FBH-Forschung: 12.07.2012

Siliziumkarbid-Fotodioden mit höchster Zuverlässigkeit zur Detektion ultravioletter Strahlung

Mikroskopaufnahme Fotodiode
Abb. 1: Mikroskopaufnahme der Vorderseite einer Fotodiode mit einer Kantenlänge von 1x1 mm².
Fotostrom Alterung Niederdruck UV-C
Abb. 2: Verlauf des normalisierten Fotostroms von SiC-UV-Fotodioden bei Alterung mit einer Niederdruck UV-C-Lampe. Zum Vergleich zeigen die gestrichelten Linien das Verhalten von früheren kommerziellen 6H SiC p-n-Fotodetektoren.
Fotostrom Alterung Mitteldruck UV
Abb. 3: Verlauf des normalisierten Fotostroms von SiC-UV-Fotodioden bei Alterung mit einer Mitteldruck-UV-Lampe.

Eine wachsende Anwendungsvielfalt für die Detektion von ultravioletter (UV) Strahlung erfordert Detektorsysteme mit höchster Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität. Zu den Anwendungen zählen die Lebensmittel-, Luft- und Trinkwasserreinigung, die Überwachung von Flammen und Verbrennnungsprozessen sowie die chemische und biologische Analytik bzw. die Sterilisation von biologischen und medizinischen Ausrüstungsgegenständen. In einem gemeinsamen Projekt von FBH, dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) und dem Berliner Unternehmen sglux GmbH wurden höchsteffiziente und -zuverlässige SiC p-n-Fotodioden auf n-dotierten Substraten vom 4H-Polytyp hergestellt. Die aktive Chipfläche beträgt bis zu 6x6 mm². Die n- und p-dotierten Schichten wurden am IKZ epitaktisch gewachsen. Von der sglux GmbH wurden die Bauelemente charakterisiert und durch Langzeitbestrahlung mit UV-Licht gealtert.

Am FBH wurden p-n-Fotodioden auf 2- und 3-Zoll SiC-Substraten hergestellt. Alle Strukturierungs- und Justageschritte wurden mittels Kontaktlithographie durchgeführt. Durch Einsatz moderner, automatisierter Anlagentechnik für die trocken- und nasschemischen Prozessschritte sowie für die Abscheidung von Metallschichten und Dielektrika konnte die bestmögliche Prozesskontrolle gesichert werden. Durch Mesaätzung in einem induktiv gekoppelten Cl2-BCl3-Plasma (ICP)  wurde die aktive Sensorfläche der p-n-Dioden definiert. Die Technologie des SiC-Ätzens sichert eine hohe Homogenität von ± 15 nm über der Oberfläche eines 3-Zoll Wafers und eine genaue Steuerung der Ätztiefe von 7 µm. Durch Einlegieren von Aluminium-Titan auf der p-dotierten Seite und von Nickel-Chrom auf der n-dotierten Seite wurden die elektrischen Kontakte hergestellt. Abb. 1 zeigt die Vorderseite einer fertigen Diode mit dem elektrischen Kontakt und der Bondinsel im Zentrum (hell). Die Kantenlänge der aktiven Fläche des quadratischen Chips beträgt 1 mm.

Die Fotodioden wurden im TO-Gehäuse mit UV-transparentem Fenster bei Raumtemperatur charakterisiert und hochintensiver UV-Strahlung von Quecksilberdampflampen ausgesetzt. Das Verhalten des Fotostromes unter Bestrahlung mit UV-Licht von einer Niederdruck-Quecksilberdampflampe (4 mW/cm²) und von einer Mitteldruck-Lampe (17 mW/cm²) wurde bis zu 22 Monate lang untersucht. Abb. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Fotoströme der SiC-Fotodioden für die Alterung durch Bestrahlung mit der Niederdruck-Lampe und Abb. 3 für die Bestrahlung durch die Mitteldruck-Lampe. Die Fotoströme sind dabei auf die Anfangswerte normiert. Zunächst zeigten die getesteten Bauelemente einen Einbrenneffekt (burn-in effect), d.h. durch die künstliche UV-Alterung sank der Fotostrom innerhalb der ersten 40 Stunden um weniger als 5 %. Solch ein Einbrenneffekt unter UV-Belastung wurde auch an früheren kommerziellen SiC p-n-Fotodetektoren auf 6H-Polytyp (CREE CD‑260‑0.30‑D, auf p-dotierten SiC-Substraten) festgestellt. Nach der anfänglichen Einbrennphase konnte keine messbare Degradation der Bauelemente nachgewiesen werden, d.h. bis zum jetzigen Zeitpunkt (nach 16.000 Stunden Bestrahlung) sinkt der Fotostrom nicht weiter ab. Die Alterungstests demonstrieren die Robustheit von SiC-Fotodioden gegenüber UV-Bestrahlung und weisen die Eignung von 4H SIC p-n-Fotodioden für den Einsatz bei hohen UV-Bestrahlungsstärken nach.

Teile der Arbeiten wurden durch das BMBF unter der Vorgangsnummer KF2194501DB9 und das Transfer-BONUS-Programm des Berliner Senates gefördert. Für die technologische Unterstützung gilt ein besonderer Dank den Herren Frank Kudella und George Brandes.

Publikation

D. Prasai, W. John, L. Weixelbaum, O. Krüger, G. Wagner, P. Sperfeld, S. Nowy, D. Friedrich, S. Winter, T. Weiss, "Highly reliable silicon carbide photodiodes for visible-blind ultraviolet detector applications", J. Mater. Res., 2012, accepted for publication.