ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД Российский патент 1998 года по МПК H01L31/06 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к полупроводниковым фотоприемникам, и может применяться для регистрации слабых световых потоков и ядерных частиц.

Известно устройство (аналог), включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирован полупроводниковый слой, отличающийся от подложки повышенной величиной проводимости, и диэлектрический слой, отделяющий полупроводниковый слой от полевого электрода. Лавинное умножение носителей заряда в устройстве происходит непосредственно на границе полупроводникового с диэлектрическим слоем. При этом носители заряда с высокой кинетической энергией проникают в объем диэлектрического слоя и изменяют его электрические свойства. В результате этого ухудшается стабильность характеристик и уменьшается срок службы устройства.

Известно также устройство, взятое за прототип, включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирован полупроводниковый слой противоположного типа проводимости. Недостатком прототипа является нестабильность его характеристик. Причина этой нестабильности заключается в следующем. Коэффициент умножения лавинного процесса является резкой функцией приложенного к прибору потенциала. Величина критического потенциала, при которой начинается ударная ионизация полупроводника, может меняться от точки к точке вдоль поверхности прибора, поскольку в реальных р-n переходах всегда присутствуют ваканции, дислокации и другие неоднородности кристаллической структуры. При увеличении напряжения на р-n переходе выше некоторого порогового значения начинается лавинный процесс в областях подложки с наименьшим потенциалом пробоя. Дальнейшее увеличение напряжения пробоя приводит к локальным неуправляемым микропробоям, ограничивающим коэффициент усиления и срок службы прибора.

Задачей изобретения являются улучшение стабильности и увеличение чувствительности лавинного фотодиода.

Для достижения этого технического результата в лавинном фотодиоде, включающем полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположен полупроводниковый слой, образующий с подложкой р-n переход, сформированы не менее двух полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к подложке, причем крутизна р-n перехода внутри полупроводниковых областей больше, чем вне их.

На чертеже иллюстрировано поперечное сечение предложенного лавинного фотодиода.

Лавинный фотодиод содержит полупроводниковую подложку 1 и полупроводниковый слой 2, образующие между собой р-n переход. На границе полупроводникового слоя с подложкой сформированы не менее двух полупроводниковых областей 3 с повышенной по отношению к подложке проводимостью, причем крутизна р-n перехода внутри полупроводниковых областей больше, чем вне их.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве лавинный процесс достигается только около полупроводниковых областей, поскольку полупроводниковые области с повышенной по отношению к подложке проводимостью вызывают локальное понижение потенциала пробоя р-n перехода в лавинном фотодиоде. Это происходит по двум причинам: во-первых, за счет повышенной концентрации легирующих примесей в полупроводниковых областях; во-вторых, за счет увеличения крутизны р-n переходов в этих областях, причем последняя причина является преобладающей. При этом благодаря слабой зависимости потенциала пробоя неплоских р-n переходов от совершенства кристаллической структуры подложки значительно улучшается отношение сигнал/шум в устройстве.

В рабочем режиме к полупроводниковому слою относительно подложки лавинного фотодиода прикладывают напряжение полярностью, соответствующей обеднению р-n перехода. Величину напряжения устанавливают выше некоторого порогового значения, при котором достигается необходимый темп лавинного процесса в полупроводниковых областях лавинного фотодиода. Световой поток направляют на прибор со стороны полупроводникового слоя.

Лавинный фотодиод изготавливают следующим образом. На поверхности полупроводниковой кремниевой подложки, например n-типа проводимости с концентрацией примесей 10¹⁵ см^-3 производят ионное легирование фосфором для формирования полупроводниковых областей полусферической формы диаметром 2 мкм и концентрацией примесей 10¹⁶ см^-3 Интервал между полупроводниковыми областями устанавливают 3 мкм. Затем на поверхности подложки путем эпитаксиального выращивания формируют полупроводниковый слой кремния р-типа проводимости толщиной 5 мкм и концентрацией примесей 10¹⁵ см^-3 Омический контакт для подключения напряжения питания формируют путем дополнительного легирования поверхности полупроводникового слоя ионами бора дозой 50 мккул/см.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Foss N.A. J.of Applied Physics, v.44, N 2, 1979, p.728-731 (аналог).

2. Техника оптический связи. Фотоприемники. Под ред. У.Тсанга. М. 1988, с.526.

Использование: для регистрации слабых световых потоков и ядерных частиц. Сущность изобретения: в лавинном фотодиоде, включающем полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположен полупроводниковый слой, образующий с подложкой р-n переход, на границе подложки с полупроводниковым слоем сформированы не мене двух полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к подложке, причем крутизна р-n перехода внутри полупроводниковых областей больше, чем вне их. 1 ил.

Лавинный фотодиод, включающий полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположен полупроводниковый слой, образующий с подложкой p-n-переход, отличающийся тем, что на границе подложки с полупроводниковым слоем сформировано не менее двух полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к подложке, причем крутизна p-n-перехода внутри полупроводниковых областей больше, чем вне их.