ЛАВИННЫЙ ФОТОПРИЕМНИК Российский патент 1998 года по МПК H01L31/06 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к полупроводниковым фотоприемникам, и может быть использовано для регистрации оптического излучения.

Известен лавинный фотодиод, содержащий р-п переход в режиме лавинного размножения носителей тока (Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый, ближний инфракрасный диапазоны спектра. Под ред. В.И. Стафеева, М. : Радио и связь, 1984, стр. 130). Фотоны, поглощаемые в области р-п перехода, генерируют носители тока, которые разгоняются под действием поля и лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока и повышению чувствительности. Однако наличие в приборе микроплазм приводит к ограничению чувствительности.

Известен лавинный фотодиод, содержащий кремниевую подложку, буферный слой и полевой электрод (Foss N.A., Ward S.A., "Large area avalanche photodiode", Yournal of Applied Physics, Febr. 1984, vol. 44, p. 728-731). К полевому электроду приложено напряжение, обеспечивающее образование в подложке области пространственного заряда (ОПЗ) с напряженностью поля, достаточной для лавинного размножения носителей тока. Фотоны, поглощаемые в ОПЗ, генерируют носители тока, которые разгоняются под действием поля и лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока и повышению чувствительности. В случае возникновения микроплазмы за счет локального увеличения падения напряжения на буферном слое происходит ограничение тока через микроплазму, что уменьшает ее влияние на параметры прибора. Однако имеющая место инжекция горячих носителей из полупроводника в буферный слой приводит к увеличению сквозного потока через буферный слой, накоплению встроенного заряда и, как следствие, к ограничению чувствительности прибора.

Наиболее близким решением к заявляемому является лавинный фотодиод, содержащий полупроводниковую подложку, буферный слой, полевой электрод и сформированные на поверхности полупроводниковой подложки под буферным слоем области обратного по отношению к подложке типа проводимости, отстоящие друг от друга не менее чем на толщину буферного слоя. Лавинное размножение носителей тока происходит во вновь введенных р-п переходах, при этом горячие носители теряют энергию за счет столкновений с кристаллической решеткой введенных областей, что уменьшает инжекцию носителей в буферный слой, при этом зазоры между областями исключают влияние возможной микроплазмы в отдельной области на процесс лавинного умножения в других областях, а в отдельной области, содержащей микроплазму, увеличение тока ограничивается сопротивлением буферного слоя.

Однако фотоны, составляющие излучение в коротковолновой области спектра, поглощаются непосредственно вблизи поверхности полупроводника, там, где отсутствует усиливающее поле. Отсюда низкая квантовая эффективность в упомянутой области спектра и, следовательно, низкая чувствительность фотоприемника.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения чувствительности фотоприемника в коротковолновой области спектра регистрируемого излучения путем увеличения квантовой эффективности.

Задача решается тем, что в лавинном фотоприемнике, содержащем подложку, буферный слой и нанесенный на него полевой электрод, а также области повышенной концентрации легирующих примесей, расстояние между которыми не меньше толщины буферного слоя, между подложкой и буферным слоем введен дополнительный слой полупроводника обратного по отношению к подложке типа проводимости, а упомянутые области расположены, по меньшей мере, на одной из поверхностей этого слоя. При этом области лавинного умножения оказываются удаленными от поверхности полупроводника вглубь его, а фотогенерированные носители собираются тянущим от поверхности полем и попадают в зоны усиления, при этом возрастает квантовая эффективность.

Изобретение будет понятно из описания и приложенного к нему чертежа, на котором изображено сечение фотоприемника.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - полупроводниковая подложка, 2 - дополнительный слой, 3 - буферный слой, 4 - полевой электрод, 5 - области повышенной концентрации легирующих примесей.

Устройство состоит из полупроводниковой подложки 1, расположенного на ней дополнительного слоя 2, противоположного по отношению к подложке типа проводимости, размещенных последовательно с ним буферного слоя 3 и полевого электрода 4. На поверхности дополнительного слоя, примыкающего к подложке, либо на поверхности его, примыкающей к буферному слою, либо на обеих поверхностях дополнительного слоя сформированы области с повышенной концентрацией легирующих примесей 5.

Фотоприемник работает следующим образом.

К полевому электроду 4 прикладывается напряжение, достаточное для лавинного размножения носителей тока в области р-п перехода, причем наибольшая напряженность поля устанавливается вблизи неоднородностей, образованных областями с повышенной концентрацией легирующих примесей 5. Фотоны, поглощаемые в ОПЗ, генерируют носители тока, которые под действием поля собираются и попадают в области усиления, где лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока и повышению чувствительности фотоприемника. Фотоны коротковолновой области спектра поглощаются непосредственно вблизи поверхности полупроводника и собирающее поле для генерированных ими носителей заряда направлено вглубь проводника. Области 5 служат для локализации микроплазм ограничением тока сопротивлением буферного слоя 3, причем влияние микроплазмы, возникающей в отдельной области, на процесс лавинного умножения в других подобных областях исключено вследствие наличия зазоров между ними. Величина зазоров выбирается такой, чтобы проводимость между каждой областью 5 и полевым электродом 4 была не меньше проводимости между областями 5, причем соотношение указанных проводимостей в первом приближении определяется лишь соотношением толщины буферного слоя 3 и величины зазора.

Не имеет значения тип проводимости областей 5 и расположение их на той или иной (или на обеих) поверхностях дополнительного слоя 2, так как упомянутые области служат для концентрации напряженности электрического поля и лавинное умножение происходит на границе дополнительного слоя 2 и подложки 1 в местах, наиболее близко расположенных к областям 5.

Лавинный фотоприемник может быть изготовлен, например, на подложке из Si п-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 5•10¹⁵ см^-3, на которой методом эпитаксии выращен слой из Si р-типа проводимости с концентрацией примеси 10¹⁵ см^-3. В дополнительном слое, например, на его поверхности, граничащей с буферным слоем, методом диффузии сформированы области, например р⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸ см^-3 размером 3 мкм и глубиной 2 мкм, равномерно расположенные на расстоянии 8 мкм друг от друга. Буферный слой может быть выполнен как однослойным из SiC методом ионно-плазменного напыления, так и в виде сочетания слоев SiC, SiO₂. Полупрозрачный для излучения оптического диапазона полевой электрод из Ti изготавливается методом термического испарения в вакууме. Толщина буферного слоя составляет 0,2 мкм, толщина электрода - 0,015 мкм.

В настоящее время изготовлены экспериментальные образцы лавинного фотоприемника.

Использование: для регистрации оптического излучения. Сущность: фотоприемник содержит подложку, буферный слой с нанесенным на него полевым электродом, а также дополнительный слой обратного по отношению к подложке типа проводимости с включенными в него областями повышенной концентрации легирующих примесей, введенный между подложкой и буферным слоем. 1 ил.

Лавинный фотоприемник, содержащий подложку, буферный слой, нанесенный на него полевой электрод, легированные области, расстояние между которыми не меньше толщины буферного слоя, отличающийся тем, что между подложкой и буферным слоем введен дополнительный слой обратного по отношению к подложке типа проводимости, легированные области размещены по меньшей мере на одной из поверхностей этого слоя и выполнены с концентрацией легирующих примесей выше концентрации легирующих примесей в дополнительном слое.