Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 4, стр. 307-314

1. ВВЕДЕНИЕ

Современные p-i-n-фотодиоды широко применяются в сетевых картах и коммутаторах волоконно-оптических системах связи для преобразования электромагнитных излучений в электрический сигнал. Простота конструкции, низкая стоимость и возможность изготовления прибора с оптимальными характеристиками обуславливают применение p-i-n-фотодиодов в аппаратуре космического назначения в качестве навигационных и сенсорных детекторов оптического и ИК диапазона, в системах LIDAR [1], а также в оптических межспутниковых каналах связи [2].

Введение i-слоя собственного полупроводника между p- и n-слоями примесного полупроводника позволяет существенно увеличить размер области пространственного заряда. Конструкция прибора позволяет достигнуть практически полного поглощения оптического излучения в i-слое и сокращения времени переноса зарядов из i-зоны в легированные области. Таким образом, основное преимущество p-i-n-фотодиодов заключается в быстром переключении, так как поглощение излучения происходит в i-слое, где за счет дрейфового переноса носители заряда имеют высокие скорости. Другим преимуществом является высокая квантовая эффективность, поскольку толщина i-слоя обычно больше обратного коэффициента поглощения, и все фотоны поглощаются в i-слое. Кремниевые p-i-n-фотодиоды обладают квантовой эффективностью выше 80–90% в интервале длин волн 400–1100 нм, хорошей чувствительностью (0.5 А/Вт) и малым временем нарастания импульса (несколько наносекунд). Квантовая эффективность определяется, прежде всего, величиной темнового тока, связанной с концентрацией свободных носителей заряда, которые генерируются в объеме кремния в отсутствие внешнего светового возбуждения, например, в результате термогенерации. Генерационными центрами являются различные технологические (фоновые) примеси и другие структурные дефекты (например, дислокации, микродефекты, вакансионные скопления и скопления междоузельных атомов, дефектно-примесные комплексы). В работе проведен анализ изменения электрофизических параметров p-i-n-фотодиодов на основе кремния с вертикальной структурой и охранным кольцом в зависимости от режимов их работы (величины внешнего смещения и температуры).

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Приборы изготавливались на пластинах монокристаллического кремния p-типа проводимости ориентации (100) с ρ = 1000 Ом см, выращенных методом бестигельной зонной плавки. Область p⁺-типа анода (изотипный переход) создавалась имплантацией ионов B⁺ во всю поверхность непланарной стороны пластины, области n⁺-типа катода и охранного кольца ‒ диффузией P из газовой фазы в планарную сторону пластины. Измерения вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик (соответственно далее в тексте ВАХ и ВФХ) производились на измерителе параметров полупроводниковых приборов Agilent B1500A с зондовой станцией Cascade Summit 11000B-AP в диапазоне температур –30…70°С с шагом 10°С. Определение локальных дефектов в приповерхностной фоточувствительной области осуществлялось с помощью растрового электронного микроскопа “HITACHI” типа S-4800 (РЭМ) согласно методике [3] в сканирующем режиме и в режиме наведенного тока с энергиями пучка электронов 20 и 30 кэВ, соответственно. Спектры релаксационной спектроскопии глубоких уровней (DLTS) измерялись при длительности импульса заполнения 0.01 с и окне скорости эмиссии 19 с^–1. Спектры измерялись при обратном смещении –5 В в режимах заполнения ловушек основными и неосновными носителями заряда. В первом случае напряжение заполнения было 0 В, а во-втором ‒ 2 В.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены ВАХ темновых токов фоточувствительной области и охранного кольца исходного фотодиода при 20°С. Видно, что обратный темновой ток (I_R) возрастает с увеличением обратного смещения, при этом зависимости для фоточувствительной области и для охранного кольца качественно похожи. Для p-n-перехода на основе кремния при 20°С основной вклад в обратный темновой ток вносит дрейфовая составляющая, обусловленная генерационно-рекомбинационными процессами в области обеднения [4]. Следует отметить, что на ВАХ при обратном смещении как фоточувствительной области, так и охранного кольца, наблюдаются ступеньки вблизи V₁ ≈ 25 В и V₂ ≈ 70 В. Это связано, вероятно, с термической генерацией носителей заряда с глубоких уровней. Данный факт так же позволяет сделать предположение о неоднородном распределении технологических примесей c глубокими уровнями по объему кристалла. Ранее качественно подобные ВАХ наблюдались нами при исследовании диодов генераторов шума, сформированных на сильнолегированных подложках монокристаллического кремния (ρ = 0.005 Ом см) [5]. Наличие ступенек на вольт-амперных характеристиках было связано с неоднородным распределением примесей по объему подложки.

Для обратной ВАХ p-n-перехода, в области пространственного заряда которого преобладает генерация электронно-дырочных пар, присуща степенная зависимостью тока от приложенного напряжения I_R ~ Vⁿ [4]. На рис. 2 приведена ВАХ темнового тока в двойном логарифмическом масштабе, которая может быть разбита на три участка: I – сублинейный, n ~ 0.5. Такая зависимость характерна для резкого ассиметричного p-n-перехода, для которого рост I_R с напряжением связан с ростом области обеднения (W) по степенному закону с n = 0.5 [4]. В широкозонных полупроводниках с низкой концентрацией собственных носителей заряда n_i (таких, как Si) и большой концентрацией генерационно-рекомбинационных центров (низкое значение τ_e) при комнатной температуре преобладает генерационный ток (J_gen). При заданной температуре J_gen пропорционален ширине обедненного слоя, который в свою очередь зависит от приложенного обратного смещения V [4].

Таким образом, следует ожидать для резкого p-n-перехода степенную зависимость генерационного тока от приложенного напряжения с показателем степени n = 0.5. Из исследований температурных зависимостей I_R (рис. 3) установлено, что генерация носителей заряда на участке I (при приложенных напряжения от 0 до 10 В) происходит с энергетического уровня 0.20 эВ.

При напряжениях от 10 до 25 В (участок II) обратный ток также возрастает с ростом V и n становится больше 0.5 (n ~ 2). Такая суперлинейная зависимость, вероятно, обусловлена высокой концентрацией рекомбинационно-генерационных центров и их неоднородным распределением по объему кристалла [6].

На участке III при V ~ 35–70 В (рис. 2) ток прямо пропорционален V (n ~ 1). На данном участке ток экспоненциально зависит от температуры, генерация носителей заряда при данных напряжениях смещения происходит с энергетического уровня 0.26 эВ. Из исследований ВАХ и температурных зависимостей обратного тока можно заключить, что процессы формирования темнового тока обусловлены термической генерацией носителей заряда с глубоких уровней и, вероятно, неоднородным распределением технологических (фоновых) примесей и/или микродефектов по объему кристалла. Исходя из различного энергетического положения глубоких уровней на участке I и на участке III следует, что в генерационно-рекомбинационных процессах участвуют различные виды дефектов структуры. Однако, данные эффекты могут быть обусловлены и особенностями изменения размеров области обеднения при приложении внешнего смещения.

Из данных ВФХ следует, что барьерная емкость (С_б) исследуемого прибора уменьшается с увеличением обратного напряжения (рис. 4). Согласно [4] зависимость емкости от приложенного обратного смещения имеет вид 1/C  ² ~ V для резкого асимметричного p-n-перехода и 1/C  ³ ~ V для плавного p-n-перехода.

Проведенные теоретические расчеты зависимости толщины области обеднения (W) от приложенного напряжения в соответствии с [4] и сравнение их с экспериментальными результатами из измерений барьерной емкости С_б и обратного тока I_R показали (рис. 5), что переход резкий асимметричный.

Из рис. 5 также следует, что на участке II, несмотря на то, что I_R ~ V  ², величина обратной емкости 1/C ~ W по-прежнему продолжает расти по закону с n = 0.5. Следовательно, рост величины обратного тока происходит не только за счет увеличения толщины W, но и за счет включения нового механизма генерации внутри области обеднения, что подтверждает высказанное выше предположение о неравномерном распределении глубоких рекомбинационных центров по объему области обеднения. При напряжениях более 8 В для обратного тока появляется дополнительный канал утечки, т.е. включается новый механизм увеличения I_R, не связанный с увеличением W от V.

Высокие значения n (n > 0.5) наблюдались нами ранее при анализе ВАХ биполярных транзисторов [7] и могут быть связаны с целым рядом причин, обусловленных ограничениями применения статистики Холла-Шокли-Рида, в рамках которой получены выражения (1) и (2). Среди этих причин прежде всего следует выделить высокую концентрацию рекомбинационно-генерационных центров и их неоднородное распределение. Кроме того, эти центры могут входить в состав протяженных дефектов или областей скоплений дефектов. Высокие значения n (от 0.5 и выше) наблюдались ранее в приборах, изготовленных по стандартной технологии с применением для формирования легированных областей ионной имплантации, и характерны для генерационной составляющей обратного тока диодов с наличием дислокаций или других структурных дефекты в области p-n-перехода [8]. Такие дефекты заметно увеличивают токи утечки p-n-перехода. Особенно губительно для приборов сочетание дислокаций и примесей металлов с большими коэффициентами диффузии. В кремниевых переходах при декорировании дислокаций металлическими примесями наблюдалось увеличение токов утечки вплоть до короткого замыкания p-n-перехода [8, 9].

В настоящее время существует лишь качественное объяснение результатов экспериментов, в которых увеличение токов утечки связывается с образованием по дислокациям “мостиков” повышенной проводимости через область пространственного заряда p-n-перехода. Оценки [8, 9] дают сопротивления этих “мостиков” от 20 МОм до нескольких Ом. Эта интерпретация опирается на известный факт стекания примеси к дислокациям. Наиболее распространенное объяснение влияния дислокаций на токи утечки основывается на исследованиях, в которых показано, что дислокация в кремнии n-типа ведет себя как цепочка акцепторов, а в p-кремнии – как цепочка доноров. Поэтому из условий электронейтральности дислокация должна образовывать вокруг себя трубку повышенной концентрации основных носителей заряда [9].

Однако, как показали исследования методом растровой электронной микроскопии (РЭМ), увеличение обратных токов рассматриваемого p-i-n-фотодиода не может быть связано с утечками через p-n-переход вследствие шунтирования его структурными дефектами типа дислокаций, скоплений на них примесей и т.п. На всех изображениях РЭМ (рис. 6) в фоточувствительных областях фотодиода не наблюдалось контрастов, свидетельствующих о наличии размерных дефектов, являющихся локальными генерационно-рекомбинационными центрами (ГРЦ) вблизи металлургической границы p-n-перехода. Таким образом, анализ полученных результатов позволяет заключить, что скопления ГРЦ находятся внутри области обеднения p-i-n-фотодиода на некотором расстоянии от p‑n-перехода, причем распределены в ней неравномерно. Такими дефектами могут быть скопления микродефектов, формирующиеся вследствие флуктуаций температуры, возникающих как в результате вращения кристалла в процессе выращивания в асимметричном тепловом поле, так и при высокотемпературных технологических обработках при изготовлении приборов. Существует три типа микродефектов, образующихся в бездислокационных монокристаллах, выращенных методом бестигельной зонной плавки, различающихся размерами, структурой и условиями возникновения [10, 11]. А-дефекты представляют собой призматические дислокационные петли междоузельного типа и их скопления размерами 0.5–5.0 мкм. В-дефекты являются кластерами междоузельных атомов, их размеры не превышают 0.005–0.05 мкм. С-дефекты ‒ являются скоплениями точечных дефектов междоузельного типа размером ~4.10 нм. Наличие дефектов структуры в бездислокационных монокристаллах кремния определяет физические свойства этих кристаллов и качество приборных структур на основе кремния.

Дефекты структуры, как сказано выше, могут образовываться как в процессе выращивания кристаллов (ростовые микродефекты), так и в процессе изготовления полупроводниковых приборов (постростовые микродефекты). В процессе изготовления прибора кристалл на ряде этапов подвергается высокой термической обработке (диффузия, постимплантационный отжиг и т.п.). При термообработке в кристаллах кремния протекают сложные процессы генерации и рекомбинации собственных точечных дефектов и взаимодействия их с различного вида как примесными, так и собственными структурными дефектами. В общем виде к ним относятся следующие: высокотемпературная генерация и рекомбинация точечных дефектов в кристаллической решетке кристалла; эмиссия и встраивание точечных дефектов в структуру микродефектов; генерация и рекомбинация точечных дефектов на поверхности кристалла, обуславливающие возникновение диффузионных потоков объем – поверхность и наоборот; образование различных преципитатов за счет взаимодействия точечных дефектов между собой и с примесными атомами [12]. В результате происходит рост микродефектов и трансформация исходной дефектной структуры, которая проходит ряд последовательных стадий от совокупности вакансионных и междоузельных микродефектов до крупных дефектов. Так как распределение ростовых микродефектов в объеме кристалла неоднородно, то одновременно возможно образование и рост дефектов в различных участках активной области прибора (области обеднения). Отсутствие размерных дефектов, являющихся локальными рекомбинационными центрами вблизи металлургической границы p-n-перехода, вероятно обусловлено геттерирующим действием примеси фосфора, вводимой в кристалл для формирования p-n-перехода методом диффузии из газовой фазы в планарную сторону пластины [13, 14].

Исследования температурной зависимости барьерной емкости при различных напряжениях смещения (на частоте 1 кГц) показали (рис. 7), что заметная зависимость C_б наблюдается только при напряжениях, не превышающих контактную разность потенциалов (V ≤ 1 В). В случае резкого несимметричного перехода [4]

а W ~ (V_bi + V)^1/2, где V – приложенное напряжение. В свою очередь где N_B = N_D или N_A в слаболегированной части p-n-перехода, а контактная разность потенциалов где E_g – ширина запрещенной зоны; qV_n и qV_p – положение уровня Ферми в запрещенной зоне относительно дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа и относительно потолка валентной зоны в полупроводнике р-типа; n_n0 и p_p0 – равновесные концентрации электронов и дырок в полупроводнике n-типа и дырок в полупроводнике р-типа, соответственно; N_D и N_A – концентрации доноров и акцепторов; n_i – собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике.

В выражение для С_б (3) входят два параметра, зависящие от температуры: относительная диэлектрическая проницаемость ε и высота потенциального барьера qV_bi. При повышении температуры ε увеличивается, а qV_bi уменьшается [15]. Поскольку ε входит в числитель формулы для С_б, а qV_bi в знаменатель, то при повышении температуры барьерная емкость возрастает. Однако, в формулу (3) кроме того входит величина V_bi + V (сумма запирающего напряжения и высоты потенциального барьера). Следовательно, при напряжениях смещения V ≤ V_bi зависимость W от температуры определяется температурной зависимостью V_bi. Проведенное моделирование по формулам (3)–(5) показало, что при увеличении температуры контактная разность потенциалов и толщина обедненного слоя уменьшаются, а барьерная емкость увеличивается. При этом выполняется соотношение 1/С² ~ W² ~ V_bi (рис. 8).

Исследования частотной зависимости С_бp-i-n-фотодиода показали (рис. 9), что барьерная емкость существенно зависит от частоты измерений тогда, когда размеры W полностью определяются величиной V_bi, т.е. при V ≤ V_bi. Если размеры W определяются внешним приложенным обратным смещением (V $ \gg $V_bi), то С_б практически не зависит от частоты. Уменьшение С_б при частотах более 100 кГц для напряжения смещения V ≤ V_bi, учитывая амплитуду сканирующего сигнала (25 мВ), вероятно связано с возрастанием влияния диффузионной емкости.

Следует отметить, что из измерений DLTS новых видов дефектов обнаружено не было, спектры имеют типичный вид для кремния р-типа. При анализе полученных результатов следует учитывать, что исследования DLTS производились при напряжениях смещения, не превышающих 10 В, т.е. исследования соответствовали области I темновой вольт-амперной характеристики p-i-n-фотодиода. Данный факт согласуется с результатами исследований методом растровой электронной микроскопии, из которых следует, что в фоточувствительных областях фотодиода вблизи металлургической границы p-n-перехода не наблюдалось наличия размерных дефектов (типа дислокаций), являющихся локальными генерационно-рекомбинационными центрами. Наблюдаемые особенности вольт-амперных характеристик обусловлены структурными дефектами, расположенными в глубине обедненной области p-i-n-фотодиода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что для p-i-n-фотодиодов на темновых ВАХ при обратном смещении можно выделить три области изменения тока в зависимости от приложенного напряжения: сублинейную (0–8 В), суперлинейную (10–25 В) и линейную (более 25 В). При напряжениях смещения свыше 8 В ток начинает возрастать по суперлинейному закону, однако размеры области обедненения по-прежнему продолжают расти по сублинейному закону. Это обусловлено появлением при данных напряжениях дополнительного канала для генерационного тока, обусловленного высокой концентрацией ГРЦ в области обеднения и их неоднородным распределением по объему кристалла. Такими дефектами структуры являются как ростовые микродефекты, образующиеся в процессе выращивания монокристаллов, так и постростовые микродефекты, которые формируются в процессе изготовления полупроводниковых приборов. На частоте измерений ВФХ 1 кГц заметная зависимость величины барьерной емкости и размеров области обеднения от температуры для p-i-n-фотодиодов наблюдается только при приложенных обратных напряжениях, не превышающих контактную разность потенциалов (V ≤ 1 В). Показано, что барьерная емкость p-i-n-фотодиодов практически не зависит от частоты измерений, если размеры области обеднения определяются внешним приложенным обратным смещением (V $ \gg $ V_bi). На частотах более 100 кГц при V ≤ V_bi наблюдается уменьшение С_б, обусловленное проявлением возрастающего влияния диффузионной емкости.