Спосіб виготовлення охолоджуваних (т=77 к) фоточутливих inas p-n-переходів

Спосіб виготовлення охолоджуваних (Т=77 К) фоточутливих InAs р-n-переходів, що включає дифузію акцепторної домішки кадмію в монокристалічні підкладки n-InAs у вакуумному замкненому об'ємі, наприклад вакуумованій кварцовій ампулі, який відрізняється тим, що дифузія проводиться в інтервалі температур 570-650 °С протягом 15-60 хвилин, а як дифузант використовується сполука CdAs2. Запропонована корисна модель належить до напівпровідникової електроніки, а саме до технології виготовлення охолоджуваних InAs фотодіодів, призначених для виявлення і реєстрації інфрачервоного випромінювання спектрального діапазону λ=1,5-3,1мкм. Відомо [1, 2], що до основних фотоелектричних параметрів і характеристик фотодіодів відносяться питома виявлювана здатність Dλ* та монохроматична ампер-ватна чутливість Si. У відсутності зовнішнього зміщення шум фотодіода є, як правило, тепловим шумом ДжонсонаНайквіста і між параметрами Dλ* та Si існує взаємозв'язок, що дається формулою [2] n-переходу і може бути визначений за формулою [3] βkTA R0 A = (2) eI0 , 41154 (11) UA (19) 1 ⎛R A ⎞2 (1) Dλ * = Si × ⎜ 0 ⎟ ⎜ 4kT ⎟ ⎝ ⎠ , де R0A - добуток диференційного опору фотодіода при нульовій напрузі зміщення R0 на його активну площу А, k - стала Больцмана, Т - абсолютна температура. Параметр R0A обумовлюється, в основному, темновим струмом через потенціальний бар'єр р де β - коефіцієнт неідеальності вольт-амперної характеристики (ВАХ), e - заряд електрона, І0 темновий струм насичення або предекспоненційний множник прямої ВАХ, величина якого визначалась екстраполяцією лінійної ділянки прямої ВАХ, побудованої в координатах lgI - U до перетину з віссю lgІ при U=0. Оцінка параметра Dλ* за формулою (1) дає верхню його межу, причому підвищення як Si, так і R0A є актуальним завданням для покращення основного параметра фотодіода - питомої виявлюваної здатності. Дифузійний спосіб виготовлення InAs р-nпереходів є достатньо відомим [4-7] і реалізувався дифузією акцепторної домішки кадмію в підкладки InAs n-типу провідності. Так, наприклад, в [7] процес дифузії проводився закритим способом у вакуумованих кварцових ампулах при температурі підкладок 700°С, а дифузанта - 690°С. Тривалість дифузії змінювалась від 4 до 10 годин, при цьому (13) U (21) u200813388 (22) 19.11.2008 (24) 12.05.2009 (46) 12.05.2009, Бюл.№ 9, 2009 р. (72) СУКАЧ АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ТЕТЬОРКІН ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ВОРОЩЕНКО АНДРІЙ ТАРАСОВИЧ, UA, ЛУК'ЯНЕНКО ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ, UA, ЛУЦИШИН ІРИНА ГРИГОРІВНА, UA (73) СУКАЧ АНДРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ТЕТЬОРКІН ВОЛОДИМИР ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ВОРОЩЕНКО АНДРІЙ ТАРАСОВИЧ, UA, ЛУК'ЯНЕН 3 глибина р-n-переходів знаходилась в межах 4060мкм. В якості дифузанта використовувався елементарний кадмій. Для зменшення ревипаровування арсену з поверхні InAs підкладок під час дифузії в ампулу завантажувався також і елементарний арсен. На вільний об'єм ампули ~ 6см3 завантажували 4·10-3г елементарного кадмію та 8·103 г елементарного арсену. Дослідженням структурної досконалості таким способом виготовлених InAs р-n-переходів було показано, що на глибині ~ 10мкм від поверхні формується сильно дефектний шар. Причиною його виникнення є виділення кадмію у другу фазу внаслідок перевищення концентрації легуючої домішки її розчинності в InAs при температурі дифузії ~700°С. Такий дефектний шар є нефоточутливим і його необхідно видаляти, наприклад, хімічним травленням. Іншим недоліком, що ускладнює процес виготовлення чутливого елемента, є потреба оптимізації глибини залягання р-n-переходів для забезпечення достатньої фоточутливості [5, 6]. Найбільш близьким до заявленого технічного рішення є спосіб виготовлення фоточутливих при кімнатній температурі InAs р-n-переходів [3]. Автори роботи, використавши в якості джерела елементарний кадмій та арсен у кількостях, необхідних для створення їх насичених парів при температурі дифузії Т=500°С, виготовили два типи структур з глибиною р-n-переходу 5,0±0,5 та 7,0±0,5мкм. В якості підкладок використано монокристалічні пластини InAs n-типу провідності з концентрацією електронів n≈(2-4)·1016см-3 при Т=300К. Рентгенодифракційний контроль встановив відсутність дефектного шару у приповерхневій р-області таким способом виготовлених InAs р-n-переходів, на відміну від аналогічних зразків виготовлених способом, викладеним в роботах [4-7]. За результатами вимірювань ВФХ, розподіл концентрації легуючої домішки на межі р-n-переходів був плавним з лінійним розподілом. Монохроматична (λ=3,4мкм) ампер-ватна чутливість таких р-nпереходів становила Si=0,32А/Вт, що майже в 3 рази менше за аналогічний параметр неохолоджуваних комерційних InAs фото діодів фірми „Hamamatsu" (Японія) [8]. Причиною низького значення St була втрата випромінювання в нефоточутливій частині р-області внаслідок того, що глибина р-n-переходів перевищувала довжину дифузії нерівноважних електронів Ln≈2,5мкм в р-області. Для покращення Si було необхідно виконати додаткову технологічну операцію травлення нефоточутливого шару р-області товщиною l - Ln, де l - глибина р-n-переходу. Зазначимо також, що використання елементарного арсену в якості джерела насичених парів ускладнює відтворюваність процесу дифузії внаслідок суттєвого окислення арсену на повітрі, особливо під час неминучого його нагрівання при виготовленні перетяжок у завантажених необхідними компонентами кварцових ампулах. В основу технічного рішення поставлено завдання удосконалення дифузійного способу виготовлення чутливих до інфрачервоного випромінювання охолоджуваних (Т=77К) InAs р-n-переходів 41154 4 для підвищення їх монохроматичної (λ=3,0мкм) ампер-ватної чутливості. Монохроматична (λ=3,0мкм) ампер-ватна чутливість та параметр R0A для охолоджуваних (Т=77К) комерційних InAs фотодіодів становлять Si=1,3А/Вт, R0A=7,85×103Ом×см2 [9]. Ці параметри є цільовими для запропонованого дифузійного способу виготовлення фоточутливих InAs р-nпереходів. Про спосіб виготовлення комерційних InAs фотодіодів не повідомляється. Запропонований спосіб базується на дифузії акцепторної домішки кадмію в монокристалічні підкладки InAs n-типу провідності у вакуумованому замкненому об'ємі, наприклад, кварцовій ампулі, який відрізняється тим, що дифузія проводиться в інтервалі температур 570-650°С, її тривалість становить 15-60 хвилин, а в якості дифузанта використовується сполука CdAs2. Пластини InAs вирізались з монокристалічного зливку, виготовленого в ЗАТ „Чисті метали" м. Світловодськ за допомогою станка струнної алмазної різки. Порушений шар видалявся механічним та хіміко-динамічним поліруванням з використанням розчину: 98% метилового спирту + 2% Вr2. Наявність порушеного шару на підкладках контролювалась рентгенівським методом за півшириною кривих гойдання ω, і у разі його відсутності значення ω становило 25-27" (кутових секунд). Морфологія поверхні підкладок після хімікодинамічного полірування мала дзеркальний вигляд, а шорсткість поверхні Rz не перевищувала величини Rz≤0,03мкм. Густина дислокацій в підкладках знаходилась в межах (1-4) ×104см-2. Концентрація рівноважних електронів та їх рухливість у підготовлених підкладках n-InAs при 295К становили (2-3)×1016см-3 і (2,0-2,5)×104см2/(В·с), відповідно. Процес дифузії проводився у вакуумованих до залишкового тиску (5-6)×10-3Па кварцових ампулах, які попередньо проходили різні стадії хімічного очищення і промивання, а потім прогрівались при температурі ~ 800°С протягом 3-4 годин. У очищені ампули завантажувались компоненти дифузант та підкладки. У нижню частину ампули завантажували в кварцовому стаканчику дифузант, в якості якого використано попередньо синтезовану сполуку CdAs2. Простір ампули між стаканчиком з дифузантом і аналогічними кварцовими стаканчиками з підкладками був заповнений вакуумованою кварцовою ампулою. Підкладки в стаканчиках розміщувались на кварцових кільцях, що унеможливлювало механічні навантаження на них. Простір ампули над стаканчиками з підкладками заповнювався вставкою у вигляді вакуумованої кварцової ампули, за якою і виготовлялась перетяжка, що призначалась для відпаювання ампули під динамічним вакуумом. Залишковий рівень тиску у вакуумованій ампулі був не більше ніж (56)×10-3Па, а маса дифузанта на одиницю вільного об'єму ампули становила ≥4×10-2г/см3, що забезпечувало реалізацію в об'ємі ампули тиску насичених парів кадмію і молекулярного арсену (As4) до температур дифузії ≤720°С. Така конструкція реакційної ампули, а також спосіб розміщення дифузанта і підкладок дозволяє значно спростити 5 процес її завантаження необхідними компонентами, мінімізувати вільний об'єм ампули, що призводить до економії витрат дифузанта, уникнути механічних навантажень на підкладки, запобігти безпосередньому переносу кадмію на поверхню зразків, значно зменшити вплив небажаного нагріву дифузанта і підкладок під час вакуумування ампули, що, у сукупності, сприяє відтворюваності результатів дифузії. Підготовлену до проведення дифузії кварцову ампулу з трьома зразками і дифузантом розміщували у тепловій зоні вертикально розташованої електричної пічки. Конструкція пічки була двозонною і дозволяла проводити процес дифузії як в ізотермічному режимі, при якому температура дифузанта і підкладок однакові, так і неізотермічному, при якому температура дифузанта була меншою, ніж температура підкладок. Температура кожної із теплових зон пічки попередньо калібрувалась і автоматично регулювалась з точністю не гірше ±1°С. Після завершення процесу дифузії ампула виймалась з теплової зони пічки і охолоджувалась на повітрі. В подальшому ампула розрізалась за допомогою станка дискової алмазної різки, спеціально виготовленого для цієї технологічної операції. Структурно-морфологічні дослідження поверхні зразків проводились спостереженням якості поверхні в мікроінтерференційному мікроскопі МИИ-4, а також вимірюванням шорсткості поверхні Rz профілометром П-104 на довжині 0,8мм та півширина кривих гойдання ω - за допомогою дифракційного рентгенівського гоніометра, змонтованого на базі установки ДРОН-2. Глибина залягання р-n-переходу визначалась методом пошарового травлення р-області поліруючим травником, вимірюючи при цьому знак термо-е.р.с. Операція травлення проводилась тільки на незначній частині поверхні зразка, тоді як інша була захищена, наприклад, хімічно стійким лаком. На межі р-n-переходу відбувається зміна полярності термо-е.р.с, а глибина l, на якій цей факт спостерігається, вимірювалась мікроскопом МИИ-4 з точністю ±0,5мкм. Після зняття хімічно стійкого лаку з активної поверхні зразка і її очищення наносились і формувались омічні контакти на р- та nобласть р-n-переходу за методикою, викладеною в [3]. Параметр R0A визначався з вимірювань прямої ВАХ, Ln - з вимірювань спектрального розподілу фоточутливості [3, 9] з точністю ±1мкм. Монохроматична (λ=3,0мкм) ампер-ватна чутливість InAs р-n-переходів вимірювалась при фо 41154 6 товентильному вмиканні зразка в режимі струму короткого замикання при температурі 77К. Джерелом інфрачервоного випромінювання була кварцово-галогенна лампа, а потужність падаючого з монохроматора на зразок випромінювання вимірювалась каліброваною в абсолютних одиницях вакуумною напівпровідниковою термопарою. Аналіз впливу технологічних режимів (т.р.) виготовлення дифузійних InAs р-n-переходів на їх параметри показує (див. Таблицю), що значення Si перевищує аналогічний параметр комерційних InAs фотодіодів [9] при виконанні умови Ln>l (т.р. №№7-9, 12-14, 16, 17) і порівнянні при Ln≈l (т.р. №№3, 4, 10, 18). Значно менші значення Si реалізуються в р-n-переходах при Ln