Stav techniky
Polovodičové detektory na bázi polovodičů skupin A(III)B(V) jsou velmi atraktivním materiálem pro využití v optoelektronice. Současná řešení ale vyžadují vrstvené struktury, u nichž je velmi důležité řízení tlouštěk jednotlivých vrstev, jejich přesně definované dopování příměsovými prvky. Velmi problematická je metalizace takových struktur, jelikož kovy jsou v oblasti viditelného a blízkého infračerveného spektra (VIS, NIR) záření nepropustné. Vertikální metalizace je velmi náročným technologickým problémem z důvodu elektivního nanášení na boční stěny deponovaných heterostrukrur a jejich zvýšené defektivity, způsobené např. iontovým či laserovým řezáním.
Další možností je nepřímá detekce záření, využívaná např. u vrstev nitridu hliníku (AlN), kdy po ozáření vrstvy rezonančního mikromůstku dojde ke změně piezoelektrických vlastností vrstvy, což se projeví změnou rezonanční frekvence mikrojazýčku. Toto řešení je velmi komplikované z důvodu selektivní depozice pouze na mikromůstek popř. nutnost nasazení kombinace litografických procesů a plasmatického/iontového leptání výrazně prodlužuje pracovní a časovou náročnost produkce takového zařízení.
Návrh Optického detektor IR záření
Cílem bylo navrhnout heterostrukturu využívající InN jako aktivní vrstvu. Fotoaktivní vrstva na bázi InN je velmi vhodná z důvodu řádově vyšší pohyblivosti nosičů náboje (teoretický limit pohyblivosti nosičů náboje při pokojové teplotě µSi je pro křemík je okolo 1200 cm2/Vs, pro InN je µInN = 8000 cm2/Vs). Vysoká koncentrace volných elektronů polovodiče InN je způsobena unikátní charakteristikou jeho zakázaného pásu: nábojově neutrální zóna je situována hluboko ve vodivostním pásu, konkrétně okolo 1.8 eV nad maximem valenčního pásma - tato hodnota byla donedávna zaměňována se šířkou zakázaného pásu u polovodiče InN, který je ve skutečnosti okolo 0.7 eV nad maximem valenčního pásu Tyto parametry předurčují InN pro vysokofrekvenční fotocitlivé elektronické prvky. Konvenčně používané materiály jako Si již v nynější době naráží na fyzikální limity, dané právě pohyblivostí nosičů elektrického náboje.
Byla návržena heterostruktura, vhodná pro velkoplošnou depozici aktivní vrstvy InN metodou Chemické depozice z plynné fáze za použití organokovových sloučenin (MOCVD) s minimalizovaným množstvím dalších technologických kroků po její depozici. Pro zajištění vysoké efektivity sběru fotogenerivaných nosičů je heterostruktura opatřena výhodnou konfigurací kontaktů, umístěných pod fotoaktivní vrstvou InN.
Navržené řešení heterostruktury pro optické detektory, připravené depozicí vrstvy InN technologií MOCVD, vychází z toho, že defekty a nečistoty, zejména nedostatek (vakance) dusíku v deponované vrstvě způsobují její n-typovou vodivost. Kontrola koncentrace vakancí dusíku, jenž přímo souvisí se stechiometrickými poměry u InN, způsobuje posun Fermiho hladiny, směrem níže od oblasti nábojové nutrality. S polohou Fermiho hladiny je také spjata poloha optické absorpční hrany. Změnou stechiometrie je tedy možno dosáhnout intervalu fotocitlivosti InN od energie fotonů 1.8 eV (680 nm – viditelná oblast světelného spektra) směrem k nižším fotonovým energiím, tj do infračervené oblasti spektra.
Heterostruktura vyobrazená na Obr.1 byla realizována následovně: jako substrát (1) byl použit (100) orientovaný, bromem dopovaný Si substrát. Z důvodu elektrického oddělení a přizpůsobení krystalických parametrů byla na waferu substrátu vytvořena vrstva SiO2 o tloušťce 400 nm (2). Pro její vytvoření byla použita metoda teplotní mokré oxidace. Na takto upravený povrch substrátu byla naprášena 100 nm tlustá vrstva TiN. Materiál TiN byl zvolen kvůli podobným teplotně-mechanickým parametrům jako má SiO2 (teplotní roztažnost, mřížková shoda, silá adheze). Navíc, použitá receptura produkuje TiO2 se slušnou elektronovou vodivostí. Následnou litografií a leptáním pomocí chlorového reaktivního leptání byly zhotoveny interdigitální elektrody (3) pro měření změn vodivosti epitaxní vrstvy vlivem jejího ozáření.
Výrobní CAD předloha jednoho segmentu fotodetektoru má rozměry 6 x 6 mm2 . Jeden segment obsahuje 20 dílčich IR detektorů o rozměrech 600 x 800 µm2 a různou tloušťkou sběrných interdigitálních elektrod, přes které byla nedponována 20 nm tenká vrstva AlN (5), která slouží jako adaptační vrstva vhodná pro růst epitaxního InN (6). Tato vrstva byla nanesena metodou iontově asistované depozice na jiném zařízení. To z důvodu již optimalizované receptury depozice a v danou chvíli na nové aparatuře nedosažitelné teploty pro růst AlN metodou MOCVD, která je vysoko nad 1100 °C. Na adaptační vrstvu se nanáší epitaxní vrstva InN. Epitaxní vrstva InN je koncipována tak, že změnou procesních parametrů, v našem případě snižováním průtoku prekurzoru NH3, se v průběhu depozice postupně mění poměr In/N směrem od stochiometrické vrstvy k vrstvě bohaté na In. Tak je zajištěno rozšíření spektrální citlivosti detektoru. Poté byla provedená druhá litografie pro vytvarování AlN/InN vrstvy na prostoru, kde jsou interdigitální elektrody. Tyto vrstvy byly leptané pomocí metody iontového odprašování. Pro poslední krok byla využita lift-off technologie pro zhotovení kontaktovacích plošek z Al na TiN (4), umožňujících wire-bonding a elektrické připojení do pouzdra LCC68. Po těchto krocích byl wafer zakryt fotorezistem a nařezán pilou s diamantovým kotoučem, poté byl rezist odstraněn pomocí acetonu a isopropylalkoholu a jednotlivé čipy segmentu byly upevněny do pouzdra a nabondovány.
Obr.1 Navžená a realizovaná struktura optického detektoru
Přihláška užitného vzoru zde.
