Высокотемпературный радиационно-стойкий карбид кремниевый детектор ультрафиолетового излучения

Авторы патента:

Полезная модель относится к полупроводниковым фотоприемникам для ультрафиолетовой области спектра. Техническим результатом является повышение рабочей температуры и радиационной стойкости детекторов ультрафиолетового излучения. Детектор ультрафиолетового излучения включает сильнолегированную подложку 4H-SiC n-типа проводимости, выполненную с возможностью нанесения на одну из ее поверхностей слаболегированного эпитаксиального слоя 4H-SiC n-типа проводимости, а на другую первого омического контакта, причем эпитаксиальный слой n-типа выполнен с возможностью получения вблизи поверхности легированного ионами Al и отожженного слоя проводимостью p-типа толщиной 0,3-0,35 мкм, причем отожженный ионно-легированный слой выполнен с возможностью нанесения на его поверхность второго омического контакта.

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам для ультрафиолетовой (УФ) области спектра.

Уровень техники

Современное развитие астрономии, аэрокосмической и военной техники остро нуждается в электронике нового поколения, способной работать в экстремальных условиях - повышенных уровнях радиации, высоких температур и химически активных сред.

Особенностью работы УФ детекторов является необходимость регистрировать слабые сигналы на фоне мощного видимого и инфракрасного излучения. Проблема усугубляется тем, что УФ излучение, которое составляет не более 9% от солнечного излучения, блокируется озоновым слоем на поверхности Земли и его эффективное наблюдение становится возможным только из верхних слоев атмосферы или из космоса с его повышенной радиационной активностью.

Наиболее перспективным материалом для создания УФ детекторов является широкозонный полупроводник SiC.

Из уровня техники известен патент RU 2528554 C1, опубл. 20.09.2014, в котором раскрыт высоковольтный карбидокремниевый диод, содержащий сильнолегированную подложку 6Н SiC p-типа проводимости, выполненную с возможностью нанесения на одну ее поверхность омического контакта Ni/Ti, а на другую - эпитаксиального слой n-типа проводимости, причем эпитаксиальный слой содержит ионно-легированный слой, содержащий атомы Al или B, выполненный с возможностью нанесения на него омического контакта, содержащего Al/Ti.

Предложенный диод не обеспечивает высокое структурное совершенство поверхности имплантированного слоя, что является определяющим для работы детекторов УФ излучения. Омический контакт к ионно-легированному p-слою Ti/AI не является оптически прозрачным и не пропускает излучение.

Однако именно p-слой с омическим контактом являются входным окном детекторов, поэтому непрозрачный омический контакт не подходит для создания УФ фотоприемника.

Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является патент US 5093576 A, опубл. 03.03.1992, в котором описан детектор ультрафиолетового излучения, содержащий подложку из SiC, имеющую первый тип проводимость, на одну поверхность которой нанесен первый эпитаксиальный слой SiC, имеющий тот же тип проводимости, что и у подложки, а на другую первый омический контакт из Al или сплава Al. На поверхности первого эпитаксиального слоя расположен второй эпитаксиальный слой SiC, имеющий противоположный тип проводимости по сравнению с первый эпитаксиальным слоем, что приводит к формированию эпитаксиального p-n перехода. Поверх второго эпитаксиального слоя p-типа проводимости сформирован омический контакт из NL Причем материалом подложки, первого и второго слоя является карбид кремния одного и того же политипа, выбранного из группы: 6H, 4H, 2H, 15R или 3C. Однако невозможно сформировать тонкие эпитаксиальные слои менее 0,3 мкм p-типа проводимости, необходимые для эффективной работы УФ детекторов.

В патенте другим вариантом формирования p-n переходов заявлен метод ионного легирования азота (N) в эпитаксиальные слои p-типа проводимости. Однако эпитаксиальные SiC слои p-типа проводимости весьма высокоомны, что существенно снижает эффективность работы УФ детекторов.

Кроме того, предлагаемые концентрации носителей заряда в подложках и эпитаксиальных слоях, также как и толщины эпитаксиальных слоев, не оптимальны, что снижает квантовую эффективность детекторов.

Раскрытие изобретения

Технической задачей полезной модели является создание высокотемпературного (до 500°C) радиационно-стойкого детектора ультрафиолетового излучения (200-400 нм) на основе карбид кремниевых ионно-легированных p-n структур.

Техническим результатом полезной модели является повышение квантовой эффективности детектора при высокой рабочей температуре в диапазоне длин волн 200-400 нм.

Указанный технический результат достигается за счет того, что детектор УФ излучения включает сильнолегированную подложку 4H-SiC n-типа проводимости, выполненную с возможностью нанесения на одну из ее поверхностей слаболегированного эпитаксиального слоя 4H-SiC n-типа проводимости, а на другую - первого омического контакта, причем эпитаксиальный слой n-типа выполнен с возможностью получения вблизи поверхности легированного ионами Al и отожженного слоя p-типа проводимости толщиной 0,3-0,35 мкм, при этом отожженный ионно-легированный слой выполнен с возможностью нанесения на его поверхность второго омического контакта.

Подложка имеет толщину 300 мкм с концентрацией донорной примеси N_D=5×10¹⁸-10¹⁹ см^-3.

Эпитаксиальный слой имеет толщину 2-4 мкм с концентрацией донорной примеси N_D=10¹⁴-10¹⁵ см^-3.

Ионно-легированный слой p-типа проводимости содержит атомы Al, имплантированный в эпитаксиальный слой с энергией 100-120 кэВ, дозой 5×10¹⁶ см^-2 и термически отожженный при температуре 1700°C в течение 10-15 с - импульсный отжиг.

В качестве материала второго омического контакта используется Al толщиной 70-80 нм, обладающего оптической прозрачностью для ультрафиолетового излучения.

В качестве материала первого омического контакта применены последовательно нанесенные на подложку слои Cr и Al.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображено сечение 4H-SiC структуры УФ детектора с ионно-легированным Al p-n переходом.

1 - подложка;

2 - эпитаксиальный слой;

3 - отожженный ионно-легированный слой;

4 - p-n переход;

5 - второй омический контакт;

6 - первый омический контакт.

На фиг. 2 представлены спектры квантовой эффективности, измеренные при 25°C, 4H-SiC детекторов с барьерами Шоттки (кривая 1) и с ионно-легированными p-n переходами (кривая 2). Барьеры Шоттки и ионно-легированные p-n переходы выполнены на структурах, содержащих подложку и эпитаксиальный слой n-типа проводимости с одинаковыми электрофизическими параметрами.

На фиг. 3 изображены спектры квантовой эффективности 4H-SiC детекторов с ионно-легированными p-n переходами, измеренные при 25°C (кривая 1) и при 500°C (кривая 2).

На фиг. 4 представлены спектры квантовой эффективности, измеренные при 25°C, 4H-SiC детекторов с ионно-легированными p-n переходами до (кривая 1) и после (кривая 2) облучения ионами Xe с энергией 167 МэВ флюенсом 6×10⁹ см^-2.

Осуществление изобретения Детектор ультрафиолетового излучения (фиг. 1) включает сильнолегированную подложку (1) 4H-SiC n-типа проводимости, на одну из поверхностей которой нанесен слаболегированный эпитаксиальный слой (2) 4H-SiC n-типа проводимости, а на другую - первый омический контакт (6), причем в эпитаксиальном слое (2) методом имплантации ионов Al и импульсного термического отжига сформирован слой p-типа проводимости толщиной 0,3-0,35 мкм, на который нанесен второй омический контакт (5). При этом между ионно-легированным слоем (3) и эпитаксиальным слоем (2) образован p-n переход (4).

Подложка имеет толщину 300 мкм с концентрацией донорной примеси N_D=5×10¹⁸-10¹⁹ см^-3.

Эпитаксиальный слой имеет толщину 2-4 мкм с концентрацией донорной примеси N_D=10¹⁴-10¹⁵ см^-3.

Ионно-легированный слой содержит атомы Al, имплантированные с энергией 100-120 кэВ, дозой 5×10¹⁶ см^-2 и термически отожженные при температуре 1700°C в течение 10-15 с - импульсный отжиг.

Детектор ультрафиолетового излучения изготавливают следующим образом:

На сильнолегированную подложку 4H-SiC с концентрацией донорной примеси N_D=5×10¹⁸-10¹⁹ см^-3 методом осаждения из газовой фазы наносят слаболегированный эпитаксиальный слой n-типа проводимости 4H-SiC толщиной 2-4 мкм с концентрацией донорной примеси N_D=10¹⁴-10¹⁵ см^-3. Затем в поверхность эпитаксиального слоя имплантируют ионы Al с энергией 100-120 кэВ, дозой 5×10¹⁶ см^-2.

С целью активации акцепторной примеси Al и образования p-слоя толщиной 0,3-0,35 мкм, проводится термический импульсный отжиг легированных структур при температуре 1700°C в течение 10-15 с в атмосфере аргона, насыщенной парами кремния. Импульсный отжиг обеспечивает высокое структурное совершенство приповерхностной области, что приводит к уменьшению вклада приповерхностной рекомбинации, а, следовательно, к возрастанию фоточувствительности детекторов в коротковолновой области УФ спектра. Кроме того, такой отжиг сопровождается геттерированием дефектов в эпитаксиальном CVD слое, что приводит к увеличению диффузионной длины носителей заряда и к увеличению абсолютной фоточувствительности формируемых детекторов. При этом в процессе твердофазной эпитаксиальной кристаллизации формировались слои p-типа проводимости с прямоугольным (box) профилем внедренной примеси алюминия. Удельные сопротивления отожженных имплантированных слоев составляют 0.5 Ом см, что позволило сформировать на их поверхности методом термовакуумного напыления оптически прозрачный второй омический контакт, содержащий Al, с низким удельным контактным сопротивлением _c3×10^-4 Ом см^-2. Первый омический контакт на поверхности подложки формировался термовакуумным напылением последовательно слоев хрома и алюминия.

Методами фотолитографии и последующего плазмохимического травления формировались меза структуры с p-n переходами различной площади, при этом омический контакт, содержащий Al, служил маской при травлении (фиг. 1, контакт 5). Низкоомные ионно-легированные p⁺-слои и омический контакт, содержащий Al, служат входным окном УФ детекторов. Они не вносили дополнительного сопротивления в детекторные структуры, которые имели рекордно низкие значения дифференциальных сопротивлений Rd3×10^-3 Ом см^-2. Это обеспечивает минимальные потери входной энергии во входном окне детекторов и их характеристики (фиг. 2, кривая 2) аналогичны структурам с барьерами Шоттки (фиг. 2, кривая 1). Однако температурный диапазон работы детекторов на базе ионно-легированных p-n переходов, в отличие от структур с барьерами Шоттки (150°C), составляет 400-500°C с улучшением квантовой эффективности за счет отжига некоторых низкотемпературных дефектов в SiC (фиг. 3).

Детектор ультрафиолетового излучения работает следующим образом.

В фотодетекторе на основе p-n перехода протекают три основных процесса: генерация носителей заряда внешним излучением; перенос носителей заряда; взаимодействие тока с внешней цепью, обуславливающее появление выходного сигнала. Каждый из этих процессов налагает определенные требования к структуре фотодетектора для получения максимальной эффективности прибора.

Внешнее излучение попадает во входное окно детектора и генерирует фотоэлектроны и фотодырки как в области пространственного заряда p-n перехода, так и за его пределами, что приводит к увеличению проводимости. Коэффициент поглощения 4Н-SiC резко возрастает для длин волн менее 400 нм, что соответствует началу межзонного поглощения материала и определяет область его спектральной чувствительности. Длинноволновая граница этой области (400 нм) определяется шириной запрещенной зоны 4H-SiC (3.2 эВ). Коротковолновая граница спектра (200 нм) обусловлена приповерхностной рекомбинацией фотоносителей. В области коротких волн коэффициент поглощения очень велик, излучение поглощается очень близко к поверхности и времена рекомбинации фотоносителей настолько малы, что они не успевают уйти из поверхностного слоя. Поэтому качество поверхности детекторных структур играет важную роль в процессах рекомбинации фотоносителей, ускоряя их с ухудшением состояния поверхности.

Для эффективной генерации носителей заряда внешним излучением необходимо снижать потери энергии во входном окне детекторов, состоящего в нашем случае из ионно-легированного слоя p⁺-типа проводимости и омического контакта к нему. Чтобы исключить потери на отражение и поглощение при освещении детектора, алюминиевый контакт делается прозрачным толщиной 70-80 нм с низким удельным контактным сопротивлением _c3×10^-4 Ом см^-2, обеспечивающим однородное растекание тока по площади контакта.

Технология ионного легирования позволяет формировать тонкие слои различного типа проводимости. В нашем случае имплантацией ионов Al с последующим импульсным термическим отжигом формируются слои p⁺-типа проводимости толщиной 0,3-0,35 мкм с низким удельным сопротивлением 0.5 Ом см. Работа диодов с тонкими низкоомными слоями p⁺-типа проводимости и с низкоомными алюминиевыми омическими контактами подобна работе структур с барьерами Шоттки - наиболее высокоэффективными фотодетекторами (фиг. 2). В обоих случаях область формирования носителей заряда расположена в эпитаксиальном слое n-типа проводимости. В этом случае на спектральные характеристики заявленных структур не влияют процессы, происходящие в p⁺-области p-n переходов, что наблюдается в детекторах, сформированных другими методами.

Заявленный метод формирования ионно-легированных p-n переходов сопровождается геттерированием дефектов в эпитаксиальном CVD слое, что приводит к увеличению времени жизни носителей заряда и к усилению фотоответа.

Тонкие ионно-легированные низкоомные слои p⁺ -типа проводимости не вносят дополнительного сопротивления в диодные структуры, обеспечивая рекордно низкие значения их дифференциальных сопротивлений Rd3×10^-3 Ом см^-2, что улучшает частотные характеристики детекторов.

Как показали эксперименты (Фиг. 2) заявленный детектор имеет квантовую эффективность на уровне детектора с барьером Шоттки, являющегося наиболее высокоэффективным детектором в настоящее время. Кроме того, заявленный детектор имеет высокую квантовую эффективность (Фиг. 3) при высокой рабочей температуре (до 500°C) детектора в диапазоне длин волн 200-400 нм.

Сформированные детекторы имеют следующие характеристики:

- диапазон спектральной фоточувствительности 200-400 нм с линейной зависимостью фототока от плотности потока излучения и эффективностью 80-90%;

- детекторы не чувствительны к видимому и ИК излучению (солнечно-слепые), что позволяет работать без светофильтров;

- детекторы работают при температурах 400-500°C с улучшением их квантовой эффективности;

- низкие значения темнового тока и высокая теплопроводность позволяют работать при высоких температурах без принудительного охлаждения;

- возможно формировать селективные фотодетекторы, в частности сформирован детектор канцерогенного излучения с максимумом 254 нм, провоцирующего онкологические заболевания (фиг. 2);

- температурный коэффициент квантовой эффективности не превышает 0.1%/0C, что обеспечивает высокую температурную стабильность при резких перепадах температур;

- детекторы имеют высокие значения электрической, химической и механической прочности, а также высокую радиационную стойкость:

- поглощенная доза в 50000 крад не приводит к изменению характеристик приборов;

- выдерживают жесткое УФ излучение мощностью до 1000 Вт/м²в течение 5000 часов без деградации, что невозможно для других полупроводников;

- сохраняют детектирующие свойства при облучении быстрыми нейтронами флюенсом 10¹⁵ см^-2, протонами 1.4×10¹⁶ см^-2, гамма-квантами 10⁷ рад, тяжелыми ионами Kr флюенсом 1×10¹⁰ см^-2 и ионами Bi флюенсом 2×10⁹ см^-2, а также ионами Xe флюенсом 6×10⁹см^-2 (фиг. 4).

- Особенно важно отметить, что радиационный и временной ресурсы SiC приборов увеличиваются с ростом температуры до 500°C. Т.е. приборы, деградированные при высоких уровнях радиации, частично восстанавливали свои электрические характеристики при рабочих температурах 400-500°C и способны выдерживать дополнительные дозы облучения;

- Технология изготовления УФ SiC детекторов с ионно-легированными p-n переходами совместима с технологией интегральных схем.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет получить детекторы УФ излучений нового поколения с низкоомными тонкими ионно-легированными p-n переходами, сформированными в современном материале 4H-SiC, для работы в условиях повышенных температур (до 400-500°C) и жестких радиационных полей.

Полезная модель была раскрыта выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

1. Детектор ультрафиолетового излучения, включающий сильнолегированную подложку 4H-SiC n-типа проводимости, выполненную с возможностью нанесения на одну из ее поверхностей слаболегированного эпитаксиального слоя 4H-SiC n-типа проводимости, а на другую - первого омического контакта, причем эпитаксиальный слой n-типа выполнен с возможностью получения вблизи поверхности легированного ионами Al и отожженного слоя р-типа проводимости толщиной 0,3-0,35 мкм, при этом отожженный ионно-легированный слой выполнен с возможностью нанесения на его поверхность второго омического контакта.

2. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что подложка имеет толщину 300 мкм с концентрацией донорной примеси N_D=5·10¹⁸-10¹⁹ см^-3.

3. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что эпитаксиальный слой имеет толщину 2-4 мкм с концентрацией донорной примеси N_D=10¹⁴-10¹⁵ см^-3.

4. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что ионно-легированный слой содержит атомы Al, имплантированные с энергией 100-120 кэВ, дозой 5·10¹⁶ см^-2 и термически отожженные при температуре 1700°С в течение 10-15 с - импульсный отжиг.

5. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве материала второго омического контакта используется Al толщиной 70-80 нм, обладающего оптической прозрачностью для ультрафиолетового излучения.

6. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве материала первого омического контакта применены последовательно нанесенные на подложку слои Cr и Al.