ЛАВИННЫЙ ФОТОПРИЕМНИК Российский патент 1997 года по МПК H01L31/06 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и ядерных частиц.

Известно устройство, включающее последовательно расположенные полупроводниковую подложку, буферный слой и полевой электрод. Недостатком устройства является ограниченный срок службы (или надежность). Конструкция устройства такова, что высокий темп лавинного процесса достигается непосредственно на границе полупроводниковой подложки с буферным слоем. При этом носители заряда с высокой кинетической энергией проникают в объем буферного слоя и изменяют его электрические свойства. В результате этого ухудшается стабильность характеристик и уменьшается срок службы устройства.

Известно также устройство, взятое за прототип, включающее последовательно расположенные полупроводниковую подложку, имеющую на поверхности области противоположного типа проводимости, буферный слой и полевой электрод, причем напряжение пробоя поверхности полупроводниковой подложки внутри полупроводниковых областей меньше, чем вне их. Упомянутые полупроводниковые области и подложка изолированы от полевого электрода буферным слоем. Расстояние между полупроводниковыми областями не меньше, чем толщина буферного слоя. Лавинное умножение носителей заряда в устройстве происходит только на части поверхности полупроводниковой подложки, граничащей с полупроводниковыми областями. Таким образом, полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, используются в прототипе с целью создания независимых друг от друга лавинных областей, обеспечивающих усиление фототока. Лавинный ток к полевому электроду протекает через буферный слой. Однако это приводит к ухудшению чувствительности устройства в зеленой и ультрафиолетовой областях спектра излучения, поглощающегося в основном у поверхности полупроводника. Это связано с тем, что значительная часть генерированных светом носителей заряда рекомбинируют в электронейтральной части полупроводниковых областей, не достигнув лавинной области для усиления. Конструкция устройства такова, что минимальная толщина упомянутых выше полупроводниковых областей ограничена характерной длиной до рекомбинации в них неосновных носителей заряда, идущих со стороны буферного слоя. Таким образом, уменьшение толщины полупроводниковых областей с целью улучшения чувствительности приводит к увеличению темнового тока прототипа, что приводит в свою очередь к ухудшению отношения сигнал/шум в устройстве.

Задачей изобретения является улучшение отношений сигнал/шум, увеличение чувствительности и надежности устройства. Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показано поперечное сечение лавинного фотоприемника. Предложенный лавинный фотоприемник не содержит последовательно расположенные полупроводниковую подложку 1, например р- типа проводимости, буферный слой 2, и полевой электрод 3. Между подложкой и буферным слоем дополнительно расположены полупроводниковые области 4 противоположного подложке типа проводимости, расположенные с интервалом не больше размера полевого электрода. Полупроводниковые области соединены между собой и имеют общий выход на поверхность устройства, расположенный за пределами полевого электрода. Над общим выходом сформирован омический контакт 5. Все области, в том числе общий выход, отдалены от полевого электрода буферным слоем. Между полупроводниковой подложкой и буферным слоем расположены также полупроводниковые слои 6 противоположного подложке типа проводимости, имеющие выход к буферному слою между полупроводниковыми областями. На границе полупроводниковых слоев с подложкой между полупроводниковыми областями расположены высокопроводящие области 7 противоположного полупроводниковым слоям типа проводимости, отличающиеся от подложки повышенной величиной концентрации легирующих примесей. Высокопроводящие области отстоят от полупроводниковых областей на расстояние не меньше, чем толщина полупроводниковых слоев.

В отличие от прототипа здесь полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости использованы в новом качестве, заключающемся в обеспечении утечки электрического тока из полупроводниковых слоев в контакты устройства. По этой причине напряжение пробоя поверхности подложки под полупроводниковыми областями сделано больше, чем между ними. При этом процесс лавинного умножения носителей заряда имеет место только в пределах полупроводниковых слоев.

В рабочем режиме к полевому электроду подключают положительную полярность источника питания. Одновременно к омическому контакту полупроводниковых областей также подключают положительную полярность дополнительного источника питания. Полупроводниковая подложка р- типа проводимости соединяется с отрицательной полярностью обоих источников питания. Сигнал измеряют в электрических цепях полупроводниковой подложки или полевого электрода. Потенциал полупроводниковых областей относительно подложки устанавливают выше напряжения пробоя поверхности подложки между полупроводниковыми областями, но не больше напряжения пробоя самих полупроводниковых областей. Затем увеличивают потенциал на полевом электроде до необходимой величины, при которой начинается лавинное умножение носителей заряда между полупроводниковыми областями, где происходит усиление фототока. Регистрируемый поток излучения или ядерные частицы направляются к устройству со стороны прозрачного полевого электрода.

В отличии от прототипа в предлагаемом устройстве нет ограничений на толщину электронейтральной части полупроводниковых слоев, через которые поступает оптическое излучение в лавинную область, поскольку электрический ток из лавинных областей выводится вдоль границы буферного слоя через полупроводниковые области. Поэтому толщину электронейтральной части полупроводниковых слоев уменьшают вплоть до нуля и таким образом значительно уменьшают вероятность рекомбинации электрон-дырочных пар, создаваемых коротковолновыми излучениями. В результате увеличивается чувствительность устройства.

Надежность устройства обеспечивают исключением протекания носителей заряда, в том числе с высокой кинетической энергией, через буферный слой. Кроме того, использование р-n-перехода приводит к удалению области лавины от поверхности буферного слоя, что также приводит к увеличению надежности устройства.

Отношение сигнал/шум в устройстве улучшается благодаря высокопроводящим областям, расположенным между подложкой и полупроводниковыми слоями. Упомянутые высокопроводящие области с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей приводит к периодическому изменению потенциала вдоль поверхности подложки. При этом темновые носители заряда, идущие со стороны объема подложки, отключаются в сторону промежутка высокопроводящих областей. Поскольку лавинный процесс происходит только в переходах полупроводниковый слой высокопроводящая область, то упомянутые темновые носители заряда не пересекают области умножения, в результате уменьшается вклад темновых носителей заряда в общий лавинный ток. Это приводит к улучшению отношения сигнал/шум.

С целью дальнейшего улучшения чувствительности и упрощения конструкции устройства упомянутые выше полупроводниковые области непосредственно соединяют с полевым электродом сквозь буферный слой. Поскольку при этом нет необходимости соединения полупроводниковых областей между собой с целью выполнения общего омического выхода на поверхность устройства, то при фиксированном зазоре между полупроводниковыми областями доля лавинных областей в общей площади устройства увеличивается. Это приводит к увеличению коэффициента сбора фотоэлектронов, участвующих в лавинном процессе. Таким образом, увеличивается чувствительность устройства. Поскольку полупроводниковые области соединены с полевым электродом, то для работы устройства требуется только один источник напряжения, подключенный к полевому электроду.

Лавинный фотоприемник изготавливают следующим образом. На кремниевой подложке n- типа проводимости с удельным сопротивлением 5 Ом•см формируют полупроводниковые области ртипа проводимости толщиной 2 мкм путем термической диффузии бора. Полупроводниковые области имеют форму прямых полосок шириной 10 мкм, расположенных с шагом 100 мкм. Длина упомянутых полосок ограничивается кольцом р- типа проводимости с внутренним диаметром 1 мм и шириной 500 мкм. Кольцо р- типа проводимости имеет выход к кругу р- типа проводимости с диаметром 200 мкм, расположенному на расстоянии 640 мкм от центра этого кольца.

Высокопроводящие области диаметром 1 мкм и сопротивлением 1 Ом•см формируют имплантацией ионами бора внутреннюю площадь кольца, не занятую полосками р- типа проводимости. Величину минимального зазора между полупроводниковыми областями и высокопроводящими областями устанавливают 10 мкм. Глубина высокопроводящих областей составляет 2 мкм, а зазор между ними 1 мкм.

Затем во внутренней площади кольца, не занятой полосками р- типа проводимости, формируют полупроводниковые слои ртипа проводимости толщиной 2 мкм, причем величина зазора между полупроводниковыми слоями и полосками, а также кольцом р- типа проводимости составляет 5 мкм.

В качестве буферного слоя используют термический окисел кремния толщиной 0,1 мкм, полученный окислением подложки в атмосфере сухого кислорода при температуре 1100^oС. Затем вскрывают поверхность круга р- типа проводимости и формируют на нем омический контакт путем напыления алюминиевого слоя толщиной 1 мкм. В качестве прозрачного для света полевого электрода используют золотой слой толщиной 0,01 мкм, напыленный на поверхность буферного слоя. Диаметр полевого электрода составляет 1020 мкм, а его центр совпадает с центром кольца р- типа проводимости.

Омический контакт к подложке формируют путем напыления на ее обратную сторону алюминиевого слоя толщиной 1 мкм.

Использование: для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и ядерных частиц. Сущность изобретения: в лавинном фотоприемнике, включающем полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположены полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости, отделенные от полевого электрода буферным слоем, между подложкой и буферным слоем дополнительно расположены: полупроводниковые слои противоположного подложке типа проводимости, имеющие выход к буферному слою между полупроводниковыми областями; высокопроводящие области с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей, расположенные между полупроводниковыми слоями и подложкой, отстоящие от полупроводниковых областей на величину не меньше, чем толщина полупроводниковых слоев. Полупроводниковые области непосредственно соединены с полевым электродом через буферный слой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Лавинный фотоприемник, включающий полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположены полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости, отделенные от полевого электрода буферным слоем, отличающийся тем, что между подложкой и буферным слоем дополнительно расположены полупроводниковые слои противоположного поджложке типа проводимости, имеющие выход к буферному слою между полупроводниковыми областями, высокопроводящие области с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей, расположенные между полупроводниковыми слоями и подложкой, отстоящие от полупроводниковых слоев, а полупроводниковые области соединены между собой и имеют общий выход на поверхность, над которым сформирован омический контакт, не соединенный с полевым элекродом. 2. Фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые области омически соединены с полевым электродом сквозь буферный слой.