CC BY
154
УДК 66.088
ФОРМИРОВАНИЕ БАРЬЕРОВ ШОТТКИ НА КРЕМНИИ л-ТИПА МЕТОДОМ LCVD
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Максим Викторович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Валерий Андреевич Райхерт
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Барьер Шоттки формируется на поверхности кремниевой подложки n-типа импульсным LCVD из паров металлоорганического соединения. Приведены характеристики экспериментальных образцов диодов. Обсуждаются вопросы применения лазерно-пиролитических методов при создании структур детекторов излучений терагерцового диапазона спектра.
Ключевые слова: барьер Шоттки, импульсный LCVD, металлоорганическое соединение, детектор излучения, терагерцовый диапазон спектра.
THE CREATION OF SCHOTTKY BARRIER ON л-Si BY LCVD METHOD
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
Maksim V. Kuznetsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., technician of Physics department, tel. (383) 361-08-36, e-mail: [email protected] Valery A. Reichert
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineer of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry M. Nikulin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: [email protected]
The Schottky barrier are forming on surface of n-Si substrate by pulsed LCVD from metal-organic compound vapor. The properties of diode's operative embodiments are showed. The questions of using laser-pyrolytic methods for creation of terahertz spectral range radiation detector's structures are discussed.
Key words: Schottky barrier, pulsed LCVD, metal-organic compound, radiation detector, terahertz spectral range.
Приёмники излучений субмиллиметрового и дальнего ИК излучения на основе диодов на барьере Шоттки относятся к одним из перспективных благодаря своей высокой критической частоте. Созданы и широко применяются детекторы излучений миллиметрового диапазона электромагнитных колебаний, разработаны основы теории диодов Шоттки и технологии изготовления детекторов на их основе [1]. В работе [2] представлены результаты разработки терагерцового матричного формирователя видеосигналов, использующего диоды Шоттки и работающего на частоте 0,86 ТГц. При изготовлении матрицы применена КМОП-технология с 0,13 мкм топологической нормой. Приёмник содержит один пиксель, для получения картинки необходимо сканирование. Детектирующим элементом формирователя видеосигналов является диод Шоттки, соединённый с внутрипиксельной антенной.
Имеется патентная информация по детекторам Шоттки для терагерцового диапазона спектра [3,4,5].
Традиционно используемые методы получения переходов «металл -полупроводник» [1] являются многоступенными, включают этапы подготовки поверхности полупроводника к нанесению плёнок путём её отмывки и обработки в вакууме, например, ионной очисткой, нанесение плёнок напылением в вакууме, литографические процессы для получения топологических структур необходимой конфигурации.
Представленная в настоящем сообщении методика формирования барьеров Шоттки путём нанесения тонкой плёнки материала металлического электрода диода на поверхность полупроводника основывается на технологии лазерно-пиролитического осаждения металлов на поверхность подложки из парогазовой фазы (LCVD) [6].
Особенностью выпрямляющих контактов «металл - полупроводник», отличающих их от р-п-переходов, является отсутствие инжекции неосновных носителей в полупроводник при прямых напряжениях.
Таким образом, в диоде Шоттки отсутствуют накопление неосновных носителей заряда в областях диода при прямом напряжении и рассасывание этого заряда при изменении знака напряжения. Это улучшает быстродействие диода, т. е. частотные и импульсные свойства. В целом вольт-амперная характеристика контакта с барьером Шоттки в широких пределах изменения тока соответствует характеристике типа
I = 10 [ехр(еи / аШ)-1],
где а - коэффициент «неидеальности» перехода, и - напряжение на диоде, k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура диода.
При обратном смещении ток через контакт обычно увеличивается с ростом напряжения.
Во многих случаях контакты получают напылением в вакуумных установках [1]. Перед напылением поверхность полупроводника часто подвергают травлению, и тогда на ней неизбежно остаётся тонкий окисный слой толщиной (1-2) нм; коэффициент неидеальности может быть существенно больше единицы. При изготовлении диодов с помощью высокочастотного ионного распыления (очистка кремния перед нанесением металла) их характеристики оказываются почти идеальными.
В ряде случаев используют химическое и электролитическое нанесение металла, также с получением высокой степени идеальности.
Важным элементом технологии является тепловая обработка изготовленных переходов. Рекомендуется во избежание нарушения границы «полупроводник - металл» не производить нагревание выше температуры образования эвтектики сплавов металл полупроводник. Опасна миграция атомов полупроводника в металл, которая может происходить при температурах существенно ниже эвтектических.
Большинство металлов, включая все переходные, образуют силициды при образовании переходов «металл - кремний» и нагревании. Эти соединения могут образовываться в твёрдой фазе при термодинамических температурах в интервале приблизительно от одной трети до половины температуры плавления данного металла. Благодаря металлической проводимости силицидов контакт с ними полупроводника ведёт себя подобно контакту «металл - полупроводник». Поверхность раздела «силицид - полупроводник» формируется на некотором удалении от поверхности металла, она не содержит поверхностных загрязнений и очень стабильна, контакты обычно имеют высокую степень идеальности.
В качестве контактных металлов при образовании переходов с кремнием использовались алюминий, золото, платина, вольфрам, никель, родий, гафний, и др.
Исследуемый импульсный наносекундный метод LCVD получения барьеров Шоттки является одноступенным. Металл осаждается на подложку локально в пределах пятна лазерного излучения, при этом поверхность подложки на переднем фронте лазерного импульса за счёт теплового воздействия излучения в течение долей наносекунды термически отжигается и очищается от легколетучих загрязнений и примесей [6], затем в ходе того же импульса происходит лазерно-пиролитический процесс осаждения атомов металла на поверхность; облучение импульсно-периодическое, и на следующих импульсах процессы повторяются. Предполагается, что такое сочетание в одном цикле технологии операций очистки поверхности и нанесения на поверхность материала электрода может обеспечить повышенную степень химической чистоты перехода металл-полупроводник и высокие электрофизические параметры перехода.
В основе разработанной методики лежит использование технологической лазерной установки [6]; в качестве материала диодного электрода используется переходный металл - рений. Процесс лазерного осаждения проводится в вакуумной камере при давлении паров декакарбонила дирения порядка (1-10) Па (температура вакуумной камеры (50-80) °С). Схема камеры показана на рис. 1, а, где: 1 - вакуумная камера, 2 - образец, 3 - порошок карбонила, 4 - прозрачное окно ввода излучения, 5 -объектив лазерной установки, 6 - штуцер вакуумной откачки камеры, 7 -уплотнительное кольцо.
а б
Рис. 1. Формирование электродов диодов Шоттки методом LCVD:
а - конструктивная схема реакционной камеры; б -микрофотография участка кремниевой подложки с нанесённым островком плёнки рения
Подложкой является пластинка, вырезанная из монокристаллического кремния марки КЭФ-0,3; пиролитическое осаждение производится после откачки камеры форвакуумным насосом до остаточного давления порядка 1 Па и нагревания камеры внешним электрическим нагревателем до необходимой температуры. Излучателем является азотный лазер с длиной волны излучения = 337 нм, длительностью импульса 6 нс, частотой импульсов 1000 Гц, мощностью в импульсе до 10 кВт.
Используется объектив с фокусным расстоянием 16 мм. При осаждении подбирается оптимальное значение интенсивности излучения в облучаемой
7 2
области на подложке в диапазоне значений (1-3)10' Вт/см , температура поверхности кремния вовремя импульса порядка 500 °С. Размер облучаемой области 20^20 мкм, определяется размером маски, устанавливаемой по ходу лазерного луча. Длительность процесса осаждения составляет около минуты, толщина наносимой плёнки - (0,1-0,3) мкм. Микроснимок области подложки с нанесённым рением показан на рис. 1, б.
При изготовлении экспериментальных образцов одновременно с диодом Шоттки на кремниевой подложке формировался прототип встроенной в чип микроантенны планарного типа. Планарная антенна имеет лепесток диаграммы направленности, ориентированный по нормали к поверхности. При создании приёмников изображения, матрица чувствительных элементов которых располагается в фокальной плоскости объектива оптической системы, предпочтительным может стать вариант планарной антенны; при создании детекторов систем широкополосной связи выбор может быть в пользу антенны - столбика.
Схематичное изображение структуры прототипа планарной антенны показано на рис. 2.
Рис. 2. Прототип планарной антенны:
а - структура встроенной четвертьволновой несимметричной микроантенны; б -схема расположения микроантенн и контактных площадок на поле приёмника изображений.
1 - электрод диода Шоттки, 2 - микроантенна, 3- полупроводниковая подложка п -типа, 4 - слой изолятора, 5 - контактная площадка, 6 - четвертьволновый трансформатор
Изготовление полосковых планарных антенн и электрода диода Шоттки совмещены в одном технологическом процессе лазерно-пиролитического нанесения плёнок.
Площадь электрода экспериментального образца диода 25*25 мкм, длина и ширина полоски прототипа антенны 50 мкм и 10 мкм.
Вольт-амперная характеристика диода приведена на рис. 4. ВАХ имеет обычный для диодов вид; обратная ветвь характеристики снималась при напряжении до -1 В, измеренные токи менее 0,1 мкА; прямые токи до 2,2 мкм при напряжении до +1 В. Сплошная кривая представляет собой математическую функцию, выписанную в верхней части графика.
Таким образом, показано, что лазерно-пиролитическая технология может быть применена при создании детекторов терагерцового диапазона спектра электромагнитных волн, представляющих собой структуру расположенных на одном чипе диодов Шоттки и внутрипиксельных антенн.
Рис. 4. Вольт-амперная характеристика диода Шоттки, полученного лазерно-пиролитическим осаждением плёнки металлического рениевого анода на кремний КЭФ 0,3
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. - М.: Радио и связь, 1982. - 209 с.
2. A lkPixel CMOS Camera Chip for 25fps Real-Time Terahertz Imaging Applications / Sherry H. et al. // Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers (ISSCC), 2012 IEEE International, 19-23 Feb. 2012, San Francisco, CA. - P. 252-254.
3. Детектор для детектирования электромагнитных волн. US Patent 20110248724 A1. 07.08.2002.
4. Интегральный дипольный детектордля микроволновых приёмников изображения. US Patent 6545646 В1, Апр. 8, 2003.
5. Диод с барьером Шоттки. US Patent 20050179106 A1. Авг. 18, 2005
6. Чесноков В. В., Резникова Е. Ф., Чесноков Д. В. Лазерные наносекундные микротехнологии: монография / Под общ. ред. Д. В. Чеснокова. - Новосибирск: СГГА, 2003. - 300 с.
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, М. В. Кузнецов, В. А. Райхерт, Д. М. Никулин, 2014
