DE3153186C2

DE3153186C2 - Verfahren zur Herstellung eines Schottky-Sperrschicht-Photodetektors

Info

Publication number: DE3153186C2
Application number: DE3153186A
Authority: DE
Inventors: Gary L. La Verne Calif. Harnagel; Joseph M. San Dimas Calif. Harrison; Gerry T. Placentia Calif. Laga; Victor A. Fairport N.Y. Twaddell
Original assignee: General Dynamics Corp St Louis Mo; General Dynamics Corp
Current assignee: Hughes Missile Systems Co (a Delaware Corp) Can
Priority date: 1980-03-07
Filing date: 1981-02-19
Publication date: 1985-10-10
Also published as: KR830005727A; CH641913A5; JPS6244825B2; KR840001796B1; SE8100885L; IT8147840A0; NL189790C; FR2477779A1; DE3106215C2; ES8206849A1; DE3106215A1; FR2477779B1; NO810570L; PT72551A; DK77181A; NL189790B; SE459055B; IL62119A; DK157584C; AU519933B2

Description

stab möglich. Durch die Kontaktierung des Cadmiumsulfid-Substrats über die auf der Oberseite des Substrats unmittelbar angeordnete IR-Abschirmung wird die Kontaktqualität verbessert.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der Zeichnungen erläutert In diesen sind

F i g. 1 bis 9 eine Reihe von Vertikalschnitten, die verschiedene Stufen des Aufbaus eines nach einer ersten Ausführungsform hergestellten Schottky-Sperrschicht-Photodetektors zeigen,

Fig. 1OA, 1OB ein Vertikalschnitt bzw. eine Draufsicht des fertigen Schottky-Sperrschicht-Photodetektors nach den F i g. 1 — 9, wobei auch die Anbringung der Goldzuleitungsdrähte am Sperrschicht- und am ohmschen Kontakt gezeigt ist,

Fig. 11 ein Vertikalschnitt eines nach einer zweiten Ausführungsform hergestellten Schottky-Sperrschicht-Photodetektors,

F i g. 12 bis 19 Vertikalschnitte, aus denen zusammen mit F i g. 1 und 2 die verschiedenen Stufen des Aufbaus eines nach einer dritten Ausführungsform hergestellten Schottky-Sperrschicht-Photodetektors hervorgeht, und

F i g. 20 ein Vertikahchnitt des vollständig hergestellten Schottky-Sperrschicht-Photodetektors nach den F i g. 1,2 und 12 bis 19, wobei die Anbringung der Goldzuleitungsdrähte am ohmschen und am Sperrschichtkontakt gezeigt ist.

Eine erste Ausführungsform des Verfahrens geht in ihren verschiedenen Fertigungsstufen aus den F i g. 1 bis 9, 1OA und 1OB hervor. Fig. 1OB zeigt dabei den Gesamtaufbau des Photodetektors am besten. Er weist ein Substrat 30 aus Cadmiumsulfid in Form eines flachen Rechteckes mit einer kleinen rechteckigen IR-Abschirmung 32 auf. die unmittelbar auf das Substrat 30 aufgebracht und deren Umriß gestrichelt gezeigt ist. Eine Isolierschicht 34 aus Siliziumdioxid deckt die IR-Abschirmung ab. Eine dünne Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 ist unmittelbar auf das Substrat 30 in einem optisch aktiven zentralen Bereich aufgetragen, den die isolierte IR-Abschirmung 32 umgibt Ein ohmscher und ein Sperrschichtkontakt 38 bzw. 40 berühren die IR-Abschirmung 32 bzw. einen Grenzschichtring 42a (Fig. 10A) auf dem Umfang der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 über separate Fenster in der S1O2- Isolierschicht Wie die F i g. 1OA, 1 OB zeigen, ist der Sperrschichtkontakt 40 im wesentlichen zylindrisch ausgeführt Er verläuft innerhalb eines zentralen Fensters 56 in der Isolierschicht 34 und läßt einen wesentlichen Teil der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 frei. Zwei Ansätze 44 erstrecken sich von gegenüberliegenden Seiten des Crcnzschichtringes 42a weg. Gcldzuleitungsdrähte 46,48 sind an den ohmschen und den Sperrschichtkontakt 38 bzw . 40 angebracht wobei die Zuleitung 48 an einem der Ansätze 44 des Sperrschichtkontakts 40 befestigt ist

Bei dem in den F i g. 10A, 1OB gezeigten Photodetektor handelt es sich um ein mikroelektronisches Bauelement Beispielsweise mißt die Isolierschicht 34 auf einer Seite 0,952 mm, während der offenliegende Teil der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 einen Durchmesser von 0,102 mm haben kann. In sämtlichen Figuren sind die relativen Abmessungen der verschiedenen Schichten verzerrt dargestellt um das Verständnis des Aufbaus der dargestellten Ausführungsformen zu erleichtern. Weiterhin sind in den F i g. 2 bis 9 und 12 bis 19 die einzelnen Schichtkanten im zentralen Fenster 56 nicht durchgezogen, um die Darstellung nicht zu überlasten.

Anhand der Fig. 1 bis 9 und 1OA soll nun die erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der monolithischen Struktur des Schottky-Sperrschicht-Photodetektors erläutert werden.

Eine Vielzahl der Detektoren wird gleichzeitig auf einem einzigen Halbleiterplättchen in einer geeigneten Anordnung — beispielsweise einer 5 · 5-Matrix — hergestellt. Ein Scheibchen geeigneter Dicke — beispielsweise 1 mm — wird von einem Cadmiumsulfid-Einkristallbarren abgeschnitten. Ein solches Material ist als N-dotiert mit einem spezifischen Widerstand von 1 bis 20 Ohm ■ cm, einer Ladungsträgerkonzentration von 10¹⁵ bis 10¹⁶cm~³ und einer Trägerbeweglichkeit von mindestens 200 cm² · v-'s-¹ angegeben. Die bevorzugte Schnittorientierung ist derart, daß die C-Achsen des hexagonalen Kristalls rechtwinklig zur Scheibchenoberfläche liegt, wie in F i g. 1 gezeigt. Dieses Scheibchen aus Cadmiumsulfid bildet das Substrat 30 des Schottky-Sperrschicht-Photodetektors. Im folgenden wird das Bezugszeichen 30 für sowohl das Scheibchen als auch das Substrat verwendet. Das Scheibchen wird zunächst in einer Salzsäurelösung geätzt, um die positiv und negativ orientierte Seite des Scheibchens 30, d. h.

die schwefelreiche und die cadmiumreiche Seite des Sc .eibchens 30 (vgl. F i g. 1) festzulegen.

Dann befestigt man das Scheibchen 30 auf einer Arbeitsvorrichtung und läppt es flach auf eine geeignete Dicke — beispielsweise etwa 0,51 bis etwa 0,76 mm. Die Dicke des Substrats 30 kann auch weit über diesen Bereich hinaus unterschiedlich gewählt werden, ohne die photoelektrischen Eigenschaften des Photodetektors zu beeinträchtigen. Zum Läppen kann das Scheibchen auf einem Läpphalter befestigt und auf eine herkömmliche drehende Läpplaue aus Stahl gespannt werden. Eine Aufschlämmung beispielsweise aus Aluminiumoxidpulver einer Teilchengröße von 5 μίτι in M1CRO-Ö1 Nr. 1 wird in Abständen von 30 s aufgebracht. Man kann das Scheibchen auf beiden Seiten läppen, um parallele Oberflächen zu erhalten. Es wird geläppt, bis die gewünschte Dicke erreicht ist.

Nach dem Läppen wird das Scheibchen 30 mit einem filzartigen Poliertuch auf einem drehenden Rad poliert. Dabei erfolgt die Politur anfänglich mit einem 1 μπι-Diamantpoliermittel, dann zur Endpolitur mit einem ¹A μΐη-Poliermittel. Vorzugsweise reinigt man die zur Politur verwendete Vorrichtung zwischen den Polierschritten, um eine Verschmutzung durch das zuvor verwendete Schleifmittel zu verhindern. Es ist einzusehea daß die verschiedenen Schichten des Detektors nur auf die Oberseite des Scheibchens 30 aufgebracht werden; deshalb braucht das Scheibchen 30 an der Unterseite nicht geläppt oder poliert zu werden.

Zur abschließenden Vorbereitung des Scheibchens 30

verwendet man eine Ätzpolitur, die nicht als Einkristall vorliegendes Cadmiumsulfid von der Scheibchenoberfläche entfernt und dieser eine glatte spiegelartige Qualität erteilt, die im wesentlichen von Fehlerstellen frei ist Ein Rad mit Seitenwänden wird verwendet, das eine Ätzpoliturlösung enthält deren aktiver Bestandteil Salpeter- oder Salzsäure ist Nach dem Ätzpolieren wird das Scheibchen 30 abgespült, gereinigt und getrocknet

Nach der Vorbereitung setzt man das Scheibchen 30 auf einen Träger, bei dem es sich typischerweise um ein Glasplättchen von 25,4 - 25,4 · 0,8 mm³ handelt um seine Handhabung zu erleichtern, und setzt das das Scheibchen 30 tragende Glasplättchen in ein herkömmliches Bedampfungsgerät ein. Nachfolgend wird auf die Aus-

bildung eines einzigen Photodetektors auf dem Scheibchen 30 aus Cadmiumsulfid eingegangen. Es kann jedoch auch eine Vielzahl solcher Photodetektoren gleichzeitig an verschiedenen Stellen auf dem Scheibchen 30 ausgebildet werden.

In der Bedampfungseinrichtung werden verschiedene Materialschichten auf das Substrat 30 aus Cadmiumsulfid aufgebracht, um die IR-Abschirmung 32 (F i g. 2) auszubilden. Die Beschichtungstemperaturen können im Bereich von etwa 2O⁰C bis etwa 275° C liegen, und zwar abhängig von der Art des aufzubringenden Materials. Die IR-Abschirmung wird auf der cadmiumreichen Oberseite des Substrats 30 ausgebildet. Vorzugsweise ist die IR-Abschirmung eine für IR-Strahlung opake Goldschicht 50 zwischen zwei dünnen Schichten 52 eines Haftrnctalls. Die Goldschicht kann etwa 50 run bis etwa 1000 nm dick sein. Ist die Schicht 50 aus Gold, ist sie vorzugsweise etwa 150 nm dick. Das Haftmetall ist vorzugsweise Titan, kann aber auch Aluminium, Magnesium, Zirkon, Hafnium oder Legierungen in verschiedenen Kombinationen dieser Metalle sein. Vorzugsweise befindet sich die Goldschicht zwischen zwei verhältnismäßig dünnen Schichten aus Titan, die jeweils etwa 5 nm bis etwa 500 nm, vorzugsweise jeweils 30 nm dick sind.

Herkömmliche photolithografisehe Verfahren werden verwendet, um die drei Metallschichten, die gemeinsam die IR-Abschirmung darstellen, identisch rechtekkig zu formen und ein erstes rundes zentrales Fenster 54 (Fig.2) herzustellen, d.h. den optisch aktiven Bereich herzustellen, durch den die IR-Strahlung hindurchtreten kann. Nach dem Auslegen der IR-Abschirmung setzt man das Scheibchen in eine Sputterapparatur ein und bringt eine Schicht aus Siliziumdioxid als Isolierschicht 34 (F i g. 3) auf. Die Isolierschicht 34 deckt die IR-Abschirmung 32 ab und kann eine Dicke von etwa 50 nm bis etwa 2000 nm, vorzugsweise etwa 500 nm haben.

Herkömmliche photolithografisehe Verfahren werden eingesetzt, um das gewünschte Isolierschichtmuster herzustellen. Die Isolierschicht 34 (Fig. 10B) ist allgemein rechteckig bzw. quadratisch und enthält ein Seitenfenster 58 und ein zweites zentrales Fenster 56. Das zweite zentrale Fenster 56 (Fig.3) besitzt dieselbe Form und Lage wie das erste zentrale Fenster 54 (F i g. 2) in der IR-Abschirmung 32, ist jedoch geringfügig kleiner als das erste zentrale Fenster 54.

Beide zentrale Fenster 54 und 56 sind rund gestaltet. In den Fig.2 und 3 überlappt die Isolierschicht 34 die Innenkanten der IR-Abschirmung 32 am ersten zentralen Fenster 54 und berührt das Substrat 30. Das Seitenfenster 58 (F i g. 3) der Isolierschicht 34 liegt vom zweiten zentralen Fenster 56 beabstandei und nimmt den ohmschen Kontakt 38 (Fig. 10B) auf. Beim Ätzen der Isolierschicht 34 zur Herstellung des Seitenfensters 58 wird ein kleiner Teil der obersten Schicht 52 entfernt

Beim Sputtern wird die Oberseite des Cadmiumsulfid-Substrats beschädigt, was die Leistungsfähigkeit des Photodetektors beeinträchtigen kann. Diese Beschädigung wird beseitigt, indem man das Scheibchen 30 bei einer geeigneten Temperatur für eine bestimmte Dauer glüht — beispielsweise 15 min bei etwa 275° C.

Nach dem Glühen wird eine dünne Schicht aus Photoresist als Abhebemaske 60 (Fig.4) für die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 aufgebracht Die Abhebemaske 60 deckt das Scheibchen 30 bis auf das zweite zentrale Fenster 56 und auf die innere Schulter 62 der Isolierschicht 34 ab. Um die Abhebemaske 60 auszubilden, kann man eine Photoresistschicht auf die gesamte Scheibchenoberfläche aufbringen und sie dann dort maskieren, wo das Photoresistmaterial verbleiben soll. Dann bestrahlt man den zentralen Teil mit UV-Licht, entwickelt das bestrahlte Photoresistmaterial und löst es chemisch ab, so daß das zweite zentrale Fenster 56 und die innere Schulter 62 freibleiben.

Nach der Ausbildung der Abhebemaske 60 wird das Scheibchen 30 in eine herkömmliche Vakuumapparatur eingesetzt, in der auf die gesamte Oberfläche des Scheibchens (nicht gezeigt) durch Elektronenstrahlbedampfung zwei Metallisierungsschichten aufgebracht werden. Dann löst man die Abhebemaske 60 durch Aufsprühen eines Strahls von Aceton auf die Scheibchenoberfläche ab. Dabei entfernt man auch die beiden Metallisierungsschichten, außer im zentralen Fenster der Photoresist-Abhebemaske. wie in Fig. 5 gezeigt. In Fig.5 ist die untere der beiden Metallisierungsschichten, die teilweise unmittelbar auf dem Substrat 30 aufliegt, die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36. die obere der beiden Schichten die Grenzschicht 42. Es ist wichtig, daß die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 den gesamten offenliegenden Bereich des Substrats 30 im zweiten zentralen Fenster 56 (Fig.4) abdeckt. Daher wird die Abhebemaske 60 so abgegrenzt, daß sowohl das zweite zentrale Fenster 56 als auch die Schulter 62 unbedeckt bleiben. Auf diese Weise erhält man ein Paar ringförmige Schichten 36', 42' (F i g. 5) auf der Schulter 62. Wie im folgenden erläutert, wird der Mittelteil der Grenzschicht 42 weggeätzt und der Randbereich 42a (Fig.9) bleibt zurück, damit die Sperrschicht-Kontaktmetallisierung nicht die Eigenschaften der Schottky-Sperrschicht beeinträchtigen kann, die sich an der Grenze zwischen der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 und dem Substrat 30 bildet.

Die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 läßt sich aus Platin, Gold, Iridium oder Legierungen in verschiedenen Kombinationen dieser Metalle ausbilden. Vorzugsweise ist die Schicht 36 aus Platin hergestellt. Sie muß dünn genug sein, so daß sie für sowohl UV- als auch IR-Strahlung im wesentlichen transparent ist.

Wo die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 aus Platin ausgebildet ist, kann sie eine Dicke von etwa 0,5 nm bis etwa 5 nm, vorzugsweise von 1,5 nm haben. Die Tiefe des Platins wird auf +0,5 nm genau eingestellt; die diesbezüglichen Messungen erfolgen mit einem Talystep-I-Profilometer.

Die Grenzschicht 42 kann aus Gold, Wolfram, Nichrom, Iridium, Rhenium, Paladium, Rhodium oder Legierungen in unterschiedlichen Kombinationen derselben ausgebildet werden. Vorzugsweise besteht die Schicht 42 aus Gold in einer Dicke von etwa 10 nm bis etwa 30 nm. Die Schichter. 36 und 42 dürfen auf keinen Fall aus dem gleichen Material bestehen.

Dann setzt man das Scheibchen 30 erneut in die Vakuumapparatur ein und erwärmt es dort auf eine geeignete Temperatur zwischen etwa 20⁰C und etwa 235° C, abhängig von der Art der eingesetzten ohmschen und Sperrschicht-Kontaktmetallisierung; vorzugsweise erwärmt man auf etwa 175° C. Danach trägt man auf die gesamte Oberfläche des Scheibchens 30 eine Kontakthaftschicht 66 (F i g. 6) in einer Dicke von etwa 5 nm bis etwa 500 nm, vorzugsweise etwa 30 nm auf. Vorzugsweise bildet man diese Kontakthaftschicht 66 aus Titan aus; auch Nichrom, Chrom oder Wolfram sind geeignet Während des Aufenthalts in der Vakuumapparatur wird eine Kontaktrnetallisierung 68 (F i g. 6) auf die gerade aufgebrachte Kontakthaftschicht 66 aufgetragen. Die Kontaktmetallisierung 68 kann aus Gold oder Alumini-

um bestehen. Vorzugsweise besteht die Kontaktmetallisierung 68 aus Gold in einer Dicke von etwa 100 nm bis etwa200nm.

Danach nimmt man das Scheibchen 30 aus der Vakuumapparatur heraus und beschichtet es auf der gesamten Oberfläche mit Photoresist (nicht gezeigt). In dieser Photoresistschicht wird ein geeignetes Umkehrbild hergestellt, so daß ein Paar Kontaktelemente 70,72 (F i g. 7) galvanisch auf das Scheibchen 30 aufgebracht werden kann, um den ohmschen und den Sperrschichtkontakt 38 bzw. 40 herzustellen.

Das Kontaktelement 70 füllt das Seitenfenster 58 vollständig aus und hat Flächen, die mit einem Paar gestufter Schichtteile 68a, 686 der Kontaktmetallisierung 68 verbunden sind. Das Kontaktelement 72 hat unten einen zylindrischen Ansatz, der im zweiten zentralen Fenster 56 sitzt und mit seinen Flächen mit zwei gestuften Schichtteilen 68c, 68c/der Kontaktmetallisierung 68 verbunden ist.

Die Kontaktelemente 70,72 sind aus der gleichen Art Metall wie die Kontaktmetallisierung 68 hergestellt — vorzugsweise aus Gold, das galvanisch aufgebracht wird, bis die gemeinsame Dicke des Kontaktelementes 70 und des Schichtteils 68a bzw. des Kontaktelements 72 und des Schichtteils 68c etwa 5000 nm beträgt.

Nach dieser galvanischen Behandlung entfernt man das Photoresistmaterial und ätzt wie in F i g. 8 gezeigt, diejenigen Teile der Kontaktmetallisierung 68 weg, die nicht unter den galvanisch aufgebrachten Kontaktelementen 70, 72 liegen. Danach ätzt man die nicht unter den Kontaktelementen 70, 72 liegenden Teile der Kontakthaftschicht 66 weg, wie in F i g. 9 gezeigt. Auf diese Weise bleiben der ohmsche und der Sperrschichtkontakt 38 bzw. 40 voneinander isoliert. Betrachtet man F i g. 8 und 9 gemeinsam, ist einzusehen, daß der vollständige ohmsche Kontakt 38 aus den Schichtteilen 66a, 66b. 68a und 686 sowie dem Kontaktelement 70 besteht, und entsprechend der vollständige Sperrschichtkontakt 40 aus den Schichtteilen 66c, 66c/, 68c und 68c/ und dem Kontaktelement 72. Schließlich ätzt man denjenigen Teil der Grenzschicht 42 (F i g. 8) weg, der nicht unter dem Kontaktelement 72 liegt; auf diese Weise wird die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 freigelegt, wie in F i g. 9 gezeigt Der verbleibende Grenzschichtring 42a (F i g. 9) der Grenzschicht überdeckt den Rand der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung und verhindert, daß der Schichtteil 66c der — vorzugsweise aus Titan bestehenden — Kontakthaftschicht 66 die Eigenschaften der zwischen der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 und dem Substrat 30 gebildeten Schottky-Sperrschicht beeinträchtigt. Der Grenzschichtring 42a ist nicht unbedingt erforderlich und kann entfallen, wo die Kontakthaff-chicht 66 aus einem Metall besteht, das keinen ohmschen Kontakt zwischen dem Schichtteil 66c und der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 bildet.

Danach setzt man das Scheibchen 30 mit der Oberseite nach unten auf eine zum Läppen geeignete Arbeitsvorrichtung auf, so daß die unbearbeitete Unterseite des Scheibchens 30 obenliegt Die zuvor auf der Oberseite des Scheibchens 30 aufgebrachten Materialschichten dürfen nicht beschädigt werden. Daher trägt man eine Wachsschicht auf die Vorrichtung auf, so daß der Photodetektor die Metallteile der Läppvorrichtung nicht berühren kann. Die Unterseite des Scheibchens 30 wird nun auf eine geeignete Dicke — beispielsweise 0,15 mm — abgeläppt und dann poliert, wie oben zum Polieren und Läppen der Oberseite beschrieben. Die Unterseite braucht nur geläppt und poliert zu werden, wenn dort Schichten aufgetragen werden sollen — beispielsweise zur Ausbildung ohmscher Kontakte auf der Unterseite des Substrats 30 oder wenn die Anordnung in einem schichtartig aufgebauten Photodetektor verwendet werdensoll.

Weiterhin ist die Enddicke des Substrats 30 nicht kritisch; sie ist nur insofern begrenzt, daß der fertige Photodetektor in Form eines verhältnismäßig flachen Plättchens vorliegen soll.

Nachdem man die Unterseite des Scheibchens 30 geläppt und poliert hat, nimmt man das Scheibchen 30 aus der Arbeitsvorrichtung heraus und reinigt und trocknet es. Dann prüft man den Photodetektor auf Feinstlöcher in der IR-Abschirmung 32 Derartige Feinstlöcher sind unerwünscht, da sie uas Hindurchtreten von außen kommender Strahlung durch das Substrat 30 auch anderswo als im zweiten zentralen Fenster 36 gestatten, wodurch aber die Funktion eines IR-Fühlers, der sich unter dem Substrat 30 befindet, gestört werden würde, wenn der Photodetektor Teil eines UV/IR-Schichtaufbaus ist.

Man legt nun das Scheibchen 30 auf ein Podest auf und zerteilt es mit einer geeigneten Säge und Schleifmittelaufschlämmung zu einzelnen Detektoren. Die Säge hat geeigneterweise eine Klinge m^;t einem Durchmesser von etwa 0,13 mm. Die Schleifmittelauf schlämmung kann aus 5 μηι-ΑΙυπιϊηΐυπιοχίαρυΙνβΓ in Glycerol ui,a Wasser bestehen.
Schließlich bringt man die Gold-Zuleitungsdrähte 46, 48(Fi g. 10A) an dem ohmschen und dem Sperrschichtkontakt 38 bzw. 40 durch Thermo-Kompression im Wärmeschall-Verbindungsverfahren an. Geeignete Geräte gestatten eine Anbringung der Gold-Zuleitungsdrähte auf diese Weise mit hoher Geschwindigkeit. Das Herstellen der Verbindung mit hoher Geschwindigkeit wird dadurch erleichtert, daß sowohl der ohmsche als auch der Sperrschichtkontakt 38 bzw. 40 sich auf Epoxyharz zum Festlegen der Kontakte ist nicht erforderlich. Das Thermokompressions-Verfahren führt zur Ausbildung von Nagelköpfen 74 an den Enden der Zuleitungsdrähte, die fest mit den Gold-Kontaktelementen 70, 72 verbunden sind (sofern Gold für die Kontaktmetallisierung eingesetzt wurde). In F i g. 1OA sind die Aufrißkonturen der Schichten 42a, 66c und 68c um das zweite zentrale Fenster 56 herum durchgezogen dargestellt.

Der Aufbau der verschiedenen Schichten des Photodetektors ergibt die Ausbildung einer kompensierten Schicht 76 (Fig. 10A) an der Oberseite des Substrates 30, deren untere Grenzebene in Fig. 1OA gestrichelt gezeigt ist Diese kompensierte Schicht 76 bildet einen Lawinenbereich, der den Photodetektor schützt, sollte die anliegende Spannung zu hoch werden — beispielsweise wenn statische Elektrizität sich von einer Person in die Anordnung über mit ihr verbundene Kontakte — beispielsweise Sonden usw. — entladen. An einem ungeschützten Photodetektor kann in diesem Fall eine Potentialdifferenz von mehreren hundert Volt über die Isolierschicht 34 auftreten, die zu einem dielektrischen Durchbruch der Isolierschicht 34 führt und den Photodetektor permanent beschädigen kann. Die kompensierte Schicht 76 erlaubt dem elektrischen Feld im Substrat 30, sich schneller aufzubauen als in der Isolierschicht 34. Übersteigt das elektrische Feld im Substrat 30 einen bestimmten Schwellwert, bildet sich im HaIbleitersubstrat infolge eines Lawineneffekts ein Leitungspfad. Entlädt das Potential sich, findet kein Stromfluß mehr statt, der Photodetektor kann keinen permanenten Schaden nehmen.

Aus F i g. 11 geht eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Schottky-Sperrschicht-Photodetektors hervor, dessen oberer Teil dem nach der ersten Ausführungsform des Verfahrens hergestellten Schottky-Sperrschicht-Photodetektor nach Fig. 1OA entspricht. Der untere Teil des Schottky-Sperrschicht-Photodetektors nach Fig. 11 ist ein IR-Fühler 78 in Form einer geeigneten PN-Sperrschicht-Photodiode. Eine geeignete Diode verwendet Indiumantimonid-Halbleitermaterialien. Vorzugsweise ist der IR-Fühler 78 eng beabstandet zur Unterseite des Schottky-Sperrschicht-Photodetektors angeordnet. Mit anderen Worten: die P- und N-Halbleitermaterialien, die den IR-Fühler 78 bilden, sind nicht unmittelbar mit der Unterseite des Cadmiumsulfid-Substrats 30 des SchoUky-Sperrschichl-Photodeteklors verbunden. Die IR-Abschirmung 32 des Schottky-Sperrschicht-Photodetektors verläuft vorzugsweise über die Seitenkanten des IR-Fühlers 78 hinaus, so daß dieser Fühler IR-Strahlung nur durch das zweite zentrale Fenster 56 des Schottky-Sperrschicht-Photodetektors hindurch aufnimmt.

Siliziumdioxid zeigt auf einigen Cadmiumsulfid-Oberflächen bekanntlich schlechte Bindeeigenschaften. Die dritte Ausführungsform des Verfahrens, die aus den Fig. 12 bis 20 hervorgeht, überwindet dieses Problem und gewährleistet dadurch die Zuverlässigkeit der Isolierschicht 34. In den F i g. 1 bis 20 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, sofern nicht anders angegeben. Die anfänglichen Schritte bei der dritten Ausführungsform des Verfahrens sind die gleichen, die oben in bezug auf die F i g. 1 und 2 erläutert worden sind. Nachdem die IR-Abschirmung 32 ausgebildet worden ist, setzt man das Scheibchen 30 in eine Sputterapparatur ein, in der man es vorwärmt und dann eine erste, verhältnismäßig dünne Schicht 80 aus Siliziumdioxid (F i g. 12) in einer Dicke von etwa 100 nm aufbringt, so daß sie die gesamte Oberfläche des Scheibchens 30 bedeckt.

Diese erste Schicht 80 wird dann nach photolithografischen Verfahren so gemustert, daß der erste Fensterteil 56' entsteht, wie oben im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist. Auch hier beseitigt man beim Sputtern auf dem Cadmiumsulfid-Substrat 30 entstehende Schaden durch etwa 15minütiges Glühen des Scheibchens 30 bei einer Temperatur von etwa 275° C.

Nach dem Glühen bringt man die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung 36 sowie die Grenzschicht 42 auf bzw. grenzt sie ab, wie in F i g. 13,14 gezeigt, wobei die Verfahrensschritte den im Zusammenhang mit den F i g. 4,5 erläuterten entsprechen.

Danach setzt man das Scheibchen 30 erneut in die Sputterapparatur ein und bringt auf die erste Schicht 80 aus Siliziumdioxid eine zweite, verhältnismäßig starke Schicht 82 aus Siliziumdioxid (Fig. 15) zu einer Dicke von etwa 400 nm auf. Wiederum verwendet man photolithografische Verfahrensweisen, um die zweite Schicht 82 aus Siliziumdioxid abzugrenzen und um so das zweite zentrale Fenster 56 und das Seitenfenster 58 herzustellen. In diesem Fall wird jedoch die zweite Schicht 82 aus Siliziumdioxid so abgegrenzt, daß man einen geringfügig kleineren zweiten Fensterteil 56" mit einer aktiven Fläche erhält, die geringfügig kleiner als die des ersten eingeätzten Fensterteils 56' der ersten Schicht 80 aus Siliziumdioxid ist Der zweite Fensterteil 56" besitzt dieselbe Form und Lage wie der erste Fensterteil 56', ist aber geringfügig kleiner und bildet zusammen mit dem ersten Fensterteil 56' das zweite zentrale Fenster 56. Mit einem einzigen Ätzschritt beseitigt man Teile der ersten und der zweiten Schicht 80 bzw. 82 sowie der oberen der Schichten 52, um das Seitenfenster 58 herzustellen.

Die Kontakthaftschicht 66 und die Kontaktmetallisierung 68 werden auf das Scheibchen 30 (F i g. 16) so aufgebracht, wie im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform des Verfahrens anhand von F i g. 6 beschrieben worden ist. Die Kontaktelemente 70, 72 erzeugt man galvanisch, wie in Fig. 17 gezeigt. Entsprechend der ersten Ausführungsform des Verfahrens ätzt man diejenigen Teile der Kontaktschichten 66,68 nacheinander weg, die nicht unter den Kontaktelementen 70, 72 liegen (vgl. Fig. 18, 19). Auf diese Weise werden der ohmsche und der Sperrschichtkontakt 38 bzw. 40 voneinander isoliert. Wie F i g. 19 zeigt, ätzt man den freiliegenden Teil der Grenzschicht 42 im zweiten zentralen Fenster 56 weg, so daß der Grenzschichtring 42a zurückbleibt.

Schließlich befestigt man, wie in Fig. 20 gezeigt, die Gold-Zuleitungdrähte 46, 48 am ohmschen und am Sperrschichtkontakt 38 bzw. 40 des Thermo-Kompression oder im Wärmeschall-Verbindungsverfahren, wie in der ersten Ausführungsform des Verfahren. Die Behandlung der Unterseite des Scheibchens 30, das Aufteilen des Scheibchens 30 zu einzelnen Photodetektoren und das abschließende Testen jedes einzelnen Photodetektors können dann so erfolgen, wie oben im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform des Verfahrens zusammenfassend dargestellt ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Schottky-Sperrschicht-Photodetektors, bei dem man aus einem Cadmiumsulfid-Einkristall eine dünne Scheibe herausschneidet mit einer Ober- und einer Unterseite, die im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur hexagonalen C-Achse verlaufen, bei dem man die Scheibe zumindest an der Oberseite läppt, poliert und ätzt, um ein Substrat mit einer glatten Oberseite zu erzeugen,

bei dem man auf der Oberseite des Substrats eine IR-Abschirmung aus einer für IR-Strahlung im wesentlichen undurchlässigen Metallschicht, auf der IR-Abschirmung eine Isolierschicht und ferner eine Schottky-Sperrschicht-Metallisierung aufbringt, wobei die IR-Abschirmung ein erstes zentrales Fenster aufweist und die Isolierschicht ein zweites zentrales Fenster aufweist, das diesselbe Form und Lage wie das erste zentrale Fenster besitzt, aber geringfügig kleiner ist, und die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung im zweiten zentralen Fenster aufgebracht wird, ' den dort befindlichen Teil des Substrats vollständig abdeckt und dünn genug ist, um für UV- und IR-Strahlung im wesentlichen transparent zu wirken, und bei dem man schließlich einen ohmschen Kontakt zum Substrat und einen Sperrschichtkontakt ablagert, wobei der Sperrschichtkontakt auf der Oberseite des Substrats angeordnet ist, sich durch das zweite zentrale Fenster erstreckt und einen größeren Teil der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung freiläßt, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die IR-Abschirmung (32) unmittelbar auf der Oberseite des Substrats (30) abgelagert wird, daß anschließend die Isolierschicht (34) aufgebracht und mit einem Seitenfenster (58) versehen wird, daß dann die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung (36) im zweiten zentralen Fenster (56) aufgebracht und schließlich der ohmsche Kontakt (38) auf der Oberseite des Substrats (30) abgelagert wird und durch das Seitenfenster (58) die IR-Abschirmung (32) kontaktiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grenzschicht (42) aus einem Material aus der aus Gold, Wolfram, Nickrom, Indium, Rhenium, Paladium und Rhodium bestehenden Gruppe, das von dem der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung (36) verschieden ist, zwischen dem Sperrschichtkontakt (40) und der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung (36) abgelagert wird, wobei die Grenzschicht (42) verhindert, daß der Sperrschichtkontakt (40) die Eigenschaften der Schottky-Sperrschicht zwischen der Oberseite des Subtrats (30) und der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung (36) beeinträchtigt.

3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht aus Gold und etwa lOnm bis etwa 30 nm dick hergestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (34) aus Siliziumdioxid in einer Dicke von etwa 50 bis etwa 2000 nm hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Isolierschicht eine erste Schicht (80) aus Siliziumdioxid auf der IR-Abschirmung (32) abgelagert wird, wobei die erste Siliziumdioxidschicht (80) einen ersten Fensterteil (56') aufweist, der dieselbe Form und Lage wie das erste zentrale Fenster (54) besitzt, aber geringfügig kleiner ist, daß dann eine zweite Schicht (82) aus Siliziumdioxid auf der ersten Siliziumdioxidschicht (80) abgelagert und ein zweiter Fensterteil (56") in der zweiten Schicht (82) aus Siliziumdioxid ausgebildet wird, wobei der zweite Fensterteil (56") dieselbe Form und Lage wie der erste Fensterteil (56') besitzt, aber geringfügig kleiner ist und zusammen mit dem ersten Fensterteil (56') das zweite zentrale Fenster (56) bildet

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die erste Schicht (80) aus Siliziumdioxid gegenüber der zweiten Siliziumdioxidschicht (82) verhältnismäßig dünn ausgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die erste Siliziumdioxidschicht (80) etwa 100 nm und die zweite Siliziumdioxidschicht (82) etwa 400 nm dick ausgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Sperrschichtkontakt mit einem Gold-Zuleitungsdraht versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dpß auch der ohmsche Kontakt (38) mit einem Gold-Zuleitungsdraht (46) verbunden wird und daß die Verbindung jedes Zuleitungsdrahtes (48; 46) mit dem entsprechenden Kontakt (40; 38) durch Thermokompression vorgenommen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der IR-Abschirmung (32) eine Goldschicht (50) zwischen einer ersten und einer zweiten Schicht (52) aus einem Material aus der aus Titan, Aluminium, Magnesium, Zirkon und Hafnium bestehenden Gruppe abgelagert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschicht (50) etwa 50 bis etwa 1000 nm, vorzugsweise 150 nm, dick aufgetragen wird und die erste und zweite Schicht (52) aus Titan mit einer Dicke von jeweils etwa 5 bis etwa 500 nm, vorzugsweise 30 nm, gebildet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung (36) aus einem Material aus der aus Gold und Iridium bestehenden Gruppe hergestellt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung aus Platin gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung (36) etwa 1,5 nm dick hergestellt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrschicht — und der ohmsche Kontakt (40; 38) mit jeweils einer unteren Kontakthaftschicht (66) aus einem Material aus der aus Titan, Nichrom, Wolfram und Chrom bestehenden Gruppe sowie mit einem oberen Kontaktelement (72, 70) aus einem Material aus der aus Gold und Aluminium bestehenden Gruppe versehen werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaklhaftschicht (66) aus Titan mit einer Dicke von etwa 5 bis etwa 500 nm gebildet wird, daß dann eine Konlaklmetallisierung (68) aus Gold mit einer Dicke von etwa 100 bis 200 nm aufgebracht wird und schließlich auf die Kontaktmetallisierung das Sperrschicht- und das ohmsche Kontakt-

element (72; 70) galvanisch so aufgebracht werden, daß die Kontaktelemente über die Isolierschicht (34) hinaus vorstehen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schottky-Sperrschicht-Photodetektors, bei dem man aus einem Cadmiumsulfid-Einkristall eine dünne Scheibe herausschneidet mit einer Ober- und einer Unterseite, die im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur hexagonalen C-Achse verlaufen, bei dem man die Scheibe zumindest an der Oberseite läppt, poliert und ätzt, um ein Substrat mit einer glatten Oberseite zu erzeugen, bei dem man auf der Oberseite des Substrats eine IR-Abschirmung aus einer für IR-Strahlung im wesentlichen undurchlässigen Metallschicht, auf der IR-Abschirmung eine Isolierschicht und ferner eine Schottky-Sperrschicht-Metallisierung aufbringt, wobei ,„die IR-Abschirmung ein erstes zentrales Fenster aufweist und die Isolierschicht ein zweites zentrales Fenster aufweist, das dieselbe Form und Lage wie das erste zentrale Fenster besitzt, aber geringfügig kleiner ist, und die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung im zweiten zentralen Fenster aufgebracht wird, den fort befindlichen Teil des Substrats vollständig abdeckt und dünn genug ist, um für LJV- und IR-Strahlung im wesentlichen transparent zu wirken, und bei dem man schließlich einen ohmschen Kontakt zum Substrat und einen Sperrschichtkontakt ablagert, wobei der Sperrschichtkontakt auf der Oberseite des Substrats angeordnet ist, sich durch das zweite zentrale Fenster erstreckt und einen größeren Teil der Schottky-Sperrschicht-Metallisierung freiläßt.

In höchstentwickelten optischen Systemen — beispielsweise den optischen Leitsystemen für strahlungssuchende Geschosse — besteht Bedarf für sehr schnelle Festkörper-Strahlungsdetektoren mit hohem Quantenwirkungsgrad. Bei derartigen Systemen muß der Detektor gut auf Strahlung aus dem nahen UV-Bereich ansprechen, gegenüber Strahlung im sichtbaren Spektrum aber im wesentlichen unempfindlich sein.

Für diese Anwendungsfälle hat man Siliziumphotodioden vorgeschlagen. Derartige Photodioden sind jedoch auch im sichtbaren Spektrum bis zu etwa 800 nm empfindlich und erfordern daher optische Filter, die die sichtbare Strahlung sperren. Zusätzlich haben diese Detektor-Filter-Kombinationen einen verhältnismäßig niedrigen Quantenwirkungsgrad von beispielsweise 30% qder weniger.

Man hat auch Festkörper-Strahlungsdetektoren auf Cadmiumsulfidbasis eingesetzt; die bekannten Eigenschaften dieser Cadmiumsulfiddetektoren zeigen jedoch, daß sie primär im sichtbaren Spektrum brauchbar, im UV-Bereich jedoch verhältnismäßig unempfindlich sind. Es ist die Herstellung eines Festkörper-Strahlungsdetektors erwünscht, der auf Strahlung im nahen UV-Bereich und sichtbare Strahlung kurzer Wellenlängen anspricht, für IR-Strahlung jedoch transparent ist. Dies gilt besonders, wenn ein solcher Detektor sich mit hohem Quantenwirkungsgrad und verhältnismäßig kleiner optisch aktiver Fläche herstellen läßt, so daß man ihn zusammen mit einer hochauflösenden Optik einsetzen kann. Eine gute IR-Durchlässigkeit erlaubt, den Detektor zusammen mit einem IR-Fühler zu einem Koaxialwandler anzuordnen, der mit einer ungefilterten hochauflösenden Optik zusammen eingesetzt werden kann.

Kürzlich sind Schottky-Sperrschichtdioden auf Cadmiumsulfidbasis zur Verwendung als Strahlungsdetektoren hergestellt worden. Allgemein gesagt handelt es sich bei einer Schottky-Sperrschichtdiode um eine Di 5 ode, bei der die Sperrschicht zwischen einem Halbleitermaterial und einem Metallkontakt nicht zwischen ungleichen Halbleitermaterialien bzw. Leitungstypen (wie bei einer herkömmlichen PN-Sperrschicht) ausgebildet ist

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines Schottky-Sperrschicht-Photodetektors der eingangs erwähnten Art (US-PS 40 00 502) wird die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung aus Platin gewählt, und der ohmsche Kontakt sowie der Sperrschichtkontakt werden auf entgegengesetzten Seiten des Cadmiumsulfid-Subst^rats angeordnet Die auf der Oberseite des Substrats aufzubringende IR-Abschirmung, für die Kupfer verwendet wird, wird in zwei organische Isolierschichten aus Photoresistmaterial eingebettet. Für den ohmsehen Kontakt, der auf der Unterseite des Substrats abgelagert wird, wird Indium verwendet. Der Sperrschichtkontakt wird mit einem Gold-Zuleitungsdraht versehen. Der auf diese Weise hergestellte Schottky-Sperrschicht-Photodetektor zeigt einen guten Quantenwirkungsgrad im UV-Spektrum sowie gute IR-Obertragungseigenschaften. Die Ablagerung des ohmschen und des Sperrschichtkontaktes auf entgegengesetzten Seiten des Cadmiumsulfid-Substrats macht das bekannte Verfahren jedoch verhältnismäßig aufwendig, was insbesondere für eine Herstellung im großen Maßstab ungünstig ist

Es ist weiterhin bekannt, einen lichtempfindlichen Gleichrichter mit einem lichtempfindlichen Halbleiterkörper herzustellen (DE-AS 12 23 472), indem dieser auf einen undurchsichtigen Träger aufgebracht und mit einer ohmschen und einer Sperrschichtelektrode auf der dem Licht zugewandten Seite versehen wird.

Bekannt ist auch (DE-OS 24 45 548, Seite 4, letzter Absatz bis Seite 5, Absatz 1), zur wirtschaftlichen Her-Stellung eines Photoelementes eine Zinkelektrode und eine Cu-Elektrode, die von einander getrennt sind, fingerartig ineinandergreifend auf einer Cu2S-Schicht aufgebracht worden ist.
Bekannt ist schließlich, die Metalle Rhenium, Palladium und Rhodium als Grenzschichten bei CdS-Photoelementen (DE-OS 2112 812, Patentansprüche) und Chrom als Kontakthaftschicht bei Solarzellen (DE-OS 27 32 933, S. 10) zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, daß es bei verbesserter Qualität der Kontakte schnell und einfach durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst die IR-Abschirmung unmittelbar auf der Oberseite des Cadmiumsulfid-Substrats abgelagert wird, daß anschließend die Isolierschicht aufgebracht und mit einem Seitenfenster versehen wird, daß dann die Schottky-Sperrschicht-Metallisierung im zweiten zentralen Fenster aufgebracht und schließlich der ohmsehe Kontakt auf der Oberseite des Substrats abgelagert wird und durch das Seitenfenster die IR-Abschirmung kontaktiert.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch das gleichzeitige Vorsehen des ohmschen Kontaktes und des Sperrschichtkontaktes auf derselben Oberseite des Cadmiumsulfid-Substrats ist eine einfache und schnelle Herstellung des Detektors in großem Maß-