ЛАВИННЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 1998 года по МПК H01L31/06 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам с внутренним усилием сигнала, и может быть использовано для регистрации слабых потоков излучения и ядерных частиц.

Известно устройство (аналог, включающее полупроводниковую подложку на поверхности которой расположен полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев (микроплазм) на границе p-n перехода. Микроплазмы, статически распределенные на границе раздела p-n перехода имеют зарядовую и токовую связь между собой через электронейтральную часть полупроводникового слоя, то есть в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в области отдельных микроплазм. Упомянутые микроплазмы приводят к локальному разогреву полупроводника, и в результате прибор выходит из строя.

Известно устройство, взятое за прототип, включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформированы полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости и полевой электрод, отделенный от подложки и от полупроводниковых областей буферным слоем. Интервал между полупроводниковыми областями превышает толщину буферного слоя. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе подложка-полупроводниковая область. Лавинный ток протекает к полевому электроду через буферный слой, расположенный над полупроводниковыми областями. Однако это приводит к ухудшению чувствительности устройства в зеленой и ультрафиолетовой областях спектра излучения, поглощающегося в основном у поверхности полупроводниковых областей. По этой причине большинство генирированных светом носителей заряда рекомбинирует в электронейтральной части полупроводниковых областей, не достигая лавинной области для усиления. Конструкция устройства такова, что минимальная глубина 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 в свою очередь приводит к ухудшению отношения сигнал/шум устройства.

Задачей изобретения является улучшение отношения сигнал/шум и увеличение чувствительности лавинного детектора. Для достижения этого технического результата в лавинном детекторе, включающем полупроводниковую подложку на поверхности которой расположены полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости и полевой электрод, отделенный от подложки буферным слоем, полупроводниковые области отделены от подложки полупроводниковыми слоями с пониженной по отношению к полупроводниковым областям проводимостью, образующими с подложкой p-n переход, причем упомянутые полупроводниковые области соединены с полевым электродом через пленочный резистор, отделенный от полупроводниковых слоев буферным слоем, а на границе полупроводниковых слоев с подложкой выполнены дополнительные полупроводниковые области с повышенной по отношению к подложке проводимостью.

На чертеже показан лавинный детектор, поперечное сечение. Устройство выполнено на базе полупроводниковой подложки 1, на поверхности которой выполнены отдельные полупроводниковые области 2 противоположного подложке типа проводимости. Полупроводниковые области отделены от подложки полупроводниковыми слоями 3 с пониженной проводимостью по отношению к полупроводниковым областям. Полупроводниковые области соединены с полевым электродом 4 с помощью пленочного резистора 5. Полевой электрод и пленочный резистор отделены от подложки и полупроводниковых слоев буферным слоем 6 с проводимостью более, чем в десять раз меньше, чем проводимость пленочного резистора. На границе полупроводниковых слоев с подложкой сформированы дополнительные полупроводниковые области 7 с повышенной по отношению к подложке проводимостью, причем напряжение пробоя поверхности подложки внутри дополнительных полупроводниковых областей меньше, чем вне их.

В отличие от прототипа в предлагаемом лавинном детекторе усиление фототока осуществляется только на границе полупроводниковых слоев с дополнительными полупроводниковыми областями, причем минимальная толщина электронейтральной части полупроводниковых слоев не ограничена диффузионной длиной неосновных носителей заряда, благодаря этому повышается чувствительность устройства. Кроме того, фототок протекает не через буферный слой, под которым происходит лавинный процесс, а через пленочный резистор, отделенный от полупроводниковых слоев буферным слоем, имеющим существенно меньшую проводимость, чем пленочный резистор. Это позволяет значительно уменьшить компоненту темневого тока, идущего со стороны полевого электрода лавинного детектора. Дополнительные полупроводниковые области с повышенной проводимостью, сформированные между подложкой и полупроводниковыми слоями, вызывает образование поперечной составляющей электрического поля, предотвращающего умножение компоненты темневого тока, идущего со стороны объема подложки. В результате уменьшения темнового тока и предотвращения возможности его умножения отношение сигнал/шум в устройстве улучшается.

В рабочем режиме к полевому электроду относительно подложки прикладывается потенциал полярностью, соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. После некоторого порогового значения потенциала на части поверхности подложки, занятой дополнительными полупроводниковыми областями, начинается лавинный процесс, который используется для усиления потока фотоэлектронов. Световой поток направляют на лавинный детектор со стороны полевого электрода.

Лавинный детектор изготавливают следующим образом. На поверхности, например кремниевой подложки n-типа проводимости с концентрацией примесей 10¹⁵ см^-3 формируют дополнительные полупроводниковые области диаметром и глубиной по 2 мкм и шагом 5 мкм путем ионного легирования фосфором и последующей разгонкой. Концентрацию примесей в дополнительных полупроводниковых областях устанавливают 2х10¹⁶ см^-3 Затем на поверхности формируют полупроводниковые области p-типа проводимости в виде квадрата 22х22 мкм с интервалом 2 мкм, глубиной 1 мкм и концентрацией нескомпенсированных примесей 4х10¹⁶ см^-3. После этого на поверхности подложки формируют буферный слой из SiO₂ толщиной 0,2 мкм. Затем в слое SiO₂ над полупроводниковыми слоями вскрывают окна размером 2х2 мкм и шагом 24 мкм. Путем ионного легирования бором через указанные окна в полупроводниковых слоях формируют полупроводниковые области с концентрацией примесей 10¹⁹ см^-3, глубиной 0,5 мкм и шагом 24 мкм. Пленочный резистор формируют из слоя карбида кремния толщиной 0,2 мкм и сопротивлением 10⁶ Ом/квадрат путем ионно-плазменного распыления. Полевой электрод формируют в виде сетки с интервалом 22 мкм, причем полоски полевого электрода располагают между полупроводниковыми областями.

Использование: для регистрации слабых потоков излучения и ядерных частиц. Сущность изобретения: в лавинном детекторе, включающем полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположены полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости и полевой электрод, отделенный от подложки буферным слоем, полупроводниковые области отделены от подложки полупроводниковыми слоями с пониженной по отношению к полупроводниковым областям проводимостью, образующими с подложкой р-n переход, причем упомянутые полупроводниковые области соединены с полевым электродом через пленочный резистор, отделенный от полупроводниковых слоев буферным слоем, а на границе полупроводниковых слоев с подложкой выполнены дополнительные полупроводниковые области с повышенной по отношению к подложке проводимостью. 1 ил.

Лавинный детектор, включающий полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположены полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости и полевой электрод, отделенный от подложки буферным слоем, отличающийся тем, что полупроводниковые области отделены от подложки полупроводниковыми слоями с пониженной по отношению к полупроводниковым областям проводимостью, образующими с подложкой p-n-переход, причем упомянутые полупроводниковые области соединены с полевым электродом через пленочный резистор, отделенный от полупроводниковых слоев буферным слоем, а на границе полупроводниковых слоев с подложкой выполнены дополнительные полупроводниковые области с повышенной по отношению к подложке проводимостью.