RU2530458C1 - METHOD OF PRODUCING MULTIELEMENT PHOTODETECTOR BASED ON EPITAXIAL InGaAs/InP STRUCTURES - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: multielement photodetector based on epitaxial p-i-n structures of InGaAs/InP on a surface of p+-In 0.53 Ga 0.47 As is made by depositing a photoresist mask by a photolithographic technique, ion etching to an n+-InP substrate and finish chemical etching to form a plurality of identical non-coupled p-i-n regions on a conducting base, insulated from each other by a space with a width of 1 mcm. The loss of light flux in an array with a pitch of 15 mcm is 6.5%, which is four times less than when using a liquid technique to form separate p-i-n diodes. The etching depth of the mesa structure is determined by the time and rate of etching with argon ions with energy of 1 keV and current density of 0.2 mA/cm² to the n+-InP substrate through the photoresist mask, which enables to stop the etching process at the desired depth by separating array elements on carrier-depleted n-layer, thereby eliminating photoelectric coupling between separate elements.

EFFECT: invention provides a technique for producing an array of photosensitive elements with minimal light flux losses without photoelectric coupling and with a high speed of operation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления многоэлементных фотоприемников и может быть использовано в системах лазерной локации, обнаружения лазерного излучения, ИК-спектрометрии, многоспектральных ВОЛС, а также нового поколения систем ночного видения.The invention relates to the manufacturing technology of multi-element photodetectors and can be used in laser ranging systems, laser detection, IR spectrometry, multispectral fiber optic lines, as well as a new generation of night vision systems.

Известен способ изготовления многоэлементного фотоприемника на основе InGaAs [Marshall J.Cohen et al. Commercial and Industrial Applications of Indium Gallium Arsenide Near Infrared Focal Plane Arrays, описанный в Part of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV Orlando, Florida, April 1999 SPIE Vol.3698], пo меза-планарной технологии с использованием эпитаксиальной структуры n-InP/n-In 0,53 Ga 0,47 As/n+-InP, разработанный фирмой Sensor Unlimited, Inc. (США). Единичные фотодиоды являются планарными, и все процессы диффузии проводятся с маской из пассивирующей пленки нитрида кремния (Si₃N₄). Фотодиодная матрица изолируется с помощью меза-травления эпитаксиальных слоев n-InP и n-In 0,53 Ga 0,47 As до подложки +-InP, при этом формируется электрический контакт к n+-InP, т.н. общий вывод. Технология способа изготовления включает в себя следующие процессы:A known method of manufacturing a multi-element photodetector based on InGaAs [Marshall J. Cohen et al. Commercial and Industrial Applications of Indium Gallium Arsenide Near Infrared Focal Plane Arrays described in Part of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV Orlando, Florida, April 1999 SPIE Vol.3698], using mesa-planar technology using the n- epitaxial structure InP / n-In 0.53 Ga 0.47 As / n + -InP, developed by Sensor Unlimited, Inc. (USA). Single photodiodes are planar, and all diffusion processes are carried out with a mask of a passivating film of silicon nitride (Si ₃ N ₄ ). The photodiode array is isolated by mesa etching the epitaxial layers of n-InP and n-In 0.53 Ga 0.47 As to the + -InP substrate, and an electrical contact is formed to n + -InP, the so-called general conclusion. The manufacturing method technology includes the following processes:

- пластину покрывают пленкой Si₃N₄ для хорошей пассивации поверхности;- the plate is covered with a film of Si ₃ N ₄ for good passivation of the surface;

- фотолитографическим способом в пленке вскрывают окна под диффузию с помощью плазмохимического травления;- photolithographic method in the film open the window under diffusion using plasma-chemical etching;

- p-n-переход формируют диффузией цинка в замкнутой трубе из источника ZnAs. Время и температура диффузии подбираются так, чтобы диффузионный фронт находился на глубине около 2500А в активном слое InGaAs;- the pn junction is formed by diffusion of zinc in a closed pipe from a source of ZnAs. The time and temperature of diffusion are chosen so that the diffusion front is at a depth of about 2500 A in the InGaAs active layer;

- пластины покрывают вторым слоем пленки Si₃N₄;- the plates are coated with a second layer of a Si ₃ N ₄ film;

- во втором слое Si₃N₄ вскрывают контактные окна и создают омические контакты металлизацией золото/цинк (Au/Zn);- in the second layer of Si ₃ N ₄ open contact windows and create ohmic contacts by metallization of gold / zinc (Au / Zn);

- фотодиодную матрицу изолируют меза-травлением, и образуется контакт к подложки n+-InP;- the photodiode array is isolated by mesa-etching, and n + -InP substrate contact is formed;

- омический контакт золото/германий (Au/Ge) наносят на подложку и, таким образом, формируют оба контакта на пластине;- the ohmic contact gold / germanium (Au / Ge) is applied to the substrate and, thus, form both contacts on the plate;

- с обратной стороны наносят антиотражающее покрытие;- on the reverse side apply an antireflection coating;

- металлизацию золото/титан (Au/Ti) наносят в качестве верхнего слоя как на омические контакты к р-области, так и на омические контакты к подложке n+-InP;- metallization of gold / titanium (Au / Ti) is applied as an upper layer to both ohmic contacts to the p-region and ohmic contacts to the n + -InP substrate;

- индиевые столбики наносят на контакты как к р-области, так и на контакты к подложке n+-InP;- indium columns are applied to the contacts as to the p-region, and to the contacts to the substrate n + -InP;

- пластины разбраковывают и режут на кристаллы.- the plates are rejected and cut into crystals.

Недостатком указанного способа является то, что при меза-планарной технологии изготовления фотоприемника и засветке кристалла с обратной стороны (при эксплуатации в составе фотоэлектронного модуля) существует большая вероятность боковой засветки вне области пространственного заряда (ОПЗ), что приводит к фотоэлектрической взаимосвязи соседних каналов и снижению быстродействия фоточувствительного элемента за счет диффузионной составляющей собирания генерированных светом носителей заряда из объема примыкающего к периметру p-i-n-перехода. Длина диффузии неосновных носителей может составлять 60 мкм.The disadvantage of this method is that with the mesa-planar manufacturing technology of the photodetector and crystal illumination from the back side (when operating as part of the photoelectronic module), there is a high probability of lateral illumination outside the space charge region (SCR), which leads to the photoelectric interconnection of adjacent channels and a decrease the speed of the photosensitive element due to the diffusion component of the collection of light-generated charge carriers from the volume of the pin junction adjacent to the perimeter Oh yeah. The diffusion length of minority carriers can be 60 μm.

Одним из решений проблемы является сформированная на освещаемой стороне подложки n+-InР диафрагма, которая устраняет возможность боковой засветки периферийной необедненной n-области при планарной технологии изготовления кристалла многоэлементного фотоприемника[RU 2318272 С1, Чинарева И.В., Огнева О.В., Забенькин О.Н., Мищенкова Т.Н. «Способ изготовления быстродействующего многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP»]. Недостатком этого способа являются большие темновые токи элементов, величина которых пропорциональна объему области, примыкающей к периметру p-i-n-перехода, из которой собираются неосновные носители, и это снижает пороговые характеристики прибора. Кроме этого, на диафрагме отражается часть падающего излучения, что приводит к потере полезного сигнала. Дифракционное рассеяние на диафрагме уменьшает быстродействие из-за наличия диффузионной составляющей тока носителей, генерированных в области тени диафрагмы.One of the solutions to the problem is the n + -INP diaphragm formed on the illuminated side of the substrate, which eliminates the possibility of lateral illumination of the peripheral undepleted n-region with planar manufacturing technology of a multi-element photodetector crystal [RU 2318272 C1, Chinareva IV, Ogneva OV, Zabenkin O.N., Mischenkova T.N. "A method of manufacturing a high-speed multi-element photodetector based on InGaAs / InP epitaxial structures"]. The disadvantage of this method is the large dark currents of the elements, the magnitude of which is proportional to the volume of the region adjacent to the perimeter of the p-i-n junction, from which minority carriers are collected, and this reduces the threshold characteristics of the device. In addition, part of the incident radiation is reflected on the diaphragm, which leads to the loss of the useful signal. Diffraction scattering on the diaphragm reduces the speed due to the presence of the diffusion component of the carrier current generated in the shadow region of the diaphragm.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, описанное в статье [High Uniformity InGaAs Linear Mesa-type SWIR Focal Plane Arrays» Tang Hengjing*a, b, Wu Xiaoli a, b, Zhang Kefeng a, b, Ye Liping a, Wang Nili a, Li Xue a, Gong Haimei a aState Key Laboratories of Transducer Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China 200083; bGraduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 100039]. Линейные четырехрядные матрицы фотодиодов с размером пикселя 56×56 мкм² и шагом в линейке фотодиодов 112 мкм сформированы химическим травлением эпитаксиальной структуры с p-i-n-переходом до подложки n+-InP. В такой структуре при условии полного стравливания слоя n-In 0,53 Ga 0,47 As за пределами проекции периметра p-i-n-перехода отсутствуют области, из которых собираются избыточные неосновные носители. Однако по мнению авторов коэффициент фотоэлектрической взаимосвязи соседних элементов составляет 7% из-за неполного стравливания слоя n-In 0,53 Ga 0,47 As. Из-за неоднородного травления по площади трудно изготовить матрицы элементов с одинаковой глубиной травления. В случае прямого травления эпитаксиального слоя до подложки через маску фоторезиста процесс растворения идет изотропно. Поэтому минимальное расстояние между пикселями обычно превышает толщину эпитаксиального слоя. При необходимой глубине травления 4 мкм и шаге в матрице 15 мкм получим площадь фоточувствительного элемента не более 13×13 мкм². Потеря светового потока составит (1-13×13/15×15)×100%=25%.Closest to the present invention is the technical solution described in the article [High Uniformity InGaAs Linear Mesa-type SWIR Focal Plane Arrays »Tang Hengjing * a, b, Wu Xiaoli a, b, Zhang Kefeng a, b, Ye Liping a, Wang Nili a, Li Xue a, Gong Haimei a a State Key Laboratories of Transducer Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China 200083; bGraduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing, China 100039]. The linear four-row arrays of photodiodes with a pixel size of 56 × 56 μm ² and a pitch in the line of photodiodes of 112 μm are formed by chemical etching of the epitaxial structure with a pin junction to the n + -InP substrate. In such a structure, provided that the n-In 0.53 Ga 0.47 As layer is completely etched, there are no regions outside the projection of the pin-transition perimeter that make up excess minority carriers. However, according to the authors, the photoelectric coefficient of the neighboring elements is 7% due to incomplete etching of the n-In layer of 0.53 Ga 0.47 As. Due to heterogeneous etching over the area, it is difficult to produce matrix elements with the same etching depth. In the case of direct etching of the epitaxial layer to the substrate through a photoresist mask, the dissolution process is isotropic. Therefore, the minimum distance between pixels usually exceeds the thickness of the epitaxial layer. With the required etching depth of 4 μm and a pitch in the matrix of 15 μm, we obtain the area of the photosensitive element no more than 13 × 13 μm ² . The loss of luminous flux will be (1-13 × 13/15 × 15) × 100% = 25%.

Известен способ изготовления индиевых микроконтактов ионным травлением [Болтарь К.О., Корнеева М.Д., Мезин Ю.С., Седнев М.В. Прикладная физика. 2011 г., №1]. Метод травления ионами инертного газа позволяет воспроизводить с прецизионной точностью размеры маски, нанесенной на поверхность любого материала. При этом процесс травления идет анизотропно в направлении падения ионов рабочего газа. Недостатком известного способа является возможность переосаждения распыляемых атомов поверхности на вертикальные стенки формируемой структуры. Это может приводить к образованию слоя, шунтирующего p-i-n-переход.A known method of manufacturing indium microcontacts by ion etching [Boltar K.O., Korneeva M.D., Mezin Yu.S., Sednev M.V. Applied Physics. 2011, No. 1]. The method of etching with inert gas ions makes it possible to reproduce with precision accuracy the dimensions of the mask deposited on the surface of any material. The etching process is anisotropic in the direction of incidence of the working gas ions. The disadvantage of this method is the possibility of reprecipitation of atomized surface atoms on the vertical walls of the formed structure. This can lead to the formation of a layer bypassing the p-i-n junction.

Задачей настоящего изобретения является создание многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP с минимальными потерями регистрируемого излучения без фотоэлектрической взаимосвязи элементов и увеличение его быстродействия.The objective of the present invention is to provide a multi-element photodetector based on InGaAs / InP epitaxial structures with minimal loss of detected radiation without photoelectric interconnection of the elements and increase its speed.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в способе изготовления многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных p-i-n-структур InGaAs/InP на поверхность р+-In 0,53 Ga 0,47 As фотолитографическим способом наносят маску фоторезиста и ионным травлением до подложки n+-InР и финишным химическим травлением формируют множество одинаковых несвязанных р-i-n-областей на проводящем основании, изолированных друг от друга промежутком, ширина которого меньше, чем в аналоге. Финишное химическое травление поверхности проводят для удаления слоя, образовавшегося при ионном травлении и шунтирующего p-n-переходы. Далее выполняют стандартные процессы: удаление фоторезиста, нанесение пленки нитрида кремния, вскрывают окна в нитриде кремния, изготавливают контакты к n- и p-областям. Ширина промежутка между несвязанными областями составляет 1 мкм. При этом потеря светового потока в матрице с шагом 15 мкм составит (1-14,5x14,5/15x15)х100%=6,5%, что в четыре раза меньше, чем при жидкостном способе формирования отдельных p-i-n-диодов. Глубина травления меза-структуры задается временем и скоростью травления ионами аргона с энергией 1 кэВ и плотностью тока 0,2 мА/см² до подложки n+-InP через маску фоторезиста, что позволяет останавливать процесс травления на требуемой глубине, разделяя элементы матрицы по обедненному носителями n-слою, и, таким образом, устраняет фотоэлектрическую взаимосвязь между отдельными элементами. В изготовленной предлагаемым способом матрице фоточувствительных элементов отсутствуют области за пределами проекции периметра p-i-n-перехода, что способствует увеличению быстродействия фотоприемника.The technical result of the invention is achieved by the fact that in the method of manufacturing a multi-element photodetector based on InGaAs / InP epitaxial pin structures, a photoresist mask is applied by photolithographic method and ion etching to the n + -InP substrate and By final chemical etching, many identical unconnected p-in regions are formed on a conductive base, isolated from each other by a gap whose width is smaller than in the analogue. The final chemical etching of the surface is carried out to remove the layer formed by ion etching and shunting pn junctions. Then, standard processes are performed: removing the photoresist, applying a film of silicon nitride, open the windows in silicon nitride, make contacts to the n- and p-regions. The gap between the unbound regions is 1 μm. In this case, the loss of light flux in the matrix with a step of 15 μm will be (1-14.5x14.5 / 15x15) x100% = 6.5%, which is four times less than with the liquid method of forming individual pin diodes. The depth of etching of the mesa structure is determined by the time and rate of etching by argon ions with an energy of 1 keV and a current density of 0.2 mA / cm ² to the n + -InP substrate through a photoresist mask, which allows the etching process to be stopped at the required depth, separating the matrix elements from depleted carriers n-layer, and thus eliminates the photoelectric relationship between the individual elements. In the matrix of photosensitive elements manufactured by the proposed method, there are no areas outside the projection of the perimeter of the pin junction, which increases the speed of the photodetector.

Схематическое изображение фрагмента матрицы, изготовленной по предлагаемому способу, иллюстрируется на фиг.1.A schematic illustration of a fragment of a matrix made by the proposed method is illustrated in figure 1.

Claims (1)

Способ изготовления многоэлементного фотоприемника на основе эпитаксиальных p-i-n-структур InGaAs/InP, состоящий в том, что множество одинаковых фотоэлектрически несвязанных p-i-n-областей в матрице фотодиодов формируют травлением эпитаксиальной структуры с p-i-n-переходом до подложки n+-InP, отличающийся тем, что множество одинаковых фотоэлектрически несвязанных p-i-n-областей на проводящем основании формируют ионным травлением ионами аргона с энергией 1 кэВ и плотностью тока 0,2 мА/см² p-i-n-структуры р+-In 0,53 Ga 0,47 As, p-InP, n-In 0,53 Ga 0,47 As на подложке n+-InP до подложки n+-InP через маску фоторезиста и финишным химическим травлением. A method of manufacturing a multi-element photodetector based on InGaAs / InP epitaxial pin structures, consisting in the fact that many identical photoelectrically unconnected pin regions in the photodiode array are formed by etching the epitaxial structure with a pin junction to an n + -InP substrate, characterized in that many identical photoelectrically unbound pin regions on the conductive base are formed by ion etching with argon ions with an energy of 1 keV and a current density of 0.2 mA / cm ² pin structure p + -In 0.53 Ga 0.47 As, p-InP, n-In 0 , 53 Ga 0.47 As on the n + -InP substrate to the substrate n + -InP through a photoresist mask and finish chemical etching.

Images