ФОТОДЕТЕКТОР Российский патент 2004 года по МПК H01L31/06 

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам, обладающим чувствительностью к воздействию излучения.

Полупроводниковые датчики интенсивности и спектра излучения находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.

Среди других видов полупроводниковых датчиков интенсивности и спектра излучения фотодиод вызывает особый интерес в связи с возможностью получения высокого быстродействия и фоточувствительности. Подробно этот прибор описан в работе /1/. Фоточувствительность фотодиода обусловлена генерацией проникающими в область пространственного заряда рn-перехода квантами света электронно-дырочных пар носителей тока, которые при приложении напряжения создают проводимость в слое пространственного заряда рn-перехода. Для повышения фоточувствительности диода разрабатываются структуры прибора, в которых выбираются размеры, состав и спектр поглощения всех слоев фотодиода, обеспечивающие наиболее полное преобразование квантов света в носители тока и используется лавинное умножение в электрическом поле слоя пространственного заряда, позволяющее увеличить фотоэффект.

Многие виды фотодетекторов имеют объемную конструкцию, в которой электроды, контактирующие с областями катода и анода диода, расположены на противоположных сторонах полупроводниковой пластины.

Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения с заданным диапазоном детектирования /2/ имеет выпрямляющий контакт с барьером Шоттки, формируемом на эпитаксиальном n- слое, выращенном на n+ подложке из карбида кремния. Диапазон волн обеспечивается выбором толщины и материала металлизации контакта Шоттки.

В патенте /3/ предлагается полупроводниковый детектор ионизирующего излучения с кольцевой формой дополнительного электрода, расположенного вокруг первого электрода на расстоянии, по крайней мере равном двойному размеру области пространственного заряда, что позволяет снизить токи утечки и повысить за счет этого чувствительность.

В патенте /4/ предлагается нашедший широкое применение кремниевый полупроводниковый n+-р-р+-р-р+ лавинный фотодиод с объемной структурой - n+(слой)-р(область умножения)-р+(концентратор)-р(область дрейфа)-р+(контакт к подложке снизу) - с увеличенной концентрацией примеси на заданной глубине в слаболегированной р-области диода для разделения областей лавинного умножения и дрейфа фотогенерированных носителей тока.

В патенте /5/ предлагается конструкция полупроводникового фотодиода с пинч-резисторной областью на периферии рn-перехода для обеспечении работоспособности фотодиода при высоких напряжениях.

В патенте /6/ предлагается кремниевый малошумящий лавинный фотодиод с последовательностью расположения областей n-n++-n-n++ с формированием контакта Шоттки к области n.

В патенте /7/ предлагается детектор мягких рентгеновских лучей со структурой, включающей слой преобразования рентгеновских квантов в кванты видимого диапазона волн. Кремниевые фотодетекторы экранируются слоем преобразования и поэтому воспринимают только преобразованные кванты.

В патенте /8/ предлагается конструкция полупроводникового лавинного фотодиода с р+-n-р-n+ меза-структурой и охранной периферийной р-диффузией для устранения боковых эффектов. Эта конструкция по существу тетродная, но с плавающими базовыми областями.

Известно также, что фотодетектором с большим коэффициентом усиления тока может служить фототранзистор [1], в частности, при включении с оторванной базой, т.е. с двумя контактами, также как у фотодиода.

В первых фототранзисторах [9-12] возникающий при освещении рn-перехода коллектор-база фототок усиливался током инжекции из эмиттера.

В патенте [9] регулятор напряжения имел фотодиод, включенный параллельно переходу коллектор-база биполярного транзистора.

В патенте [10] фотодиод включался параллельно переходу коллектор-база непосредственно в структуре фототранзистора, что увеличивало площадь перехода коллектор-база и, соответственно, коэффициент преобразования.

В патенте [11] предлагается полупроводниковый прибор с уменьшенной емкостью перехода коллектор-база в фототриоде за счет легирования подложки до создания рn-переходов.

Создание фототранзистора с лавинным умножением около перехода коллектор-база [12] позволило еще более увеличить коэффициент усиления фототока.

Создание структуры фототранзисторов [13] с изменяющимся составом на основе сложных полупроводниковых соединений, образующих гетеропереходы также позволяет увеличить коэффициент усиления фототока.

Недостатком фототранзисторов является низкое быстродействие, особенно при малой величине светового потока, из-за большой емкости эмиттера.

Рассмотренные объемные структуры могут превращаться в планарные структуры при создании областей в полупроводнике, связывающих поверхность структуры с основанием, т.е. с полупроводниковой подложкой. В структурах фотодиодов, сформированных на диэлектрической подложке, контакты к полупроводниковым областям формируются, в основном, на поверхности прибора. В некоторых случаях возможно нанесение электродов на подложку до нанесения слоя полупроводника и получение при этом выводов от нижней стороны слоя полупроводника при частичном стравливании верхних слоев до обнажения нижнего слоя и создание контакта с верхней стороны.

Особенности создания наиболее подходящих для интегрального исполнения планарных фотодетекторов с электродами, расположенными на одной стороне подложки, находят отражение в следующих работах.

В патенте /14/ предлагается фотоприемник для регистрации инфракрасного излучения с высоким фотоэлектрическим усилением при больших значениях квантовой эффективности на основе примесного компенсированного полупроводника с несколькими контактами на одной стороне прибора, расположенными на расстоянии, обеспечивающем протекание между электродами тока, ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ), который управляется фотогенерированным зарядом в объеме полупроводника.

В патенте /15/ предлагается устройство для реализации внутреннего пропорционального усиления в полупроводниковом германиевом детекторе частиц и излучений, в котором расстояние между стрипами (электродами) выбирается по формуле, обеспечивающей создание около одного из электродов напряженности электрического поля с величиной, достаточной для лавинного умножения носителей тока и увеличения за счет этого квантовой эффективности и фотоэлектрического усиления.

В патенте /16/ предлагается кремниевый полупроводниковый инфракрасный фотодиод с формированием узких контактов Шоттки к фоточувствительной области, а также на ее периферии для обеспечения охраны.

Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент /17/. В патенте предлагается быстродействующий кремниевый латеральный фотодетектор с заглубленными электродами и с толстым окислом для снижения влияния краевых полей. Фотодетектор, совместимый с кремниевой СБИС технологией, имеет структуру металл-полупроводник-металл (МПМ-ФД) или латерального p-i-n фотодетектора (ЛПИН-ФД), в которой встречноштыревые (гребенчатые) электроды размещаются на поверхности кремниевой подложки. Электроды МПМ-ФД имеют умеренные значения высоты барьеров для электронов и дырок относительно кремния при образовании барьера Шоттки и изготавливаются таким образом, чтобы заглубиться в поверхность слоя полупроводника кремния по технологии самосовмещенной металлизации при селективном нанесении, селективной реакции или травлении, применяемых при силицидной технологии. Изготовление начинается с выращивания оксидной пленки на поверхности кремниевой подложки с малой скоростью рекомбинации на границе раздела кремний - окисел кремния. Встречноштыревая (гребенчатая) конфигурация вытравливается с применением фотолитографии в окисле, после чего металлические электроды вводятся селективно на поверхности кремния, используя самосовмещенную металлизацию для создания тонких встречноштыревых (гребенчатых) электродов на активном слое, который сам может быть выполнен по тонкопленочной технологии из кремния, германия или их сплавов. Расстояние между электродами может быть выбрано малым для обеспечения малого времени переноса и увеличения чувствительности. Дальше на поверхность наносятся изолирующие слои, которые должны быть: 1) прозрачными и изолирующими; 2) с оптическим поглощением; 3) с оптическим отражением, так чтобы фотогенерированные носители не уходили в сторону не прорекомбинировав. В последнем случае фотодетектор действует как резонатор, увеличивая число генерированных носителей и повышая таким образом чувствительность прибора.

Основной недостаток этого прибора состоит в том, что фоточувствительные области располагаются в основном под электродами относительно большой площади. Эти электроды имеют большую емкость, ограничивающую быстродействие фотодетектора, и экранируют область объемного заряда, поглощают свет, снижают чувствительность.

Цель изобретения - уменьшение емкости фотодетектора, повышение быстродействия и повышение фоточувствительности.

Суть изобретения состоит в изменении соотношения размеров элементов структуры - рn-перехода и зазора между рn-переходом и контактом к подложке - в латеральном диодном фотодетекторе с лавинным умножением с учетом толщины слоя объемного заряда рn-перехода.

Фотодетектор состоит из слаболегированной кремниевой подложки р-типа проводимости, n+ диффузионных областей, создающих с подложкой рn-переход, р+ сильнолегированных областей контактов к подложке, металлических контактов к n+ области и р+ контактам к подложке. Размеры областей n+ и р+ выбираются настолько малыми, чтобы около каждого из них при подключении напряжения происходили концентрация электрического поля и лавинное умножение носителей заряда. Относительно малые размеры и низкий уровень легирования области в подложке в зазоре между n+ областью и р+ контактом к подложке обеспечивают распространение объемного заряда n+р перехода до р+ контакта к подложке и при этом площадь зазора между электродами существенно больше площади самих электродов. За счет уменьшения площади n+ области по отношению к размерам фоточувствительной поверхности уменьшается емкость фотодетектора и повышается быстродействие. За счет создания сеточной структуры электродов с засветкой с поверхности областей объемного заряда в ячейках сетки из n+рр+ переходов, концентрации электрического поля на областях малого размера n+ области и р+ контакта к подложке и лавинного умножения в сильных электрических полях повышается фоточувствительность. Такая структура и режим работы с областями высокой концентрации электрического поля вблизи n+ области и р+ контакта создают раздельные области фотогенерации носителей заряда в области объемного заряда n+р-перехода, начиная с поверхности прибора и лавинное умножение около n+ области и р+ контакта к подложке.

На фиг.1 представлено поперечное сечение фотодетектора. Топология планарной структуры элемента фотодетектора представлена на фиг.2. Распределение скорости ударной ионизации в структуре прибора в рабочем режиме дано на фиг.3. Условное изображение фотогенерации носителей заряда и их умножение в объеме фотодетектора дано на фиг.4. Зависимость величины фототока от приложенного напряжения показана на фиг.5. На фиг.6 дано поперечное сечение фотодетектора с барьером Шоттки на контакте к n+ области. На фиг.7 дано поперечное сечение фотодетектора, имеющего слаболегированную область n типа проводимости в зазоре между n+ областью и р+ контактом к подложке.

На фиг.1 показано поперечное сечение латерального фотодетектора, где прибор состоит из монокристаллической кремниевой подложки первого р- типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); n+ области (4), расположенной со стороны главной поверхности подложки и имеющей высокую концентрацию примеси, создающей второй n-тип проводимости, металлических контактов к n+ области (5) и к областям р+ контактов к подложке (6), имеющих сильное легирование примесью, создающей первый р- тип проводимости, областей объемного заряда рn-перехода (7) в зазоре между n+ областью (4) и р+ контактами к подложке (6) и в объеме подложки глубже n+ области (4).

На фиг.2 представлена топология планарной структуры одного элемента фотодетектора, который может объединяться в матрицу, где элемент фотодетектора состоит из слаболегированной кремниевой подложки р- типа проводимости (1); из n+ областей (2), областей р+ контактов к подложке (3), с расстоянием между n+ областью (2) и областям р+ контактов (3), меньшем толщины слоя объемного заряда (4) в n+р переходе при рабочем напряжении.

На фиг.3 дано в виде изолиний распределение скорости ударной ионизации (1/сек/см³) в структуре ячейки прибора при включении рабочего напряжения, например 50 В на контакты к n+ области (1) относительно р+ контактов к подложке (2), при котором n+р переход смещается в обратном направлении. Область объемного заряда n+р перехода распространяется в подложке и доходит до р+ контактов. При освещении прибора (3) со стороны главной поверхности в области объемного заряда (4) происходит фотогенерация носителей заряда. Между n+ и р+ областями протекает фототок. Около n+ и р+ областей происходит концентрация электрических полей и в областях лавинного умножения (5) происходят увеличение концентрации носителей заряда и усиление тока.

На фиг.4 показано поперечное сечение латерального фотодетектора с условным изображением того, каким образом в области объемного заряда (1) падающие кванты света (2) генерируют дырки (3) и электроны (4), которые под действием электрического поля движутся, соответственно, к р+ и n+ областям и вблизи этих областей происходит лавинное умножение носителей заряда (5).

На фиг.5 дана зависимость относительной величины фототока от напряжения на фотодетекторе при определенной интенсивности света.

На фиг.6. показано поперечное сечение латерального фотодетектора с контактом Шоттки к n+ области, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); n+ области (4), расположенной со стороны главной поверхности подложки и имеющей высокую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости; металлических контактов к n+ области (5) и к областям р+ контактов к подложке (6), имеющих сильное легирование примесью, создающей первый тип проводимости, областей объемного заряда рn-перехода (7) в зазоре между n+ областью (4) и р+ контактами к подложке (6) и глубже n+ области (5), областью объемного заряда (8), образующейся за счет контактной разности потенциалов металлического электрода и полупроводниковой n+ области и которая блокирует емкость n+р-перехода, уменьшая общую емкость фотодетектора.

На фиг.7 показано поперечное сечение латерального фотодетектора, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); n+ области (4), расположенной со стороны главной поверхности подложки и имеющей высокую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости; металлических контактов к n+ области (5) и к областям р+ контактов к подложке (6), имеющих сильное легирование примесью, создающей первый тип проводимости, областей объемного заряда рn-перехода (7) в зазоре между n+ областью (4) и р+ контактами к подложке (6) и глубже n+ области (5), слаболегированной n области (8) в зазоре между n+ и р+ областями, которая при рабочем напряжении полностью перекрывается объемным зарядом рn-перехода и которая усиливает концентрацию электрического поля около р+ области.

Поперечное сечение на фиг.1 и топология на фиг.2 показывают структуру латерального фотодетектора с размерами в главной плоскости полупроводниковой подложки меньшими, чем толщина слоя объемного заряда рn-перехода между слаболегированной полупроводниковой подложкой одного типа проводимости, например р-типа, и сильнолегированной диффузионной областью второго типа проводимости например n+ типа. Концентрация примеси в подложке может составлять величину 10¹³-10¹⁶ см^-3. Концентрация примеси в n+ области может составлять величину 10¹⁶-10²¹ см^-3 по крайней мере на три порядка величины больше, чем в подложке. Толщина слоя объемного заряда для резкого рn-перехода при одинаковом напряжении, например 10 В, при указанных концентрациях примеси в подложке из кремния составляет величину от 35 до 1 микрон. При концентрации примеси в подложке 10¹⁴ см^-3 и напряжении на переходе 50 В толщина слоя объемного заряда составляет величину 20 мкм. Размеры диффузионных областей n+ и р+ областей в главной плоскости полупроводниковой подложки выбираются существенно меньшими, чем толщина области объемного заряда, например, меньше 5 мкм. Такое соотношение размеров обеспечивает эффективность использования поверхности подложки, где при освещении происходит генерация электронов и дырок и возникает фототок в области объемного заряда, а диффузионные n+ и р+ области не экранируют световой поток. Малые размеры n+p-перехода имеют, соответственно, малую величину емкости перехода, что важно для получения высокого быстродействия фотодетектора. Повышение эффективности использования поверхности и снижение емкости достигаются также за счет кольцевой геометрии элемента структуры, в которой в центре кольца расположена диффузионная n+ область, а диффузионная р+ область кольцом, например шестигранной формы, охватывает n+ область. Топология планарной структуры одного элемента прибора позволяет при необходимости соединять элементы в матрицы большой площади, объединяя соседние диффузионные р+ области и проводя соединение элементов металлизацией, как это принято при изготовлении интегральных микросхем.

На фиг.3 представлено характеризующее особенность данного фотодетектора расчетное распределение скорости генерации носителей заряда, которое показывает, что при выборе малых размеров n+ и р+ областей порядка одного микрона и величины зазора между этими областями порядка 5 микрон в рабочем режиме происходит концентрация электрического поля около этих областей и возникает умножение носителей заряда. При освещении прибора со стороны главной поверхности в области объемного заряда происходит фотогенерация носителей заряда, условно показанная на фиг.4. Между n+ и р+ областями и, соответственно, между металлическими электродами к этим областям протекает фототок. Концентрация электрического поля около n+ и р+ областей создает области лавинного умножения, в которых происходят увеличение концентрации носителей заряда и усиление тока. Характерно для данного фотодетектора также разделение области генерации фотоносителей и двух областей умножения носителей заряда, а также уменьшение экранирования области генерации диффузионными n+ и р+ областями.

На фиг.5 приведены расчетные зависимости относительной величины фототока от приложенного напряжения на фотодетектор. На контакт к n+ области подается рабочее напряжение положительное относительно р+ области контакта к подложке величиной порядка 50 В.

Для определенности считаем, что подложка - кремниевая р-типа проводимости с концентрацией акцепторов 10¹⁴ см^-3. Изготовление фотодетектора начинается с формирования окон в окисле, покрывающем подложку. Через эти окна с применением фотомасок проводится ионное легирование n+ и р+ областей. Для активизации примеси пластины отжигаются. На заключительной стадии изготовления фотодетекторов через окна в окисле с помощью фотолитографии формируются металлические, например алюминиевые, электроды.

Для еще большего снижения емкости фотодетектора последовательно с рn-переходом n+р может быть сформирован потенциальный барьер на контакте n+ области с металлом, как это показано на поперечном сечении латерального фотодетектора с контактом Шоттки (фиг.6). Образующийся за счет контактной разности потенциалов металлического электрода и полупроводниковой n+ области слой области объемного заряда создает дополнительную емкость, которая за счет последовательного включения блокирует емкость n+р-перехода, уменьшая общую емкость фотодетектора.

Для усиления лавинного умножения на р+ контактной области к подложке в зазоре можно сформировать слаболегированную n область в зазоре между n+ и р+ областями, которая при рабочем напряжении полностью перекрывается объемным зарядом рn-перехода и которая усиливает концентрацию электрического поля около р+ области за счет образования р+n-перехода, как показано на поперечном сечении латерального фотодетектора (фиг.7).

При приложении к фотодетектору напряжения через прибор протекает темновой ток утечки, а при освещении со стороны главной поверхности пластины добавляется фототок генерируемых светом и полученных в результате лавинного умножения в областях концентрации электрического поля носителей заряда. Концентрация электрического поля на элементах малого размера происходит как на р+ области, так и на n+ области, поэтому существуют и дают вклад в увеличение фоточувствительности сразу две области лавинного умножения. При введении слаболегированной n- области между р+ и n+ областями, которая при рабочем напряжении полностью перекрывается областью объемного заряда, позволяет увеличить концентрацию электрического поля около р+ области и, соответственно, лавинное умножение.

Относительное изменение тока определяет чувствительность фотодетектора к освещению. Изменение тока фотодетектора измеряется внешним прибором. Скорость изменения показаний измерительного прибора зависит от величины емкости фотодетектора, которая определяется емкостью рn-перехода. Малые размеры рn-перехода и высокое приложенное напряжение создают крайне малую емкость фотодетектора. Последовательное включение с рn-переходом емкости диода Шоттки на контакте металлический контакт - n+ область еще больше уменьшают емкость фотодетектора.

Функционирование фотодетектора в значительной мере определяется краевыми областями диода, поэтому можно использовать для данного типа фотодетектора название "крайдиод" (craidiode).

Источники информации

1. Полупроводниковые фотоприемники./Под редакцией Стафеева В.И.// Москва, Радио и связь, 1984.

2. Патент РФ 2178601.

3. Патент РФ 2061282.

4. Патент США 4142200.

5. Патент США 5223919.

6. Патент США 4060820.

7. Патент США 5352897.

8. Патент США 3886579.

9. Патент США 3244949.

10. Патент США 3714526.

11. Патент США 3532945.

12. Патент США 5602413.

13. Патент США 6137123.

14. Патент РФ 1816166.

15. Патент РФ 2141703.

16. Патент США 4531055.

17. Патент США 5525828 – прототип.

Использование: в полупроводниковой электронике. Техническим результатом изобретения является уменьшение емкости, повышение быстродействия и повышение фоточувствительности. Сущность изобретения: в кремниевом латеральном фотодетекторе с лавинным умножением выбирается отношение площадей элементов структуры pn-перехода и зазора между pn-переходом и контактом к подложке. Область объемного заряда pn-перехода полностью перекрывает зазор между pn+-переходом и р+-контактом к подложке. Лавинное умножение носителей заряда обеспечивается при подаче рабочего напряжения за счет концентрации электрического поля около n+, p+-областей малого размера. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Фотодетектор, включающий латеральные заглубленные электроды на поверхности кремниевой подложки с металлическими контактами к n+- и р+-областям, отличающийся тем, что расстояние между электродами при рабочем напряжении меньше толщины краевых областей объемного заряда p-n-перехода, а размеры областей электродов меньше толщины области объемного заряда.2. Фотодетектор по п.1, отличающийся тем, что в пространстве между электродами располагается слаболегированная область с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки, которая при рабочем напряжении полностью обеднена основными носителями заряда.3. Фотодетектор по п.1, отличающийся тем, что металлический контакт к n+-области имеет барьер Шоттки.