Диссертация (1090210), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Широкий набор энергетических уровней в алмазе приводит к большо-му разбросу электрофизических свойств от кристалла к кристаллу, что затрудняет серийное производство приборов на основе алмаза.3. Плотность состояний в зоне проводимости всего в 100 – 1000 раз выше,чем в плотность примесей в запрещенной зоне, что может приводить к эффектам «поляризации» и «квазидвухфотоного» поглощения света.4. Существует возможность управления чувствительностью и спектраль-ной характеристикой приборов на алмазе посредством подсветки чувствительного элемента неактиничным излучением.5. Существует возможность детектировать излучение в трех диапазонахспектра одним алмазным фотоприемником.
Если измерять фототок алмазногодетектора, детектируя поочередно, УФ, УФ – видимый и УФ – ИК спектр соответственно используя для измерений диапазоны 190 – 215 нм, 240 – 300 нм ипик собственного поглощения 222нм, то из-за разности формы спектра фоточувствительности в этих трех диапазонах, появляется возможность распознавать источник излучения по его спектру.6.Не смотря на это, алмазный фотоприемник остается солнечно-слепыми без УФ подсветки нечувствительным к видимому и ИК излучению.
Инфракрасная помеха в виде, например, ИК лазера без УФ компоненты не будет детектироваться и не приведет к ложным срабатываниям.7. Алмазные полупроводники, легированные бором имеют спектр погло-щения согласованный с окнами прозрачности атмосферы, в частности пик 2,44мкм приходится на окно прозрачности 2 – 2,5мкм, а пики 3,57 и 4,07 на окнопрозрачности 3,5 – 4,2 мкм, и могут применяться для разработки гиперспектральных фоточувствительных устройств чувствительных как в УФ областиспектра, так и в среднем ИК.482 ОДНОЭЛЕМЕНТНЫЕ АЛМАЗНЫЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ФОТОДЕТЕКТОРЫ2.1 Разработка конструкции одноэлементного алмазного фотодетектораФотоприёмники на основе алмаза изготавливались, как правило, из пластинок алмаза толщиной около 200 мкм, относящихся к группе 2а согласно градации алмазов по электрофизическим свойствам (п.
1.3). Их сопротивление лежит в пределах 1010 – 1016 Ом⋅см. Посторонних примесей в них практическинет, за исключением азота, который легко растворим в алмазе, и является донорной примесью [25].Допустимые концентрации азота, как показывает наш опыт работы, недолжны превышать 2⋅1018 атомов/см3. В противном случае работа приборовстановится неустойчивой (см. п.
1.6), резко и непредсказуемо падает сопротивление во время работы [33]. Некоторые приборы через непродолжительноевремя, после подачи напряжения смещения, пробиваются, и их сопротивлениестановится равным нулю. Другие, в это же время поляризуются, и их сопротивление возрастает до бесконечности, что приводит к полной потере фоточувствительности [33]. Причём чёткой зависимости этих явлений от количестваазотной примеси и типа азотных дефектов установить не удалось. И лишь припревышении количества дефектов 1019 атомов/см3, алмазная пластина полностью теряет фоточувствительность, то есть превращается в алмаз Ia типа. Изучение алмазных материалов легированных азотом, от 2⋅1018 атомов/см3 до 1019атомов/см3 представляет некоторый научный интерес, так как позволяет создавать приборы с маленьким смещением (1-10 В), но ненадёжность и непредсказуемость работы таких приборов не позволяют пока использовать пластины сконцентрацией азота свыше 2⋅1018 атомов/см в производстве серийной продукции.492.1.1 Конструкция алмазных фоторезисторовИзготовленный фоторезистор представлял собой самостоятельный прибор,на базе металлокерамического DIP-корпуса 201.16-1.
Герметичный корпус былзакрыт стеклом из кварца КУ-1 [19,53,54].Изделие представляло собой комплектующий элемент (узел), включающийв себя оптический алмазный элемент с двумя электродами напыленными на рабочую сторону алмазной пластинки (см. рисунок 2.11) и установленный внутриметаллокерамического 16-ти выводного корпуса (типа DIP16).Рис.
2.1 – Внешний вид оптической алмазной пластины. 1 – Алмазная подложка; 2 – Al электроды напылённые на поверхность алмазной пластины.Чувствительный элемент, в виде пластины, с размерами в плане от max4,5х4,5мм до min 1,5х1,5мм и толщиной 0,3 ± 0,14мм, располагался на монтаж-ной площадке корпуса таким образом, чтобы его активная зона находилась напротив входного окна крышки корпуса.Активная зона чувствительного элемента фоторезистора, как правило, шириной 500мкм, ограничена двумя контактными площадками, имеющими поверхностный слой алюминиевой пленки толщиной 0,2-0,8 мм.Контактные площадки внешних выводов корпуса DIP 201.16-1 имеюттвердое никелевое покрытие, обеспечивающее получение надежных соединений методами различных видов сварки и пайки.Общий вид фоторезистора приведен на рисунке 2.250Рис.2.2 – Общий вид фоторезистора.
1 – электрические выводы; 2 – корпус;3 – оптическое стекло.2.1.2 Конструкция алмазных фотодиодовИзготовленный фотодиод представлял собой комплектующий элемент(узел), включающий в себя оптический алмазный элемент с двухэлектроднойсистемой, напылённой на противолежащие плоскости (см. рисунок 2.3), установленный внутри металлокерамического 16-ти выводного корпуса с оптическим входом и электрическими выводами в герметичном исполнении [53,54].Алмазный элемент мы соединяли плоскостью электрода из алюминия сконтактной площадки корпуса при помощи клея контактола, а контактная площадка соединена при помощи ультразвуковой сварки золотой проволокой с 13ым выводом корпуса, предназначенным для подачи напряжения смещения нафотодиод.Рис.2.3 – Внешний вид оптической алмазной пластинки с напыленнымиэлектродами.
1 – алмазная подложка; 2 – полупрозрачный платиновый электрод; 3 – алюминиевая контактная площадка; 4 – нижний алюминиевый электрод.51Верхний электрод из платины соединен при помощи ультразвуковой сварки золотой проволокой с 4-ым выводом корпуса, являющимся выходом сигналас фотодиода. В корпусе изделия имеется входное окно из кварца КУ1, котороезащищает алмазный элемент от внешних воздействий.Фотодиод разработан на базе металлокерамического DIP-корпуса 201.16-1,с оптическим вводом излучения в герметичный объём корпуса.Чувствительный элемент, в виде пластины, с размерами в плане от max4,5х4,5мм до min 1,5х1,5мм и толщиной 0,3±0,14мм, располагается на монтаж-ной площадке корпуса таким образом, чтобы его активная зона находилась напротив входного окна крышки корпуса.Активная зона чувствительного элемента фотодиода, как правило, занимает 75-85% площади пластины и её поверхностный металлизированный слойплатиновой пленки толщиной 50 Ǻ несёт на себе контактную площадку изалюминия толщиной 0,2-0,8 мкм с размером около 100мкм.
Контактные площадки внешних выводов корпуса DIP 201.16-1 имеют твердое никелевое покрытие, обеспечивающее получение надежных соединений методами различных видов сварки и пайки.Общий вид фотодиода приведен на рисунке 2.3.2.2 Технология изготовления алмазных одноэлементных фотодетекторовПри изготовлении полупроводниковых датчиков УФ-излучения на природном алмазе нами использовалась планарная технология [55,56], обеспечивающая воспроизводимые параметры интегральных элементов, но исключающая групповые методы их обработки на отдельных операциях [57].
Последнеесвязано с уникальностью используемой подложки из природного алмаза, каждая из которых характеризуется своими геометрическими размерами и отличающимися физико-химическими свойствами в пределах своей группы.Технологические способы изготовления датчиков УФ-излучения были разработаны нами на базе технологии производства кремниевых интегральных52схем [55,56]. Большое количество сходных технологических процессов, такихкак химическая обработка, напыление, фотолитография, позволило использовать стандартные технологические операции и оборудование производствакремниевых ИС при изготовлении алмазных фотоприемников (АФП). Однако,наличие индивидуальных номеров для каждой пластины, а также различные габариты (особенно толщина пластины) не позволило нам на отдельных операциях, в частности фотолитографии [58], использовать основное преимуществотехнологии ИС – групповые методы обработки.
На всех операциях обработкиалмазных пластин была использована специальная технологическая оснастка:• индивидуальная – для одной алмазной пластины на операции травления,химической обработки, фотолитографии;• групповая – до 10 посадочных мест для операции напыления диэлек-трических и металлических покрытий.При разработке технологического маршрута изготовления алмазных датчиков УФ-излучения мы учитывали такие физические и химические свойстваалмаза как:• прозрачность и высокий коэффициент преломления алмаза в видимомспектре [25] (учитывалось при проведении химических обработок пластин вразличных растворах);• высокая твердость и малые геометрические размеры пластин [25] (учи-тывались при проведении операции фотолитографии);• графитизация алмаза при высокотемпературных обработках и ионномлегировании [59, 60];• низкая адгезия к алмазу различных материалов [61,62] (учитывалосьпри разработке технологии напыления металлов и изолирующих материалов наповерхность алмазных пластин).В планарной технологии многократно повторяются однотипные операциидля создания различных по структуре полупроводниковых фотоприемных устройств.53Основными технологическими операциями при изготовлении полупроводниковых фотоприемных устройств являются [55,56]:• химическая обработка полупроводниковой алмазной пластины;• химическое травление слоев на поверхности алмазной пластины;• фотолитография;• ионное легирование;• термическая обработка;• нанесение слоев металлизации;• нанесение слоев изоляции.Элементы интегральных структур полупроводниковых фотоприемныхустройств создавались на каждой алмазной подложке индивидуально на этапевыполнения операции фотолитографии и химической обработки.Каждый элемент схемы формировался в отдельной области, а соединениямежду элементами выполняются путем металлизации на поверхности алмазнойпластины, которая обладает уникальными свойствами изоляции за счет высокого сопротивления исходного материала.
Для формирования изоляции при выполнении многослойных элементов мы использовали нанесение изолирующегопокрытия SiO2.2.2.1 Химическая обработка алмазных чувствительных элементовПервичная химическая обработка алмазных пластин проводилась послеформирования партии, состоящей, как правило, из пяти – десяти пластин. Наоперацию химической обработки алмазные пластины поступали после механической обработки: резки, шлифовки и полировки. Рабочие поверхности и торцыалмазной пластины могут быть загрязнены органическими и неорганическимиматериалами, препятствующими проведению дальнейших операций. В дальнейшем алмазные пластины поступают на химическую обработку после операций фотолитографии, термической обработки и ионного легирования.Перед началом первичной химической обработки оформляется маршрутный лист изготовления изделия с последовательным перечнем операций и об-54рабатываемых пластин.
Каждая пластина имеет свой номер, которому в соответствие присваивается порядковый номер от 1 до 5 (10), он сохраняется в течение всего техпроцесса и обозначает очередность прохождения на операцияхиндивидуальной обработки или соответствует номеру кремниевой пластины, ккоторой приклеивают алмазную пластину при похождении групповых операций или операций фотолитографии.Первичную химическую обработку мы проводили после механической обработки, что требует индивидуального обезжиривания пластин путем протиркикаждой батистом, смоченным спиртом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
