Способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления оптоэлектронных приборов, а именно, к способам изготовления фотопреобразователей на германиевой подложке.

Известен способ лазерного разделения полупроводниковых структур на чипы с использованием струи воды (см. статью П. Банта «Лазерная резка методом Lazer MicroJet», журнал «Электроника НТБ», вып. №6, 2010 г.), в котором лазерный луч через фокусирующую линзу направляется в камеру с подаваемой в нее водой под давлением (~ 300 бар) и через насадку с отверстием малого диаметра (до 20 мкм), находясь в струе воды, попадает на обрабатываемую поверхность, при этом из-за внутреннего отражения светового потока от границы воды и воздуха диаметр луча остается постоянным на значительном расстоянии (до 10 см). При резке кремниевых пластин лучом лазера, проходящим через струю воды, получены следующие преимущества: отсутствие механических повреждений, сколов, трещин, термических неоднородностей благодаря тому, что струя воды охлаждает место реза; отсутствие загрязнений, которые вымываются с поверхности реза струей воды. Способ лазерной резки в струе воды применим для широкого спектра обрабатываемых материалов Si, GaAs, GaN, InP, SiC, Al₂O₃ и их толщин (см. статью В.В. Ступак, И.Я. Шестаков «Охлаждение при лазерной резке полупроводниковых пластин», журнал «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», Технические науки, вып. №7, том 1, стр. 179-180, 2011 г.)

Недостаток способа, применительно к изготовлению фотопреобразователей на германиевой подложке, заключается в снижении механической прочности и электрических параметров фотопреобразователя в связи с тем, что необходимо выполнять резку по металлизированному тылу, при этом образующийся конгломерат продуктов оплавления водой не удаляется, в результате возникают механические напряжения в эпитаксиальной структуре. Валик продуктов реза на тыльной стороне препятствует планарному расположению фотопреобразователя при сварке с внешними выводами.

Признак, общий с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя на германиевой подложке: разделение полупроводниковой структуры лазерной резкой.

Известен способ изготовления фотоэлектрических преобразователей на основе трехкаскадной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке (патент РФ №2354009, опубл. 27.04.2009 г.), в котором формируют омические контакты на основе золота на тыльной и фронтальной поверхностях структуры; вжигают контакты; утолщают омические контакты путем электрохимического осаждения через маску фоторезиста последовательно слоев золота, никеля и золота; разделяют структуры на чипы; пассивируют боковую поверхность чипов диэлектриком; удаляют часть фронтального контактного слоя структуры методом химического травления и наносят антиотражающее покрытие на фронтальную поверхность структуры.

Разделение эпитаксиальной структуры на чипы выполняют путем травления через маску фоторезиста со стороны фронтальной поверхности на глубину 15÷20 мкм в два этапа: на первом - осуществляют химическое меза-травление до германиевой подложки; на втором - выполняют травление германиевой подложки электрохимическим методом.

Недостаток способа заключается в усложнении технологии в случае формирования металлизации фотопреобразователя на основе серебра, за счет нанесения фоторезистивной защиты на тыльную сторону пластины, в связи тем, что при химическом разделении эпитаксиальной структуры на чипы происходит стравливание тыльных контактов. Электрохимическое травление, выполняемое поочередно для каждой пластины, непроизводительно в условиях массового производства.

Признаки, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке, следующие: формирование лицевых и тыльного контактов фотопреобразователя на эпитаксиальной структуре, выращенной на германиевой подложке; отжиг контактов; вскрытие оптического окна травлением; напыление просветляющего покрытия; вытравливание мезы; разделение эпитаксиальной структуры на чипы.

Известен каскадный фотоэлектрический преобразователь с наноструктурным просветляющим покрытием (патент РФ №2436191, опубл. 10.12.2011 г.) на основе трехкаскадной эпитаксиальной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенной на германиевой подложке, с трехслойным просветляющим покрытием, включающим последовательно нанесенные слои SiO₂ толщиной 70÷80 нм, Si₃N₄ толщиной 20÷25 нм и TiOx, где х=1,8÷2,2 толщиной 20÷30 нм.

Изготовление фотопреобразователя, согласно данному способу, включает операции: создание лицевого контакта (на основе золото-германия, никеля, золота) и тыльного контакта (на основе серебра, марганца, никеля, золота); отжиг контактов; утолщение контактов электрохимическим осаждением последовательно золота, никеля, золота; вскрытие оптического окна травлением контактного слоя GaAs в местах, свободных от омического контакта; нанесение трехслойного просветляющего покрытия SiO₂/Si₃N₄/TiOx через маску фоторезиста методом магнетронного распыления; разделение эпитаксиальной структуры на чипы.

Недостаток фотопреобразователя заключается в том, что используемый для изготовления просветляющего покрытия SiO₂/Si₃N₄/TiOx слой Si₃N₄ невозможно нанести широко применяемым методом электронно-лучевого напыления.

Признаки вышеуказанного способа, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке, следующие: создание лицевой и тыльной металлизации; вскрытие оптического окна травлением; нанесение просветляющего покрытия; разделение эпитаксиальной структуры на чипы.

Известен способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом (патент РФ №2515420, опубл. 10.05.2014 г.), принятый за прототип, в котором создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и встроенного диода; вытравливают диодную площадку; напыляют слои металлизации на основе серебра; удаляют фоторезист; создают фоторезистивную маску под меза-изоляцию фотопреобразователя и встроенного диода; вытравливают мезу с одновременным удалением эпитаксиальных наростов на тыльной стороне германиевой подложки; наносят защитный слой фоторезиста; стравливают германиевую подложку; удаляют фоторезист; напыляют слои тыльной металлизации на основе серебра; отжигают контакты; вскрывают оптическое окно травлением; напыляют просветляющее покрытие, содержащее слои TiO₂ и Al₂O₃, методом электронно-лучевого напыления; выполняют дисковую резку эпитаксиальной структуры; выпрямляют фотопреобразователь посредством охлаждения в парах азота.

Недостатками способа-прототипа являются: недостаточно высокие электрические параметры фотопреобразователя связи с тем, что при дисковой резке интенсивный водный поток раскрошенного электропроводного материала подложки в меза-канавке загрязняет и механически повреждает тонкую структуру эпитаксиальных слоев, выходящих на торцевую поверхность мезы, в результате возникают микрошунты; снижение механической прочности и выхода годных фотопреобразователей, в связи с тем, что дисковым резом создаются микросколы и выбоины подложки, кроме того, при разделении структуры путем многократных перегибов тыльной металлизации возможно выщербление края (см. фиг. 1) и возникновение микротрещин. Шунтирующее воздействие на р/n переходы, выходящие на поверхность меза-канавки, оказывает ионно-плазменное ассистирование в процессе электроннолучевого напыления просветляющего покрытия TiO₂/Al₂O₃. В отсутствие ионно-плазменного ассистирования ухудшаются оптические свойства просветляющих слоев.

Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке, следующие: 1) создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями фоторезистивной маски с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и встроенного диода; 2) вытравливание диодной площадки; 3) напыление слоев лицевой металлизации на основе серебра; 4) удаление фоторезиста; 5) создание фоторезистивной маски с окном под меза-травление; 6) вытравливание мезы с одновременным удалением эпитаксиальных наростов на тыльной стороне германиевой подложки; 7) напыление слоев тыльной металлизации на основе серебра; 8) отжиг контактов; 9) вскрытие оптического окна травлением; 10) напыление просветляющего покрытия, содержащего слои TiO₂ и Al₂O₃, электронно-лучевым методом; 11) разделение эпитаксиальной структуры; 12) выпрямление фотопреобразователя посредством охлаждения в парах азота.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом способе изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке, заключается в повышении электрических параметров, механической прочности и выхода годных фотопреобразователей за счет обеспечения чистоты и целостности эпитаксиальных слоев, выходящих на торцевую поверхность чипа, при лазерной резке и последующем разделении эпитаксиальной структуры по металлизированному тылу; стравливания нарушенных при лазерной резке слоев тыльной стороны германиевой подложки; минимизации негативного влияния ионно-плазменной обработки на р/n переходы, выходящие на торцевую поверхность фотопреобразователя.

Отличительные признаки предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке, обуславливающие его соответствие критерию «новизна», следующие: окно под меза-травление располагают с трех сторон диодной площадки; после отжига контактов выпрямляют металлизированную подложку посредством охлаждения в парах азота; выполняют лазерную резку и разделение эпитаксиальной структуры по металлизированному тылу; после вскрытия оптического окна напыляют электронно-лучевым методом просветляющее покрытие TiO₂/TiO₂*/Al₂O₃/Al₂O₃*, в котором слои TiO₂ и Al₂O₃ толщиной 5÷30 нм и 60÷70 нм соответственно формируют без применения, а слои TiO₂* и Al₂O₃* толщиной 15÷40 нм и 5÷10 нм соответственно с применением ионно-плазменного ассистирования, стравливают дефекты торцевой поверхности фотопреобразователя химико-динамическим травлением в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды.

Конкретный пример реализации предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке иллюстрирован рисунками на фиг. 1÷6 таблицами 1, 2.

На фиг. 1 представлен вид краевого дефекта от дискового реза по лицевой стороне германиевой подложки; на фиг. 2а, б представлен вид торцевой поверхности чипа: а) - после лазерного реза и разделения эпитаксиальной структуры; б) - после вскрытия оптического окна травлением; на фиг. 3 представлен вид устройства для напыления просветляющего покрытия; на фиг. 4 представлен вид торцевой поверхности фотопреобразователя после стравливания дефектов от лазерного реза; на фиг. 5 представлено спектральное отражение просветляющего покрытия TiO₂/TiO₂*/Al₂O₃/Al₂O₃* с толщинами слоев 20/22/67/5 нм соответственно: а) - до; б - после травления торцев фотопреобразователя; в таблице 1 представлены параметры изготовленных фотопреобразователей; в таблице 2 представлены результаты измерений механической прочности изготовленных фотопреобразователей.

Для реализации предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке используют трехкаскадные эпитаксиальные структуры GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенные на германиевой подложке диаметром 100 мм, толщиной 145÷165 мкм, на которых создают фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и диода. Вытравливают диодные площадки капельным смачиванием. Формируют методом электронно-лучевого напыления с последующим «взрывом» фоторезистивного слоя в диметилформамиде лицевые контакты на основе серебра Cr/Au-Ge/Ag/Au.

Создают фоторезистивную маску ФП-9120-2 с окном под меза-травление, имеющем вид скобы с трех сторон диодной площадки, для последующей меза-изоляции диода от фотопреобразователя. Вытравливают меза-канавку, удаляя последовательно эпитаксиальные слои и слой германиевой подложки, при этом одновременно очищается тыльная сторона подложки от эпитаксиальных наростов. Удаляют фоторезист. Напыляют слои тыльной металлизации на основе серебра Cr/Au/Ag/Au толщиной ~ 5,5 мкм. Отжигают контакты при Т=335°С, t=10 сек. Выпрямляют посредством охлаждения в парах азота металлизированную подложку. Выпрямление необходимо в дальнейшем для планарного расположения чипов в устройстве для напыления просветляющего покрытия. Выполняют лазерную резку по металлизированному тылу подложки на глубину 70÷80 мкм (50÷60% от толщины подложки) с последующим разделением на чипы с габаритными размерами 40×80 мм, см. фиг. 2а. Используют лазерную установку ЭМ-250. Разделение на чипы осуществляется путем раскалывания эпитаксиальной структуры по надрезу в металлизированном тыле. Вскрывают оптическое окно стравливанием n⁺ - GaAs контактного слоя по маске лицевых контактов фотопреобразователя и диода в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды при количественном соотношении компонентов 1,2 масс. %, 10 масс. %, 88,8 масс. % соответственно за t=3 мин., при этом частично удаляется оплавленный лазерной резкой слой германиевой подложки, см. фиг. 2б. Укладывают чипы в устройство для напыления просветляющего покрытия, защищающее контактные площадки фотопреобразователя и диода, см. фиг. 3. Напыляют электронно-лучевым методом четырехслойное просветляющее покрытие TiO₂/TiO₂*/Al₂O₃/Al₂O₃* с толщинами слоев 20/22/67/5 нм соответственно, при этом слои TiO₂ и Al₂O₃ формируют без применения, а слои TiO₂* и Al₂O₃* с применением ионно-плазменного ассистирования (используется система ). Выполняют химико-динамическое травление чипов в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода и воды при количественном соотношении компонентов 1,2 масс. %, 10 масс. %, 88,8 масс. % соответственно в течение 5 мин. В процессе травления ванночки с обрабатываемыми фотопреобразователями совершают круговое колебательное движение для увеличения скорости травления и обеспечения его однородности. При этом стравливаются дефекты на торцевой поверхности чипа, внесенные лазерной резкой, см. фиг. 4. Используемый травитель не оказывает воздействия на металлизацию фотопреобразователя. Верхний слой просветляющего покрытия Al₂O₃* толщиной ~ 5 нм, напыляемый с применением ионно-плазменного ассистирования, обеспечивает химическую устойчивость просветления в процессе травления торцев фотопреобразователя при неоднократном использовании раствора, в котором в связи с разложением перекиси водорода возрастает содержание гидроокиси тетраметиламмония, что в отсутствие защитного слоя Al₂O₃* может приводить к травлению менее химически стойкого слоя Al₂O₃. Кроме того, верхний слой Al₂O₃* снижает коэффициент спектрального отражения просветляющего покрытия в коротковолновой области 350÷400 нм, см. фиг. 5. Напыление слоя Al₂O₃* толщиной менее 5 нм нецелесообразно из-за неоднородности распределения в камере установки. Напыление слоя Al₂O₃* толщиной более 10 нм на химическую стойкость покрытия не влияет, но при этом возрастает коэффициент спектрального отражения в области 700÷770 нм. Нижний защитный слой TiO₂ толщиной 5÷30 нм и слой Al₂O₃ толщиной 60÷70 нм напыляют без применения ионно-плазменного ассистирования, что позволяет минимизировать негативное влияние ионов плазмы на р/n переходы, выходящие на торцевую поверхность фотопреобразователя. При напылении слоя TiO₂* толщиной менее 15 нм ухудшаются оптические свойства просветляющего покрытия. Толщины слоя TiO₂* более 40 нм нецелесообразны, так как уменьшаемый соответственно слой TiO₂ менее 5 нм не обеспечивает защиты поверхности фотопреобразователя от воздействия плазмы. При содержании в растворе гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода соответственно менее 1 и 10 масс. % значительно возрастают затраты времени на выполнение процесса обработки (более 7 мин), что непроизводительно. Использование для травления торцев раствора с содержанием гидроокиси тетраметиламмония, перекиси водорода более 1,5 и 20 масс. % нежелательно из-за интенсивного разложения перекиси водорода, сопровождаемой капельным выбрызгиванием. Параметры изготовленных фотопреобразователей со средней величиной КПДmax=29,6% представлены в таб. 1, средняя величина механической прочности, измеренная методом центрально-симметричного изгиба составила 199,2 Н/мм², см. таб. 2.

Предложенный способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом на германиевой подложке обеспечивает повышение электрических параметров (рабочего тока Ip, КПД) за счет сохранения чистоты и целостности эпитаксиальных слоев, выходящих на торцевую поверхность чипа. Разделение эпитаксиальной структуры выполняется путем раскалывания по лазерному надрезу металлизированной стороны подложки. Дефекты поверхности тыльной стороны германиевой подложки, вносимые при лазерной резке, стравливаются в водном растворе гидроокиси тетраметиламония и перекиси водорода, что обеспечивает необходимую механическую прочность фотопреобразователя. Раствор травителя инертен к металлизации на основе серебра, при этом нет необходимости в фоторезистивной защите поверхности чипа, что упрощает технологию. Четырехслойное просветляющее покрытие TiO₂/TiO₂*/Al₂O₃/Al₂O₃* с защитным слоем TiO₂ толщиной 5÷30 нм и слоем Al₂O₃ толщиной 60÷70 нм, напыляемыми электронно-лучевым методом без применения ионно-плазменного ассистирования, позволяет минимизировать негативное влияние зарядов плазмы на р/n переходы, выходящие на торцевую поверхность чипа, без ухудшения оптических характеристик покрытия. Слой Al₂O₃* толщиной 5÷10 нм обеспечивает снижение коэффициента спектрального отражения в коротковолновой области и придает необходимую химическую стойкость просветляющему покрытию при травлении торцев фотопреобразователя. Напыление просветляющего покрытия с использованием немагнитной металлической маски, фиксируемой на контактных площадках чипа с помощью специального устройства, обеспечивает отсутствие подпыла в условиях вибрации при вращении карусели в установке напыления. Лазерная резка по металлизированному тылу эпитаксиальной структуры позволяет увеличить полезную фотоактивную площадь, так как нет необходимости в вытравливании мезы по периметру фотопреобразователя.