Разработка пои с внутренним инжекционным усилением тока на основе поликристаллического кремния Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Алиев Райимжон Усмонович, Рахимов Неъматжон Рахимович, Алиев Сухроб Райимжонович, Кутенкова Елена Юрьевна

В статье рассмотрены методы разработки ПОИ с внутренним инжекционным усилением тока на основе поликристаллического кремния . Доказано, что реальная возможность, изготовления инжекционного ПОИ с коэффициентом усиления

DEVELOPMENT OF OPTICAL DETECTORS WITH INNER INJECTION CURRENT AMPLIFICATION ON THE BASIS OF POLYSILICON

Techniques for the development of optical detectors with inner injection current amplification on the basis of polysilicon are considered. The possibility of producing optical detectors with current amplification

Текст научной работы на тему «Разработка пои с внутренним инжекционным усилением тока на основе поликристаллического кремния»

РАЗРАБОТКА ПОИ С ВНУТРЕННИМ ИНЖЕКЦИОННЫМ УСИЛЕНИЕМ ТОКА НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Райимжон Усмонович Алиев

Узбекистан, Андижанский государственный университет им. З.М. Бабура, доктор технических наук, профессор, 770100, ул. Университетская 129, тел. 8(374)225-05-09, факс:8(374)222-18-63, е-mail: alievuz@rambler.ru

Неъматжон Рахимович Рахимов

ФГБОУ ВПО «СГГА», доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий, 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail: n_rah@ngs.ru

Сухроб Райимжонович Алиев

ФГБОУ ВПО «СГГА», кафедра «Наносистем и оптотехники», ИОиОТ, магистрант, 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, тел. +7(383)344 40 58, факс +7(383)344 40 58, e-mail: Suhrob_asr89@yahoo .com

Елена Юрьевна Кутенкова

ФГБОУ ВПО «СГГА», доцент кафедры ТОП ИОиОТ, 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, тел. +7(383)361-07-79, факс +7(383)344-40-58, e-mail: kutenkova.elena@yandex.ru

В статье рассмотрены методы разработки ПОИ с внутренним инжекционным усилением тока на основе поликристаллического кремния. Доказано, что реальная возможность, изготовления инжекционного ПОИ с коэффициентом усиления

Ключевые слова: приемники оптического излучения (ПОИ), поликристаллический кремний, температурная обработка, энергетические уровни.

DEVELOPMENT OF OPTICAL DETECTORS WITH INNER INJECTION CURRENT AMPLIFICATION ON THE BASIS OF POLYSILICON

Rayimjohn U. Aliyev

Ph.D., Prof., 129 Universitetskaya St, 770100 Andijan, Z.M. Babur Andijan State University, Uzbekistan, phone: 8(374)225-05-09, fax:8(374)222-18-63, е-mail: alievuz@rambler.ru.

Neymatjohn R. Rakhimov

Ph.D., Prof., department of special devices and technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: n_rah@ngs.ru

Sukhrob R. Aliyev

A post-graduate student, department of nanosystems and optotechnics, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: Suhrob_asr89@yahoo.com.

Elena Yu. Kutenkova

Assoc. prof., department of optical production technologies, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo st., 630108, Novosibirsk, phone: +7(383)361-07-79, fax +7(383)344-40-58, e-mail: kutenkova.elena@yandex .ru.

Key words: optical detectors, polysilicon, thermal treatment, energy levels.

Полупроводниковые приемники оптического излучения (ПОИ) имеют существенные преимущества для создания оптоэлектронных датчиков существующих по классификации ПОИ, приведенной в [1]. Наиболее дешевыми и простыми по изготовлению различных конфигураций таких ПОИ, являются кремниевые фоторезисторы. Основным недостатком фоторезистора является их инерционность и нелинейности характеристики. Для повышения быстродействия ПОИ, изготовлены диодные структуры, которые можно использовать на фотодиодном или фотовентильном режиме. Такие структуры имеют высокую стабильность и большой диапазон линейности характеристик, проявляют повышенную фоточувствительность в длинноволновой области спектра. Наряду с такими преимуществами диодные ПОИ, имеют ряд недостатков, именно - большие обратные токи в отсутствии излучения, сдвиг напряжения и избыточный шум при освещении.

Для устранения этих недостатков в данной работе рассмотрена возможность разработки инжекционных ПОИ на основе структур пленочного поликристаллического кремния (ПК). Известно, что границы зерен (ГЗ) в ПК характеризуются плотностью поверхностных состояний (ПС), специфическим спектром глубоких энергетических уровней в запрещенной зоне и степенью их заполнения зарядами.

Высокотемпературные обработки, являющиеся неизбежными в процессе изготовления приборов электронной техники, приводят к изменению всех трех вышеуказанных характеристик ГЗ. Авторами работы [2, 3] были исследованы процессы переноса носителей заряда в пленочных ПК структурах при формировании в них р-«-перехода методами, различающимися условиями высокотемпературных операций. В исследуемых структурах базовый «-слой с удельным сопротивлением р

0,1 Омхсм и толщиной 40 мкм был получен водородным восстановлением тетрохлорида кремния при температуре Т = 300

С в вертикальном реакторе на « -подложке из металлургического кремния с удельным сопротивлением р

0,01 Ом*см. Размеры зерен в ПК подложке составляли > 300 мкм, а выращенный «-слой повторял структуру подложки, и размеры зерен в нем колебались в пределах 300 ^ 2000 мкм. Формирование р+-«-перехода осуществлялось термодиффузией бора на глубину

1,5 мкм при температуре 1100 °С. Уровень легирования р+-слоя контролировался

поверхностным сопротивлением R0

50±5 Ом/квадрат. На полученных

структурах с размерами 5*5, 2*2, 1Х1 мм в идентичных условиях формировали

омические контакты к п+ - и ^-областям и проводили термостатированные измерения темновых вольт-амперных характеристик (ВАХ) и вольт-емкостных

характеристик (ВЕХ) на частоте f = 100 кГц.

Из темнового ВАХ р -п-п -структуры площадью 5*5 мм с р-п-переходом

следует, что в области смещений 20 < qU/kT < 5 в пропускном направлении у образца имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС). Наблюдаемый эффект обусловлен, очевидно, следующим: в пленочных ПК структурах р-п-переход шунтируется дополнительным п+-каналом, образующимся на ГЗ за счет сегрегации примеси фосфора, которой легирован п-слой, на высокотемпературной операции создания р-п-перехода. Это происходит потому, что, во-первых, коэффициент с генерации бора в кремнии в 2^3 раза выше, чем у фосфора, и, во-вторых, коэффициент диффузии фосфора по ГЗ в 3,5^3,8 раза превышает значения, характерное для объема, т.е. внутри зерна [4].

При небольших величинах приложенного напряжения сопротивление этого канала намного меньше сопротивления р-п-перехода и ток протекает преимущественно по ГЗ. Немаловажную роль при этом играют ПС -электронные ловушки на ГЗ в п-слое. Высокотемпературная обработка приводит к увеличению степени заполнения ПС, что сопровождается увеличением объема области обеднения вплоть до размеров, сопоставимых с объемом зерна. В такой ситуации с ростом подаваемого напряжения уменьшается концентрация носителей заряда в объеме полупроводника за счет их эксклюзии, а дифференциальное сопротивление р-п-перехода возрастает.

С ростом общего тока через ПК р+-п-п+-структуру сопротивление р-п-перехода уменьшается и происходит перераспределение токов, протекающих по каналу на ГЗ и через р-п-переход. Это сопровождается резким увеличением инжекции носителей заряда в п-слой, и возникающая положительная обратная связь по току создает условии роста проводимости п-слоя с увеличением тока. В резулътате на ВАХ исследуемой структуры образуется участок с ОДС в прямом направлении смещения.

Известны различные модели возникновения ^-образной ВАХ диодных структур, основной из которых объясняет этот эффект увеличением времени жизни инжектированных носителей заряда в компенсированном глубокими примесными центрами полупроводнике. Предполагалась, что и в исследуемых структурах имела место диффузия примесей, дающих глубокие уровни, из п+-подложки в п-слой. Поэтому проводились измерения ВЕХ структур в диапазоне

температур 77 ^ 300 К. Результаты указали на отсутствие или, по крайней

мере, незначительную концентрацию глубоких примесных центров (ЫГ< 10 см'3). Обнаруженный непрерывный спектр уровней в интервале энергии Ес - Е = -0,2 МэВ, связанный наряду с примесными уровнями и с ПС на ГЗ и комплексами дефектов на них, безусловно указывает на их возможный вклад в формирование механизма переноса носителей заряда в пленочных ПК структурах. Однако основной причиной возникновения S-образной ВАХ, по нашему мнению, является шунтирующие р-п-переход каналы на ГЗ.

Структуры с диффузионным ^-«-переходом, имеющие напряжение включения ив0 < 1,2 В в прямом направлении освещали белым светом со стороны перехода и измеряли ВАХ в прямом и обратном направлениях при температуре окружающей среды 30 °С. Образцы имели фоточувствительность в участке ВАХ и<ив0 в прямом направлении. Однако инжекционное усиление фототока практически не наблюдалось. Для достижения этого необходима еще модуляция проводимости «-базы структуры, которая возможна только при ее высоком сопротивлении и толщине, намного превышающей диффузионную длину носителей заряда ^ >> L).

Возможность контролирования 5-образной ВАХ позволяет создать инжекционные приборы. Поэтому представлял интерес проведение экспериментального исследования радиационно-стимулированных процессов переноса заряда в пленочных ПК р+-п-п+-структурах.

Для достижения этой цели использовано облучение исследуемых структур непрерывным потоком а-частиц с энергией Е = 5 МэВ и

плотностью j = 10 ^10 см' с .

Как показывают эксперименты, ВАХ структур резко изменяется с повышением дозы (Ф) а-облучения. Постепенное снижение прямого темнового тока в области и< ив0 сопровождается быстрым ростом темнового напряжения включения ив0 при повышении дозы облучения (табл. 1), что свидетельствует о достижении условий компенсирования базы. На рис. 1 приведены прямые ветви

ВАХ образца (5^5 мм ), подвергнутого облучению а-частицами с дозой 10 см , измеренные в отсутствии освещения (кривая 1) и при освещении плотностью Р0

100 мВт/см (кривая 2). Фоточувствительность структуры улучшается по мере возрастания ив0 (табл. 1). Следовательно, возрастает коэффициент усиления фототока, определяемый как М = 1Ф / 1ФО -отношение фототока 1Ф = I -1Т (I- полный и 1т-тем новой токи) при 0<и<иво к фототоку 1ФО при обратном и<0. рост значения М с возрастанием и можно выразить приближенным соотношением Миллера для лавинного умножения фототока [2]:

Показатель степени п у исследуемых структур относительно невысок и составляет 0,01^0,02, что резко отличает их от лавинных фотодиодов, в которых п>1.

Освещение структуры приводит к снижению напряжения включения от значения ив0 до иВФ (иВФ - напряжение включения при освещении), причем, чем больше интенсивность освещения, тем больше разница ив0 - и ВФ Для структуры, ВАХ которой показана на рисунке ив0=45,5 В, а иВФ=23,8 В имеется критическое значение плотности освещенности, т.е. уровня фотогенерации GКР, при котором ^-фотодиод переходит от состояния “А” на включенное состояние “Б”. При снятии освещения структура стабильно остается в режиме включения. Только путем уменьшения напряжения до значения и < иПОР можно вновь переключать ее на состояние “А”. Пороговое напряжение иПОР для исследуемых структур составляет 0,6 ^ 0,8 В. Критическая плотность освещенности или GКР, определяемая величиной ив0 составляет 200 ^ 250 мВт/см для а-облученных структур с ив0 -40^50 В.

Данные структуры являются так называемыми “бистабильными элементами”, управляемыми либо напряжением, либо освещением.

Рис. 1. ВАХ инжекционной р+-п-п+ -структуры без освещения (кривая 1) и ее изменение при освещении белым светом (кривая 2)

Для подтверждения механизма процесса, приводящего к описанным выше эффектам, основанного на шунтировании р-п-перехода вдоль ГЗ и компенсировании базы был проведен термоотжиг (ТО) структур в режимах, снимающих наведенные а-облучением радиационные дефекты. ТО вели при Т = 100^800 °С с продолжительностью 60 мин в вакууме. Показано, что с ростом температуры ТО от 100 до 400 °С наблюдается постепенное уменьшение ив0 в среднем от 45 до 24 В почти без изменения величины темнового тока включения 1В0. Дальнейший рост температуры ТО в диапазоне 400^600 °С приводит к резкому снижению 1В0 почти на порядок с неоднородным изменением ив0, вплоть до его возрастания до 33 В при Т=600 °С. После ТО при Т=800 °С исходная ВАХ с ив0

1,2 В полностью восстанавливается. Другими словами, дефекты вызванные а-облучением, приводившие «-базу в компенсированное состояние полностью могут быть сняты при ТО. Это с одной стороны подтверждает выдвигаемый механизм процесса, а с другой стороны достаточно высокой воспроизводимость технологии получения структур с 5-

образной ВАХ. Основные параметры одного из исследуемых р+-п-п+-структур с

2 2 площадью 5^5 мм и их изменение при а-облучении (Р0=100 мВт/см ).

Ф, см-3 1фо, мА при и<0 М (макс.) 1Т, мА и = 0,3 в 1во, мА и = иво иво, В ивф/иво

109 2,9 2 0,04 0,45 0,9 10

1010 2,4 12 0,14 200 - -

1011 1,7 80 0,35 2,8 6 15

1012 0,7 230 0,01 80 45 45

1013 0,34 235 0,05 88 58 48

Таким образом, на основе ПК р+п-п+-структуры на низкоомных подложках из металлического кремния имеется реальная возможность, изготовления инжекционных ПОИ с коэффициентом усиления

250. Указанные структуры могут быть использованы в качестве бистабильных элементов, фотоключа, фототиристора и как составная часть фототранзистора с одним инжекционным переходом.

1. Исследование кремниевых фотоэлектрических структур в качестве приемника оптического излучения / Р. У. Алиев, Н. Р. Рахимов, Э. К. Мухтаров, Е. Ю. Кутенкова / ГЕО - Сибирь - 2011: сб. материалов VII Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2011», 19 - 29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 204-211.

2. Зайнобиддинов, С. Применение поликристаллического кремния в полупроводниковой микроэлектронике и солнечной энергетике / С. Зайнобиддинов, Р. Алиев // Гелиотехника. - 1998, № 2. - С. 70-75.

3. Алиев, Р. Инжекционное усиление фототока в поликристаллических кремниевых р+-п-п+ структурах // Физика и Техника полупроводников. - 1997. - Том. 31, № 4. - С. 425426.

4. Муминов, Р.А. К диффузии примесей по границам зерен в поликристаллическом кремнии / Р.А. Муминов, Ф.А. Ахмедов, Т.М. Касимова // Гелиотехника. - 1985. - № 1 - С. 67-69.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎