DE3915321C1

DE3915321C1 - Verfahren zur Bildung eines Passivierungsbereiches auf einer Halbleitervorrichtung aus einer II-VI-Verbindung und Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3915321C1
Application number: DE3915321A
Authority: DE
Inventors: Charles A Cockrum; David R Rhiger; Eric F Schulte
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-10
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: FR2872345B1; GB8910337D0; IT8947928A0; NL8901178A; GB2372375A; US5880510A; NL195050C; GB2372375B; FR2872345A1

Abstract

Eine IR-Fotodiode 10 aus der Gruppe II-VI weist eine Passivierungsschicht 16 auf, die die am wenigsten freiliegenden Oberflächen des p-n-Diodenübergangs 15 überdeckt. Dabei ist die Passivierungsschicht eine hinsichtlich der Zusammensetzung gradierte Schicht aus Atomen der Gruppe II, die in die Oberfläche des p-n-Diodenübergangs diffundiert werden. Die Passivierungsschicht weist eine größere Energiebandlücke auf als das unterliegende Diodenmaterial, wodurch sowohl Löcher als auch Elektronen von der Oberfläche der Diode abgestoßen werden, was zu verbesserten Diodenarbeitscharakteristiken führt. Ein erfindungsgemäßes Kationensubstitutionsverfahren umfaßt die Schritte des Vorbereitens der zu passivierenden Oberfläche, z. B. durch Verarmen eines oberen Oberflächenbereiches an Atomen der Gruppe II; Abscheiden einer Schicht aus Material der Gruppe II über dem verarmten Oberflächenbereich; und Tempern der abgeschiedenen Schicht und dem unterliegenden Material aus der Gruppe II-VI, so daß Atome der abgeschiedenen Gruppe II-Schicht in den unterliegenden verarmten Oberflächenbereich diffundieren und Kationenleerstellen innerhalb des verarmten Oberflächenbereiches auffüllen. Die sich ergebende Passivierungsschicht ist eine hinsichtlich ihrer Zusammensetzung gradierte Schicht mit einer Energiebandlücke, deren Wert allmählich als eine Funktion der Tiefe von der Oberfläche abnimmt, bis die Bandlückenenergie der des unterliegenden Bulk-Materials gleich ist. Die Vorbereitung der ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Passivierungsbereiches auf einer Halbleitervorrichtung aus einer II-VI-Verbindung, wobei man einen Körper mit cha rakteristischer Bandlückenenergie oder -energien bereit stellt, einen Oberflächenbereich des Körpers vorbereitet, eine zweite Verbindung, enthaltend Atome der Gruppe II, aus wählt und eine Schicht aus der zweiten Verbindung bildet, die die vorbereitete Oberfläche des Körpers überzieht, und einen Passivierungsbereich innerhalb des vorbereiteten Ober flächenbereiches bildet, in welchem die Atome der Gruppe II Kationenstellen in allmählich abnehmender Konzentration als eine Funktion der Tiefe in dem Oberflächenbereich besetzten. Gemäß einer Alternativen bereitet man einen Oberflächen bereich des Körpers dadurch vor, daß man ihn an Atomen der Gruppe II des Periodensystems verarmt, um darin Kationen leerstellen zu bilden. Derartige Verfahren sind aus der GB 15 68 958 bekannt.

Fotodioden aus Quecksilbercadmiumtellurid (Hg_(1-x)Cd_xTe, worin x im Bereich von ungefähr 0-1,0 liegt und typische Werte zwischen 0,2 und 0,4 liegen) werden typischerweise hergestellt als zweidimensionale Arrays und umfassen eine Passivierungsschicht, die auf einer oberen Ober fläche des Arrays aufgebracht wird, wobei die Passivie rungsschicht fotochemisches Niedertemperatur-SiO₂, ver dampftes ZnS, oder anodisch gewachsenes CdS umfaßt. Ob wohl diese für bildgebende Anwendungen geeignet sind, wurde jedoch herausgefunden, daß während gewisser auf einanderfolgender Verfahrensschritte, die das Array be treffen, beispielsweise ein Hochvakuum Brennzyklus bei 100°C, der erforderlich ist, um einen Vakuum-Dewar, der das Gehäuse des Fotodiodenarrays bildet, zu entgasen, daß solch eine konventionelle Passivierungsschicht nachtei lig sein kann. Beispielsweise wird eine Verschlechterung von kritischen Leistungsparametern, wie z. B. Leckstrom, Quantenausbeute, Rauschen (besonders bei niedrigen Fre quenzen), Spektralantwort und optischem Bereich beo bachtet. Diese Verschlechterung tritt besonders bei Langwellenlängendetektoren in Erscheinung, wobei Ände rungen im Oberflächenpotential die Bandlückenenergie erreichen. Porosität der Passivierungsschicht und ver minderte Adhäsion an der unterliegenden HgCdTe-Oberflä che sind ebenfalls allgemeine Probleme, die im Zusam menhang mit den zuvor beschriebenen konventionellen Passivierungsschichten beobachtet werden.

Weiterhin ist es schwierig oder unmöglich, eine Kon trolle über die Energienieveaus an der HgCdTe-Passivie rungsgrenzfläche zu erhalten, insofern als diese kon ventionellen Passivierungsmaterialien nicht mehr als eine Beschichtung auf der HgCdTe-Oberfläche bilden. Es ist eine Begrenzung solch konventioneller Beschichtun gen, daß es notwendig ist, an der HgCdTe/Passivierungs grenzfläche sowohl Flachbandbedingungen zu schaffen als auch zu erhalten, wenn das Array ein gewünschtes Niveau an Leistungsparametern aufrecht erhalten soll, insbe sondere während und nach Hochtemperaturverarbeitung und -lagerung.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das ein gangs genannte Verfahren so zu gestalten, daß wenigstens ei ner der zuvor beschriebenen Nachteile vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die zweite Verbindung so auswählt, daß der Passivierungsbe reich eine Kristallstruktur besitzt, die sich im wesentli chen kontinuierlich in der Kristallstruktur der II-VI-Ver bindung fortsetzt, die unter der Passivierungsschicht liegt.

Die Oberfläche kann vorbereitet werden durch ein Ober flächenätzverfahren, welches den Oberflächenbereich an Atomen der Gruppe II verarmt, was zu Kationenleerstel lenplätzen führt, die eine allmählich abnehmende Kon zentration als Funktion der Tiefe innerhalb des Ober flächenbereiches aufweisen. Woraus folgt, daß die Atome der Gruppe II, die diese Kationenstellen besetzen, eben falls eine allmählich abnehmende Konzentration als Funk tion der Tiefe aufweisen.

Der Passivierungsbereich kann durch Tempern des Körpers und Schichtüberlegen in einer gesättigten Hg-Atmosphäre gebildet werden.

Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Wei terbildungen der Erfindung.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1a eine nicht maßstabsgetreue stilisierte perspek tivische Ansicht eines Teils eines Arrays von Fotodioden mit einer erfindungs gemäß hergestellten Passivierungsschicht;

Fig. 1b einen Querschnitt einer Fotodiode;

Fig. 2 ein repräsentatives Energiebandlückendiagramm der CdTe- oder CdZnTe-passivierten Fotodiode aus Fig. 1b;

Fig. 3a-f verschiedene Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Passivierungsschicht auf einer Fotodiode;

Fig. 4a-d repräsentative Querschnittsansichten einer verarmten Oberfläche aus einer HgCdTe-Schicht, die die Kationensubstitution von Atomen der Gruppe II innerhalb der verarmten Oberfläche zeigt;

Fig. 5 einen Graphen, der die Cd-Konzentration gegen die Tiefe bei verschiedenen Temperungszeiten bei 400°C in gesättigtem Hg-Dampf zeigt;

Fig. 6a + b einen Vergleich von I-U-Kurven für eine Diode, die erfindungsgemäß passiviert wurde bzw. für eine konventionelle SiO₂-passivierte LWIR-Fo todiode; und

Fig. 7a + b einen Vergleich von R₀A als eine Funktion der Lagerzeit bei 100°C für eine gradierte CdTe- Schicht und konventionelles SiO₂-LWIR 5 × 5-Ar ray bzw. Dioden mit variablem Bereich.

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit einem rücksei tig beleuchteten photovoltaischen Strahlungsdetektor vom Mesatyp beschrieben wird, sollte man sich vergegenwär tigen, daß die Lehre der vorliegenden Erfindung eben falls auf fotoleitende und auf vorderseitig beleuch tete Strahlungsdetektoren angewendet werden kann. Die Erfindung kann ebenfalls auf Vorrichtungen vom Homo übergangs- und Heteroübergangstyp sowie vom planaren Typ angewendet werden, bei welchem eine Grundschicht eines gegebenen Leitfähigkeitstypes Bereiche oder "Mulden" eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstypes aufweisen, die in ei ner oberen Oberfläche darauf gebildet werden. Wie noch klar wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls bei der Oberflächenpassi vierung von anderen Vorrichtungen als Fotodioden, beispiels weise andere bipolare Vorrichtungen, und ebenfalls CCD und MIS-Vorrichtungen, die einen Bereich aus Bulk-Halbleiterma terial aus der gesamten Gruppe der II-VI-Verbindungen umfas sen, anwendbar.

In Fig. 1a ist eine stilisierte perspektivische Ansicht von oben auf einen Teil eines Arrays 1 von Fotodioden 2 gezeigt, wobei die Ansicht nicht maßstabsgerecht ist. Die Fotodioden enthalten eine II-VI-Verbindung, wie beispielsweise Hg_(1-x)Cd_xTe, Hg_(1-x)Zn_xTe oder HgCdZnTe. Das Material wird unterteilt in Material mit einem ersten Leitungstyp und ein Material mit einem zweiten Leitungstyp, um eine Mehrzahl von pn-Übergängen zu bilden. Array 1 kann als aus einer Mehrzahl von Fotodioden 2 bestehend betrachtet werden, wobei diese in einem regelmäßigen zweidimensionalen Ar ray angeordnet sind. Einfallende IR-Strahlung, die langwellige, mittelwellige oder kurzwellige (LWIR, MWIR oder KWIR) Strahlung sein kann, fällt auf eine Oberflä che des Arrays 1. Das Array 1 umfaßt eine strah lungsabsorbierende Grundschicht 3 aus Hg_(1-x)Cd_xTe-Halb leitermaterial, wobei der Wert von x die Ansprechbarkeit des Arrays auf LWIR, oder MWIR oder KWIR bestimmt. Jede der Fotodioden 2 ist definiert durch eine Mesastruktur 6, wobei die Mesas typischerweise gebildet werden durch Ätzen von V-förmigen Vertiefungen in die Grundschicht durch eine überliegende Aufsatz schicht, die einen der Grundschicht entgegengesetzten Leitungstyp aufweist. Jede der Fotodioden 2 ist ausgestattet mit einem Bereich von Kontaktmetallisierungen 4 auf einer obersten Oberfläche darauf, wobei die Me tallisierung dazu dient, die darunterliegende Fotodiode elektrisch mit einer Auslesevorrichtung (nicht abgebil det) typischerweise über einen Indiumbump (nicht abge bildet), zu verbinden. Die obere Oberfläche des Arrays 1 ist mit einer Passivierungs schicht 5 ausgestattet, welche aus einer Schicht aus einer II-VI-Verbindung besteht, welche gradiert als Funktion der Tiefe zusammengesetzt ist.

In Fig. 1b ist der Querschnitt einer der Fotodioden des Arrays 1 gezeigt, insbesondere eine Doppelschicht HgCdTe Heteroübergangsfotodiode 10 mit einer Bodenoberfläche zum Aufnehmen der Infrarotstrahlung. Die Fotodiode 10 umfaßt eine Grundschicht 12, worin die einfallende Strahlung absorbiert wird, wobei Ladungsträger generiert werden. Die strahlungsabsorbierende Grundschicht 12 kann sowohl aus p- als auch aus n-Halbleitermaterial sein und weist eine Aufsatzschicht 14 auf, welche von entgegen gesetztem Leitungstyp ist, um einen p-n-Übergang 15 zu bilden. Daher ist die Aufsatzschicht 14 aus n-leitendem HgCdTe, wenn die strahlungsabsorbierende Grund schicht 12 aus p-leitendem HgCdTe ist. Ladungsträger, die durch die Absorption der Infrarotstrahlung generiert werden, führen zu einem Stromfluß über den Übergang 15, wobei dieser Stromfluß über einen Ausleseschaltkreis (nicht abgebildet), der an die Fotodiode 10 angeschlos sen ist, gemessen wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Grundschicht 12 vom p-Typ und ist mit Arsen in einer Konzentration von ungefähr 5 × 10¹⁵ bis ungefähr 5 × 10¹⁶ Atomen/cm³ dotiert. Die Aufsatzschicht 14 ist durch Dotierung mit Indium einer Konzentration von ungefähr 10¹⁶ bis ungefähr 10¹⁷ Ato men/cm³ zum n-Typ gemacht.

Die oberen Oberflächen der Grund schicht 12 aus Hg_(1-x)Cd_xTe und die Aufsatzschicht 14 werden dadurch passiviert, daß die chemische Zusammensetzung oder der x-Wert als senkrechter Gradient in Bezug auf die Oberfläche ausgebildet wird; dabei wird die chemi sche Zusammensetzung als Gradient aus dem aktiven De tektormaterial mit einem größeren x-Wert ausgebildet, der ausreicht, um einen größeren Bandlückenbereich zu schaffen und hierdurch sowohl für Elektronen als auch für Löcher eine reflektierende Barriere zu erzeugen. Solch eine gradierte Passivierungsschicht 16 dient dazu, das aktive Detektormaterial elek trisch von der Vorrichtungsoberfläche zu trennen. Z. B. können Fotodetektoren mit einer Grenzwellenlänge von ungefähr 12 µm einen x-Wert von ungefähr 0,2, der gradiert ist, bis zu einem x-Wert von ungefähr 0,5 ≦ x ≦ 1,0 als die äußere Oberfläche der Passivierungsschicht aufweisen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Gradientbildung der Passivierungsschicht 16 durch ein Kationensubstitutionsverfahren erreicht, wobei Atome aus der Gruppe II, wie beispielsweise Cd oder Zn, bei erhöhter Temperatur in die Oberfläche der un terliegenden II-VI-Verbindung diffundiert werden. Das unterliegende Material kann HgCdTe umfassen. Die diffundierten Atome besetzen Kationenstellen, die zuvor durch Hg und/oder Cd-Atome besetzt waren. Es wer den verstärkte Leistungsfähigkeit und Stabilität der Vorrichtung erreicht, weil der p-n-Übergang 15 und der entsprechende Verarmungsbereich unter der gradierten Passivierungsschicht 16 versenkt werden und daher elektrisch von Oberflächenstörungen und Ver unreinigungen, die auf andere Art die Diodenleistung verschlechtern, isoliert werden.

Es kann angenommen werden, daß der gradierte Bereich der Passivierungsschicht 16 eine Heterostruktur mit dem un terliegenden Detektormaterial bildet. Das bedeutet, daß die Kristallstruktur der Passivierungsschicht 16 im we sentlichen mit der Kristallstruktur der strahlenabsor bierenden Schichten fortgesetzt wird. Diese kristalline Kontinuität schafft vorteilhafterweise eine fortlaufende Ausdehnung der Bandlückenstruktur der Schichten 12 und 14 aus HgCdTe, welche typische Bandlücken von 0,1 bis 0,3 eV aufweisen, zu der größeren Bandlücke der gradierten Passivierungsschicht 16. Die Schichten 12 und 14 aus HgCdTe können ähnliche oder unähnliche Energiebandlücken aufweisen, die kleiner sind als die der Schicht 16.

Beispielsweise weist CdTe eine Bandlücke von ungefähr 1,6 eV auf. Dies führt zu einem Biegen des Leitungsban des in einer Aufwärtsrichtung, wobei Elektronen aus der HgCdTe/CdTe-Grenzfläche abgestoßen werden. Diese größere Bandlücke führt weiter dazu, daß das Valenzband in einer Abwärtsrichtung gebogen wird, wobei Löcher von der Grenzfläche abgestoßen werden. Dies wird in Fig. 2 ge zeigt und wird später im Detail beschrieben.

Wieder bezugnehmend auf Fig. 1b kann die Diode 10 eine Überglasschicht 18 um fassen, welche sich aus irgendeinem geeigneten dielek trisches Material, beispielsweise aus Si₃N₄, SiO₂ oder ZnS, zusammensetzen kann. Ein Kontakt 20 kann aus irgend einem geeigneten Material bestehen, welches in der Lage ist, einen ohmschen Kontakt mit der Aufsatzschicht 14 herzustellen. Vorzugsweise diffundiert der Metallkontakt 20 nicht wesentlich in die Aufsatzschicht 14. Metalle, die zur Bildung des Kontaktes 20 geeignet sind, sind Palladium und Titan.

In Fig. 2 ist ein idealisiertes Energiebanddiagramm der Fotodiode 10 aus Fig. 1 dargestellt, worin die Passi vierungsschicht 16 mit größerer Bandlücke aus CdTe be steht und worin das Material mit schmälerer Bandlücke sowohl die Grundschicht 12 aus HgCdTe umfaßt als auch die Aufsatzschicht 14 aus HgCdTe. Wie man dort sieht, ist eine sich kontinuierlich verändernde potentielle Energie in den Leitungs- und Valenzbändern gezeigt, so daß das Leitungsband aufwärts und das Valenzband abwärts gebogen werden. Dies führt sowohl zu der Abstoßung von sowohl Elektronen als auch von Löchern von der Grenzfläche HgCdTe und Passivierungsschicht. Diese Ab stoßung von sowohl Elektronen als auch Löchern von der Grenzfläche führt dazu, daß die Fotodiode bessere Leistung gegenüber SiO₂-passivierten Fotodioden aufweist. Dies liegt daran, daß in der Grenzschicht die relativ hohe Dichte von Gitterdislokationen und Verunreinigungen an derenfalls ausgiebige oberflächenzustandserzeugte Ströme und eine verminderte Lebenszeit der Ladungsträger be wirken würde.

Ferner kann die obere Oberfläche der gradierten Passi vierungsschicht 16 dotiert werden, um Ladungen auf z. B. der CdTe-Oberfläche von der unterliegenden HgCdTe-Ober fläche zu isolieren. In dem Diagramm der Fig. 2 wurde die obere Oberfläche der CdTe-Passivierungsschicht 16 mit einer Verunreinigung vom n-Typ dotiert. Falls er wünscht, kann eine p-Typ-Verunreinigung stattdessen ver wendet werden. Eine typische Dotierungskonzentration der oberen Oberfläche der Passivierungsschicht 16 ist unge fähr 10¹⁷ Atome/cm³.

In den Fig. 3a bis 3f ist ein Verfahren zur Herstellung einer gradierten Heteroübergangspassi vierungsschicht verdeutlicht. Obwohl die Fig. 3a-3f das Verfahren in Verbindung mit einer Me sa-Typ-Fotodiode verdeutlichen, sollte sich vergegen wärtigt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen auf Planartypfotodioden aus HgCdTe und Arrays daraus, anwendbar ist.

Fig. 3a zeigt eine Querschnittsansicht der Doppel schicht-HgCdTe-Heteroübergangsstruktur 10 mit der Grundschicht 12 aus HgCdTe und der Aufsatzschicht 14 aus HgCdTe. Sowohl die Grundschicht 12 als auch die Aufsatzschicht 14 können mit einer geeigneten Verun reinigung derart dotiert werden, daß eine aus p-Typ- und eine aus n-Typ-Halbleitermaterial ist oder können durch jedes bekannten Verfahren zum n-Typ oder p-Typ gemacht werden.

Fig. 3b zeigt die Struktur aus Fig. 3a nachdem Mesas 36 geätzt wurden, um einzelne Dioden zu isolieren, wobei jedes Mesa eine Fotodiode definiert. Die Mesas 36 können unter Verwendung konventioneller Fotolithographie- und Ätztechniken geschaffen werden. Als nächstes wird ein Oberflächenvorbereitungsschritt durchgeführt. Das Verfahren umfaßt als Oberflächenvor bereitungsschritt ein Oberflächenätzverfahren, welches sowohl Cd als auch Hg selektiv aus freiliegenden Ober flächenbereichen des HgCdTe-Materials entfernt, wodurch der Oberflächenbereich an Atomen der Gruppe II verarmt wird. Dieses Oberflächenätzverfahren wird anschließend detaillierter beschrieben. Eine Schicht aus Quellmate rial 38 wird danach auf die Außenoberfläche der Mesas 36 und freiliegende Teile der strahlungsabsorbierenden Grundschicht 12 aufgebracht. Diese Schicht aus Quellma terial ist in Fig. 3c gezeigt. Gemäß Fig. 3d werden Teile der Quellmaterialschicht 38 danach entfernt, um Bereiche festzulegen, auf welchen später eine Kontakt metallisierung abgeschieden wird. Gemäß einer Ausführung besteht die Quellmaterialschicht 38 aus CdTe, welches durch ein thermisches Verdampfungs verfahren aufgebracht wird. Es sollte jedoch betont werden, daß jedes geeignete Abscheideverfahren verwendet werden kann, um die Schicht 38 abzuscheiden. Die Schicht 38 kann ebenfalls anderes als CdTe enthalten. Z. B. kann die Schicht 38 zusammengesetzt sein aus elementarem Cd, elementarem Zn, einer Zinklegierung, beispielsweise ZnTe, HgCdTe oder HgZnTe, welches eine größere Energie bandlücke aufweist als das unterliegende Material, oder jedes geeignete Material aus Gruppe II mit einer Wer tigkeit von +2.

Fig. 3e zeigt die Fotodiodenstruktur 10 nach einem Wär mebehandlungsverfahren, welches bewirkt, daß das Cd aus der Schicht 38 des Quellmaterials in die Grundschicht 42 aus Hg_(1-x)Cd_xTe bzw. in die Aufsatzschicht 14 dif fundiert. Dieses Wärmebehandlungsverfahren führt eben falls zu einer entsprechenden Diffusion von Hg in eine entgegengesetzte Richtung. Diese Einwärtsdiffusion von Cd bewirkt, daß die Zusammensetzung oder der x-Wert einem Gradienten von ungefähr x = 1,0 an der Außenober fläche der Schicht 38 bis zu dem x-Wert des HgCdTe's, welches die Grundschicht 12 oder die Aufsatzschicht 14 umfassen, entspricht. Diese diffundierte Schicht oder Gradientbereich ist schematisch in Fig. 3e als eine Mehrzahl von Oberflächennormalen 39 gezeigt.

In Fig. 3f ist ein vollständig ausgebildeter Teil des Fotodiodenarrays nach Anbringung der Kontaktmetallisierung 20 auf die einzelnen Fotodioden gezeigt. Fig. 3f zeigt ebenfalls die optionale Überglas-Schicht 18.

Die Fig. 4a-4d verdeutlichen einen Oberflächenbe reich, welcher an Hg und Cd und ebenso von der Ein wärtsdiffusion an Cd oder Zn während eines Kationensub stitutionsprozesses verarmt ist. Der Mechanismus, wel cher das Erzeugen des Zusammensetzungsgradienten des Oberflächenbereiches herbeiführt, steht in Beziehung zu der Diffusion von Cd-Atomen aus der Quellschicht 38 in die unterliegende HgCdTe-Oberfläche, worin die Cd-Atome nahe an der Oberfläche gelegene Kationenstellen, die zuvor durch Hg- und Cd-Atome besetzt waren, besetzen. Dieser Kationensubstitutionsprozeß läuft ab wegen der thermischen Instabilität der Hg-Te-Bindung bei erhöhten Temperaturen. Wenn einmal die Hg-Te-Bindung durch ther mische Aktivierung aufgebrochen ist, kann ein einwärts diffundierendes Cd-Atom sich mit dem Te-Atom verbinden. Mit zunehmender Zahl an Kationenstellen, die mit Cd-Ato men besetzt werden, wächst der x-Wert der Grund- oder Aufsatzschicht aus HgCdTe. Das resultierende Gradient profil ist daher eine direkte Funktion des Cd-Diffu sionsprofiles. Dies führt dazu, daß die Energiebandlücke des gradierten Bereiches größer wird und sich gleich zeitig die chemische und thermische Stabilität dieses Bereiches verbessert.

Die Hg- und Cd-Atome können aus dem oberen Oberflächen bereich während des oben erwähnten Oberflächenätzver fahrens entfernt werden, wobei eine Lösung von Brom und Ethylenglykol verwendet werden kann und die Bromkonzen tration typischerweise 0,25 Volumenprozent beträgt. Die Ätzlösung wird mit der Oberfläche für ungefähr eine oder zwei Minuten in Kontakt gelassen. Gemäß Fig. 4a wird dabei der Oberflächenbereich des HgCdTe-Materials sowohl an Hg als auch an Cd verarmt, wobei das Ausmaß der Verar mung eine Funktion der Eindringtiefe in das Mate rial ist. Gemäß Fig. 4b wird die Quellschicht 38 über dem verarmten oberen Oberflächenbereich aufgebracht. Der äußere Teil der oberen Oberfläche ist typischerweise durch eine Oxid- und/oder Kohlenwasserstoffschicht kon taminiert. Diese kontaminierte Schicht kann eine Tiefe von ungefähr 10 nm aufweisen. Unter dieser kon taminierten Oberflächenschicht liegt die verarmte Schicht, worin eine Zahl von Kationenleerstellen zur Verfügung steht, die durch Cd-Atome, welche einwärts aus der Quellschicht 38 während eines Temperverfahrens diffundieren, aufgefüllt werden. Während des Temperns können einige Quecksilber atome, die aus dem Material nach außen diffundieren, ebenfalls in die Cd-reiche Schicht eindringen. Aufgrund der wesentlichen Unterschiede zwischen den Bindungs energien der Cd-Te- und Hg-Te-Bindungen binden diese Quecksilberatome jedoch nicht oder bleiben wegen der während des Temperns angewendeten erhöhten Temperatur nicht mit dem Te verbunden. Daher tragen diese Hg-Atome nicht wesentlich zu der Zusammensetzung dieser Schicht bei, welche daher Cd-angereichert ist. Diese Cd-ange reicherte Schicht ist, wie betont wurde, hinsichtlich ihrer Zusammensetzung gradiert als eine Funktion der Tiefe und weist ebenfalls eine größere Energiebandlücke auf als das unterliegende HgCdTe-Material. Die Cd-angereicherte Schicht kann eine Tiefe von ungefähr mehreren 10 nm bis zu mehreren 100 nm aufweisen; 500 nm stellen einen typischen Wert dar, der abhängig ist von dem Oberflächenvorbereitungs verfahren, der Temperzeit und der Temperatur. Es sei betont, daß die einwärts diffundierenden Cd-Atome Ka tionenleerstellen füllen, die durch das Oberflächen vorbereitungsverfahren geschaffen wurden, und zwar inner halb eines Bereiches, der ungefähr 10 nm dick ist, und noch in viel größere Tiefen nach innen diffundieren. Diese Cd-Atome ersetzen Hg-Atome, um einen hinsichtlich der Konzentration gradierten Bereich mit mehreren hundert nm Dicke zu schaffen. Daher können ungefähr 1000 Molekularschichten HgCdTe innerhalb des angerei cherten Bereiches existieren, wobei die Schichten, die dichter an der Oberfläche liegen, Cd-reicher sind als solche Schichten, die dichter an dem Bulk-Material lie gen aufgrund des Verarmungsprofil, welches während des Oberflächenätzverfahrens geschaffen wurde. Daher ist diese angereicherte Schicht hinsichtlich ihrer Zusammensetzung derart gradiert, daß der Wert von x an der oberen Oberfläche der angereicherten Schicht am größten ist und allmählich den Wert von x der unterlie genden Bulk-Materialschicht erreicht.

Die Vorbereitung des oberen Oberflächenbereiches kann eine oder kann keine Verarmung an Atomen der Gruppe II bewirken. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Oberfläche derart vorbereitet, daß sie stöchiome trisch wird (d. h. es gibt keine Verarmung an Cd oder Hg). Dieser stöchiometrische Oberflächenbereich wird dann derart getempert, daß Hg-Atome, die durch thermi sche Effekte aus der Struktur befreit werden, von Cd-Atomen ersetzt werden. Diese Oberflächenvorbereitung und nachfolgendes Tempern bewirkt dabei, daß die Band lücke der äußeren Oberfläche durch Kationensubstitution vergrößert wird. Diese Substitution geschieht wie folgt:

Bei 400°C (in einer gesättigten Hg-Atmosphäre) reicht die thermische Energie aus, um die Hg-Te-Bindungen auf zubrechen, wobei Hg-Atome in dem HgCdTe-Kristallgitter freigesetzt werden. Anschließend kombinieren Cd-Atome, welche aus dem überliegenden Cd-Quellmaterial in das HgCdTe diffundieren, mit den Te-Atomen, um die thermisch stabileren Cd-Te-Bindungen zu bilden.

Fig. 4c zeigt einen analogen Aufbau für die ternäre Verbindung Hg_(1-x)Zn_xTe, wobei Zn aus der Quellschicht 38 einwärts diffundiert wird, um die Kationenleerstel len, die durch die zuvor erwähnten Oberflächenätz- und Diffusionsverfahren zu Verfügung gestellt werden, zu besetzen.

Man sollte sich bewußt sein, daß die Cd-reiche Schicht mit größerer Bandlücke ebenfalls dazu dient, das unter liegende HgCdTe-Material aus der kontaminierten Ober flächenschicht zu isolieren, wobei Oberflächenrekombi nationen und Leckstromeffekte günstig vermindert werden. Das bedeutet, daß Ladungsträger innerhalb des unterlie genden HgCdTe's von der kontaminierten Oberfläche durch die Cd-reiche Schicht mit größerer Bandlücke abgestoßen werden. Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren vor teilhaft zur Herstellung folgender Vorrichtungen ver wendet werden:

Verschiedene Typen von fotodetektierenden Vorrichtungen, anderen Typen von bipolaren, einen pn-Übergang enthaltende Vorrichtungen la dungsgekoppelten Vorrichtungen (CCDs) und Metall-Isolator-Halbleiter-Vorrich tungen (MIS), beispielsweise MIS-Kondensatoren.

Die Erfindung kann zur Herstellung von IR-strahlenem pfindlichen Fotoleitern ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden.

Gemäß Fig. 4d kann das erfindungsgemäße Verfahren ver wendet werden, um eine gradierte Passivierungsschicht mit einer größeren Bandlücke und mit einer quarternären Zusammensetzung herzustellen. Das bedeutet, daß das unterliegende Material aus HgCdTe bestehen kann, während die Quellschicht 38 aus Zn oder ZnTe bestehen kann. Die sich ergebende Zusammen setzung der Passivierungsschicht ist daher die quarter näre Legierung HgCdZnTe. Alternativ kann das Bulk-Mate rial HgZnTe enthalten und die Quellschicht kann Cd ent halten.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Aufbau 10 aus Fig. 3 zuerst bei ungefähr 400°C etwa vier Stunden in einer gesättigten Hg-Dampfatmosphäre getempert, um das gewünschte Gradientprofil zu erhalten. Diese erste Temperung wird von einer zweiten Temperung bei ungefähr 250°C für etwa vier Stunden gefolgt, um in dem absorbierenden Bereich des Bulks eine stöchiometri sche Menge an Hg wiederherzustellen. Diese Temperschrit te werden typischerweise in einer Ampulle mit einem Hg-Partialdruck durchgeführt.

In Fig. 5 ist die experimentell bemessene Cd-Konzentra tion gegen die Tiefe bei verschiedenen Temperzeiten bei 400°C in einem gesättigten Hg-Dampf gezeigt. Dabei ändert sich die Cd-Konzentration senkrecht zu der Ober fläche und weist eine allmählich abnehmende Konzentra tion auf.

Die Fig. 6a und 6b zeigen einen Vergleich von I-U- Kurven für Dioden, die erfindungsgemäß passiviert wurden bzw. für SiO₂-passivierte LWIR-Fotodio den, wobei beide aus demselben HgCdTe-Wafer hergestellt wurden.

Die Fig. 7a und 7b zeigen einen Vergleich von R₀A als eine Funktion der Lagerzeit bei 100°C für eine gradierte Schicht CdTe bzw. SiO₂-passiviertes LWIR 5 × 5-Array bzw. isolierten Dioden mit variablen Berei chen.

In den Fig. 6a, 6b, 7a, 7b bedeuten "A" die Fläche der Foto diode und "R" ihren Widerstand. "R₀A" ist eine flächenunab hängige Zahl, die sich auf die Nullspannungsimpedanz der Fo todiode bezieht. Sie ist das Produkt aus dem Widerstand bei Vorspannung null und der Fläche der Fotodiode. Sie ist proportional der Empfindlichkeit bei Vorspannung null. Wenn R₀A größer wird, wird die Empfindlichkeit auch größer.

Sowohl aus Fig. 6 als auch Fig. 7 kann bereits entnommen werden, daß IR-Fotodioden, die erfindungsgemäß hergestellt werden, bessere Leistungscharakteristiken aufweisen als solche Fotodioden, die mit einer SiO₂-Passi vierungsschicht hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bildung eines Passivierungsbereiches auf einer Halbleitervorrichtung aus einer II-VI-Verbindung, wobei man
einen Körper mit charakteri stischer Bandlückenenergie oder -energien bereitstellt;
einen Oberflächenbereich des Körpers vorbereitet;
eine zweite Verbindung, enthaltend Atome der Gruppe II, auswählt und eine Schicht aus der zweiten Verbindung bildet, die die vorbereitete Oberfläche des Körpers überzieht; und
einen Passivierungsbereich innerhalb des vorbereiteten Oberflächenbereiches bildet, in welchem die Atome der Gruppe II Kationenstellen in allmählich abnehmender Konzentration als eine Funktion der Tiefe in dem Ober flächenbereich besetzten, dadurch gekennzeichnet,
daß man die zweite Verbindung so auswählt, daß der Passivierungsbereich eine Kristallstruktur besitzt, die sich im wesentlichen kontinuierlich in der Kristall struktur der II-VI-Verbindung fortsetzt, die unter der Passivierungsschicht liegt.

2. Verfahren zur Bildung eines Passivierungsbereiches auf einer Halbleitervorrichtung aus einer II-VI-Verbindung, wobei man
einen Körper mit charakteri stischer Bandlückenenergie oder -energien bereitstellt;
einen oberen Oberflächenbereich des Körpers an Atomen der Gruppe II verarmt, um Kationenleerstellen darin zu bilden;
eine zweite Verbindung, enthaltend Atome der Gruppe II, auswählt und eine Schicht aus der zweiten Verbindung bildet, die den verarmten Bereich überzieht; und
einen Passivierungsbereich wenigstens innerhalb des oberen Oberflächenbereiches des Körpers bildet, in wel chem die Atome der Gruppe II die Kationenleerstellen in allmählich abnehmender Konzentration als eine Funktion der Tiefe in dem Bereich besetzen, dadurch gekennzeich net,
daß man die zweite Verbindung so auswählt, daß der Pas sivierungsbereich eine Kristallstruktur besitzt, die sich im wesentlichen kontinuierlich in der Kristall struktur der II-VI-Verbindung fortsetzt, die unter der Passivierungsschicht liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß man als II-VI-Verbindung Hg_(1-x)Cd_xTe, Hg_(1-x)Zn_xTe oder HgCdZnTe bereitstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß man als zweite Verbindung Cd, Zn, CdTe, ZnTe, HgCdTe oder HgZnTe auswählt, die eine größere Bandlückenenergie hat als die charakteristische Band lückenenergie oder -energien des Körpers.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine obere Oberfläche des Passivierungsbereiches zusätzlich dotiert.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß man bei der Bildung des Passivierungsbereiches den Körper bei einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Dauer tempert.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Körper bei ungefähr 400°C für ungefähr vier Stunden in einer Atmosphäre aus gesättigtem Hg-Dampf tempert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den Körper in einem weiteren Temperschritt zusätz lich bei ungefähr 250°C für ungefähr vier Stunden tem pert.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß man weiterhin eine Schicht aus einem dielek trischen Material über einer Oberfläche des Passivie rungsbereiches bildet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß man den Verarmungsschritt durch Ätzen einer Oberfläche des Körpers ausführt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche mit einer Bromlösung ätzt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarmungsschritt Kationenleer stellen in allmählich abnehmender Zahl als eine Funk tion der Tiefe von der Oberfläche schafft.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die passivierte Oberfläche Atome der Gruppe II in all mählich abnehmender Konzentration als eine Funktion der Tiefe von der Oberfläche umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines Körpers aus Mate rial der Gruppe II-VI durch Bereitstellen eines Arrays aus IR-strahlenempfindlichen Fotodioden geschieht.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines Körpers aus Mate rial der Gruppe II-VI durch Bereitstellen eines Arrays aus IR-strahlungsempfindlichen Fotoleitern geschieht.

16. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 bei der Herstellung eines Arrays aus IR-strahlungs empfindlichen Fotodioden.