ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ К ИНФРАКРАСНОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ СТРУКТУРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники, конкретно к фотоприемным устройствам инфракрасного диапазона длин волн и технологии их изготовления.

Известна структура, изготовленная на основе тонкопленочного узкозонного биполярного полупроводника HgCdTe [1], которая может использоваться в качестве детектора в волноводном болометре ТГц/суб-ТГц диапазона частот (что соответствует сверхдальней инфракрасной области). В этой структуре биполярные слои HgCdTe размещены между двумя омическими металлическими контактами. Толщина слоев в ней составляет 2-20 мкм, ширина - 50 мкм и расстояние между краями контактов - 10-50 мкм (для различных образцов). Детектор может действовать в режиме нулевого или прямого смещения. Для слоев электронного типа проводимости концентрация электронов составляет около 1,5×10¹⁴ см^-3, для слоев дырочного типа проводимости концентрация дырок составляет около 5×10¹⁵ см^-3. Оценки, проведенные на основе теории для слоев Hg_1-xCd_xTe без подложки при x ~ 0,2 (где x - содержание CdTe в HgCdTe), показали, что отклик и безразмерная температура дырок слабо зависят от частоты в ТГц/суб-ТГц диапазоне частот при неизменной мощности, вводимой в волновод. В болометре электромагнитная волна нагревает полупроводник, что приводит к увеличению его проводимости и к появлению электродвижущих сил. Эти эффекты приводят к появлению отклика по напряжению у детектора на горячих электронах. Отклик такого детектора на основе тонких слоев был рассчитан и измерен в диапазоне частот 0,037-1,54 ТГц при температурах полупроводниковой структуры, изменяющихся в диапазоне 70-300 К. Пороговая мощность таких детекторов может достигать 4×10¹¹ Вт/Гц^½ при 300 К и 10¹¹ Вт/Гц^½ при 100 К в низкочастотной части суб-ТГц диапазона. Необходимым элементом для работы детектора в болометре является антенна. В основе работы таких болометрических детекторов лежит изменение подвижности электронов при повышении их температуры, которая для тонких слоев HgCdTe даже при комнатной температуре превышает 10⁴ см²/(В×с). Созданию и применению болометрических детекторов способствует относительно малое время релаксации энергии электронов (~20 нс) и малое время жизни свободных электронов (не более 1 мкс при x=0,2), которые зависят от типа проводимости материала и температуры решетки. Недостатками такой полупроводниковой структуры детектора является достаточно сложная технология ее изготовления, необходимость создания тонких биполярных слоев, наличие антенны и волновода для эффективной работы детектора. Кроме того, отсутствие пассивирующих поверхность HgCdTe диэлектрических слоев в структуре детектора приводит к нестабильности рабочих характеристик прибора и его высокой чувствительности к нежелательным внешним воздействиям.

Наиболее близкая фоточувствительная к инфракрасному (ИК) излучению структура и способ ее изготовления по отношению к заявляемой структуре и способу ее изготовления описаны в [2]. Структура-прототип содержит последовательно соединенные подложку, нижний слой которой образован GaAs, средний слой - ZnTe и верхний слой - CdTe, нижний варизонный слой, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, в котором значение х плавно уменьшается от значения, находящегося в пределах (x_Д+0,1)÷1, до значения х_Д, детекторный слой толщиной около 10 мкм, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, где x=x_Д=0,2-0,3, верхний варизонный слой, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, в котором значение х плавно увеличивается от значения x_Д до значения, находящегося в пределах (x_Д+0,1)÷1, изолирующий слой толщиной 0,1-0,2 мкм, изготовленный из CdTe, диэлектрические слои из ZnTe, SiO₂ и Si₃N₄ и верхний, прозрачный для ИК-излучения, проводящий слой толщиной около 0,5 мкм.

Оптический вход фоточувствительного прибора, изготовленного на основе такой структуры, может находиться как со стороны подложки, так и со стороны верхнего проводящего слоя. Структура-прототип может использоваться в приборах с зарядовой связью (ПЗС), фоторезисторах и фотодиодах.

Способ-прототип изготовления фоточувствительной к инфракрасному излучению структуры-прототипа включает подготовку подложки, верхний слой которой содержит CdTe, к нанесению на нее последующих слоев и нанесение на этот слой в ростовой камере методом молекулярно-лучевой эпитаксии нижнего варизонного слоя, детекторного слоя из Hg_1-xCd_xTe толщиной около 10 мкм, где x=x_Д=0,2-0,3, верхнего варизонного слоя, изолирующего слоя из CdTe толщиной 0,1-0,2 мкм и диэлектрического слоя толщиной 0,1-0,2 мкм из ZnTe, при этом значение x для нижнего варизонного слоя толщиной 0,5-6,0 мкм плавно уменьшают от значения, находящегося в пределах (x_Д+0,1)÷1, до значения x_Д, а значение x для верхнего варизонного слоя толщиной 0,03-1,00 мкм плавно увеличивают от значения x_Д до значения, находящегося в пределах (x_Д+0,1)÷1, затем полупроводниковую структуру выносят из ростовой камеры и на ее верхнюю поверхность одним из низкотемпературных методов наносят диэлектрический слой толщиной 0,07-0,10 мкм из SiO₂, диэлектрический слой толщиной 0,03-0,50 мкм из Si₃N₄ и верхний проводящий слой толщиной около 0,5 мкм.

К недостаткам структуры-прототипа следует отнести ограниченную спектральную область фоточувствительности, в частности, структура-прототип чувствительна только в средней и дальней областях инфракрасного диапазона до длины волны около 15 мкм. Для структуры-прототипа детекторный слой является однородным по составу, что не позволяет детектировать излучение при больших длинах волн.

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - создание высокостабильной структуры, чувствительной в широком диапазоне длин волн инфракрасного диапазона, включая среднюю инфракрасную область (3-8 мкм), дальнюю инфракрасную область (8-15 мкм) и сверхдальнюю инфракрасную область (больше 15 мкм), для изготовления различных фотоприемных устройств, в частности, матриц МДП-структур (ПЗС-структур), фоторезисторных и фотодиодных матриц.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в фоточувствительную к инфракрасному излучению структуру, содержащую подложку, верхний слой которой образован CdTe, нижний варизонный слой толщиной 0,5-6,0 мкм, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, в котором значение x плавно уменьшается от значения, находящегося в пределах (x_Д+0,1)÷1, до значения x=x_Д, рабочий детекторный слой толщиной около 10 мкм, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, где x=x_Д=0,2-0,3, верхний варизонный слой толщиной 0,03-1,00 мкм, изготовленный из Hg_1-xCd_xTe, в котором значение x плавно увеличивается от значения x_Д до значения, находящегося в пределах (x_Д+0,1)÷1, изолирующий слой из CdTe толщиной 0,1-0,2 мкм, диэлектрические слои из ZnTe, SiO₂ и Si₃N₄ и верхний, прозрачный для инфракрасного излучения проводящий слой толщиной около 0,5 мкм, в детекторный слой дополнительно введены слой квантовых ям и два барьерных слоя, расположенные с обеих сторон слоя квантовых ям, изготовленные из Hg_1-xCd_xTe, на границах между слоем квантовых ям и барьерным слоем значения x ступенчато изменяются в пределах x_Б=0,5-1,0 и x_Я=0-0,15 при толщине каждого из барьерных слоев 20-100 нм и толщине слоя квантовой ямы 5-20 нм.

В частном случае в детекторный слой дополнительно введены n пар чередующихся барьерных слоев и слоев квантовых ям, где n выбирают в пределах 1-100.

В частном случае основа подложки выполнена из GaAs и на нее нанесены слой ZnTe толщиной 0,01-1,00 мкм и слой CdTe толщиной 4,0-7,0 мкм.

В частном случае основа подложки выполнена из Si и на нее нанесены слой ZnTe толщиной 0,01-1,00 мкм и слой CdTe толщиной 4,0-7,0 мкм.

В частном случае основа подложки выполнена из ZnCdTe и на нее нанесены слой ZnTe толщиной 0,03-0,30 мкм и слой CdTe толщиной 5,0-8,0 мкм.

В частном случае основа подложки выполнена из Al₂O₃ и на нее нанесен слои CdTe толщиной 3-5 мкм.

В частном случае основа подложки выполнена из ZnCdTe и на нее нанесен слой CdTe толщиной 0,1-1,0 мкм.

В частном случае подложка полностью выполнена из CdTe.

В частном случае между изолирующим слоем из CdTe и верхним проводящим слоем нанесены диэлектрический слой толщиной 0,07-0,20 мкм, изготовленный из SiO₂, и диэлектрический слой толщиной 0,03-0,50 мкм, изготовленный из Si₃N₄.

В частном случае между изолирующим слоем из CdTe и диэлектрическим слоем из SiO₂ нанесен диэлектрический слой толщиной 0,1-0,2 мкм, изготовленный из ZnTe.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в способе изготовления фоточувствительной к инфракрасному излучению структуры, включающем подготовку подложки, верхний слой которой содержит CdTe, к нанесению на нее последующих слоев и нанесение в ростовой камере методом молекулярно-лучевой эпитаксии нижнего варизонного слоя из Hg_1-xCd_xTe толщиной 0,5-6,0 мкм, детекторного слоя из Hg_1-xCd_xTe толщиной около 10 мкм, где x=x_Д=0,2-0,3, верхнего варизонного слоя из Hg_1-xCd_xTe толщиной 0,03-1,00 мкм, изолирующего слоя из CdTe толщиной 0,1-0,2 мкм и диэлектрического слоя из ZnTe толщиной 0,1-0,2 мкм, вынос полупроводниковой структуры из ростовой камеры и нанесение на диэлектрический слой из ZnTe одним из низкотемпературных методов диэлектрического слоя из SiO₂ толщиной 0,07-0,1 мкм, диэлектрического слоя из Si₃N₄ толщиной 0,03-0,50 мкм и верхнего, пропускающего инфракрасное излучение проводящего слоя толщиной около 0,5 мкм, в процессе изготовления детекторного слоя в ростовой камере формируют из Hg_1-xCd_xTe слой квантовых ям и два барьерных слоя, расположенные с обеих сторон слоя квантовых ям, на границах между слоем квантовых ям и барьерным слоем значения x ступенчато изменяются в пределах x_Б=0,5-1,0 и x_Я=0-0,15 при толщине каждого из барьерных слоев 20-100 нм и толщине слоя квантовой ямы 5-20 нм.

В частном случае в ростовой камере в детекторном слое дополнительно формируют n пар чередующихся слоев квантовых ям и барьерных слоев, где n выбирают в пределах 1-100.

В частном случае нанесение нижнего и верхнего варизонных слоев и детекторного слоя, содержащего чередующиеся барьерные слои и слои квантовых ям, проводят при температуре подложки, находящейся в диапазоне 170-190°C, и скорости роста слоев 1,0-3,5 мкм/ч, нанесение слоев квантовых ям и барьерных слоев - при температуре подложки, находящейся в диапазоне 170-190°C, и скорости роста слоев 0,02-0,35 мкм/ч, нанесение изолирующего слоя из CdTe - при температуре подложки, находящейся в диапазоне 180-220°C, и скорости роста слоя 0,5-1,0 мкм/ч, а нанесение диэлектрического слоя из ZnTe проводят при температуре подложки, находящейся в диапазоне 180-200°C, и скорости роста слоя 0,5-1,0 мкм/ч.

На чертеже изображена предлагаемая фоточувствительная к инфракрасному излучению структура (один из вариантов), в которой основа подложки выполнена из GaAs, а в детекторный слой введены два барьерных слоя и один слой квантовых ям между ними. Масштаб толщин различных слоев структуры взят произвольным.

На чертеже обозначено: 1 - подложка; 2 - слой подложки, содержащий CdTe; 3 - средний слой подложки, выполненный из ZnTe; 4 - нижний слой (основа подложки), выполненный из GaAs; 5 - нижний варизонный слой; 6 - детекторный слой; 7 и 8 - нижний и верхний барьерные слои; 9 - слой квантовой ямы; 10 - верхний варизонный слой; 11 - изолирующий слой из CdTe; 12 - диэлектрический слой из ZnTe; 13 - диэлектрический слой из SiO₂; 14 - диэлектрический слой из SiO₃N₄; 15 - верхний, прозрачный для ИК-излучения проводящий слой.

Основа 4 подложки 1 также может быть изготовлена из ZnCdTe и на нее может быть нанесен слой 3 из ZnTe или вся подложка 1 может быть выполнена из CdTe.

Предложенная структура может использоваться в ПЗС, фоторезисторах и фотодиодах.

В качестве основы ПЗС такая структура используется следующим образом. Верхние проводящие слои ПЗС состоят из совокупности отдельных областей (электродов) 15, при этом межэлектродные продольные промежутки между ними не превышают нескольких микрометров. Тыловой электрический контакт создают к детекторному слою после локального удаления диэлектрических слоев 12-14, изолирующего слоя 11 и верхнего варизонного слоя 10. Между верхними проводящими электродами и тыловым контактом прикладывают импульсы напряжения, приводящие к обеднению слоя 10 и приповерхностного детекторного слоя 6 основными носителями заряда. Амплитуда обедняющих импульсов различна для детектирования в различных спектральных диапазонах. При детектировании излучения среднего инфракрасного диапазона (3-8 мкм) или дальнего инфракрасного диапазона (8-15 мкм) область пространственного заряда не достигает области квантовых ям, поэтому переходы между уровнями в квантовых ямах не дают значительного вклада в сигнальный заряд. При облучении полупроводниковой структуры через подложку 1 или через верхние проводящие слои 15 инфракрасным излучением с длиной волны, достаточной для межзонной генерации носителей заряда, в детекторном слое 6 возникают электронно-дырочные пары, которые разделяются электрическим полем. При облучении полупроводниковой структуры через подложку 1 в ней уменьшаются потери носителей, связанные с их рекомбинацией на границе раздела между слоем 2 из CdTe и нижним варизонным слоем 5, из-за снижения плотности поверхностных состояний на этой границе. Неосновные носители заряда накапливаются в потенциальных ямах, расположенных на поверхности верхнего варизонного слоя 10 или на некотором расстоянии от его поверхности (в зависимости от профиля значений x в Hg_1-xCd_xTe варизонного слоя 10 и приложенных к верхним проводящим слоям 15 электрических напряжений). Накопленные зарядовые пакеты неосновных носителей несут информацию об интенсивности излучения в областях отдельных электродов. Время накопления зарядов может быть достаточно велико из-за того, что потенциальные ямы находится в верхнем варизонном (широкозонном) слое 10, где темновые токи генерации неосновных носителей значительно меньше, чем в детекторном слое. После накопления зарядов возможно их считывание путем изменения управляющих напряжений на верхних электродах или на электродах, сформированных сверху изолирующего слоя CdTe 11. Под действием этих напряжений зарядовые пакеты смещаются вдоль поверхности структуры и считываются через выходное устройство, соединенное с ПЗС. При детектировании в сверхдальнем инфракрасном диапазоне амплитуда обедняющих импульсов увеличивается, и область пространственного заряда захватывает область расположения квантовых ям. При последовательном режиме фотоприема излучение дальнего и среднего инфракрасных диапазонов отсекается оптическим фильтром. При одновременном режиме фотоприема регистрируется сигнал во всех спектральных областях чувствительности. При облучении полупроводниковой структуры через подложку 1 или через верхние проводящие слои 15 ИК-излучением с длиной волны, превышающей 15 мкм, происходят межподзонные переходы носителей в квантовых ямах 9 детекторного слоя 6, и возникшие электронно-дырочные пары могут быть разделены электрическим полем области пространственного заряда. Возможность излучательных переходов между уровнями в квантовых ямах CdTe/Hg_1-xCd_xTe при температурах от 5 до 300 К установлена при помощи исследований фотолюминесценции в работе [3]. Проведенные расчеты показали, что при температуре 100 К для структуры с квантовыми ямами HgTe/Hg_0.05Cd_0.95Te при толщине ямы 13,3 нм и толщине барьерного слоя 8,2 нм энергия перехода между основными состояниями электронов и дырок в квантовой яме соответствует длине волны 20,7 мкм, а включение переходов между основными и возбужденными состояниями электронов и дырок дают дополнительные спектральные области чувствительности в сверхдальнем инфракрасном диапазоне. Управление рабочей длиной волны детектора в сверхдальнем диапазоне может быть реализовано путем изменения геометрических параметров квантовых ям (например, их ширины). Еще одной возможностью управления областью спектральной чувствительности детектора является изменение рабочей температуры детектора (при повышенных температурах снижается вклад в спектральную чувствительность от переходов носителей заряда в квантовых ямах). Следует отметить, что детектирование в сверхдальней инфракрасной области возможно только при помощи квантовых ям, так как состав CdTe в детекторном слое допускает детектирование только в дальней инфракрасной области.

Предложенная структура в качестве фоторезистора для спектрального диапазона 8-15 мкм используется следующим образом. Фоторезистор действует как сопротивление, величина которого зависит от интенсивности излучения соответствующей длины волны. К верхнему проводящему слою 15 прикладывается напряжение относительно квазинейтрального детекторного слоя (положительное или отрицательное в зависимости от типа проводимости детекторного слоя), что приводит к обеднению неосновными носителями заряда приповерхностных областей верхнего варизонного слоя 10 и детекторного слоя 6. Тот же эффект может быть достигнут контролируемым введением в диэлектрические слои 12-14 фиксированного заряда. Наличие верхнего варизонного слоя 10 и/или наличие электрического поля, создаваемого разностью потенциалов между электродом 15 и квазинейтральным детекторным слоем, препятствует рекомбинации неосновных носителей на границе раздела изолирующего слоя 11 и верхнего варизонного слоя 10. Отметим, что скорость поверхностной рекомбинации в предложенной структуре будет низкой из-за малой плотности поверхностных состояний, обусловленной согласованием постоянных решеток в верхнем варизонном слое 10 и изолирующем слое 11. Снижение поверхностной рекомбинации приводит к увеличению времени жизни неравновесных (созданных излучением) носителей заряда в объеме полупроводника и повышению чувствительности фоторезистора. Согласование постоянных решеток в верхнем варизонном слое 10 и изолирующем слое 11 приводит к повышению стабильности характеристик. К такому же результату приводит использование защитных диэлектрических покрытий 12-14. Предложенная структура позволяет повысить чувствительность и стабильность характеристик фоторезистора. При последовательном режиме фотоприема при действии в сверхдальнем инфракрасном диапазоне (длина волны больше 15 мкм) излучение дальнего и среднего инфракрасных диапазонов отсекается при помощи оптического фильтра. В этом случае основной вклад в фотопроводимость дадут электронно-дырочные пары, возникающие в области квантовых ям 9.

В качестве фотодиода предложенную структуру используют следующим образом. Вскрывают диэлектрические слои 11-14 с внешней стороны проводящего слоя 15 и со стороны верхней поверхности детекторного слоя и формируют (например, методом ионной имплантации) области с противоположным детекторному слою типом проводимости полупроводника. ИК-излучение соответствующей длины волны создает электронно-дырочные пары, которые разделяются на потенциальном барьере между n- и p-областями детекторного слоя. Важной характеристикой фотодиода является темновое сопротивление n-p-перехода. В предложенной структуре такое сопротивление велико из-за малой величины тока поверхностной утечки (при качественной границе раздела между изолирующим слоем 11 и верхним варизонным слоем 10 ток поверхностной утечки мал). Малые электрические напряжения плоских зон при введении компенсирующего фиксированного заряда в диэлектрические слои 12-14 также приводят к уменьшению проводимости вдоль поверхности раздела сред. Слои 12-14 обеспечивают стабильность характеристик фотодиода за счет защиты границы раздела между изолирующим слоем 11 и верхним варизонным слоем 10 от нежелательных внешних воздействий (например, атмосферных загрязнений). При последовательном режиме фотоприема при действии в сверхдальнем инфракрасном диапазоне излучение дальнего и среднего инфракрасных диапазонов отсекается при помощи оптического фильтра.

Предложенная фоточувствительная к сверхширокополосному инфракрасному излучению структура и способ ее изготовления позволяют создавать на их основе ряд высокостабильных приборов: ПЗС-структуры с большим временем хранения зарядов и высокой эффективностью их переноса, фоторезисторы и фотодиоды с высокой чувствительностью и высоким темновым сопротивлением. Достоинством предложенной структуры также является возможность приема ИК-излучения как с ее фронтальной, так и с тыльной (обратной) стороны.

Источники информации

1. Zabudsky В., Sizov F., Momot N., Tsubrii Z., Sakhno N., Bunchik S., Michailov N., Varavin V. THz/sub-THz direct detection detector on the basis of electron/hole heating in MCT layers, Semicond. Sci. Technol., 2012, V.27, P. 045002 - (1-8).

2. Пат. РФ №2396635, МПК H01L 31/101, заявл. 11.08.2009; опубл. 10.08.2010 - прототип.

3. Monteratt E., Ulmer L., Magnea N., Mariette H., Pautrat J.L., Kheng K., Fuchs F. Optical spectroscopy of CdHdTe/CdTe quantum wells and superlattices, Semicond. Sci. Technol., 1993, V.8, P. S261-S265.