Исследование фотоэлектрических процессов в фотоприемниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

УЗДОВСКИЙ ВЛАДИМИР ВАЛЕРЬЕВИЧ

ЬГ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ФОТОПРИЕМНИКАХ НА ОСНОВЕ ДИОДОВ ШОТТКИ И ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Специальность: 01.04.10 - физика полупроводников

Автореферат

' диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

4

Москва 2005г.

Работа выполнена на кафедре общей физики в Московском Государственном институте электронной техники (техническом университете).

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Романов В.П. кандидат физико-математических наук, Минаев В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ильичев Э.А.

кандидат технических наук, доцент Громов Д.В.

Ведущая организация: Государственное научно -

производственное предприятие "Торий"

Защита диссертации состоится

»27» У 2. _2005 года на заседании диссертационного

Совета Д.212.134.01 при Московском Государственном институте электронной техники (техническом университете). Москва. Зеленоград.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан " // - н _2005 года

Ученый секретарь диссертационного/Совета

д.т.н., профессор_ Д¿^^~#еустроев С.А.

(подпись)

2006-4 2776^

12£Ш7

" Общая характеристика работы

Актуальность работы. Перспективным направлением при разработке фотоэлектрических преобразователей изображения является совместное использование фотоприёмников с барьером Шоттки и регистров, считывающих информацию на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Исследование в данной области ведутся в лабораториях США и Японии. Повышенный интерес представляет измерение отражённой энергии в спектральном диапазоне 1 3 мкм для оценки ресурсов Земли со спутников. В настоящее время широкое распространение имеют детекторы с барьером Шоттки силицид платины - кремний р-типа, которые могут использоваться для детектирования в спектральном диапазоне 3^5 мкм. Наименьшую высоту барьера Шоттки можно получить, используя силицид иридия на кремнии р-типа. При этом возможна регистрация излучения в спектральном диапазоне 8 10 мкм. Однако здесь имеются определённые технологические трудности, связанные с воспроизводимостью процесса формирования силицида иридия, так как получить качественную границу раздела сложно, потому что формирование силицида осуществляется посредством диффузии кремния, а не иридия. Для дистанционного зондирования в коротковолновом диапазоне инфракрасного излучения ведутся разработки детекторов на основе барьеров

1

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

¿«/Г

«Ц» г*

Шоттки с металлическим электродом из кобальта и никеля. В таких детекторах высота барьера составляет 0,44 эВ и 0,40 эВ, соответственно. Активно исследуют барьеры Шоттки, в которых в качестве металлического электрода используется золото в сочетании с различными типами полупроводниковых материалов. Интерес подобных исследований связан с потребностью создания фотоприёмников с широкой спектральной характеристикой фоточувствительности, охватывающий как ультрафиолетовую, так и инфракрасную область спектра. Использование таких фотоприёмников позволит проводить исследование по оценке ресурсов Земли из космоса, осуществлять ориентацию объектов в космическом пространстве по ультрафиолетовому излучению солнечной короны. Поэтому актуальной задачей для разработки фотоэлектрических преобразователей изображения является исследование фотоэлектрических характеристик и процессов фоторелаксации в фотоприемниках на основе диодов Шоттки и ПЗС.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании фотоэлектрических процессов в фотоприёмных устройствах широкого спектрального диапазона с использованием различных типов металлических электродов для барьеров Шоттки на кремниевых подложках с различной кристаллографической ориентацией и различным типом проводимости, а также считывающих регистров на основе ПЗС.

Задачи исследования:

1. Исследование барьеров Шотгки на основе различных пар металл-кремний с разными способами нанесения пленок металлов, таких как молибден, ниобий, золото, на кремний различной кристаллографической ориентацией и типом проводимости.

2. Разработка методов формирования фотоприемной структуры с барьером Шоттки на полупроводниковой подложке с толщинами золота до 10 15 нм.

3. Экспериментальное и теоретическое исследование процессов фоторелаксации в поверхностном и объемном каналах полупроводниковых фотоприемных структур с широким спектральным диапазоном фоточувствительности.

4. Исследование поглощения излучения в фотоприемной структуре с барьером Шоттки при засветке, как со стороны металла, так и со стороны подложки.

5. Исследование зависимости выходных видеосигналов от времени накопления на нескольких фиксированных длинах волн поглощаемого излучения в широком диапазоне времени экспозиции для заполнения "потенциальных ям" электронами и дырками под соответствующими накапливающими управляющими электродами.

6. Исследование селективности собственного поглощения оптического излучения путем моделирования процесса фоторелаксации в кремниевой структуре на основе ПЗС.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований фоточувствительности в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра, приемников излучения на основе структуры тонкий слой металла (молибден, ниобий, золото) - кремний с различной кристаллографической ориентацией и типом проводимости.

2. Результаты экспериментальных исследований по оптимизации технологии изготовления фотоприемников на основе диодов Шоттки со структурой тонкий слой золота -кремний /7-типа проводимости, обладающих фоточувствительностью в спектральном диапазоне 0,3 мкм - 2,2 мкм.

3. Результаты теоретических исследований и численного моделирования на ЭВМ фоторелаксации носителей заряда в приповерхностном и объемном каналах ПЗС.

4. Результаты численного моделирования на ЭВМ по оптимизации значений потенциалов на электродах ПЗС, позволяющих надежно удерживать носители заряда в потенциальных ямах приповерхностного и объемного каналов.

5. Результаты экспериментальных исследований по модификации спектральных характеристик фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и ПЗС с помощью низкотемпературного отжига.

Научная новизна

1. Исследованы спектральные фоточувствительности фотоприемников на основе диодов Шоттки и ПЗС с чувствительностью в диапазоне длин волн 0,3 2,2 мкм.

2. Показано, что спектр фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и ПЗС включают две области, обусловленные поглощением в кремнии и поглощением в тонком металлическом слое фотодиода.

3. Установлено положительное влияние низкотемпературного отжига на стабильность и обратные токи фотоприёмных структур с барьером Шоттки.

4. Установлено, что барьер Шоттки на основе структуры золото - кремний р-типа проводимости обладает наиболее широкополосной спектральной характеристикой фоточувствительности: от 0,3 мкм до 2,2 мкм и наименьшим потенциальным барьером от 0,25 ■*■ 0,40 эВ по сравнению с другими исследованными барьерами Шоттки. Показано, что данный барьер Шоттки может обладать темновыми токами до 20 нА/см2.

5. Показано, что наилучшими характеристиками обладали фотоприемные структуры с тонкими слоями золота 10 ; 15 нм.

6. Установлено, что образование силицидов золота при низкотемпературном отжиге приводит к уменьшению фоточувствительности фотоприемника в длинноволновой области спектра для длин волн от 1 мкм до 2,2 мкм и

увеличению фоточувствительности в коротковолновой области спектра для длин волн от 0,3 мкм до 1 мкм.

7. Показана возможность создания фотоприемных структур на основе диодов Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости и ПЗС, которые позволяют регистрировать ультрафиолетовое или инфракрасное излучение при одновременной регистрации длин волн в видимой области спектра.

Практическая значимость

Результаты данной работы, могут быть использованы для улучшения рабочих характеристик выпускаемых в настоящее время фотоприемников на основе диодов Шоттки и ПЗС, а также для оптимизации конструктивно-технологических параметров при разработке новых высокочувствительных с широкой спектральной полосой фотоприемных устройств.

Достоверность результатов исследований

Работа представляет собой комплексное теоретическое и экспериментальное исследование. Теоретические положения базируются на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов, структур металл - диэлектрик - полупроводник. Экспериментальные исследования выполнены с использованием традиционных оптических, электрических и зондовых методов, характерных для работы с фотоприемными устройствами на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью. Проведенные

теоретические и экспериментальные исследования имеют хорошее соответствие, что подтверждает достоверность результатов исследований.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на международных и всероссийских симпозиумах и конференциях:

1. Пятой международной научно-технической конференции "Электроника и информатика 2005" (Москва, 23-25 ноября 2005 года;

2. Всероссийской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика 2005" (Москва 19-25 апреля 2005 года;

3. Международном симпозиуме "Optoelectronics 2005. Semiconductor Photodetectors II" (San Jose, CA, USA, 22-27 января 2005 года;

4. Международной конференции "Integrated Optics Devices V" (San Jose, CA, USA, 22-28 января 2004 года;

5. Десятой Всероссийской конференции "Микроэлектроника и информатика 2003" (Москва, 23-24 апреля 2003 года);

6. Девятой Всероссийской конференции "Микроэлектроника и информатика 2002" (Москва, 17-18 апреля 2002 года);

7. Восьмой Всероссийской конференции "Микроэлектроника и информатика 2001" (Москва, 18-19 апреля 2001 года);

8. Международной конференции "Int. Symp. Optoelectr. Dev. Optoelectr. Integr. Cire. VI" (San Jose, CA, USA, 20-25 января

2002 года);

9. Международной конференции "Integrated Optics Devices V" (San Jose, CA, USA, 23-25 января 2001 года);

10. Третьей Международной конференции "Электроника и информатика XXI век" (Москва 16-18 ноября 2001);

11. Международной конференции "Optoelectronics 2000. Integrated Optics Devices V" (San Jose, CA, USA, 22-28 января 2000 года);

12. Всероссийской конференции "Микроэлектроника и информатика 2000" (Москва, 17-18 апреля 2000).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, среди которых статьи в международных и Всероссийских научных журналах, сборниках статей и научно-технических отчетах по госбюджетным темам.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 140 страницы, в том числе диссертация содержит 27 иллюстраций и список литературы из 168 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснован выбор темы и ее актуальность,

сформулирована цель и задачи исследования, дается краткое изложение содержания всех разделов диссертационной работы. Введение отражает научную новизну и практическую ценность работы.

В первой главе приводится обзор литературы, касающейся физических процессов в фотоприёмниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью, рассматриваются различные типы полупроводниковых фотодетекторов, обсуждаются новые пути реализации функциональных возможностей фотоприемников на основе ПЗС, принципиально достижимых в традиционной электронике. Рассмотрены основные этапы возникновения и развития ПЗС, основные принципиальные достоинства, обсуждаются конструктивные и функциональные особенности фотоприёмников на основе ПЗС, способы физической реализации, электродные структуры, теория Шоттки - Мотта и её модификации. Описаны процессы токопереноса в фотоприёмниках. Формулируются задачи исследования.

Во второй главе обсуждаются фотоприемники на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью, проведены исследования диодов Шоттки для различных пар металл -кремний. Исследования проводились по методикам, характеризующим свойства диодов Шоттки. Для определения спектральных характеристик диодов Шоттки проводились измерения зависимости фототока обратно-смещенного диода

Шоттки от энергии кванта падающего игл учения при постоянном потоке квантов, который поддерживался постоянным на уровне 5-1015 кв/с-см2, путем изменения ширины щелей монохроматора ДМР-4. Для исследования вольтамперных характеристик измерялась обратная ветвь вольтамперной характеристики в области рабочей температуры. Измерения проводились в температурном интервале от 80 К до 300 К.

По результатам исследований проведено сравнение полученных барьеров Шоттки различных пар материалов металл - кремний с различной кристаллографической ориентацией кремния с результатами других исследований, которое представлено в виде зонной диаграммы на рис. 1.

Тона проводим 3§ ч? •*• Ж А1 Га С1 Си Ма N1 РЬ р<) На РХ51 г> 5п БЬ 1п N1 К20С Мо Аи

Е 1.0 ■л ~П л . 1С й г V ♦ 1 и 1 С ■ 1 X и к 1 1 1! 1 { 1 1 1 11 1 ? I 1 1 1 I I ! 1 т 1 я 1 1 } 1 1

0.5 Е "с-о Ч — ■£5 г; , * 1 т 1 и1 о "1 1 1 £ 3 с 1 и А 1 ! и г 11 5 I 1 1 1| 1 1! { НУ П

Рис. 1. Экспериментальные данные величины барьеров Шоттки, знаком "+" обозначены экспериментальные данные, полученные в данной работе

График зависимости корня квадратного из фототока от энергии кванта падающего излучения для экспериментально исследованных структур с барьером Шоттки представлен на рис. 2.

(нА )т 7

К 20С - я - в)

6

Мо - л - Э!

5

4

3

2

1,5 Е, эВ

1,0

Л__

Я, мкм

Рис 2. Спектральные характеристики диодов Шоттки: Р= 10"3 Вт/см2, Б = 0,2 мм2, и = -2 В, К-20С, Л, = 20 мА (300К), (ЫЬ) Л,= 30 мА (78К)

Фотодиодные структуры с барьером Шоттки с метали-ческими электродами из ниобия и молибдена обладали предельными длинами волн в инфракрасной области спектра 2,2 мкм и 1,9 мкм, соответственно, в то время как фотодиодные структуры с барьером Шотгки на основе многокомпонентного металлического соединения К20С обладали более высокой 1раницей чувствительности в инфракрасном диапазоне: до длин волн превышающих 2,2 мкм.

На рис. 3 приведена зависимость обратных ветвей вольт-амперных характеристик диодов Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости для различных

температур окружающей среды. Наблюдается достаточно сильная температурная зависимость обратного тока от температуры, что свидетельствует о том, что полученные результаты могут быть объяснены с помощью термоионной теории Бете. При низких температурах зависимость обратного тока от напряжения на структуре выражена более ярко.

Рис. 3. Зависимость обратных ветвей вольтамперных характеристик диодов Шоттки со структурой золото -► кремний и-типа проводимости

В третьей главе исследованы зависимости спектральных характеристик фотодиодов с барьером Шоттки на основе пары кремний р-типа - золото от толщины пленок золота. Использовались пластаны кремния р-типа 10 Ом-см ориентации (100). Золото напылялось на установке УВН-72-Р1 при вакууме 410"7 Па. Темновые токи при напряжении - 1В на золотом электроде не превышали 20 нА/см2. Однако были и образцы с большим током до 1 мкА/см2.

Фоточувствительность фотоприемников с фотодиодами на основе барьеров Шоттки кремний р-типа - золото в инфракрасной области спектра будет определяться соотношением между глубиной поглощения света в металле и длиной релаксации "горячих" электронов, возбужденных излучением. Соотношение между этими величинами зависит от длины волны. При этом глубина поглощения горячих электронов в металлической пленке в сильной степени зависит от ее структуры и, следовательно, от технологии нанесения слоя металла. Величина чувствительности в видимом спектре определяется собственным поглощением в кремнии и зависит от прозрачности слоя золота, определяемой толщиной. На рис. 4 приведены спектральные характеристики диода Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости для пленок различной толщины. На рис. 5 представлена зависимость корня квадратного из фототока на фотон в зависимости от энергии падающих квантов для

фотодиодов Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости для пленок различной толщины.

Для фотодиодов с толщиной золотого электрода 15 нм за счбт низкотемпературного отжига наблюдалось характерное уменьшение наклона и величины зависимости корня квадратного из фототока на фотон в зависимости от энергии падающих квантов в 1,5 раза. Это обусловлено увеличением эффективной толщины золота в электроде и уменьшением числа возбужденных за счбт поглощения излучения электронов, достигших области объемного заряда в полупроводнике за барьером Шоттки. Уменьшение толщины золотого электрода, согласно полученным экспериментальным зависимостям (рис. 5), приводило к уменьшению порогового значения энергии квантов. Уменьшение толщины пленок золота от 50 нм до 15 нм при наличии низкотемпературного отжига, приводило к уменьшению порогового значения энергии низкоэнергетичных квантов от 0,3 эВ до 0,1 эВ.

Л, Е ' ф

отн.ед

Рис. 4. Спектральная характеристика диода Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости для разной толщины золотого электрода: 1-15 нм; 2-25 нм; 3 -30 нм; 4-50 нм. Пунктирной линией показана спектральная характеристика ./ф / Е от А, до проведения низкотемпературного отжига. Наклонные линии на рисунке соответствуют различным уровням квантового выхода

Рис. 5. Спектральная зависимость корня квадратного из

фототока от энергии падающих квантов Е (эВ) для

фотодиодов с барьером Шоттки на основе структур золото - кремний р-типа проводимости для различных толщин пленок золота 1 - 15 нм, 2-25 нм, 3-30 нм, 4 -50 нм. Пунктирной линией показана спектральная зависимость до проведения процесса низкотемпературного отжига на структуре с толщиной пленки золота </= 15 нм

На рис. 6 представлена зависимость фоточувствительности (отношение фототока на фотон к энергии фотона) диода Шоттки для структур золото - кремний р-типа проводимости от толщины плбнки золота и прозрачности, при толщине кремниевой

подложки 300 мкм и концентрации легирующей примеси Ю15 см"3 для различных длин волн падающего излучения.

Рис. 6. Зависимость фоточувствительности диода Шотгки для структур золото - кремний р-типа проводимости Зф/ Е в

зависимости от: а) толщины пленки золота, б) прозрачности (толщина кремниевой пластины 300 мкм, Ыа - 1015 см'3), для различных длин волн падающего излучения: 1 - X = 1,5 мкм; 2 - X = 2,0 мкм

Увеличение прозрачности приводит к увеличению фоточувствительности. Значительнее этот эффект проявляется для более коротковолновой составляющей инфракрасной области спектра. Для длины волны 2,0 мкм увеличение прозрачности от 0,07 отн. ед. до 0,24 отн. ед. приводило к увеличению чувствительности в четыре раза.

18

При уменьшении длины волны до 1,5 мкм при увеличении прозрачности наблюдалась более сильная зависимость чувствительности, которая изменялась в диапазоне от 0,2 отн. ед. до 2,5 отн. ед., то есть чувствительность увеличивалась более, чем в десять раз. Большей фоточувствительностью в инфракрасной области спектра обладают диоды Шоттки с толщиной золотого электрода, соответствующей прозрачности около 20%.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования электрических характеристик линейного двухканального объемного ПЗС, имеющего поверхностный канал «-типа проводимости и объемный канал р-типа проводимости, которые расположены один над другим. Прибор имел шестнадцать и тридцать два элемента разложения. Применена четырехтактовая временная диаграмма управляющих импульсов напряжений, обеспечивающая одновременный встречный перенос пакетов зарядов по соответствующим каналам. Предложен метод удержания электронов в поверхностном канале посредством подачи постоянного отрицательного напряжения величиной - 10,5 -г 11 В на дополнительные боковые электроды. Амплитуда отрицательных управляющих импульсов напряжения изменяется в диапазоне 0 + 20 В. При этом эффективность переноса зарядов в обоих каналах составила 99,76 % на частоте 75 кГц. Фотоэлектрическими

измерениями установлены существенно различные спектро-зональные характеристики фоточувствительностей каналов объемных ПЗС. Показана принципиальная возможность создания спектрозонального фотопреобразователя на двухканальных объемных ПЗС. В качестве экспериментальной реализации объемных приборов с зарядовой связью, был создан и исследован прибор, содержащий один поверхностный и один объемный каналы. Основное внимание обращено на исследование режима одновременного переноса зарядов в каналах четырехтактной временной диаграммы управления, исследованы также фотоэлектрические характеристики прибора. Конструкция двухканальных объемных ПЗС аналогична традиционным одно-канальным ПЗС со скрытым каналом, при этом она кроме поверхностного скрытого канала р-типа дополнительно содержит скрытый канал «-типа внутри полупроводниковой подложки. В работе была получена система двух нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих процессы фоторелаксации в поверхностном и объемном каналах рассматриваемого двухканального объемного ПЗС в оптическом диапазоне длин волн:

— = Х{3-ехр('-к>)[ехр(акю, +к^)+ехр(акш,)+ехр(ак©3)]}, (1) ск

^ = МЗ_ехР( к)[еХр(-кю,)+ехр(-кю,)+ехр(-к©3)]}, (2) ах [ 1+у " ]

СО, =

где

_ 1/2

i = 1,2,3; к = KL ; y = k{l„/L); rf = rf/L ; (3)

ц и - концентрации накопленных носителей в поверхностном и объемном каналах, соответственно; х • время; ©ь ®з -величины размеров областей объемных зарядов в подложке под электродами с соответствующими уровнями напряжения; А. и к -длина волны и коэффициент поглощения оптического излучения, соответственно; Ло - заданная длина волны; Lp -диффузная длина дырок в я - подложке; 4L- толщина диэлектрика и расположенного под ним слоя р-типа, соответственно.

Для упрощения расчетов сделано предположение Vcpi = Vcp2 - Vcp. В выражениях (1), (2) и (3) все величины представлены в безразмерном виде. При проведении теоретических расчетов использованы экспериментальные данные из работы [Dach W., Newman R., "Intrinsic optical absorption in single crystal germanium and silicon at 77 К and 300 K" // Phys. Rev., 1955, p. 1151-1163] по внутреннему оптическому поглощению в кристаллах кремния при 300 К;

Уравнения (1) описывает процесс фоторелаксации в поверхностном канале, а уравнение (2) описывает процесс фоторелаксации в объемном канале (при этом учитывается диффузионная составляющая фототока из подложки).

21

Установлено, что увеличение эффективностей одновременного переноса зарядов в каналах рассматриваемого объемного ПЗС возможно как за счет усовершенствования его конструкции, так и оптимизацией тактовой временной диаграммы импульсов напряжения на его управляющих и боковых электродах. Показано, что другим способом увеличения эффективностей переноса зарядов в каналах является, применение в конструкции двухканального объемного прибора с зарядовой связью только объемных каналов как я-типа, так и р-типа проводимости.

Основные выводы

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать следующим образом:

1. Установлено, что фотоприемники на основе диодов Шоттки золото - кремний р-типа проводимости и ПЗС обладают спектральной фоточувствительностью в диапазоне длин волн 0,3 * 2,2 мкм.

2. Показано, что в спектре фоточувствигельности приемников излучения на основе диодов Шоттки и ПЗС можно выделить две области, обусловленные поглощением в кремнии и поглощением в металлическом слое фотодиода.

3. Установлено положительное влияние низкотемператур-

ного отжига на стабильность и обратные токи фотоприёмных структур с барьером Шоттки.

4. Установлено, что барьер Шоттки на основе структуры золото - кремний р-типа проводимости обладает наиболее широкополосной спектральной характеристикой фоточувствительности: от 0,3 мкм до 2,2 мкм и наименьшим потенциальным барьером от 0,25 + 0,40 эВ по сравнению с другими исследованными барьерами Шоттки. Показано, что данный барьер Шотпси может обладать темновыми токами до 20 нА/см2.

5. Показано, что наилучшими характеристиками обладали фотоприемные структуры с тонкими слоями золота ~ 10 -5-15 нм.

6. Установлено, что образование силицидов золота при низкотемпературном отжиге приводит к уменьшению фоточувствительности фотоприемника в длинноволновой области спектра для длин волн от 1 мкм до 2,2 мкм и увеличению фоточувствительности в коротковолновой области спектра для длин волн от 0,3 мкм до 1 мкм.

7. Показана возможность создания фотоприемных структур на основе диодов Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости и ПЗС, которые позволяют регистрировать ультрафиолетовое или инфракрасное излучение при одновременной регистрации нескольких диапазонов длин волн в видимой области спектра.

Выражаю глубокую благодарность моим научным руководителям докт. физ.-мат. наук Романову Валерию

Павловичу, канд. физ.-мат. наук Минаеву Вячеславу Вениаминовичу за постоянное внимание и помощь при выполнении работы, а также моему научному консультанту канд. физ.-мат. наук Хайновскому Владимиру Ивановичу.

Список основных работ по теме диссертации

1. Уздовский В.В., Гордо Н.М., Хайновский В.И., Уздовский Вл.В., "Исследование фотоэлектрических характеристик многоканальных объемных приборов с зарядовой связью" // Тезисы докл., 3-я Междунар. Конф. "Электроника и информатика XXI век", 16-18 ноября 2000, с. 99-100.

2. Гордо Н.М., Хайновский В.И., Федоров P.A., Уздовский Вл.В., "Экспериментальное исследование фотоэлектрических характеристик двухканальных объемных приборов с зарядовой связью" // Тезисы докл., Конф. "Микроэлектроника и информатика 2001", Москва, 18-19 апреля 2001, с. 23.

3. Хайновский В.И., Сондаевский Р.В., Сазыкин Г.Г., Уздовский Вл.В., "Фотоэлектрические процессы в объемных каналах полупроводниковых структур на основе трех-канальных объемных приборов с зарядовой связью" // Тезисы докл., 9-й Всерос. Межвуз. Научн.-Техн. Конф. "Микроэлектроника и информатика 2002", Москва, 17-18 апреля 2002, с. 19.

4. Хайновский В.И., Уздовский В.В., Сондаевский Р.В., Сазыкин Г.Г., Уздовский Вл.В., "Study of Photorelacsation Process in Multichannel Spectrozonal Photosensitive Bulk Charge Coupled Devise Based on Silicon and Gallium Arsenid" // Proc. Symp. Optoelect. Dev. Optoelect. Integr. Circ. VI, San Jose, CA, USA, 20-25 Jan 2002, Re 4652-12, p. 17.

5. Хайновский В.И., Уздовский B.B., Минаев B.B., Сондаевский Р.В., Уздовский Вл.В., "Многоканальные фотоэлектрические объемные спектрозональные приборы с зарядовой связью" // Труды IV Междунар. Науч.-Техн. Конф. "Микроэлектроника и информатика 2002", 12-19 ноября 2002, Москва, часть 1, с. 132-133.

6. Уздовский В.В., Хайновский В.И., Гордо Н.М., Уздовский Вл.В., "Исследование процессов фоторелаксации и процессов переноса заряда в объемных каналах полупроводниковых структур на основе приборов с зарядовой связью" // Отчет по НИР, Шифр 139-ГБ-53-Г-УР-ОФ № гос. Регистрации 01.200005359 инв.№01200302017, МИЭТ, Москва, 2002, 18 с.

7. Уздовский В.В., Хайновский В.И., Минаев В.В., Романов В.П., Сондаевский Р.В., Уздовский Вл.В., "Study of Photorelacsation Proceses in Multichannel Spectrozonal Photosensitive Bulk Charge Coupled Devices Based on Gallium Arsenid and Silicon" // Proc. Int Conf. Optoelectronics 2004, Integr. Optoelectr. Devices, Semiconductor Photodetectors, San Jose, CA, USA, 28-29 Jan. 2004, v. 5353, p. 104.

8. Сондаевскяй Р.В., Уздовский Вл.В., "Фотоэлектрические процессы в объемных каналах спектрозональных приборов с зарядовой связью" // Труды 10-й Всеросс. Межвуз. Науч.-Техн. Конф. "Микроэлектроника и информатика 2003", Москва, 23-24 апреля 2003, с. 36.

9. Хайновский ВЦ, Уздовский ВВ., Уздовский Вл.В., "Фотоэлектрические процессы в объемных каналах • полупроводниковых структур на основе приборов с зарядовой связью" // Отчет по НИР, Шифр 587-ГБ-53-Г-ОФ

№ гос. Регистрации 01040000103 инв.№02200405528, МИЭТ, Москва, 2004, 28 с.

10. Сондаевский Р.В., Баллос Е.А., Уздовский Вл.В., "Фотоприемные устройства широкого спектрального диапазона" // Труды Всероссийской МИН ВУЗ Научн.-Техн. Конференции "Микроэлектроника и информатика 2004", Москва, 21-23 апреля, с. 27.

11. Уздовский В.В., Минаев В.В., Сондаевский Р.В., Уздовский Вл.В., "Экспериментальные исследование интегральных фотоприемных устройств широкого спектрального диапазона на основе структур с барьером Шоттки" // Известия ВУЗов, Электроника, 2004, №6, с. 50-56.

12. Хайновский В.И., Уздовский В.В., Уздовский Вл.В., "Исследование процессов фундаментального поглощения в объемных спектрозональных каналах полупроводниковых структур на основе приборов с зарядовой связью" // Отчет по НИР, Шифр

417-ГБ-53-Г-УР-ОФ № гос. Регистрации 01200207912 инв.№02200400966, МИЭТ, Москва, 2004,22 с.

13. Уздовский В.В., Хайновский В.И., Минаев В.В., Романов В.П., Сондаевский Р.В., Баллос Е.А., Уздовский Вл. В., "Study and Realization of the Methods for Integrated Photoreceivers Based on Silicon Multichannel Spectrozonal Bulk Charge Coupled Devices with the Broad Spectral Range" // Proc. Int Conf. Optoelectronics 2005, Semiconductor Photodetectors II, San Jose, CA, USA, 22-27 Jan. 2005, v. 5726-1, p. 113.

14. Уздовский B.B., Минаев B.B., Сондаевский P.B., Уздовский Вл.В., "Исследование спектральных характеристик фотоприемников с барьером Шоттки на основе p-Si-Au" // Известия ВУЗов, Электроника, 2005, №1, с. 12-18.

15. Минаев В.В., Романов В.П., Сондаевский Р.В., Уздовский Вл.В., "Исследование фотоэлектрических процессов и спектральных характеристик фотоприбмных структур с барьером Шоттки на основе кремний />-типа - золото" // Труды 12-й Всероссийской Научно-Технической Конференции "Микроэлектроника и информатика 2005", Москва, 19-21 апреля 2005, с. 46.

16. Минаев В.В., Романов В.П., Уздовский В.В., Хайновский В.И., Баллос Е.А., Уздовский Вл.В., "Фотоэлектрические процессы в фотоприёмниках на основе приборов с зарядовой связью с барьером Шоттки" // Труды 5-й Международной Научно-Технической Конференции

"Электроника и информатика 2005", Москва, 23-25 ноября 2005, с. 37-38.

Заказ № 2Ч9. Тираж 90 экз. Уч.-изд. л/$>ормат 60x84 1/16 Отпечатано в типографии МИЭТ (ТУ). 124498, Москва, МИЭТ (ТУ).

Il

I

I

I

I *

I

I

I !

i f

4

<

i

I

<t

Í I.

№22832

РНБ Русский фонд

2006-4 27798

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ФОТОПРИЁМНИКАХ НА ОСНОВЕ ДИОДОВ ШОТТКИ И ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

1.1. Конструктивные и функциональные особенности фотоприёмников

1.1.1. Сравнение различных типов полупроводниковых фотодетекторов

1.1.2. Фотоприёмники широкого спектрального диапазона

1.1.3. Фотоэмиссионные детекторы на основе барьеров Шоттки

1.1.4. Процессы токопереноса

1.1.5. Приборы с зарядовой связью как элемент считывания и переноса информации в фотоприемниках

1.1.6. Конструктивные особенности и способы физической реализации приборов с зарядовой связью

1.2. Задачи исследования

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ ШОТТКИ С РАЗЛИЧНЫМИ

ТИПАМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДОВ И РАЗЛИЧНЫМ ТИПОМ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПОДЛОЖКИ

2.1. Методика исследования характеристик диодов Шоттки

2.2. Диоды Шоттки

Перспективным направлением при разработке фотоэлектрических преобразователей изображения является использование фотоприёмников с барьерами Шоттки и регистрами, считывающими информацию на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Исследование в данной области ведутся в лабораториях России, США и Японии [1-4].

Для дистанционного зондирования в коротковолновом диапазоне инфракрасного излучения ведутся разработки детекторов на основе барьеров Шоттки с металлическим электродом из кобальта и никеля [5,6]. В таких детекторах высота барьера составляет 0,44 эВ и 0,4 эВ, соответственно. Повышенный интерес представляет измерение отражённой энергии в спектральном диапазоне 1-^-3 мкм для оценки ресурсов Земли со спутников [7-11]. Разрабатываются фотоприёмники с барьером Шоттки силицид платины - кремний р-типа, которые могут использоваться для детектирования электромагнитного излучения в спектральном диапазоне 3^-5 мкм [12-14]. Наименьшую высоту барьера Шоттки можно получить, используя силицид иридия на кремнии р-типа [15]. При этом возможна регистрация излучения в спектральном диапазоне 8 ^ 10 мкм. Однако здесь имеются определённые технологические трудности, связанные с воспроизводимостью процесса формирования силицида иридия, так как получить качественную границу раздела сложно, потому что формирование силицида осуществляется посредством диффузии кремния, а не иридия.

В последнее время активно исследуют барьеры Шоттки, в которых в качестве металлического электрода используется золото в сочетании с различными типами полупроводниковых материалов [16-23]. Интерес исследований связан с потребностью создания фотоприёмников с широкой спектральной характеристикой фоточувствительности, охватывающий как ультрафиолетовую, так и инфракрасную область спектра. Использование таких фотоприёмников позволит проводить исследование по оценке ресурсов Земли из космоса, осуществлять ориентацию объектов в космическом пространстве по ультрафиолетовому излучению солнечной короны. Поэтому для разработки фотоэлектрических преобразователей изображения актуальной задачей является исследование фотоэлектрических процессов в фотоприемниках на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании фотоэлектрических процессов в фотоприёмных устройствах широкого спектрального диапазона с использованием различных типов металлических электродов для барьеров Шоттки на кремниевых подложках с различной кристаллографической ориентацией и различным типом проводимости, а также считывающих регистров на основе приборов с зарядовой связью.

Научная новизна

1. Исследованы спектральные фоточувствительности фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью с чувствительностью в диапазоне длин волн 0,3 ч- 2,2 мкм.

2. Показано, что спектр фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой включают две области, обусловленные поглощением в кремнии и поглощением в тонком металлическом слое фотодиода.

3.Установлено положительное влияние низкотемпературного отжига на стабильность и обратные токи фотоприёмных структур с барьером Шоттки.

4. Установлено, что барьер Шоттки на основе структуры золото -кремний />-типа проводимости обладает наиболее широкополосной спектральной характеристикой фоточувствительности: от 0,3 мкм до 2,2 мкм мкм и наименьшим потенциальным барьером от 0,25 0,40 эВ по сравнению с другими исследованными барьерами Шоттки. Показано, что данный барьер Шоттки может обладать темновыми токами до 20 нА/см2.

5. Показано, что наилучшими характеристиками обладали фотоприемные структуры с тонкими слоями золота ~ 10 -ь 15 нм.

6. Установлено, что образование силицидов золота при низкотемпературном отжиге приводит к уменьшению фоточувствительности фотоприемника в длинноволновой области спектра для длин волн от 1 мкм до 2,2 мкм и увеличению фоточувствительности в коротковолновой области спектра для длин волн от 0,3 мкм до 1 мкм.

7. Показана возможность создания фотоприемных структур на основе диодов Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости и приборов с зарядовой связью, которые позволяют регистрировать ультрафиолетовое или инфракрасное излучение при одновременной регистрации длин волн в видимой области спектра.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований фоточувствительности в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра, приемников излучения на основе структуры тонкий слой металла (молибден, ниобий, золото) -кремний с различной кристаллографической ориентацией и типом проводимости.

2. Результаты экспериментальных исследований по оптимизации технологии изготовления фотоприемников на основе диодов Шоттки со структурой тонкий слой золота - кремний р-типа проводимости обладающих фоточувствительностью в спектральном диапазоне 0,3 мкм - 2,2 мкм.

3. Результаты теоретических исследований и численного моделирования на ЭВМ фоторелаксации носителей заряда в приповерхностном и объемном каналах приборов с зарядовой связью.

4. Результаты численного моделирования на ЭВМ по оптимизации значений потенциалов на электродах приборов с зарядовой связью, позволяющих надежно удерживать носители заряда в потенциальных ямах приповерхностного и объемного каналов.

5. Результаты экспериментальных исследований по модификации спектральных характеристик фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью с помощью низкотемпературного отжига.

Результаты данной работы, могут быть использованы для улучшения рабочих характеристик выпускаемых в настоящее время фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью, а также для оптимизации конструктивно-технологических параметров при разработке новых высокочувствительных с широкой спектральной полосой фотоприемных устройств.

Достоверность результатов исследований заключается в следующем: работа представляет собой комплексное теоретическое и экспериментальное исследование. Теоретические положения базируются на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов, структур металл - диэлектрик - полупроводник. Экспериментальные исследования выполнены с использованием традиционных оптических, электрических и зондовых методов, характерных для работы с фотоприемными устройствами на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования имеют хорошее соответствие, что подтверждает достоверность результатов исследований.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать следующим образом:

1. Исследованы спектральные фоточувствительности фотоприемников на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью с чувствительностью в диапазоне длин волн 0,3 + 2,2 мкм.

2. Показано, что в спектре фоточувствительности приемников излучения на основе диодов Шоттки и приборов с зарядовой связью можно выделить две области, обусловленные поглощением в кремнии и поглощением в металлическом слое фотодиода.

3. Установлено положительное влияние низкотемпературного отжига на стабильность и обратные токи фотоприёмных структур с барьером Шоттки.

4. Установлено, что барьер Шоттки на основе структуры золото -кремний р-типа проводимости обладает наиболее широкополосной спектральной характеристикой фоточувствительности: от 0,3 мкм до 2,2 мкм и наименьшим потенциальным барьером от 0,25 + 0,40 эВ по сравнению с другими исследованными барьерами Шоттки. Показано, что данный о барьер Шоттки может обладать темновыми токами до 20 нА/см .

5. Показано, что наилучшими характеристиками обладали фотоприемные структуры с тонкими слоями золота ~ 10 -т- 15 нм.

6. Установлено, что образование силицидов золота при низкотемпературном отжиге приводит к уменьшению фоточувствительности фотоприемника в длинноволновой области спектра для длин волн от 1 мкм до 2,2 мкм и увеличению фоточувствительности в коротковолновой области спектра для длин волн от 0,3 мкм до 1 мкм.

7. Показана возможность создания фотоприемных структур на основе диодов Шоттки со структурой золото - кремний р-типа проводимости и приборов с зарядовой связью, которые позволяют регистрировать ультрафиолетовое или инфракрасное излучение при одновременной регистрации нескольких диапазонов длин волн в видимой области спектра.

Выражаю глубокую благодарность моим научным руководителям докт. физ.-мат. наук Романову Валерию Павловичу, канд. физ.-мат. наук Минаеву Вячеславу Вениаминовичу за постоянное внимание и помощь при выполнении работы, а также моему научному консультанту канд. физ.-мат. наук Хайновскому Владимиру Ивановичу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Lin T.L., Park J.S., Gunapala S.D., Jones E.W. and Del Castillo H.M., "Doping-spike PtSi Schottky infrared detectors with extended cutoff wavelengths" // IEEE Trans. Electron Devices, v. 42, 1995, p. 1216-1220

2. Kosonocky W.F., Shallcross F.V., Villani T.S. and Groppe J.V., "160x244 element PtSi Schottky-barrier IR-CCD image sensor" // IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-32, 1995, p. 1564-1572

3. Villani T.S., Esposito B.J., Pletcher T.J., Sauer D.J., Levine P.A., Shallcross F.V., Meray G.M., Tower J.R., "Performance of generation III 640 x 480 PtSi MOS array" // Proc. SPIE, v. 2225, 1994, p. 2-10

4. Shoda M., Akagawa K. and Kazama T., "A 410k pixel PtSi Schottky-barrier infrared CCD image sensor" // Proc. SPIE, v. 2744, 1996, p. 23-32

5. Kurianski J., Vermeiren J., Claeys C., Stessens W., Maex K. and Keersmaecker R. De, "Development and evaluation of CoSi2 Schottky barrier infrared detectors" // Proc. SPIE, v. 1157, 1989, p. 145-152

6. Kurianski J., Dammer J. Van, Vermeiren J., Maex M. and Claeys C., "Nickel silicide Schottky barrier detectors for short wavelength infrared applications" // Proc. SPIE, v. 1308, 1990, p. 27-34

7. Elabd H., Villani T.S. and Tower J.R., "High density Schottky-barrier infrared charge-coupled device (IRCCD) sensors for short wavelength, infrared (SWIR) application at intermediate temperature" // Proc. SPIE, v. 345, 1982, p. 161-171

8. Elabd H., Villani T. and Kosonocky W., "Palladium-silicide Schottky-barrier IR-CCD for SWIR applications at intermediate temperatures" // IEEE Electron Device Lett., v. EDL-3, 1982, p. 89-90

9. Tower J.R., Cope A.D., Pellon L.E., McCarthy B.M., Strong R.T., Kinnard K.F., Moldovan A.G., Levine P.A., Elabd H., Hoffman D.M.,

10. Kramer W.M., Longsderff R.W., Kennerly R.E. and Calvine W.M., "Development of multispectral detector technology" // Proc. SPIE, v. 570, 1985, p. 172-183

11. Tower J.R., Pellon L.E., McCarthy B.M., Elabd H., Moldovan A.G., Kosonocky W.F., Kakshoven J.E. and Tom D., "Shortwave infrared 512 x 2 line sensor for earth resources applications" // IEEE Trans. Electron Devices, v. ED-32, 1985, p. 1574-1583

12. Sauer D.J., Shallcross F.V., Hsueh F.L., Meray G.M., Levine PA., Gilmartin H.R., Villani T.S., Esposito B.J. and Tower J.R., "640x480 MOS PtSi IR sensor" // Proc. SPIE, v. 1540, 1991, p. 285-296

13. Gates J.L., Connelly W.G., Franklin T.D., Mills R.E., Price F.W. and Wittwer T.Y., "488 x 640-element platinum silicide Schottky focal plane array" // Proc. SPIE, v. 1540, 1991, p. 262-273

14. Pellegrini P.W., Golubovic A. and Ludington C.E., "A comparison of iridium silicide and platinum silicide photodiodes" // Proc. SPIE, v. 782, 1987, p. 93-98

15. Рюхтин В. В., Добровольский Ю. Г., Шимановский А. Б., "Кремниевые р-п-фотодиоды для ультрафиолетовой области спектра" // ТКЭА, № 4-5, 2001, с. 44-46

16. Ascheulov A. A., Godovanjuk V. M., Dobrovolsky Yu. G. and oth., "Silicon р-г'-я-photodiode with little value of dark proceed" // SPIE, v. 3890, 1999, p. 119-124

17. Астахов В. П., Гиндин Д. А., Карпов В. В., Сорокин К. В., "О влиянии сопротивления поверхностного канала на темновой ток квадрантных p-i-n фотодиодов на кремнии" // Прикладная физика, №2, 1999, с. 79-85

18. Pecz В., "Contact formation in SiC devices" // Appl. Surf. Sci., v. 153, 2001, p. 1-8

19. La Via F., Roccaforte F., Makhtari A., Raineri V., Musumeci P., Calcagnom L., "Structural and electrical characterization of titanium and nickel silicide contacts on silicon carbide" // Microectron. Eng., v. 60, 2002, p. 269-282

20. Defives D., Durand O., Wyczick F., Noblanc O., Brylinski C., Meyer F., "Electrical behavior and microstructural analysis of metal Schottky contacts on 4H-SiC" // Microectron. Eng., v. 55, 2001, p. 369-374

21. Афанасьев А.В., Ильин B.A., Коровкина H.M., Савенко А.Ю., "Особенности технологий и свойств фотодетекторов на основе структур металл пористый карбид кремния" // Письма в ЖТФ, том 31, вып. 15, 2005, с. 1

22. Рогальский А., "Инфракрасные детекторы" // Пер. с англ. под ред. А.В.Войцеховского, Новосибирск: Наука, 2003, 636 с.

23. Носов Ю.Р., Шилин В.А., "Полупроводниковые приборы с зарядовой связью" // М.: Сов. радио, 1976, 280 с.26