способ изготовления фотодиода на антимониде индия

Формула изобретения

1. Способ изготовления фотодиода на антимониде индия, включающий формирование локального p-n перехода на подложке, формирование защитной диэлектрической пленки анодным окислением в электролите, содержащем 45-55 об.% 0,05 моль/л раствора персульфата аммония в глицерине и 45-55 об.% диметилформамида, проводимым в гальваностатическом режиме по крайней мере в две стадии с уменьшением плотности тока на каждой последующей стадии, нанесение пассивирующей диэлектрической пленки и формирование контактных площадок.

2. Способ изготовления фотодиода на антимониде индия по п.1, отличающийся тем, что анодное окисление проводят в две стадии: на первой при плотности тока 63-77 мкА/см² в течение 85-95 мин, на второй при плотности тока 40-50 мкА/см² в течение 25-35 мин.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, в частности одно- и многоэлементных фотодиодов на антимониде индия (InSb), и может быть использовано при изготовлении линейных и матричных фотодиодов.

Известен способ изготовления фотодиода на антимониде индия, включающий формирование локального p-n перехода на подложке антимонида индия, анодное окисление в электролите с КОН в качестве электропроводной добавки с использованием засветки лампой накаливания для защиты поверхности и формирование контактных площадок (см пат. США №5086328, НКИ 357/30, 1992 г.). Однако полученный данным способом анодный окисел обладает недостаточными защитными свойствами, которые обусловливают низкие значения напряжения пробоя фотодиодов (˜100 мВ и менее) и деградацию со временем определяющих параметров фотодиода-темнового тока и напряжения пробоя, т.е. низкую надежность приборов.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому способ изготовления фотодиода на антимониде индия, включающий формирование локального p-n перехода на подложке антимонида индия, анодное окисление в электролите на основе изопропилового спирта с сернистым натрием (Na₂S) в качестве электропроводной добавки, нанесение пассивирующего диэлектрика и формирование контактной системы, причем анодное окисление ведут в гальваностатическом или вольтстатическом режимах (см. пат. РФ 1589963, МПК 6 Н01L 31/18, 1996 г.). В этом способе обеспечивается повышение пробивных напряжений фотодиодов до 3-5 В, однако их термическая стойкость ограничивается температурой 110-120°С, что является недостаточным для ряда практических применений, в частности, в аппаратуре, подвергаемой эпизодическим или систематическим прогревам.

Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является повышение термической стойкости фотодиодов на InSb.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления фотодиода на антимониде индия, включающем формирование локального p-n перехода на подложке, формирование защитной диэлектрической пленки анодным окислением, нанесение пассивирующей пленки и формирование контактных площадок, анодное окисление проводят в электролите следующего состава:

- 45-55 объемных % 0,05 моль/л раствора персульфата аммония ((NH₄) ₂S₂O₈) в глицерине,

- 45-55 объемных % диметилформамида

в гальваностатическом режиме по крайней мере в две стадии, причем плотность тока уменьшается на каждой последующей стадии. В частном случае двухстадийное анодное окисление проводят на первой стадии при плотности тока 63-77 мкА/см² в течение 85-95 мин, на второй стадии - при плотности тока 40-50 мкА/см² в течение 25-35 мин.

Новым в предложенном способе является то, что нанесение защитной диэлектрической пленки проводят анодным окислением в электролите состава:

- 45-55 объемных % 0,05 моль/л раствора персульфата аммония в глицерине,

- 45-55 объемных % диметилформамида.

Состав электролита выбран следующим образом.

Состав раствора 0,05 моль/л персульфата аммония в глицерине определяется верхним пределом растворимости персульфата аммония в глицерине, который в сочетании с объемным соотношением в составе электролита обеспечивает оптимальную скорость роста пленки.

В качестве основы электролита выбран диметилформамид как сильнейший растворитель органических веществ, обеспечивающий наиболее полную диссоциацию молекул глицерина.

При этом наличие в электролите 45-55 объемных % 0,05 моль/л раствора персульфата аммония в глицерине является также оптимальным для обеспечения роста наиболее совершенного сложного окисла, в котором присутствуют окислы In и Sb, с совершенной границей раздела InSb-пленка, поскольку при значениях меньших 45% велика доля неокисленных участков InSb в пленке, повышающих ее электропроводность, что приводит к росту темнового тока, а при значениях, больших 55%, возрастает плотность поверхностных состояний на границе InSb-пленка, что также увеличивает темновой ток и к тому же снижает напряжение пробоя.

В электролите с использованием персульфата аммония в качестве электропроводной добавки по сравнению с прототипом выделение свободной серы на внешней границе пленки при ее росте маловероятно, в то время как в электролите с Na₂S этот процесс достаточно заметен. Поэтому в случае электролита с Na₂ S в составе окисла и на границе раздела InSb-пленка наряду со связями In-О и Sb-О в большом количестве имеются связи In-S, которые обладают меньшей энергией по сравнению с другими связями. Это и приводит к обеспечению высоких диэлектрических свойств и повышению термической стойкости защитной пленки и границы InSb-пленка, а следовательно, и фотодиода при применении электролита на основе персульфата аммония.

Проведение процесса анодного окисления в гальваностатическом режиме в две или более стадии с уменьшением анодного тока на каждой последующей стадии приводит к уменьшению положительного встроенного заряда и улучшению диэлектрических свойств анодной окисной пленки. Наибольшее значение анодного тока на первой стадии проведения процесса определяет высокую скорость роста пленки. Использование на второй и последующих стадиях все более низких значений анодного тока замедляет нарастание потенциала электрода, снижает вероятность выделения кислорода и сохраняет равномерность распределения реагентов вдоль поверхности анода, за счет чего уменьшается величина встроенного заряда в пленке и повышается равномерность ее состава по поверхности, что в целом улучшает защитные свойства пленки и повышает термическую стойкость фотодиодов с обеспечением высокого уровня значений напряжения пробоя и низких значений темнового тока.

Проведение анодного окисления на первой стадии при плотности тока 63-77 мкА/см² в течение 85-95 мин, а на второй - при плотности тока 40-50 мкА/см² в течение 25-35 мин является оптимальным для формирования защитной пленки, так как при меньших значениях плотности тока и времени напряжение пробоя фотодиода снижается, а при больших - не происходит его заметного изменения.

Получение технического результата подтверждается приведенными на чертеже данными по влиянию температуры прогрева на напряжение пробоя фотодиодов, изготовленных по предложенному способу и способу-прототипу (T_п - предельно допустимая температура прогрева).

Предложенный способ разработан для изготовления фотодиода на InSb. Формирование защитной пленки производилось анодным окислением после формирования локального p-n перехода имплантацией ионов Ве⁺ в подложку InSb n-типа проводимости и термического отжига. Пассивирующая пленка SiO_x и контактные площадки Cr+Au наносились термическим распылением.

Для сравнения влияния прогрева на напряжение пробоя фотодиодов были изготовлены капсулы с кристаллами 64-х элементных фотодиодов с применением предложенного способа и способа-прототипа. Напряжение пробоя фотодиодов определялось из обратных ветвей их вольт-амперных характеристик (ВАХ), измеренных прибором наблюдений характеристик транзисторов ПНХТ-1 при погружении капсулы в жидкий азот. Прогрев осуществлялся выдержкой капсул в течение 2 часов при фиксированной температуре в открытой атмосфере. Начальная температура прогрева составляла 80°С, измерение ВАХ производилось до и после каждого прогрева, последующая температура которого повышалась на 10°С до тех пор, пока не наблюдалась деградация ВАХ. Полученные результаты приведены на чертеже в виде графика зависимости напряжения пробоя фотодиодов от температуры прогрева для предлагаемого способа (кривая 1) и способа-прототипа (кривая 2), которые показывают, что по сравнению с прототипом предложенный способ позволяет повысить термостойкость фотодиодов на 40-50 градусов, а следовательно, и их надежность при сохранении высокого уровня напряжения пробоя.