INFLUENCE DOSE IMPLANTATION OF DONORS ON THE SPECTRAL CHARACTERISTICS OF SILICON PHOTODIODES

Гаврушко В.В.¹, Ионов А.С.², Кадриев О.Р.³, Ласткин В.А.⁴

¹Доктор технических наук, профессор, ²Аспирант, ³Студент, ⁴Кандидат технических наук

Новгородский государственный университет

ВЛИЯНИЕ ДОЗЫ ИМПЛАНТАЦИИ ДОНОРОВ НА СПЕКТРАЛЬНУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОДИОДОВ

 Аннотация

В статье приведены сведения о технологии получения и спектральной чувствительности кремниевых фотоприемников, полученных имплантацией мышьяка в диапазоне доз 200 - 1000 мкКл/см². Установлена возможность смещения коротковолновой границы чувствительности при увеличении дозы легирования.

Ключевые слова: фотоприемник, кремний, ионная имплантация, спектральная характеристика.

Gavrushko V.V.¹, Ionov A.S.², Kadriev O.R.³, Lastkin V.A.⁴

¹Dr. of Engineering; ²Postgraduate; ³Student; ⁴PhD in Engineering

Novgorod State University

INFLUENCE DOSE IMPLANTATION OF DONORS ON THE SPECTRAL CHARACTERISTICS OF SILICON PHOTODIODES

Abstract

This article provides information about technology and spectral response of Silicon Photodetectors received implantation of arsenic in the range of doses of 200-1000 μC/cm². The possibility of shifting the border short-wave sensitivity when increasing doses of doping.

Keywords: photodetector, silicon, ion implantation, spectral characteristics.

Спектральная характеристика является определяющей при выборе приемника оптического излучения для решения конкретных прикладных задач. В связи с этим возможность формирования и оптимизации спектральной характеристики фотоприемника является актуальной задачей. Получить нужный вид спектральной характеристики можно с помощью внешних фильтров, расположенных перед широкодиапазонным фотоприемником [1]. Однако такой вариант усложняет конструкцию прибора, увеличивает его габариты и стоимость. Перспективным является способ получения фоточувствительных структур с требуемыми характеристиками в процессе их изготовления. Например, в работе [2] предлагалось для уменьшения длинноволновой границы чувствительности использовать подложки с повышенной степенью легирования. Так при увеличении исходной концентрации примеси в подложке до 10¹⁷ см^-3 длинноволновая граница чувствительности уменьшилась до 0,95 мкм вместо обычных значений около 1,1 мкм. Эффективным способом уменьшения области собирания носителей является создание в структуре фотодиода тормозящего электрического поля для неосновных носителей, движущихся из подложки к p-n-переходу [3]. При этом наблюдалось смещение длинноволновой границы чувствительности до 0,8 мкм. Таким образом, технологические методы позволяют формировать правую границу чувствительности в указанных пределах. Коротковолновый край чувствительности для кремниевых фотоприемников обычно лежит в УФ области. Однако, существуют задачи, требующие контролируемого сдвига левой границы в видимую область спектра. В настоящей работе сообщается о возможности управления коротковолновой границей спектральной характеристики кремниевых фотоприемников путем вариации дозы имплантации мышьяком.

Структура исследованных фотоприемников приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Структура фотоприемника

Исходным материалом служил кремний р-типа с удельным сопротивлением 10 Ом∙см. Диоды с мелкими p-n-переходами, были сформированы ионной имплантацией мышьяка. Легирование осуществлялось в диапазоне доз 200 - 1000 мкКл/см², при энергии 50 кэВ. С целью уменьшения коэффициента отражения падающего излучения на фоточувствительной области выращивалась антиотражающая плёнка SiO₂, толщиной около 60 нм. После термического отжига, как показали наши измерения, формировался p-n-переход с хорошими электрическими характеристиками. Для обеспечения омического контакта с n-слоем по его периферийной области проводилась подконтактная n⁺ диффузия фосфора на глубину около 2 мкм. Диффузионные p+ области служили для ограничения канала инверсии, вносимого зарядом окисла. Омический контакт получался напылением алюминия с последующим вжиганием при температуре 450^оС. Размер чувствительной области составлял 2,7 х 2,7 мм². Для исследования спектральных характеристик фотоприемников использовалась установка на основе монохроматора с дифракционной решеткой МДР-12У. В качестве источника света перед монохроматором была использована водородная лампа, дающая интенсивное излучения в УФ диапазоне.

На рисунке 2 приведены спектральные характеристики трех фотодиодов, полученных с дозами легирования 200, 500 и 1000 мкКл/см². Характеристики построены для равного потока падающих квантов. Как следует из полученных данных, при увеличении дозы легирования наблюдалось заметное снижение чувствительности в ультрафиолетовой области спектра. Коротковолновая граница смещалась из области среднего ультрафиолета к границе видимого излучения. Так при дозе 1000 мкКл/см² она соответствовала 0,4 мкм.

Коэффициент поглощения излучения кремнием в диапазоне 0,25 – 0,35 мкм имеет величину порядка 10⁶ см^-1. Это означает, что генерация фотоносителей происходила на малой глубине, соизмеримой с размерами области имплантации мышьяка. В таком случае наблюдаемое снижение чувствительности в ультрафиолетовой области можно связать с увеличением концентрации структурных дефектов, присущих процессу ионной имплантации [4]. Наличие дефектов способствует рекомбинации фотоносителей в приповерхностной области и как следствие приводит к снижению чувствительности фотоприемника при росте дозы легирования. Кроме того, на снижении коэффициента собирания фотоносителей может оказывать влияние увеличение глубины залегания р-п перехода, что также наблюдается при росте дозы имплантации.

Результаты, этой работе, свидетельствуют о возможности управления коротковолновой границей спектральной характеристики кремниевых фотоприемников технологическими методами и о перспективности продолжения таких исследований.

°- доза легирования 200 мкКл/см², ■ - 500 мкКл/см², ▲ - 1000 мкКл/см².

Рис.2 . Спектральные характеристики фотодиодов

Литература

1. Гаврушко В.В., Ласткин В.А. Широкодиапазонный кремниевый фотодиод // Вестн. Новг. гос. ун-та. Сер. Технические науки. - 2014. № 81. С.53-55.
2. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Ласткин В.А. Кремниевые фотоприемники с высокой чувствительностью к УФ излучению. // Датчики и Системы. – 2009. № 6 (121). С.49–51.
3. Гаврушко В.В., Ласткин В.А. Селективные датчики ультрафиолетового излучения на основе кремния. // Вестник новгородского государственного университета. – № 65 С.17–20.
4. Б. В. Павлык [и др.] Совершенство поверхности кристаллов p-Si и радиационно-стимулированные изменения характеристик поверхностно-барьерных структур // Физика и техника полупроводников. - 2012. - Т. 46, вып. 8. - С. 1017-1021.

References

1. Gavrushko V.V., Lastkin V.A. Shirokodiapazonnyj kremnievyj fotodiod // Vestn. Novg. gos. un-ta. Ser. Tehnicheskie nauki. - 2014. № 81. S.53-55.
2. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Lastkin V.A. Kremnievye fotopriemniki s vysokoj chuvstvitel'nost'ju k UF izlucheniju. // Datchiki i Sistemy. – 2009. № 6 (121). S.49–51.
3. Gavrushko V.V., Lastkin V.A. Selektivnye datchiki ul'trafioletovogo izluchenija na osnove kremnija. // Vestnik novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. – 2011. №65 S.17–20.
4. B. V. Pavlyk [i dr.] Sovershenstvo poverhnosti kristallov p-Si i radiacionno-stimulirovannye izmenenija harakteristik poverhnostno-bar'ernyh struktur // Fizika i tehnika poluprovodnikov. - 2012. - T. 46, vyp. 8. - S. 1017-1021.