Планарний фоторезистор та спосіб його виготовлення

1 Планарний фоторезистор, що містить напівпровідникову підкладку, поверхня якої виконана з рельєфом, який відрізняється тим, що фронтальна і тильна поверхні підкладки із напівізолюючого GaAs містять нестехюметричний вакансшно-галієвии шар скелетно-дендритної морфології товщиною не менше значення довжини хвилі випромінювання верхньої межі спектрального діапазону і шар оксиду арсенолітової фази 2 Спосіб виготовлення планарного фоторезистора, який включає формування на поверхні напівпровідникової підкладки рельєфу шляхом травлення, який відрізняється тим, що поверхню підкладки із напівізолюючого GaAs травлять в розчині 10 15 н НІЧОз при кімнатній температурі протягом 1 - 5 с, а потім оброблюють в гідроксиді калію з концентрацією не більше 5 % при температурі кипіння протягом 5 - 60 с Пропоноване технічне рішення належить до області оптоелектроніки і може бути використане, зокрема, для створення приймачів випромінювання з керованою фоточутливістю у видимій і ближній ІЧ області ВІДОМІ фоторезистори із гомозонних елементарних (IV групи) і бінарних (Ill-V, II-VI) напівпровідників на основі власної і (або) домішкової фотопровідності Недоліком є низька фоточутливість, некерованість нею в спектральному діапазоні Для підвищення фоточутливості та її керування застосовують бар'єрні механізми, зміну поглинання світла, виключаючи ефект Франца - Келдиша, збудження поверхневих плазмонів, модуляцію зонної структури При цьому конструктивні і технологічні рішення сприяють реалізації фізичних механізмів і моделей ВІДОМІ фоторезистор і спосіб його виготовлення по заявці №2557668, МПК H01L31/18, Франція, №8502258, опубл 21 06 85 "Precede de realisation d'un detecteur photoelectnque du type photoresiatance de grande sensibihte" (Dedier Decodier Renaud Fauquembrque MoniqueT Constant) Він складається із напівізолюючої підкладки GaAs, буферного шару і фоточутливого шару GaAs N, в якому іонним травленням утворена канавка для підвищення опору поверхневого шару При ХІМІЧНІЙ обробці поверхні фоторезистора в розчині NH4OH H2O Н2О = 1 1 100 (по об'єму) на протязі 20с при 25°С відбувається зміна повер хневого вигину зон і захоплення одного носія призводить до збільшення фоточутливості фоторезистора, залежної від густоти потоку Оскільки освітлення фоторезистора проводиться від AlAs/GaAs лазера (А = 0,85мкм), то наведені дані відносяться до збільшення фоточутливості в її максимумі і не дають уяви про її керованість в спектральному діапазоні ВІДОМІ фоторезистор і спосіб його виготовлення на основі зворотньо зміщеної надгратки (Т Ноsikoshi, K Ploog, A new photodetector in the 0 8 1 4 |jm wavelength range // Physics -1985 - ВС Vol 129, № 1 - 3 - P 483 - 487), яка містить від 20 до ЮОп і р шарів GaAs, що чергуються, одержаних молекулярне променевою епітаксією, розміщених між шарами однакового або різного типу провідності високого рівня легування і які є р+ і п + електродами При застосуванні великого зворотнього зміщення, внаслідок повного збіднення шарів надгратка поводить себе як матеріал з високим питомим опором, подібно до ізолятора Збільшенню фоточутливості сприяє ефективне розділення фотоносмв сильним полем надгратки Така конструкція фоторезистора забезпечує управління спектральною характеристикою в довгохвильовій області (hv < Eg) завдяки ефекту Франца - Келдиша Керованість має також обмежені можливості і, на противагу попередній конструкції, зачіпає не область власної фоточутливості, а область за спектральним порогом Рішення є технологічно скла (О (О ю 56764 дним За прототип вибрано фотоприймач за А С 3 №685079 СРСР, МПК H01L31/04 Фотоприймач / Т Б Абдулаєв, Д Г Парицький, М X Алієва, А Б Магерамов), зареєстровано 27 03 1978р. в якому для підвищення фоточутливості в області поглинання світла приймальна поверхня світлочутливого елементу профільована у вигляді рельєфної диференційної ґратки із штрихами паралельно до граней торців, поверхні якої виконані дзеркально відбиваючими, а період дифракційної ґратки d = А/n, де п - коефіцієнт заломлення напівпровідника, Л - довжина хвилі світла в області поглинання, співпадає по розміру з довжиною екранування матеріалу l e (d = Іе) Дифракційна гратка формується методом інтерференційного травлення Збільшення фоточутливості, як стверджують автори, є результатом спільного впливу зменшення відбиваючої здатності і зменшення швидкості поверхневої рекомбінації Остання є результатом зміни розширювання електричного поля в області поверхневого впливу зон Спектральної характеристики в опису до авторського свідоцтва немає, а також відсутні кількісні дані по збільшенню фоточутливості Одержання мікрорельєфу методом інтерференційного травлення вимагає наявності прецизійної (лазерної) технології Оскільки Іе безпосередньо зв'язане з електричними характеристиками матеріалу і може змінюватися в широких межах в залежності від питомої провідності напівпровідника, виконання умови d = Іе також ускладнює створення профільованої поверхні Наявність дифракційної ґратки забезпечує реалізацію спектрально селективних фотоприймачів і не передбачає керованість фоточутливістю в спектральному діапазоні (дані в описі відсутні) В основу винаходу поставлено задачу керування фоточутливістю планарного фоторезистора в спектральному діапазоні 0,5 2,5мкм, підвищення технологічності конструкції шляхом зміни морфологічних властивостей поверхні і створенні при цьому двокомпонентної гетерофазної системи Поставлена мета досягається тим, що фронтальна і тильна поверхні напівізолюючого GaAs містять нестехюметричний вакансійно-галієвий шар скелетно-дендритної морфології товщиною не менше значення довжини хвилі верхньої межі спектрального діапазону і шар оксиду арсенолітової фази Поставлена мета досягається також тим, що напівізолюючий GaAs обробляють в 10 15н розчині НІЧОз при кімнатній температурі на протязі 1 5с, а потім поміщають в гідроксид калію з концентрацією не більше 5% при температурі кипіння на протязі 5 - 60с На фіг 1 показана морфологія двокомпонентної гетерофазної системи AS2O3 - GaAs при травленні поверхні GaAs Cr в НІЧОз на протязі 5с (ліва частина фіг 1 ) і морфологія поверхні GaAs Cr після травлення в 5% КОН на протязі 5с після видалення AS2O3 (права частина фіг 1) На фіг 2 приведені ІЧ спектри пропускання (а) і відбиття (б) травлених в НІЧОз поверхонь GaAs Cr, які свідчать про наявність коливальних мод оксиду AS2O3 арсенолітової фази (характерна смуга на частоті v = 1090см \ відсутність смуги з v = 625см 1) На фіг 3 показана залежність фоточутливості GaAs Cr в спектральному діапазоні 0,5 2,5мкм для стандартної плоскої поверхні між контактами (1, 2) і обробленої запропонованим способом для мікрорельєфної системи As2O3-GaAs (3, 4, 5, 6), де демонструється як технологічна, так і польова керованість фоточутливістю в області власного поглинання для As2O3-GaAs при полях Е 3 0,2кВ/см, 4 - 0,5кВ/см, 5 - 1кВ/см, 6 - 2,5кВ/см Для плоских зразків 1 - 0,5кВ/см і 2 - 2,5кВ/см такої залежності практично немає На фіг 4 показана технологічна керованість фоточутливістю для GaAs O2 в області власного поглинання в залежності від часу обробки в 10 15 н розчині НІЧОз Тут спектральна залежність фоточутливості планарного фоторезистора 4 GaAs O2 з плоскою поверхнею, 2, 3 - та ж залежність з обробленою поверхнею по запропонованому способу на протязі 1с і 5с ВІДПОВІДНО, КОЛИ утворюється система As2O3-GaAs з більш тонким ( 100А і N 3 -N C I та Ncro>Na-NCi, керування якими можна проводити, регулюючи середовище і тривалість хімічної обробки В 5% КОН при температурі кипіння і тривалості 5с AS2O3 видаляється і виконується травлення (5 90с) скелетно-дендритної морфології (за нашими даними видаляється шар ~ 0,1 мкм), яке супроводжується подальшою зміною стехіометрії на користь компоненти V групи і має екстремум (60с) обробки спостерігається поверхня до звичайної стехіометрії, як у плоскому зразку Крива 6 фіг 5, 6 (тривалість обробки 90с) може бути уже пояснена чисто геометричним фактором скелетно-дендритної морфологи, яка є ефектив 56764 ною пасткою світла, забезпечуючи, практично, повне поглинання світла за рахунок багаторазових відбиттів Зміна фотопровідності GaAs в області власного поглинання при утворенні двокомпонентної мікрорельєфної гетерофазної системи AS2O3 - GaAs (обробка в 10 - 15н розчині HNO3 на протязі 1 - 5с при кімнатній температурі, а саме, зменшення або и повне гасіння може бути пояснене збільшенням швидкості поверхневої рекомбінації (фіг 3, 4) Зміна фотопровідності в області власного поглинання мікрорельєф ного GaAs (поетапна обробка в 5% КОН при температурі кипіння на протязі 5 60°С) не може бути результатом тільки зменшення швидкості поверхневої рекомбінації, оскільки криві З, 4, 5 фіг 5 і криві 1, 5 фіг 6 одержані в одному травнику, хоча при ЗМІНІ технологічної обробки причина може існувати На нашу думку, зміни в фотопровідності корелюють із змінами в стехіометрії (фіг 5, криві 3, 4, 5, 6, фіг 6, криві 3, 5, 6) і можливо з зміною зонної структури напівпровідника і його краю поглинання Геометричний ефект зсуву краю пропускання відображено кривою 6, фіг 6 Використання 10 - 15н розчину HNO3 визначається, з одного боку, необхідністю одержання мікрорельєфу скелетно-дендритної морфології розміром більше 2,5мкм, а з другого боку, одержанням оксиду і утворенням мікрорельєфної двофазної системи AS2O3 - GaAs При концентрації HNO3 > 10 15н відбувається пасивація поверхні або без утворення мікрорельєфу, або з утворенням мікрорельєфу, але розмір останнього виявляється всередині спектрального діапазону, що робить поверхню плоскою по відношенню до даних довжин хвиль і не забезпечує збільшення фоточутливості і 14 області Використання концентрації травника < Юн НЫОз суттєво збільшує час утворення мікрорельєфу і утруднює утворення межі AS2O3- GaAs з керованими властивостями Вибір низької концентрації гідроксиду калію (не більше 5% КОН) при температурі кипіння пов'язаний із стабілізацією умов обробки для презиційного пошарового видалення GaAs без деформації скелетно-дендритної морфологи, який дозволяв виявити шар в мікрорельєфі, що володіє різною фоточутливістю з метою керування останньою Нижня межа першого інтервалу часу при обробці в 10 - 15н розчині HNG-з обумовлена одержанням практично повного заповнення поверхні мікрорельєфом на протязі 1с Далі починається хемісорбція кисню із травника В часі обробки 5 с утворюється оксидна фаза і створюється мікрорельєфна система AS2O3 - GaAs Подальше збільшення часу обробки сприяє збільшенню товщини оксиду, але не змінює керованості спектральною характеристикою, вимагає прикладання великих напруг, отже є небажаним Другий інтервал часу 5 60с при обробці в 5% КОН при температурі кипіння пов'язаний на його нижній межі з видаленням оксиду і отриманням максимальної фоточутливості на його верхній межі При подальшому збільшенні часу обробки фоточутливість виявляється більшою, ніж у плоскому зразку, але за чисто геометричним фактором в короткохвильовій області за рахунок зменшення відображаючої здатності, в довгохвильовій за рахунок збільшення довжини оптичного шляху в напівпровіднику Тобто, суттєвий позитивний ефект, пов'язаний з керуванням фоточутливість в інтервалі 0,5 2,5мкм, досягається в 10 - 15н розчині HNO3 на протязі 1 - 5с при кімнатній температурі, а в КОН з концентрацією не більше 5% при температурі кипіння на протязі 5 - 60с, які і можна вважати оптимальними інтервалами способу технологічного режиму обробки Приклад 1 В фоторезисторі із напівізолюючого GaAs {100} -фронтальна і тильна поверхні заповнювались мікрорельєфом скелетно-дендритної морфології нестехюметричного вакансійногалієвого шару товщиною не менше значення довжини хвилі світла верхньої межі спектрального діапазону 0,5 2,5мкм і шаром оксиду арсенолітовоі фази AS2O3, для чого у ВІДПОВІДНОСТІ ІЗ пропонованим способом GaAs Cr {100} - розміщався в 10 15н розчин HNG-з на 5с при кімнатній температурі Вимірювалися спектральні залежності фотопровідності вихідного плоского фоторезистора і планарного фоторезистора з мікрорельєфною структурою AS2O3 - GaAs Cr {100} в спектральному діапазоні 0,5 2,5мкм в залежності від прикладеного поля (фігЗ) Видно, що конструкція планарного фоторезистора яка з'являється при обробці за заявляючим способом демонструє збільшення фоточутливості в ДОМІШКОВІЙ області, збільшує або зменшує у власній області в залежності від прикладеного поля, що дозволяє або повністю (фіг 3, крива 3), або частково (фіг 3, криві 4, 5) погасити власну фоточутливість або одержати м рівнозначну ДОМІШКОВІЙ (фіг 3, крива 6) Планарний фоторезистор з плоскою поверхнею, характеристики якого приведені на фіг 3, криві 1, 2 для двох крайніх напруженостей поля аналогічних залежностей не дає Тобто, існує як технологічна так і польова керованість фоточутливістю заявляючого планарного фоторезистора Приклад 2 В фоторезисторі із напівізолюючого GaAs {100} фронтальна і тильна поверхні виконувались із мікрорельєфом скелетно-дендритної морфології нестехюметричного вакансійногалієвого шару товщиною не менше значення довжини хвилі світла верхньої межі спектрального діапазону 0,5 2,5мкм і шаром оксиду арсенолітовоі фази, для чого у ВІДПОВІДНОСТІ З пропонованим способом GaAs O2 розміщалися в 10 15н розчин HNG-з на 1с і 5с У першому випадку утворювалася мікрорельєфна структура з більш тонким оксидом AS2O3, у другому - більш товстим 100 А Як і в прикладі 1, вимірювалося спектральне розподілення фоточутливості Із фіг 4 видно, що із збільшенням товщини оксиду спостерігається зменшення фоточутливості в області власного поглинання, тобто и технологічна керованість Приклад 3 На фоторезисторі, як у прикладах 1 або 2, за винятком того, що з поверхні мікрорельєфу знятий оксид AS2O3 і проведено поетапне травлення скелетно-дендритної морфологи, для чого у ВІДПОВІДНОСТІ із заявляючим способом фоторезистор поміщають в 5% гідроксид калію на 5, 60 і 90 с при температурі кипіння Як і в прикладах 1 і 2 вимірювалося розподілення фоточутливості (фіг 5, 6) при Е = 0,5кВ/см Зміни фоточутливості проходять в основному в області власного поглинання, корелюють із змінами в стехіометрії і призводять до технологічної керованості останньої Фотоприймач - прототип дозволяє збільшувати фоточутливість в області поглинання світла Пропонований планарнии фоторезистор і спосіб його виготовлення, зберігаючи технікоекономічні переваги прототипу, має ряд наступних переваг - можливість широкого керування формою 56764 8 спектральної характеристики в спектральному діапазоні 0,5 2,5мкм, - збільшення ефективності сонячних перетворювачів, - покращення характеристик приймальної частини оптичних локаційних систем, - спрощення узгодження фоторезистора із скловолокном і ВОЛС за рахунок зниження вимог по взаємній центровці, - підвищення технологічності конструкції фоторезистора 0,5 S, * 40 зо ге 1С 4СС ФІГ 2 І, є»'1 1,0 L5 2,0 56764 10 f -єд J 0,5 і. J І L 1,0 Л, мкм Фї'г.5 0,9 X} Сиг 6 Підписано до друку 05 06 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24