Уф-фотодіод з бар’єром шотткі

1. УФ-фотодіод з бар'єром Шотткі, виготовлений на основі селеніду цинку (ZnSe) з напівпрозорим бар'єрним металевим шаром з лицьового боку ZnSe-підкладки та шаром індію на її зворотному боці, та додатковим шаром, який відрізняється тим, що додатковий шар утворений з оксиду цинку -5 -5 товщиною 110 -210 мм на лицьовому боці ZnSe-підкладки та на її торцевих боках під напівпрозорим бар'єрним металевим шаром, на який нанесений по периметру контактний індієвий шар шириною 0,05-0,2 мм. 2. УФ-фотодіод з бар'єром Шотткі за п. 1, який відрізняється тим, що напівпрозорий бар'єрний металевий шар виконаний з нікелю або золота, -5 або платини товщиною не більше 110 мм. Винахід належить до мікрофотоелектроніки, а саме до напівпровідникових фотодіодів, чутливих в ультрафіолетовому діапазоні спектра, і може бути використаний як приймач оптичного УФвипромінювання в оптико-електронних системах, зокрема для контролю енергетичної освітленості у піддіапазонах А (315-400 нм), В (280-315 нм), С (200-280 нм). Відомий УФ-фотодіод УФД-20 (пат. України № 71544, H01L31/06) на основі фосфіду галію, який складається з епітаксійної структури n-GaP, плівки ZnO2, легованої фтором, та омічних контактів: нікелевих з лицьового боку кристала фотодіода та індієвого контакту із зворотного боку, і що має максимум спектральної чутливості у діапазоні 220450 нм. Недоліком цього фотодіода є нечутливість у діапазоні 200-220 нм, який є особливо небезпечним для здоров'я людини. Відомий УФ-фотодіод з бар'єром Шотткі (S. Yu. Pavelets, Yu. N. Bobrenko, A. V. Komashchenko, and Т. Е. Shengeliya// A New Structure of the CdS-Based Surface-Barrier Ultraviolet Sensor Semiconductors. – 2001. - Vol. 35, No. 5. - Р. 605-607. Translated from Fizika і Tekhnika Poluprovodnikov. – 2001. - Vol. 35, No. 5. - Р. 626-628.) на основі бар'єрної структури CdS-Cu2S, який складається з підкладки з сульфіду кадмію (CdS), на яку нанесено шляхом вакуумного напилення сульфід міді (Cu2S). При цьому застосовують товщини кристала CdS і шару Cu2S, відповідно, 7 мкм і 0,0015 мкм. Між вказаними шарами знаходиться проміжний шар з селеніду цинку (ZnSe) товщиною до 1 мкм. Цей фотодіод чутливий в ультрафіолетовому діапазоні спектра 220500 нм. Недоліком цього фотодіода є тунельна електропровідність, що виникає за рахунок значної дефектності CdS, незважаючи на проміжний шар, а також низька його чутливість у діапазоні 200-280 нм. Відомий УФ-фотодіод з бар'єром Шотткі (A.Bou Hdada, M. Hanzaz, P. Vigue, J. P. Fairie J// Shottky Barrier Near-Ultraviolet Photodetectors based on ZnSe/ J. Active and passive electronic device. - 2005. - Vol. 1, - Р. 79-89) на основі селеніду цинку, легованого телуром, або киснем, який складається з підкладки з арсеніду галію, на якому сформовано шар ZnSe n-типу провідності та шар ZnSe власної і-типу провідності, на останньому нанесені бар'єрні плівки золота та нікелю і загальні омічні електроди із золота. При цьому місце для загального електрода з індію витравлено на торцевих гранях крис (19) UA (11) 94679 (13) C2 (21) a201007252 (22) 11.06.2010 (24) 25.05.2011 (46) 25.05.2011, Бюл.№ 10, 2011 р. (72) ГАЛКІН СЕРГІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, ВОРОНКІН ЄВГЕНІЙ ФЕДОРОВИЧ, РИЖИКОВ ВОЛОДИМИР ДІОМИДОВИЧ, ОНІЩЕНКО ГЕННАДІЙ МИХАЙЛОВИЧ, БІЛЕЦЬКИЙ МИКОЛА ІВАНОВИЧ (73) ІНСТИТУТ СЦИНТИЛЯЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НАН УКРАЇНИ (56) UA 48467 U, 25.03.2010 UA 42429 U, 10.07.2009 UA 71544 C2, 15.12.2004 SU 1256108 A1, 07.09.1986 RU 1634065 C, 15.10.1994 US 20010054712 A1, 27.12.2001 GB 2451188 A, 21.01.2009 JP 1344741 C, 29.10.1986 3 тала фотодіода крізь шар ZnSe власної провідності до шару ZnSe n-типу провідності. Недоліком цього фотодіода є складність конструкції та технології його виготовлення, що пов'язана, з одного боку, з необхідністю виготовлення бар'єрної структури з трьох шарів (GaAs - n-ZnSe i-ZnSe), а з другого боку - з необхідністю витравлювання мезоструктури для забезпечення загального електричного контакту з індію до шару ZnSe n-типу провідності. Діапазон спектральної чутливості цього фотодіода складає 320-450 нм, що не дозволяє застосовувати його для реєстрації УФвипромінювання в діапазоні 200-320 нм. Загальним недоліком наведених аналогів є їх недостатній динамічний діапазон, який не перевищує 50. Відомий УФ-фотодіод з бар'єром Шотткі (пат. України № 42429U, H01L31/06) на основі селеніду цинку з напівпрозорим бар'єрним шаром нікелю з лицьового боку ZnSe-підкладки та шаром індію із зворотного боку. При цьому бар'єрний шар нікелю товщиною не більше 10 нм, за даними авторів, пропускає не менше 70 % випромінювання на довжині хвилі 400 нм і має додаткове потовщення, що є контактним шаром нікелю на лицьовому боці ZnSe-підкладки товщиною не менше 0,2 мкм (який забезпечує електричний контакт до бар'єрного шару нікелю), а відстань між торцевою частиною кристала селеніду цинку та шарами нікелю перевищує суму дифузійної довжини неосновних носіїв заряду та товщини області просторового заряду (10-50 мкм). Товщина шару індію на зворотному боці кристала складає 1-20 мкм для забезпечення другого електричного контакту. Збільшення пропускання УФ-випромінювання бар'єрним шаром досягнуто за рахунок нанесення шару нікелю товщиною не більше 10 нм, що забезпечує підвищення фоточутливості УФфотодіода в області спектра 200-280 нм. Максимальна фоточутливість - близько 0,1 А/Вт спостерігається на довжині хвилі 400 нм. При 250 нм фотодіод забезпечує фоточутливість не менше ніж 0,06 А/Вт, що дає можливість застосовувати його в приладах фотометричного вимірювання концентрації озону. Нелінійність енергетичної характеристики фотодіода в діапазоні 10-200 Вт/м не перевищує 2,0 %, що становить динамічний діапазон 2 роботи фотодіода 10 . Однак при малих інтенсивностях УФвипромінювання - до 10 Вт/м, чутливість фотодіода різко зменшується, що не дозволяє використовувати його у приладах для реєстрації малоінтенсивних потоків УФ-випромінювання. Ще одним недоліком фотодіода є зниження фоточутливості в 2 рази в діапазоні 200-260 нм відносно максимального рівня в діапазоні 300-400 нм. Відомий УФ-фотодіод з бар'єром Шотткі (пат. України № 48467U, H01L31/06) на основі селеніду цинку з бар'єрним шаром нікелю з лицьового боку ZnSe-підкладки та шаром індію із її зворотного боку. На бар'єрному надтонкому шарі нікелю виконаний додатковий просвітлюючий шар суміші двоокису олова (SnO2) та окису індію (Іn2О3) або шар двоокису олова (SnO2), легованого фтором, при цьому просвітлюючий шар та бар'єрний шар мета 94679 4 лу повинні відступати від краю кристала на величину не менше суми довжини вільного пробігу неосновних носіїв заряду та ширини ділянки просторового заряду у матеріалі підкладки з селеніду цинку. На периферії кристала сформовано додатковий контактний шар нікелю товщиною не менше 0,2 мкм для забезпечення електричного контакту до надтонкого бар'єрного шару нікелю. Відстань між шарами нікелю та торцевою частиною кристала селеніду цинку складає не менше 10-15 мкм. Товщина шару індію на зворотному боці кристала складає 1,0-20 мкм для забезпечення омічного електричного контакту. Завдяки оптичним властивостям просвітлюючого шару усувається ефект часткового відбивання УФ-випромінювання від поверхні надтонкого бар'єрного шару нікелю. Товщина просвітлюючого шару вибирається, виходячи з того, в якому діапазоні довжин хвиль потрібно збільшити чутливість. Чим тонший просвітлюючий шар, тим у більш короткохвильовій ділянці він збільшує чутливість фотодіода. Однак просвітлення може бути ефективним лише в області прозорості оксидів, тобто вище 350 нм. Це знижує ефективність використання цього фотодіода в діапазоні 200-350 нм. Чутливість цього фотодіода на довжині хвилі 400 нм близько 0,11-0,12 А/Вт, а на довжині хвилі 250 нм не менше 0,07-0,08 А/Вт, динамічний діапазон, враховуючи, що ця конструкція діода відрізняється від попереднього аналога тільки наявніс2 тю просвітлюючого покриття, становить 10 . Як правило, вплив торцевої поверхні на величину фотосигнала істотно зменшується, завдяки відстані між шарами нікелю та торцевою частиною кристала селеніду цинку, що сприяє підвищенню надійності фотодіода в цілому. Загальним недоліком є використання точкового контакту на шарі нікелю. Це не дозволяє ефективно збирати заряд з усього бар'єрного шару нікелю, і знижує чутливість фотодіода. В основу запропонованого винаходу поставлена задача створення УФ-фотодіода з бар'єром Шотткі, розширення динамічного діапазону та підвищення чутливості в області 200-440 нм. За прототип нами вибрано останній з аналогів. Вирішення задачі забезпечується тим, що в УФ-фотодіоді з бар'єром Шотткі на основі селеніду цинку з напівпрозорим бар'єрним металевим шаром з лицьового боку ZnSe-підкладки та шаром індію із її зворотного боку, та додатковим шаром, згідно з винаходом, додатковий шар з оксиду цин-5 -5 ку товщиною 110 -210 мм нанесено на підкладку та на торцеві боки підкладки, а на бар'єрний металевий шар нанесено по периметру контактний індієвий шар шириною 0,05-0,2 мм. Напівпрозорий бар'єрний металевий шар може бути з нікелю або золота, або платини товщи-5 ною не більше 110 мм. При попаданні ультрафіолетового випромінювання на фотодіод воно проходить через металевий шар і поглинається у додатковому оксидному шарі і в поверхневому шарі селеніду цинку, в якому розташована область збіднення носіїв зарядів. Фактично ширина цієї області залежить від товщини оксидного шару і концентрації електронів в 5 об'ємі селеніду цинку. Згенеровані в цих об'ємах пари носіїв заряду, кількість яких пропорційна потужності та спектральному складу випромінювання, переміщуються відповідно в металевий шар і в ZnSe за рахунок різниці потенціалів в бар'єрному шарі. За рахунок оксидного шару відбувається більш ефективне поглинання фотонів УФвипромінювання і розділення зарядів за рахунок того, що високоенергетичні фотони поглинаються на границі оксид-селенід цинку, що зменшує величину темнового струму фотодіода і, в свою чергу, 3 розширює динамічний діапазон чутливості до 10 , та підвищує чутливість в діапазоні 200-440 нм. Позаграничні значення товщини цього шару обумовлені необхідністю забезпечення оптимальних значень тунельної провідності електронів через нього. При товщині шару оксиду цинку менше -5 110 мм ефект розділення зарядів практично від-5 сутній, а при товщині більше ніж 210 мм знижується тунельна електропровідність вказаного шару, що знижує чутливість фотодіода. Наявність шару оксиду цинку на торцевих боках підкладки виключає появу паразитних струмів по поверхні селеніду цинку, що має електроактивні поверхневі центри після механічної обробки. Контактний шар індію, нанесений по периметру бар'єрного металевого шару, дозволяє, на відміну від аналогів, знімати струмовий сигнал зі всього тонкого металевого шару, що також підвищує чутливість і надійність фотодіода. Товщина контактного шару індію, нанесеного по периметру, який забезпечує електричний контакт до бар'єрного металевого шару, визначалась механічними та електричними властивостями контакту, струмовивідними провідниками і складає 0,05-0,2 мм. Виконання ширини вказаного шару менше ніж 0,05 мм недоцільно через погіршення умов збору зарядів та технологічної складності його виготовлення, а ширина шару більше ніж 0,2 мм недоцільна через зменшення фоточутливої площини фотодіода. Металевий бар'єрний шар може бути виконаний з нікелю або золота, або платини через те, що ці метали характеризуються близькими значеннями роботи виходу електрона і мають високу хімічну інертність до атмосферного середовища та оксидного шару на селеніді цинку. Ці метали дозволяють отримувати УФ-фотодіоди з близькими фотоелектричними параметрами. На фіг. 1 представлена схематична побудова пристрою; на фіг. 2 приведено спектр фоточутливості діода, виготовленого за даним винаходом. 94679 6 Приклад конструкції фотодіода. Кристал селеніду цинку розрізають на пластини товщиною 1,0-1,5 мм і полірують до 14 класу чистоти поверхні. На один бік пластини-підкладки 1 наносять методом вакуумного напилення омічний контакт шар 2 індію товщиною 0,02 мм. Для формування -5 шару 3 оксиду цинку товщиною 110 мм пластину ZnSe з омічним контактом оброблюють протягом 15 хвилин 10 % розчином перекису водню. При цьому на вільних від нанесеного індію поверхнях кристала 1 селеніду цинку, у тому числі і на торцевих боках підкладки 1, утворюється шар 3 оксиду цинку. Після цього на протилежному від індію боці кристала з нанесеним шаром 3 оксиду цинку наносять методом вакуумного напилення шар 4 золота -5 товщиною 110 мм. Цей шар металу за рахунок малої товщини поглинає не більше ніж 30 % УФпроменів в діапазоні хвиль 200-440 нм. Далі фоточутливу поверхню металевого шару 3 закривають маскою і наносять по периметру шириною 0,1 мм контактний шар 5 індію. До індієвих шарів з обох боків припаюють металеві провідники і далі фотодіод монтують у корпус. Для одержання шару 3 оксиду цинку з іншою товщиною оксидного шару, що знаходиться в межах заявленого інтервалу, змінюють час обробки у 10 % розчині перекису водню пропорційно до необхідної товщини вказаного шару. Аналогічно наведеному прикладу виготовляють фотодіоди з іншими металевими бар'єрними шарами, їх товщинами та шириною контактного індієвого шару (табл.). Як видно з таблиці, тільки у межах заявлених параметрів досягається вирішення задачі (приклади 3-5, 7, 8). Режим роботи фотодіода в частині генерації фотосигналу відрізняється від режиму роботи аналогічних фотодіодів тим, що УФ-кванти поглинаються в прилеглій до оксидного шару зоні збідненого заряду селеніду цинку При цьому згенеровані пари електрон-дірка розділяються в електричному полі, і далі електрони проходять внаслідок тунельного ефекту до шару золота, а дірка - до омічного індієвого контакту. Отриманий електричний сигнал через електроди, що приєднані до шарів 2 і 5, потрапляє до вимірювального кола. Промислове використання цього винаходу не вимагає великих матеріальних витрат, спеціальних матеріалів та технологій, його реалізація можлива на виробництвах України та за її межами. 7 94679 8 Таблиця Ширина індієвого МініМетал на фоТовщина окшару по мальна Динамічний Спектральний точутливій № сидного шару, периметру фотодіапазон діапазон чутКоментар стороні мм фоточутливість, чутливості ливості, нм фотодіода 2 чутливої Дж/м сторони, мм 2 1. Ni 85 10 210-480 За прототипом 2 -5 2 Аu 0,1 мм 110 10 210-480 Мала товщина ок0,510 сидного шару 3 -5 3. Аu 0,1 мм 6 10 180-480 110 3 -5 4. Аu 0,1 мм 8 10 180-480 1,510 3 -5 5. Аu 0,1 мм 10 10 180-480 210 2 -5 6. Аu 0,1 мм 90 10 180-480 Велика товщина 310 оксидного шару 3 -5 7. Pt 0,1 мм 5 10 180-480 110 3 -5 8. Ni 0,1 мм 9 10 180-480 110 2 -5 9. Аu 0,03 мм 8 10 180-480 Мала ширина індіє110 вого шару по периметру фоточутливої сторони 2 -5 10. Аu 0,3 мм 25 10 180-480 Велика ширина інді110 євого шару по периметру фоточутливої сторони Таким чином, конструкція запропонованого фотодіода забезпечує підвищену у 8-10 разів чутливість в діапазоні 200-440 нм та на порядок біль ший динамічний діапазон (10) у порівнянні з прототипом. 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 94679 Підписне 10 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601