изд. перераб. и доп. - М. Высш. шк., 1987. - С. 384-387. 2. Патент 2069921, МПК Н 01 31/05, 1996 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4