Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

Добровольський Юрій Георгійович

УДК 537.312:621.383

РОЗРОБКА КРЕМНІЄВИХ ФОТОДІОДІВ ПІДВИЩЕНОЇ НАДІЙНОСТІ

05.27.01 - Твердотільна електроніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Чернівці - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Відкритому акціонерному товаристві “ЦКБ Ритм” та на кафедрі радіотехники Чернівецького державного університету, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий

співробітник Ащеулов Анатолій Анатолійович,

Інститут термоелектрики НАН України, завідувач

відділу.

Офеційні опоненти - доктор технічних наук, старший науковий

співробітник Смеркло Любомир Михайлович,

Львівський науково-дослідний

радіотехнічний інститут Міністерства

промислової політики України, завідувач відділу;

доктор фізико-математичних наук, професор

Ковалюк Захар Дмитрович,

Чернівецьке відділення Інституту проблем

матеріалознавства НАН України, керівник

відділення.

Провідна установа - Науково-виробниче об'єднання “Карат” Міністерства промислової політики України (м. Львів).

Захист відбудеться__1.06.2000__о_15_год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 76.051.06 при Чернівецькому державному університеті ім. Юрія Федьковича (58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Чернівецького державного університету ім. Юрія Федьковича (вул. Л. Українки, 23)

Автореферат розісланий “_28_” ______04______ 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ___________________ Курганецький М.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Надійність фотодіодів визначається збереженням їх експлуатаційних характеристик на протязі заданого часу, в тому числі фотоелекричими параметрами.

Сучасні p-i-n фотодіоди на основі високоомного монокристалічного кремнію p-типу провідності, мають високі питомі темнові струми. Оскільки вимоги до цього параметру постійно підвищуються (від нього залежить виявна здатність приладу, рівень шумів, а через ці параметри і їх надійність), питання зменшення темнового струму фотодіодів залишається актуальним. Основні чинники, що впливають на величину темнового струму відомі, зокрема це дефекти, які утворюються під час виготовлення приладів, вплив периферії кристалу, його торцевої та зворотної поверхонь. Крім того, існують аперіодичні пульсації темнового струму, які зумовлюють вибуховий шум. Такі пульсації темнового струму можуть сприйматися апаратурою, на вході якої розташовано фотодіод, як корисний сигнал, що веде до помилкових спрацювань. Усунення впливу перелічених чинників дозволяє реалізувати конструкції p-i-n фотодіодів підвищеної надійності за темновим струмом, який визначає рівень шумів і порогову чутливість фотодіоду.

Не менш актуальним є питання забезпечення стійкості параметрів і характеристик фотодіодів на основі епітаксійного кремнію, що функціонують у фотогальванічному режимі, до опромінення нейтронами. Дані наукової літератури вказують на те, що практично відсутні конструкції фотодіодів, які б забезпечували радіаційну стійкість завдяки тільки дифузійному механізму збору фотогенерованих носіїв заряду, тому вирішення цього питання сприятиме підвищенню надійності фотодіодів в умовах впливу радіаційних чинників.

У зв'язку із зазначеним, розробка нових методів конструювання та технології фотодіодів підвищеної надійності, а саме p-i-n фотодіодів на основі високоомного кремнію p-типу з малими питомими значеннями темнового струму та радіаційно-стійких фотодіодів для роботи у фотогальванічному режимі на основі епітаксійного кремнію, що здійснена в представленій дисертації, є актуальною та доцільною науково-технічною задачею для розвитку оптоелектроніки та оптоелектронного виробництва в Україні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувались за тематичним планом робіт ВО “Кварц” та ВАТ “ЦКБ Ритм” за період з 1988 р. по 2000 р., у рамках: держбюджетного “Запроса Института Монокристаллов АН Украины” (договір № 201-22/92 від 10.08.92 р.); держбюджетної “Программы по перепрофилированию научно-технической деятельности ЦКБ “Ритм” в условиях конверсии” міністерства машинобудування, оборонного комплексу та конверсії від 24.02.93 р.; договору № 201-27/92 від 30.09.92 р. з орендним колективом НИО-1150 АКЛНИТИ (м. С.-Петербург) “Доработка ФД299М с целью его применения в аппаратуре для ФЭП”; програми “Проведение авторского надзора за изготовлением изделий ФУЛ-113, ФУО-113, ФД-255” (угода з ВО “Кварц” 201-7в/92 від 12.06.91 р.). Крім того, держбюджетної теми “Радіоелектронні прилади, пристрої та їх елементна база” (№01990001900) кафедри радіотехніки Чернівецького держуніверситету.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є аналіз факторів, що впливають на величину темнового струму p-i-n фотодіодів з високоомного монокристалічного кремнію p-типу і радіаційну стійкість фотодіодів на базі кремнієвих епітаксійних структур та розробка за результатами аналізу конструкцій і технології кремнієвих фотодіодів підвищеної надійності та вивчення їх властивостей.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- дослідити залежність темнового струму фоточутливої області (елементу) та охоронного кільця кристалу p-i-n фотодіоду з монокристалічного кремнію від впливу різноманітних частин конструкції, механізмів генерації носіїв заряду у ньому та запропонувати конструкцію фотодіоду зі зменшеним питомим темновим струмом і підвищеною надійністю;

- дослідити вплив технологічних факторів на величину темнового струму фоточутливого елементу та охоронного кільця кристалу p-i-n фотодіоду з монокристалічного кремнію, розробити нові технологічні рішення до реалізації поставленої мети;

- виявити причину генерації випадкових імпульсів шуму (вибухового шуму) кремнієвих p-i-n фотодіодів, які аперіодично збільшує темновий струм, розробити рекомендації щодо їх усунення;

- проаналізувати дію нейтронного опромінення на фотодіоди з кремнієвих епітаксійних структур, функціонуючих у фотогальванічному режимі і підвищити їх стійкість до цього радіаційного чинника та їх експлуатаційну надійність;

- розробити методику та обладнання для здійснення стопроцентного неруйнівного контролю поверхневого опору кремнієвих пластин, що використовуються у виробництві кремнієвих фотодіодів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Дістало подальший розвиток розуміння фізичних процесів генерації темнового струму в p-i-n фотодіодах на основі монокристалічного кремнію p-типу. Досліджено залежність темнового струму фоточутливого елементу та охоронного кільця кристалу фотодіоду від товщини гетеруючого шару p+-типу на його зворотному боці та торцевої поверхні.

2. Вперше створена конструкція p-i-n фотодіоду на основі монокристалічного кремнію p- типу з низьким, у порівнянні з відомими вітчизняними та зарубіжними аналогами, рівнем темнового струму охоронного кільця, завдяки чому у два рази підвищено час безвідмовності (до 1000 годин) цих p-i-n фотодіодів у робочому стані. Це досягнуто завдяки ізоляції охоронного кільця від периферії кристалу областю обмеження каналів втрат p+-типу. Обгрунтована величина її відстані від охоронного кільця.

3. Удосконалена конструкція кристалу p-i-n фотодіоду на основі монокристалічного кремнію p-типу з глибиною залягання гетеруючого шару p+-типу із зворотного боку кристалу 6 - 8 мкм при розширенні і-області на всю ширину кристалу, яка забезпечує низькі темнові струми фотодіоду.

4. Запропоновано основні технологічні процеси отримання гетеруючого шару p+-типу із зворотного боку кристалу з оптимальною глибиною залягання до 8 мкм. Створена технологія, яка у порівнянні з відомими, має меншу тривалість термічних процесів. Це зменшує концентрацію структурних дефектів і сприяє отриманню низьких значень темнового струму фотодіоду.

5. Вперше запропоновано технологію гетерування торцевої поверхні кристалу p-i-n фотодіоду на основі монокристалічного кремнію p-типу. Методика полягає у тому, що початковою операцією виготовлення фотодіоду є вирізання кристалу по його габаритних розмірах (на відміну від загальноприйнятого кінцевого розрізання пластини на кристали) з послідуючим гетеруванням бором для отримання шару p+-типу, який покриває всю поверхню вирізаного кристалу. Такий підхід дозволив більш ефективно, у порівнянні з існуючими методами, усунути вплив торцевої поверхні кристалу фотодіоду на його параметри.

6. Удосконалено спосіб отримання топологічного рисунку на зворотному боці напівпровідникової пластини, який з точністю до 2 мкм співпадає з рисунком на її лицевому боці і є простим у виконанні.

7. Досліджено механізм генерації вибухового шуму p-i-n фотодіодів на основі монокристалічного кремнію p-типу. Показано, що наявність дислокацій, які формуються на поверхні навіть бездислокаційного кремнію під час травлення і термічних операцій, зумовлюють їх генерацію.

8. Дістало подальший розвиток розуміння фізичних процесів у фотодіодах на основі епітаксійного кремнію, що працюють у фотогальванічному режимі в умовах нейтронного опромінення. Удосконалена конструкція фотодіоду, яка забезпечує його радіаційну стійкість та підвищену надійність, за рахунок оптимізації товщини епітаксійного шару.

9. Розроблено методику для стопроцентного неруйнівного контролю електрофізичних параметрів напівпровідникових пластин за допомогою поверхневої газорозрядної візуалізації, яка характеризується низькою енергоємністю та високою ефективністю у порівнянні з відомими методами контролю.

Практичне значення одержаний результатів:

1. Результати проведених досліджень дозволили більш глибоко зрозуміти електрофізичні механізми, які впливають на процеси генерації та рекомбінації в p-i-n фотодіодах на основі високоомного монокристалічного кремнію p-типу. Це дозволило розробити конструкцію і технологію цілого ряду нових фотодіодів та удосконалити існуючі, впровадити їх у серійне виробництво у “ВАТ ЦКБ Ритм” і ВАТ “Кварц”. Нові прилади характеризуються підвищеною експлуатаційною надійністю, а їх параметри не поступаються кращим світовим аналогам при суттєво нижчій вартості. Це такі фотодіоди як: ФДК-142-01 (Технические условия АДБ3.368.227 ТУ, 1987), ФД 309 (Технические условия АДБ3.368.286 ТУ, 1991), ФД337 (Технические условия ТУ України 6629766.025-93, 1993), УФД01, УФД02, УФД03 (Технические условия ТУ У 3.51-14261388-001-94, Черновцы, 1994).

2. Встановлення фізичних явищ, що відбуваються у фотодіодах на основі епітаксійного кремнію внаслідок впливу нейтронного опромінення, дозволили забезпечити стійкість таких фотодіодів в умовах фотодіодного режиму роботи та впливу опромінення. Удосконалений на основі досліджень фотодіод ФД299М (Технические условия АДБ3.368.256 ТУ, 1889), має величину довготривалості 150000 годин безвідмовної роботи.

3. Розроблено та впроваджено обладнання для здійснення стопроцентного неруйнівного контролю електрофізичних параметрів напівпровідникових пластин, що використовуються для виготовлення фотодіодів за допомогою поверхневої газорозрядної візуалізації.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, написаних у співавторстві здобувачеві належать: аналіз чинників, впливаючих на величину темнового струму кремнієвих p-i-n фотодіодів; розробка конструкції, удосконалення технології, дослідження параметрів p-i-n фотодіоду на основі кремнію підвищеної надійності; дослідження вибухових шумів кремнієвих p-i-n фотодіодів, аналіз причин, їх виникнення [1, 2, 5, 6, 8-10]; аналіз факторів, впливаючих на стійкість фотодіоду працюючого у фотогальванічному режимі до впливу нейтронного опромінення; оптимізація конструкції та дослідження параметрів [7]; розробка методу контролю електрофізичних параметрів напівпровідникових пластин і обладнання для його реалізації в різноманітних умовах [3, 4, 11, 12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались та обговорювались на: Second international school-conference Physical Problems in Material Science of Semiconductors, (Chernovtsy, Ukraine, 1997), The IV International Conference on Material Science and Material for IR Optoelectronics '98, (Kiev, Ukraine, 1998), конференції "Системы и средства передачи и обработки информации" -ССПОИ-98 (Одесса, Україна, 1998).

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 12 наукових працях, з них 4 - у наукових журналах, 2 - у збірнику наукових праць, 3 - у авторських свідоцтвах СССР, 3 - у матеріалах та тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, основної частини (гл. 2 - 4), висновків, списку використаних джерел та додатків. Має 134 сторінки тексту, 36 рисунків, 2 таблиці. Список літератури містить 136 джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційного дослідження, сформульовано їх мету та задачі, описано наукову новизну та практичну цінність результатів.

У першому розділі дисертації розглянуто загальні принципи детектування оптичного випромінення напівпровідниками і зокрема кремнієвими фотодіодами. Визначено основні параметри, які впливають на надійність фотодіодів та вимоги до кремнію, на основі якого вони виготовляються.

Згідно з визначеними метою та задачею досліджень, другий розділ дисертації присвячено конструюванню та технології p-i-n фотодіодів підвищеної надійності на основі високоомного монокристалічного кремнію p-типу. Проведено аналіз відомих конструктивних рішень, що забезпечують високі параметри фотодіодів та досліджено фактори, які впливають на величину темнового струму фоточутливого елементу та охоронного кільця.

Досліджено залежності параметрів фоточутливого елементу кристалу p-i-n фотодіоду та охоронного кільця, зокрема їх темнового струму, від впливу різноманітних елементів конструкції, механізмів генерації носіїв заряду у кристалі фотодіоду. Виявлено, що темнові струми фотодіодів, які оптимізовані на прийом випромінювання з довжиною хвилі 1 мкм більш чутливі до товщини ізотипного (p+-типу) з кристалом (р-типу) прошарку з його зворотного боку, ніж фотодіоди, оптмимізовані на реєстрацію більш коротких хвиль.

Збільшення темнового струму зумовлено, в основному, дислокаційним механізмом. Введення бору в зворотній бік кристалу фотодіоду приводить до зменшення рухливості неосновних носіїв заряду (ННЗ) і в той же час - до закріплення дислокацій на цьому боці кристалу.

На рис. 1 наведено вольт-амперні характеристики кристалів кремнієвих p-i-n фотодіодів з товщиною р+-шару 6 - 8 мкм та різною площиною електричного контакту із зворотного боку кристалу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результати досліджень механізмів утворення дефектів у кристалі фотодіоду показують, що гетерування зворотного боку кристалу фотодіоду та його торцевої поверхні на глибину 6 - 8 мкм і зменшення площі контакту до його зворотного боку є ефективним методом зменшення генераційної складової темнового струму кремнієвих р-і-п фотодіодів на основі високоомного монокристалічного кремнію, які оптимізовані для реєстрації випромінювання у близький інфрачервоній області спектру.

Сформульовані умови ізоляції охоронного кільця фоточутливого елементу p-I-n фотодіоду на основі високоомного кремнію p-типу. Ізоляція здійснюється областю обмеження просторових каналів втрат p+-типу дифузією бору. Мінімальна відстань ізолюючої p+-типу області від охоронного кільця Wmin визначається за виразом Wmin = Up / Eпр , де Up - робоча напруга, Eпр - напруженість пробою. Схематичний розріз кристалу розробленого p-i-n фотодіоду наведено на рис. 2.

Удосконалено технологію кремнієвих p-i-n фотодіодів, у відповідності з якою дещо змінено послідовності термічних операцій, що дозволило зменшити їх кількість, і сприяло зменшенню деградації часу життя неосновних носіїв струму (рис. 3).

Після вирізання кристалу фотодіоду з кремнієвої пластини, він піддавався дифузії бору на протязі одної години при температурі 1223 К. При цьому отримується шар p+ типу з усіх боків кремнієвої пластини товщиною h = 1 мкм. Після цього відбувається термічне окислення кристалу і наступні технологічні операції, передбачені планарною технологією для виготовлення фоточутливого p-n переходу, під час яких товщина шару p+-типу збільшується до Н (від h' до h''''), яке складає 6 - 8 мкм. Електричний контакт до зворотного боку кристалу фотодіоду виконується не суцільним, а лише перекриває площу проекції фоточутливого елементу та охоронного кільця на зворотній бік кристала фотодіоду.

Для суміщення топології контакту на зворотному боці кристалу з топологією фоточутливого елемента та охоронного кільця розроблено спосіб, який полягає в тому, що по лініях, які обмежують габаритні розміри топології на лицьовому боці пластини, виконуються базові зрізи. За ними і відбувається суміщення.

Досліджено фактори, що впливають на генерацію вибухового шуму (ВШ) кремнієвих p-i-n фотодіодів, який аперіодично збільшує темновий струм і в деяких випадках може перевищувати корисний сигнал. Таке явище сприймається апаратурою, в якій використовується фотодіод, як очікуваний сигнал, внаслідок чого відбувається помилкове спрацювання. Показано, що джерело ВШ знаходиться на торцевої поверхні кристалу фотодіоду і може модулювати темновий струм втрат, який проходить через нього. Крім того показано, що ймовірність генерації ВШ спостерігається, при підвищеній густині дислокацій і точкових дефектів в області p-n переходу та збільшенні концентрації фосфору при формуванні p-n переходу (навіть у випадку бездислокаційного кремнію) починаючи з поверхневого опору RS 7 Ом/ (поверхнева концентрація домішок Np 1020 см-3). Джерелом генерації ВШ виступають також домішкові рівні в забороненій зоні кремнію, які зумовлені не тільки дислокаційним механізмом, але і за рахунок домішок. P-i-n фотодіоди, розроблені з урахуванням виявлених факторів практично не виявляють вибухового шуму.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміни, запропоновані у конструкції та технології p-i-n фотодіодів на основі високоомного кремнію p-типу дали змогу отримати низькі питомі значення темнового струму, а саме 30-50 нА/см2 і підвищити надійність фотодіодів в цілому, про що вказує відсутність відказів при випробуваннях на надійність (рис. 4,5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удосконалені p-i-n фотодіоди зберігають стабільні темнового струму в умовах підвищеної температури, освітлення та робочої напруги, що забезпечує їм високу надійність (10000 годин довготривалості) у порівнянні з серійними приладами (1000 годин довготривалості).

Розроблені p-i-n фотодіоди на основі монокристалічного кремнію p-типу за своїми параметрами не поступаються кращим світовим аналогам при суттєво нижчій вартості.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено питанню аналізу факторів, які впливають не величину струмової інтегральної чутливості та її деградацію внаслідок нейтронного опромінення, сформульовано систему співвідношень між елементами конструкції кристалу фотодіоду, яка дозволяє оптимізувати конструкцію фотодіодів, що працюють у фотогальванічному режимі, для забезпечення максимальної стійкості струмової інтегральної чутливості внаслідок нейтронного опромінення:

Размещено на http://www.allbest.ru/

де: hеш - товщини епітаксійного шару; d - глибини залягання дискретної області (p-n переходу); LpF, LnF - дифузійні довжини ННЗ в області легованій бором та в епітаксійному шарі після дії нейтронного опромінення, відповідно; Lp+ - дифузійні довжини ННЗ в підкладці до його дії; Wn, WnF - ширини області просторового заряду в епітаксійному шарі до і після нейтронного впливу, відповідно; WpF - ширина області просторового заряду в дискретній області після дії нейтронного опромінення; h - ширину тягнучого поля, зумовленого градієнтом концентрації на межі низькоомна підкладка-високоомний епітаксійний шар; к - глибина поглинання оптичного випромінення.

Перший вираз визначає область збору фотогенерованих носіїв, що генеруються довгохвильовою складовою області спектральної чутливості фотодіоду, друге забезпечує ізоляцію високоомного епітаксійного шару від впливу носіїв заряду, генерованих в низькоомній підкладці епітаксійної структури, третє забезпечує вклад ультрафіолетової складової спектру.

Виявлено, що існує зв'язок між початковим значенням струмової інтегральної чутливості фотодіоду, її значенням після нейтронного опромінення та товщиною епітаксійного шару. Це дозволило удосконалити конструкцію фотодіодів на основі епітаксійного кремнію з прогнозованим значенням зміни струмової інтегральної чутливості внаслідок впливу нейтронного опромінення. Схематичне зображення розрізу кристалу фотодіоду наведено на рис. 6. Залежність зміни інтегральної струмової чутливості від товщини епітаксійного шару розроблених радіаційно-стійких фотодіодів при опроміненні їх потоком нейтронів 1014 н/см2 наведена на рис. 7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результати досліджень розроблених фотодіодів на безвідмовність (1000 годин) та довготривалість (150000 годин) дозволяють стверджувати про високий рівень надійності розроблених фотодіодів не тільки за радіаційною стійкістю до нейтронного опромінення, але і в загальних умовах експлуатації при тривалих термінах роботи у порівнянні з раніш розробленими (100000 годин довготривалості).

Забезпеченню якості вихідного матеріалу - кремнієвих пластин присвячено четвертий розділ дисертаційної роботи. Викладено загальні умови та вимоги щодо виготовлення кристалу фотодіоду і його монтажу у корпусі.

Обгрунтовано умови застосування газорозрядної візуалізації, яка полягає у отриманні зображення поверхні в електромагнітному полі високої напруженості, для контролю електрофізичних параметрів вихідних кремнієвих пластин, зокрема поверхневого опору. Розроблено методику та відповідне обладнання для контролю напівпровідникових пластин. Методика дозволяє здійснювати стопроцентний контроль кремнієвих пластин як у режимі загального контролю поверхні, так і у режимі покрокового контролю поверхні пластини з кроком 12 мм та 4 мм.

Якість пластини визначається по величині зміни потужності засвітленості зображення пластини в умовах газорозрядної візуалізації відносно еталонної потужності засвітленості. Зміна потужності засвітлення відповідає зміні питомого опору по поверхні напівпровідникової пластини відносно вказаної у сертифікаті. Розроблений метод та обладнання для його реалізації є простим у застосуванні, збільшує процент виходу придатних виробів та підвищенню надійності готових приладів за рахунок усунення потенційно ненадійних пластин перед початком технологічних операцій.

Для корекції (зменшення) величини темного струму запропоновано після формування кристалу фотодіоду піддавати його впливу комбінації постійних електричного та магнітного (тороїдного характеру) полів через поверхню конічної форми. Відстань від фотодіоду до конічної поверхні випромінювача має бути від 30 до 90 мм, тривалість обробки від 10 до 30 хвилин, а напруженість електричного поля має бути у межах (50 - 1500) В/см. Встановлено, що внаслідок такого впливу, змінюється генераційна складова темнового струму, зумовлена збором ННЗ у збідненій області, яка вимірювалась у фотодіодному режимі роботи (Up 0 В). ця зміна сягає 30 % у перші 30 хвилин опрацювання. При цьому збільшується час життя неосновних носіїв заряду приблизно на стільки на скільки зменшується, в середньому, їх час життя у вихідному кремнію внаслідок термічних операцій.

В п'ятому розділі дисертаційної роботи наведено приклади практичного використання розроблених фотодіодів, їх характеристик та особливості застосування. Зокрема це термостабілізований фотоприймач лазерного випромінювання на основі кремнієвого p-i-n фотодіоду, для реєстрації оптичного випромінювання великої потужності з довжиною хвилі 1,06 мкм. Створено кремнієві p-i-n фотодіоди для використання в системі “сцинцілятор-фотодіод”. Удосконалені чотиріохелементні квадрантні p-і-п фотодіоди типу ФДК-142-01 для систем орієнтації та наведення. Розроблено одноелементний p-i-n фотодіод ФД309 для роботи у системах супроводження. На основі високоомних епітаксійних структур удосконалені радіаційно-стійкі безкорпусні фотодіоди ФД299М, що працюють у системах орієнтації та визначення координат.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Досліджено залежності темнового струму та вибухових шумів p-i-n фотодіодів з високоомного монокристалічного кремнію p-типу, від механізмів генерації носіїв заряду та глибини залягання гетеруючого шару р+ - типу товщиною 6 - 8 мкм на його торцевій поверхні та на зворотному боці, а також від форми металізації зворотного боку.

2. Встановлено, що збільшення темнового струму інфрачервоних кремнієвих р-і-п фотодіодів, зумовлено в основному впливом дислокацій. Введення бору в зворотній бік кристалу фотодіоду та його торцеву поверхню на глибину до 8 мкм (утворюючі область p+-типу) приводить до зменшення рухливості неосновних носіїв заряду в ньому і до закріплення дислокацій на зворотному боці кристалу фотодіоду.

3. Створено конструкцію p-i-n фотодіоду на основі високоомного монокристалічного кремнію p-типу з малими значеннями темнового струму охоронного кільця завдяки ізоляції його від периферії кристалу фотодіоду областю обмеження просторових каналів втрат p+-типу. Відстань цієї області від охоронного кільця (Wmin) визначається за співвідношенням: Wmin = Up / Eпр, де: - Up - робоча напруга на p-n переході, Eпр - напруженість пробою p-n переходу.

4. Удосконалено технологію кремнієвих p-i-n фотодіодів на основі високоомного монокристалічного кремнію p-типу, за якою змінено послідовності термічних операцій та їх кількість. Після вирізання кристалу фотодіоду з кремнієвої пластини за габаритними розмірами, вся його поверхня піддається дифузії бору для отримання гетеруючого шару p+-типу. Тривалість наступних термічних операцій забезпечує глибину залягання шару p+-типу до 8 мкм. Площа елекричного контакту до зворотного боку кристалу фотодіоду перекриває лише площу проекції фоточутливого елементу та охоронного кільця на його зворотний бік.

5. Розроблено спосіб для суміщення топологій зворотного та лицевого боків кристалу, який полягає в тому, що по лініях, які обмежують габаритні розміри лицевої топології, виконуються базові зрізи, які є мітками при формуванні топологічного малюнку зворотного боку.

6. Досліджено поведінку вибухового шуму кремнієвих p-i-n фотодіодів, який аперіодично збільшує темновий струм і сприймається в апаратурі, на вході якої знаходиться фотодіод, як корисний сигнал. Показано, що одним з джерел такого шуму є торцева поверхня кристалу фотодіоду. Виявлено, що вибуховий шум має місце при підвищеній густині дислокацій і точкових дефектів в області p-n переходу та збільшенні концентрації фосфору при формуванні p-n переходу (навіть у випадку бездислокаційного кремнію) починаючи з поверхневого опору RS 7 Ом/ (Np 1020 см-3).

7. Проведено аналіз факторів, які впливають на радіаційну стійкість інтегральної струмової чутливості фотодіодних кристалів на основі епітаксійного кремнію, що функціонують у фотогальванічному режимі в умовах нейтронного опромінення. Знайдено систему нерівностей між елементами конструкції кристалу фотодіоду і його електрофізичними параметрами, яка дозволяє оптимізувати конструкцію згаданих фотодіодів для забезпечення мінімального зменшення струмової інтегральної чутливості після нейтронного опромінення.

8. Виявлено, що для фотодіодів на основі епітаксійного кремнію, які працюють у фотогальванічному режимі, зменшення товщини епітаксійного шару сприяє підвищенню стійкості струмової інтегральної чутливості до нейтронного опромінення.

9. Розроблено метод та обладнання для стопроцентного неруйнівного контролю поверхневого опору напівпровідникових пластин. Контроль здійснюється з використанням поверхневої газорозрядної візуалізації, в умовах якої різні за опором ділянки генерують оптичне випромінювання різної потужності, яка є критерієм оцінки і порівнюється з еталонними даними. Метод дозволяє здійснювати контроль напівпровідникових пластин у режимі загального та крокового контролю поверхні (з кроком 12 мм і 4 мм) і сприяє збільшенню проценту виходу придатних виробів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Ащеулов А.А., Годованюк В.Н., Добровольський Ю.Г., Рюхтин В.В., Романюк И.С. Оптимизация надежности кремниевых р-і-п фотодиодов по темновому току // ТКЭА. - 1999. - №1-2. - С. 35-38.

2. Добровольский Ю.Г. P-i-n фотодиод на основе кремния с низким уровнем темнового тока // НТС “Электроника и связь”. - 1998. - в.4. - ч.3. - С. 443.

3. Добровольский Ю.Г. Использование эффекта Кирлиан для контроля качества полупроводниквых пластин // ТКЭА. -1999. - № 5-6. С. 22 -24.

4. Ashcheulov A.A., Dobrovolsky Yu.G., Romanyuk I.S. Abaut an opportunity of quality surveillance the thermoelectrical of materials with the help of ges-charge visualization // J. of Thermoelectricity. - 2000. - №1. - P. 54-55.

5. A.A. Ashcheulov, V.M. Godovanyuk, Yu.G. Dobrovolsky, I.M. Rarenko,

V.V. Ryukhtyn, S.E. Ostapov. Silicon p-i-n photodiode with low values of dark current // Proceed SPIE. - 1999. - v.3890. - P. 119-124.

6. Годованюк В.М., Добровольський Ю.Г., Ащеулов А.А. Високо-надійний кремнієвий р-і-п фотодіод // Науковий вісник Чернівецького уні-верситету. Вип. 66. - Фізика, Електроніка, Чернівці, ЧДУ, 1999, с. 9-13.

7. Ascheulov A.A., Dobrovolskiy U.G., Godovanjuk V.N., Omelyanchuk V.P., Politansky L.F. Optimization of Epitaxial Structures Parametrs for Radiational Stability of Photodiodts // Second International School-Conference "Physical Problems in Material Science of Semiconductors". - Чернівці (Україна). - 1997. - P. 317.

8. Ащеулов А.А., Годованюк В.Н., Добровольский Ю.Г., Романюк И.С. Повышение надежности кремниевых фотодиодов путем оптимизации их параметров. Тезисы конференции "Системы и средства передачи и обработки информации" -ССПОИ-98. - Одесса (Украина). - 1998. С. 39.

9. A.A. Ashcheulov, V.M. Godovanyuk, Yu.G. Dobrovolsky, I.M. Rarenko,

V.V. Ryukhtyn, S.E. Ostapov. Silicon P-i-N Photodiode with Little Value of Dark Current. The IV International Conference on Material Science and Material for IR Optoelectronics '98, Section A, AP-24. Kiev (Ukraine). - 1998. P. 42.

10. А.с. No 1720438 СССР, МКИ H 01 L 21/312; G 03 F 9/00. Способ получения топологического рисунка на обратной стороне полупроводниковой пластины, совмещенного с рисунком на ее лицевой стороне / Ю.Г. Добровольский (СССР). - № 4794915/21; Заявлено 26.02.90; Опубл. 26.02.90, Бюл. № 7. - 3 с.

11. А.с. № 1522142 СССР, МКИ G 03 B 41/00, G 03 G 17/00 Разрядно-оптическое устройство/ Ю.Г. Добровольский, И.Я. Милованов, Р.И. Плашенков (СССР). - № 4384664/24; Заявлено 29.02 88; Опубл. 15.07.89; Бюл. № 12. - 3 с.

12. А.с. № 1635325 СССР, МКИ А 61 Н 39/00, А 61 N 5/06 Устройство для поиска и воздействия на точки акупунктуры/ И.Я. Милованов, Ю.Г. Добровольский, В.Н. Подкаменный (СССР). - № 47074450/14; Заявлено 20.06.89; Опубл. 15.07.89; Бюл. БИ.-1991.-№ 10.

анотації

фотодіод надійність фоточутливий кристал

Добровольський Ю.Г. Розробка кремнієвих фотодіодів підвищеної надійності. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Чернівецький державний університет ім. Ю. Федьковича. Чернівці, 2000.

Дисертацію присвячено розробці нових підходів до конструювання та технології фотодіодів підвищеної надійності, а саме p-і-n фотодіодів на основі високоомного кремнію p-типу та радіаційно-стійких фотодіодів для роботи у фотогальванічному режимі на основі епітаксійного кремнію. Підвищення надійності p-i-n фотодіодів здійснено за рахунок ізоляції фоточутливого елементу та його охоронного кільця областю p+- типу від периферії кристалу фотодіоду, його торцевої поверхні та зворотного боку дифузією бору на глибину 6-8 мкм. Це забезпечує їм питомі значення темнового струму фоточутливого елементу 30-70 нА/см2 та надійну роботу на протязі 10000 годин. Фотодіоди розроблені на основі кремнієвих епітаксійних структур при роботі у фотогальванічному режими зберігають працездатність на протязі 150000 годин і мають прогнозовані значення зміни струмової інтегральної чутливості після нейтронного опромінення потоком нейтронів 1014 н/см2.

Ключові слова: фотодіод, кремній, гетерування, надійність, радіаційна стійкість, епітаксійна структура.

Dobrovolsky Yu.G. Development of silicon photo diodes of increased reliability. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.27.01 - solid-state electronics.- Chernovtsy state university by Yu. Fedkovich. Chernovtsy, 2000.

The dissertation is devoted to development of the new approaches in designing and manufacturing of photo diodes of raised reliability, namely p-i-n of photo diodes on the basis of high-resistance silicon of a p-type and photo diodes steady against a neutron irradiation for work in a photogalvanic a mode on a basis epituxial of silicon. Raised reliability p-i-n of photo diodes is achieved with the help of isolation of a photosensitive element and its security ring by area p+-such as from a peripheral part of a crystal of the photo diode, its face surface and return party diffusion of bor on depth 6-8 microns. It provides specific meanings dark current of a photosensitive element 30-70 nA/см2 and reliable work during 10000 h. The photodiodes developed on the basis of silicon epituxial of structures at work in a photogalvanic a mode keep serviceability during 150000 h. and have forecasting of meaning of change integrated current of sensitivity after a neutron irradiation by a flow 1014 н/см2.

Key words: the photodiode, silicon, gettering, reliability, radiating stability, epituxial structure.

Добровольский Ю.Г. Разработка кремниевых фотодиодов повышенной надежности. -Рукопись.

Дисертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. - Черновицкий государственный университет им. Ю. Федьковича. Черновцы, 2000.

Диссртация посвящена разработке новых подходов в конструировании и технологии фотодиодов повышенной надежности, а именно p-i-n фотодиодов на основе высокоомного кремния p-типа и радиационно-стойких фотодиодов для работы в фотогальваническом режиме на основе эпитаксиального кремния.

Показано, что темновые токи фотодиодов, которые оптимизорованы на прием оптического излучения с длиной волны 1 мкм, зависят от толщины изотипного (p+-типа) с кристаллом (р-типа) слоя с его тыльной стороны. На темновой ток p-i-n фотодиода влияет форма металлизации обратной стороны кристалла фотодиода. Такое увеличение темновых токов обусловлено в основном дислокационным механизмом. Введение бора в обратную сторону кристалла фотодиода на глубину 6-8 мкм приводит к уменьшению подвижности не основных носителей заряда и закреплению концов дислокаций на нем. Локализация генерационных центров, которые находятся на торцевой поверхности кристалла, достигается аналогичным образом - геттерирование ее бором, создавая область р+-типа проводимости.

Изучена природа взрывных шумов p-i-n фотодиодов на основе высокоомного кремния. Показано, что источником взрывных шумов явля-ется торцевая поверхность кристалла. Генерация взрывных шумов наблюдается при повышенной плотности дислокаций и точечных дефектов в области p-n перехода, а также при увеличении концентрации фосфора во время формирования p-n перехода начиная с поверхностного сопротив-ления RS 7 Ом/ (поверхностная концентрация примесей Np 1020 см-3).

Геттерирование бором всех периферийных областей кристалла p-i-n фотодиода на глубину 6-8 мкм способствует повышению надежности разработанных фотодиодов по темновому току. Предложенная конструк-ция обеспечивает удельные значения темнового тока фоточувствительного элемента на уровне 30-70 нА/см2 и отсутствием взрывных шумов. На протяжении всего времени наработки (10000 ч) отказы отсутствуют.

Разработана технология, обеспечивающая получение слоя p+-типа, которая не увеличивает количества термических операций. Вначале осуществляется вырезание кристалла фотодиода по его габаритным размерам, а затем проводится диффузия бора при температуре 1223 К. В дальнейшем происходит окисление и последующие операции по формированию кристалла фотодиода.

Проанализированы факторы, влияющие на величину токовой интегральной чувствительности фотодиодов на основе кремниевых эпитаксиальных структур, работающих в фотогальваническом режиме в условиях нейтронного облучения.

Установлена связь между начальным значением токовой интегральной чувствительности фотодиода, ее значением после нейтронного облучения и толщиной эпитаксиального слоя. Найдена система неравенств между элементами конструкции кристалла фотодиода и его электрофизическими параметрами, которая позволяет оптимизировать конструкцию фотодиодов для обеспечення минимального изменения токовой интегральной чувствительности после нейтронного облучения.

Полученные результаты позволили усовершенствовать конструкцию фотодиодов на основе эпитаксиального кремния для обеспечения прогнозированного изменения интегральной токовой чувствительности после нейтронного облучения. При работе в фотогальваническом режыме фотодиоды сохраняют работоспособность на протяжении 150000 часов наработки и имеют прогнозированые значения изменения токовой интегральной чувствительности после влияния нейтронного излучения при потоке нейтронов 1014 н/см2.

Розработан метод и оборудование для контроля качества полупро-водниковых пластин с помощью поверхностной газоразрядной визуали-зации. Качество пластин определяется по величине изменения оптической мощности излучаемой пластиной в условиях газоразрядной визуализации относительно оптической мощности, излучаемой эталонной пластиной. Изменение мощности засветки соответствует изменению удельного сопротивления по поверхности полупроводниковой пластины относи-тельно указаной в сертификате.

Метод позволяет осуществлять стопроцентный неразрушающий контроль полупроводниковых пластин в режимах общего контроля поверхности и сканирования поверхности пластины с шагом 12 и 4 мм.

Приведены примеры практического применения разработанных фотодиодов, их характеристики и особегности использования.

Ключевые слова: фотодиод, кремний, геттерирование, надежность, радиационная стойкость, эпитаксиальная структура.

Размещено на Allbest.ru

...