Dispositivo de silicio para la detección de radiación visible e infrarroja a temperatura ambiente.

Dispositivo de silicio para la detección de radiación visible e infrarroja a temperatura ambiente.

La presente invención se refiere a un dispositivo con tres capas: dos semiconductores, (1) y (2), y una capa intermedia (3) aislante que están basadas en silicio cristalino. La implantación de impurezas con una concentración que supera la solubilidad sólida de dicha impureza en silicio confiere al dispositivo la capacidad de detectar radiación infrarroja a temperatura ambiente. La invención también se refiere al método para fabricar el dispositivo de la invención, que incluye técnicas de fabricación fuera del equilibrio termodinámico.

Dispositivo de silicio para la detección de radiación visible e infrarroja a temperatura ambiente

Sector técnico

La presente invención se encuadra en el sector de los fotodetectores de infrarrojo, la microelectrónica y la tecnología del silicio.

Estado de la técnica

En la actualidad, más del 90% de la tecnología microelectrónica se basa en silicio. Debido a esto y a que el 28% de la corteza terrestre es de silicio, la tecnología basada en este semiconductor es también la más barata. No obstante, siempre ha existido una limitación en cuanto a la aplicación del silicio para la detección de radiación infrarroja a temperatura ambiente (300 K), ya que este semiconductor no responde a longitudes de onda superiores a 1.1 mieras, mientras que el intervalo de longitudes de onda de la radiación infrarroja abarca desde las 0,7 mieras a las 1000 mieras, aproximadamente. Para solucionar este inconveniente, en la industria microelectrónica se han usado diversas alternativas:

Utilización de otros materiales distintos del silicio y que puedan responder al infrarrojo (CdTe, InGaAs, PbSe,...). Estos materiales plantean dos problemas. El primero es que son mucho más escasos y en ocasiones tóxicos. El segundo es que no son fácilmente integrables en la tecnología de silicio. Ambos problemas encarecen el dispositivo.

Uso de dispositivos que operen a temperaturas criogénicas (ver patente US4568960 "Blocked impurity band detectors"). A estas temperaturas incluso el silicio puede responder al infrarrojo. El problema de esta opción es el coste de adquisición, mantenimiento, operación y portabilidad de un sistema de refrigeración criogénica.

Uso de silicio microestructurado. Mediante un proceso láser de femto-segundos es posible modificar la superficie del silicio para que absorba radiación infrarroja (ver solicitud de patente US20050127401A1 "Silicon-based visible and near- infrared optoelectronic devices").

Microbolometros de silicio amorfo (ver solicitud de patente WO 2001081879 A2 "Microbolometer and manufacturing method"). Estos dispositivos se basan en la medición de cambios de temperatura para caracterizar la radiación infrarroja incidente. Tienen el inconveniente de que son relativamente lentos.

Dispositivos basados en defectos (ver patente GB 2383679 A). Estos dispositivos tienen un bajo nivel de señal y responden hasta 1.5 pm. Para aumentar el nivel de señal se usan estrategias que resultan complejas y encarecen el diseño, como por ejemplo la microfabricación de una guía de ondas.

Explicación de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo para la detección de radiación visible e infrarroja, basado en silicio, completamente integrable en la tecnología de silicio y que funciona a temperatura ambiente.

La figura 1 presenta un esquema de la estructura de este dispositivo. Esta estructura incluye 3 capas: dos semiconductores, (1) y (2), y una capa intermedia o interfaz (3) que aísla eléctricamente a las otras dos a temperatura ambiente. Las tres capas, (1), (2) y (3), están basadas en silicio cristalino. Esto quiere decir que al menos el 90% de la composición del material es silicio y que, además, su estructura cristalina es la del silicio. La capa (1) actúa como sustrato del dispositivo.

Sobre la capa (2) se fabrican contactos metálicos, (4) y (5), para acceder eléctricamente al dispositivo. No obstante, como puede verse en las figuras 2 y 3, uno de los contactos también puede estar situado en el sustrato semiconductor (1). Para que los dispositivos de las figuras 2 y 3 funcionen correctamente, la polarización entre los contactos (4) y (5) debe de ser tal que consiga que la capa o interfaz (3) produzca un aislamiento.

La capa superior (2) debería tener una resistencia mayor que la inferior (1) y, además, debe hacer buen contacto eléctrico con (4) y (5), por lo que la capa (2) debe de ser delgada (espesor menor de 2 pm) y de baja resistividad (resistividad menor de 15 Qcm). Debido al aislamiento que provoca la capa (3), existen 2 estados en su funcionamiento (figura 4). Estado A: en ausencia de radiación infrarroja, es decir, en oscuridad, el dispositivo tan solo presenta la resistencia debida a la capa (2). Cuando la radiación infrarroja modifica las propiedades de la capa (3), el dispositivo obtiene las propiedades de las capas (1) y (2) en paralelo, llegando al estado B, que sería la resistencia del dispositivo bajo iluminación. La diferencia entre estos dos estados se identificará como un cambio de resistencia eléctrica asociada a la detección de radiación infrarroja a través de los contactos (4) y (5), pudiendo darse estados intermedios entre el aislamiento total y el paralelo total. Este cambio de resistencia eléctrica variará con la temperatura, por lo que la sensibilidad de detección será por lo general mayor a temperaturas por debajo de 300 K.

Existen 2 posibles configuraciones básicas de las propiedades de las capas (2) y (3) que darían lugar al funcionamiento descrito arriba:

A. La capa (2) es un material transparente a la radiación infrarroja, por lo que dicha radiación no le afecta directamente. El silicio puro sería un ejemplo de material de este tipo, ya que es transparente a la radiación infrarroja a longitudes de onda por encima de 1.1 pm. Dicha capa de silicio sí reaccionaria a la luz visible, proporcionando al dispositivo alta sensibilidad en el rango visible. La capa intermedia (3) debe ser sensible a la radiación infrarroja a temperatura ambiente, de tal forma que cuando dicha radiación llega a la capa intermedia, sus propiedades se modifican, dejando entonces de aislar eléctricamente a las capas (1) y (2). Esta capa intermedia debería estar formada por silicio al que se le incorpora una alta concentración de impurezas profundas (como se especificará más adelante) o bien, esta capa intermedia podría ser simplemente la interfaz

entre este material con alta concentración de impurezas profundas y el sustrato base (1).

B. La capa (2) responde a la radiación infrarroja a temperatura ambiente, siendo esta capa (2) un material basado en silicio con una alta concentración de impurezas profundas. Dicha radiación genera nuevos portadores de carga en (2), es decir, electrones, que son inyectados a la capa intermedia (3). En este caso, la capa intermedia (3) sería la interfaz entre la capa (2) y el sustrato (1). Esos portadores inyectados en (3) modifican las propiedades de la propia capa (3), dejando entonces (3) de aislar eléctricamente a (1) y (2).

Otro aspecto de la invención se refiere a un método para fabricar un dispositivo para la detección de radiación visible e infrarroja a temperatura ambiente. Dicho método comprende las siguientes fases:

- Fabricación de una capa superior (2) de un material semiconductor y de una capa intermedia (3) de material eléctricamente aislante, sobre un sustrato semiconductor de silicio (1), mediante implantación iónica y un proceso térmico láser posterior, o mediante pulverización catódica o evaporación, con o sin proceso térmico láser posterior,

- Fabricación de dos contactos eléctricos.

Para fabricar las capas (2) y (3), se usa como base silicio, al que se modifica introduciendo impurezas que actúan como centros profundos. En la presente invención la concentración de estas impurezas debe alcanzar una concentración de entre 1020 y 5x1020 cm'3.

En una realización preferida, las impurezas de la capa intermedia (3) son de circonio y/o cromo.

La presente invención se diferencia de las tecnologías existentes en varios aspectos. En primer lugar, el dispositivo de la invención se basa enteramente en silicio, siendo compatible con la tecnología microelectrónica de silicio, y no se basa en materiales micro- o nanoestructurados, sino en silicio cristalino de alta calidad y, además, funciona a temperatura ambiente.

Por otro lado, el funcionamiento del dispositivo no se basa en la medición de cambios de temperatura sino en la caracterización de transiciones óptico-cuánticas en el seno de los semiconductores que lo componen. Esta característica da un mayor potencial en cuanto a tiempo de respuesta y frecuencia de uso de la que presentan otras tecnologías conocidas.

Especialmente destacable es el hecho de que el dispositivo de la invención no se basa en la creación de defectos en silicio, sino en la implantación de impurezas que crean niveles profundos en el gap del silicio. Además, la concentración de impurezas necesaria para conseguir el funcionamiento del dispositivo supera en varios órdenes de magnitud la solubilidad sólida de dicha impureza en silicio, por lo que se requieren técnicas de fabricación fuera del equilibrio termodinámico; por ejemplo,...

1. Dispositivo de silicio para la detección de radiación visible e infrarroja a temperatura ambiente que comprende:

- una capa de material semiconductor (1) que constituye el sustrato del dispositivo;

- una segunda capa de material semiconductor (2);

- una capa intermedia (3) eléctricamente aislante;

- dos contactos metálicos (4) y (5) para acceder eléctricamente al dispositivo

donde las capas (1), (2) y (3) están basadas en silicio cristalino y la capa (2) contiene una concentración de impurezas de cromo y/o circonio entre 1020 - 5x1020 cm"3.

2. Dispositivo según la reivindicación 1 en el que los dos contactos metálicos (4) y (5) están situados sobre la capa superior (2).

3. Dispositivo según la reivindicación 1 en el que uno de los contactos metálicos (5) está situado sobre la capa superior (2) y el otro contacto metálico (4) está situado en el sustrato (1).

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la capa de material semiconductor (2) tiene un espesor menor de 2 pm y una resistividad menor de 15 Qcm.

5. Procedimiento para la fabricación de un dispositivo de silicio para la detección de radiación visible e infrarroja a temperatura ambiente que comprende:

- la fabricación de una capa superior (2) de un material semiconductor y de una capa intermedia (3) de material eléctricamente aislante, sobre un sustrato semiconductor de silicio (1),

- la fabricación de dos contactos metálicos,

donde, para fabricar las capas (2) y (3), se usa como base silicio que se modifica introduciendo impurezas de circonio y/o cromo mediante implantación iónica y un proceso térmico láser posterior, o mediante pulverización catódica o evaporación, con o sin proceso térmico láser posterior.

6. Procedimiento según la reivindicación 5 en el que las impurezas se introducen en una concentración de entre 102° y 5x1020 cm"3.

7. Procedimiento según la reivindicación 5 en el que el proceso térmico láser es un proceso con láser pulsado.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 5-7 en el que, tras la fabricación de la capa (2) se eliminan los 10-20 nm superiores de dicha capa mediante un ataque químico superficial.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 5-8 en el que los dos contactos metálicos se fabrican sobre la capa superior (2).

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 5-8 en el que uno de los contactos metálicos se fabrica sobre la capa superior (2) y el otro contacto metálico

se fabrica en el sustrato (1).