Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕЗА-СТРУКТУРЫ CdHgTe

Предлагаемое изобретение относится к способам изготовления полупроводниковых приборов для обнаружения и регистрации электромагнитного излучения инфракрасного диапазона, в частности, приемников излучения с использованием фоточувствительных структур на основе твердого раствора CdHgTe.

Известен способ изготовления фоточувствительной меза-структура (ФЧС) на основе твердого раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ, Cd_xHg_1-xTe), включающий формирование на подложке буферных, варизонных и фоточувствительного слоев, нанесение просветляющего покрытия, травление для образования меза-структуры и напыление на боковую поверхность меза-структуры металлического контакта из In, или Au, или Мо, или NiAu (см. пат. РФ №2244366, МПК 7 Н01L 31/09, 2005 г.).

Известно, что ртуть обладает повышенной летучестью паров по отношению к другим компонентам КРТ и с течением времени может испаряться, что приводит к изменению состава и электрофизических, и фотоэлектрических параметров структуры. Кроме того, в процессе травления, особенно при формировании меза-структуры ионным травлением, на боковых поверхностях меза-структуры имеет место нарушение структуры с изменением стехиометрии трехкомпонентного состава и образование свободных связей, которые приводят к изменению заданных параметров. Наносимые на поверхность фоторезистора традиционные просветляющие защитные покрытия уменьшают поверхностную рекомбинацию ртути, не улучшая структурные и электрофизические свойства приповерхностной области, измененные при формировании меза-структуры.

Известен также способ изготовления меза-структуры CdHgTe, включающий формирование на подложке рабочего и широкозонного слоев фоточувствительной области, травление для образования меза-структуры и анодное окисление и нанесение пленки ZnS для образования пассивирующего и защитного слоя диэлектрического материала (см. J.F. Siliquini and L.Faraone. «Two-dimensional infrared focal plane array based on HgCdTe photoconductive detectors», Semicond. Sci. Technol., 11, (1996), 1906-1911). При изготовлении таким способом поверхность меза-структуры, в том числе ее боковые стороны, образующиеся при формировании структуры травлением, защищена слоем диэлектрического материала (анодный окисел и пленка ZnS), образующего капсулу, препятствующую испарению ртути из рабочего слоя. Однако анодный окисел при термических нагрузках может формировать шунтирующий слой в приповерхностных областях полупроводника, что, как правило, приводит к изменению фотоэлектрических параметров чувствительного элемента. Кроме того, такая структура не является оптимальной в смысле формирования границы раздела между пассивирующим слоем и дефектным слоем рабочего слоя фоточувствительного элемента (ФЧЭ), который создается, например, при изготовлении меза-структуры с использованием глубокого ионного травления.

Известен также способ изготовления р-n фотодиодов на CdHgTe, в котором пассивация поверхности меза-структуры, сформированной на материале CdHgTe n- и р-типов, проводится путем создания на поверхности полупроводника КРТ капсулирующего слоя теллурида кадмия, обогащенного кадмием, и последующего отжига в атмосфере азота при температуре 180-450°С, обеспечивающей диффузию кадмия из CdTe в поверхностный слой КРТ с формированием области, обогащенной кадмием (см. пат. США 5599733, НКИ 438/558, опубл. 04.02.1997 г.). Однако при изготовлении фоторезисторов на подложках n-типа проводимости отжиг при таких температурах приводит к деградации приборов.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предложенному способ изготовления р-n фотодиодов на CdHgTe, в котором пассивация поверхности меза-структуры, сформированной на материале CdHgTe р-типа, проводится путем отжига в парах Cd и Hg при температуре 250-400°С с последующим нанесением слоя ZnS и металлизацией (см. з. США 2003/0000454 А1, НКИ 117/40, опубл. 02.01.2003 г.). Однако при изготовлении фоторезисторов на подложках n- типа проводимости отжиг при таких температурах также приводит к деградации приборов.

Задачей, решаемой предложенным способом, является создание на торцах меза-структуры из фоторезисторов пассивирующего варизонного слоя для снижения дефектности торцевой поверхности меза-структуры, обеспечивающего повышение стабильности фотоэлектрических параметров фоторезисторов на CdHgTe.

Техническим результатом при использовании предложенного способа является изготовление меза-структуры с улучшенными фотоэлектрическими параметрами, стабильностью и сохраняемостью.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления меза-структуры CdHgTe, включающем формирование на подложке слоев фоточувствительной области, травление для образования меза-структуры и отжиг для формирования капсулирующего пассивирующего слоя, согласно изобретению формирование капсулирующего пассивирующего слоя проводят отжигом в атмосфере насыщенных паров кадмия при температуре 110-130°С в течение 10-15 часов. В частном случае применения перед отжигом проводят обработку поверхности структуры ионным пучком, например, аргона.

Новым в предложенном способе является формирование на всей поверхности меза-структуры капсулирующего пассивирующего слоя отжигом в атмосфере насыщенных паров кадмия при температуре 110-130°С в течение 10-15 часов.

В процессе изготовления структуры при отжиге в атмосфере насыщенных паров кадмия происходит встраивание последнего в кристаллическую решетку, в основном, на боковых поверхностях, нарушенных на предыдущих операциях травления, так называемое «залечивание», при этом капсулирующий слой формируется варизонным с увеличением содержания кадмия к поверхности. В предложенном способе в приграничных областях на всей поверхности отдельных элементов меза-структуры создается электрическое поле, уменьшающее скорость поверхностной рекомбинации и обеспечивающее, в итоге, заданный стехиометрический состав рабочего фоточувствительного слоя и стабильность электрофизических и фотоэлектрических параметров.

Использование насыщенных паров кадмия обеспечивает максимальную скорость и эффективность процесса встраивания кадмия в нарушенную при травлении кристаллическую решетку. Диапазон температур 110-130°С является оптимальным, так как при меньших 110°С температурах эффект заметно снижается, а при больших 130°С - может произойти деградация структуры. При отжиге менее 10 часов не достигается возможное улучшение параметров, а при более 15 часов не происходит их заметного улучшения.

Зависимость концентрации электронов в фоточувствительном слое меза-структуры от времени отжига, приведенная на чертеже, иллюстрирует улучшение параметров материала, так как при уменьшении концентрации электронов происходит увеличение темнового сопротивления вследствие эффекта залечивания структуры полупроводникового материала и связанное с этим повышение вольтовой чувствительности и обнаружительной способности.

Предварительная обработка поверхности ионным пучком, например, аргона способствует формированию варизонного слоя за счет очистки и структурирования торцевой поверхности элементов меза-структуры.

По предложенному способу на пластинах CdHgTe n-типа состава х=0,2 методом ионного травления были сформированы фоторезистивные меза-структуры глубиной ˜5 мкм. Торцевые поверхности таких структур характеризуются повышенной дефектностью, приводящей к образованию шунтирующего фоторезистор n⁺ слоя. Ионная обработка проводилась в режиме: энергия ионов аргона 0,8±0,1 КэВ, плотность тока ионного пучка 250±50 мкА/см² в течение 20-30 мин. Отжиг структуры в атмосфере насыщенных паров кадмия в заявленном диапазоне значений температуры и времени приводит к восстановлению исходной проводимости, а при дальнейшей температурной обработке в этой среде - к росту темнового сопротивления и связанному с ним повышению фотоэлектрических параметров. Элементный анализ поверхностного слоя показывает постепенное изменение состава слоя в сторону увеличения содержания кадмия, т.е. постепенно формируется варизонный слой на всей поверхности меза-структуры толщиной ˜0,4 мкм, который пассивирует торцевую поверхность меза-структуры, что обеспечивает повышение электрофизических свойств материала и фотоэлектрических параметров приборов (темнового сопротивления, вольтовой чувствительности и обнаружительной способности). При этом также происходит сдвиг в сторону низких частот шумов, что особенно важно для систем теплопеленгации.