ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД Российский патент 2007 года по МПК H01L31/06 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала, и может быть использовано для регистрации слабых световых импульсов и ядерных частиц.

Известно устройство (аналог), включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены широкозонный резистивный слой и полупрозрачный металлический электрод. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе полупроводник-широкозонный резистивный слой. При этом лавинный ток перетекает к металлическому электроду через резистивный слой. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев, происходящих в областях неоднородности границы раздела полупроводника с широкозонным резистивным слоем. Дело в том, что области микропробоев, статически распределенные на упомянутой выше границе, имеют токовую связь между собой, поэтому широкозонный резистивный слой недостаточно ограничивает лавинный ток в устройстве. Упомянутые микропробои приводят к локальному разогреву полупроводника, и в результате прибор выходит из строя.

Известно устройство (прототип), 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 на границе р-n перехода. Области микропробоя, имеющиеся на границе раздела р-n перехода, имеют зарядовую и токовую связь между собой через электронейтральную часть полупроводникового слоя, то есть в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в отдельных областях микропробоя. Одна или несколько областей небольшого размера не позволяют поднять напряжения на приборе с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на основной площади устройства. Таким образом ограничивается коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности лавинного фотодиода.

Задачей изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Для достижения этих технических результатов в лавинном фотодиоде, включающем два полупроводниковых слоя, образующие между собой р-n-переход, формируют матрицу отдельных полупроводниковых областей одного типа проводимости. Полупроводниковые области формируют, крайней мере, в одном из полупроводниковых слоев. Тип проводимости полупроводниковых областей выбирают противоположным по отношению к полупроводниковому слою, в котором они создаются. Это приводит к образованию в устройстве p-n-p-n-переходов в направлении, перпендикулярном к упомянутой границе раздела полупроводниковых слоев. Полупроводниковые области располагают вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев, в результате этого в устройстве образуется двумерная матрица тройных p-n-p-n-переходов. Элементы этой матрицы отделены друг от друга областями p-n-перехода.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показаны поперечные сечения возможных вариантов лавинного фотодиода. Устройство изготавливают на базе полупроводникового слоя 1 (подложки), например, кремния р-типа проводимости. На поверхности подложки выращивают эпитаксиальный слой 2 n-типа проводимости, образующий с подложкой p-n-переход. Полупроводниковые области 3 и 4 формируют путем ионного легирования полупроводниковых слоев бором и фосфором. Поперечные размеры полупроводниковых областей определяются специальным фотошаблоном, с помощью которого вскрывают окна в фоторезисте для локального легирования полупроводникового слоя. Энергию ионов при легировании выбирают в зависимости от необходимой глубины залегания полупроводниковых областей. Затем изготавливают известные элементы устройства, как охранные кольца и контактные электроды.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве лавинное усиление фототока происходит только в областях p-n-p-n-переходов, представляющихся собой независимые каналы умножения носителей заряда. Это происходит благодаря тому, что области тройных p-n-p-n-переходов 5 окружены областями p-n-переходов 6 (см. чертеж). В рабочем режиме к верхнему электроду полупроводникового слоя прикладывается напряжение полярностью соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом средний переход в области тройного p-n-p-n-перехода смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между p-n-p-n-переходами, также смещаются в противоположном направлении. В результате этого достигается такая форма распределения потенциала, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в верхнем фоточувствительном полупроводниковом слое к областям p-n-p-n-переходов. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху p-n-переходе канала умножения, а следующий p-n-переход, смещенный в прямом направлении, выполняет роль потенциальной ямы глубиной около 0,5-0,7 В, в которой собираются умноженные электроны. Накопление электронов в упомянутой потенциальной яме за время нескольких наносекунд приводит к резкому понижению электрического поля в лавинной области (т.е. в первом p-n-переходе), в результате этого лавинный процесс в данном канале умножения прекращается. Затем за время нескольких десятков наносекунд после окончания лавинного процесса накопленные электроны уходят в подложку благодаря достаточной утечки третьего p-n-перехода. Таким образом лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется в независимых каналах умножения, не имеющих зарядовой связи между собой. Благодаря этому улучшается стабильность работы и увеличивается чувствительность лавинного фотодиода.

Источники информации

1. Микроэлектроника, 1989, т.18, с.88-90 (аналог).

2. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Ч.2. М.: Мир, 1984, с.455, (прототип).

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с внутренним усилием сигнала. Предложенный лавинный фотодиод может быть использован для регистрации сверхслабых потоков световых и гамма-квантов, а также зараженных частиц в составе устройств медицинской гамма-томографии, радиационного мониторинга и ядерно-физических экспериментов. Техническим результатом изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Сущность: лавинный фотодиод включает два полупроводниковых слоя противоположного типа проводимости, имеющих общую границу раздела. В, по крайней мере, одном из слоев сформированы не менее двух отдельных областей одного типа проводимости, расположенные вдоль общей границы раздела слоев и образующие совместно с ними р-n-р-n- переходы в направлении, перпендикулярном к упомянутой границе. 1 ил.

Лавинный фотодиод, содержащий два полупроводниковых слоя противоположного типа проводимости, имеющие общую границу раздела, отличающийся тем, что по крайней мере в одном из полупроводниковых слоев сформированы не менее двух отдельных полупроводниковых областей одного типа проводимости, расположенных вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев и образующих совместно с ними p-n-p-n-переходы в направлении, перпендикулярном упомянутой выше общей границе раздела полупроводниковых слоев.