МИКРОКАНАЛЬНЫЙ ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД Российский патент 2008 года по МПК H01L31/06 

Описание изобретения

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала. Предложенный микроканальный лавинный фотодиод может быть использован для регистрации сверхслабых импульсов света, вплоть до единичных фотонов, а также гамма-квантов и зараженных частиц в составе устройств медицинской гамма-томографии, радиационного мониторинга и ядерно-физических экспериментов.

Известно устройство /1/, включающее полупроводниковую подложку, матрицу полупроводниковых областей противоположного подложке типа проводимости, отделенных от полевого полупрозрачного электрода буферным-резистивным слоем с определенной проводимостью. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границах подложки с полупроводниковыми областями. При этом лавинный ток стекает к полупрозрачному электроду через резистивный слой, расположенный над этими областями. Недостатком устройства является низкий квантовый выход в видимой и ультрафиолетовой областях спектра ввиду низкой прозрачности как буферного слоя, так и высоколегированных полупроводниковых областей. Кроме того, фотоэлектроны, образованные между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиливаться, что приводит к понижению чувствительности устройства.

Известно устройство /2/, включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости и эпитаксиальный слой p-типа проводимости, отделенный от подложки резистивным и диэлектрическим слоями. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие полупроводниковые области n-типа проводимости, имеющие выход с одной стороны на резистивный слой, а с противоположной стороны на эпитаксиальный слой. Высоколегированные области n-типа проводимости обеспечивают локализацию лавинного процесса в p-n-переходах, отделенных друг от друга областями диэлектрического слоя. Фоточувствительным слоем, в котором создаются фотоэлектроны, является эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности инородных материалов - диэлектрических и резистивных слоев. Поэтому основными недостатками устройства являются сложность технологии изготовления таких эпитаксиальных слоев и высокий уровень темнового тока, приводящего к ухудшению чувствительности и отношения сигнал/шум устройства.

Известно также устройство /3/, взятое за прототип, включающее полупроводниковую подложку и полупроводниковый слой, образующий с подложкой p-n переход. На поверхности подложки содержится матрица отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к подложке. Полупроводниковые области используются в прототипе с целью создания отдельных лавинных областей (микроканалов), обеспечивающих усиление сигнала. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев в приграничной зоне полупроводниковых областей, где производится усиление фотоэлектронов. Дело в том, что полупроводниковые области расположены непосредственно на границе раздела p-n перехода, образованного на границе раздела подложка-полупроводниковый слой. Поэтому полупроводниковые области имеют зарядовую и токовую связь между собой или через электронейтральную часть полупроводникового слоя, или же через подложку в зависимости от их типа проводимости. То есть в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в отдельных областях, где происходит лавинный процесс. Одна или несколько областей с пониженным потенциалом пробоя не позволяют поднять напряжения на приборе с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на всей площади устройства. Таким образом, в устройстве ограничен коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности лавинного фотодиода.

Предложенное изобретение направлено на улучшение стабильности амплитуды сигнала и увеличение чувствительности лавинного фотодиода в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Для достижения этих технических результатов в лавинном фотодиоде, включающем полупроводниковую подложку и полупроводниковые слои с разными электрофизическими параметрами, формируют, по крайней мере, одну матрицу, состоящую из отдельных твердотельных областей с повышенной проводимостью, окруженных со всех сторон полупроводниковым материалом одного типа проводимости. Твердотельные области расположены между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями, имеющими повышенную проводимость по отношению к полупроводниковым слоям, с которыми они имеют общую границу раздела. При этом, по крайней мере, один из дополнительных полупроводниковых слоев с повышенной проводимостью не имеет общей границы раздела с твердотельными областями. Полупроводниковые области располагают вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев.

В зависимости от варианта исполнения устройства твердотельные области с повышенной проводимостью формируют из одинакового с полупроводниковыми слоями материала, но с разными типами проводимости, из узкозонного полупроводника по отношению к материалу полупроводниковых слоев, а также из металлического материала. Это приводит к образованию в устройстве, соответственно, либо чередующихся p-n-переходов, или гетеропереходов, или же переходов металл-полупроводник в направлении, перпендикулярном к плоскости подложки.

В результате этого в устройстве образуется, по крайней мере, одна двумерная матрица отдельных потенциальных ям, расположенных между дополнительными полупроводниковыми слоями с повышенной проводимостью. Формирование двух и более матриц отдельных твердотельных областей с повышенной проводимостью приводит к большему улучшению чувствительности и стабильности амплитуды сигнала устройства.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показаны поперечные сечения микроканального лавинного фотодиода с одним (А) и двумя (С) матрицами твердотельных областей, расположенных между дополнительными полупроводниковыми слоями с повышенной проводимостью. Устройство изготавливают на базе полупроводниковой подложки 1, например, кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 1 Ом·см. Сначала в рабочей области полупроводниковой подложки формируют первый дополнительный полупроводниковый слой 2 n-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,1 Ом·см путем локального диффузионного легирования фосфором. Затем на поверхности подложки путем молекулярной эпитаксии выращивают кремниевый полупроводниковый слой 3 p-типа проводимости с удельным сопротивлением в интервале 1-100 Ом·см, образующий p-n-переход с первым дополнительным полупроводниковым слоем. Твердотельные области с повышенной проводимостью 4 формируют путем ионного легирования полупроводникового слоя атомами фосфора. Дозу легирования выбирают в интервале 5-100 мкКл·см^-2. После отжига дефектов при температуре 900°С внутри полупроводникового слоя образуются области - островки n-типа проводимости с удельным сопротивлением около 0,01 Ом·см, окруженные со всех сторон полупроводниковым материалом p-типа проводимости с удельным сопротивлением в интервале 1-100 Ом·см. Затем путем ионного легирования бором на поверхности полупроводникового слоя 3 формируют второй дополнительный полупроводниковый слой 5 с удельным сопротивлением около 0,01 Ом·см. Это приводит к образованию в объеме устройства чередующихся p-n-переходов в направлении 6, перпендикулярном к плоскости подложки, причем чередующиеся p-n-переходы расположены между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями с повышенной проводимостью.

В зависимости от варианта исполнения устройства твердотельные области с повышенной проводимостью формируют также из германиевых или титановых кластеров, окруженных кремниевым материалом. Для того чтобы образовалиь германиевые или титановые кластеры в объеме полупроводникового слоя из кремния дозу легирования германием или титаном выбирают выше 1000 мкКл·см^-2. При этом в устройстве образуются, соответственно, или чередующиеся гетеропереходы, или же переходы металл-полупроводник в направлении, перпендикулярном к плоскости подложки.

Поперечные размеры твердотельных областей и зазор между ними определяются специальным фотошаблоном, с помощью которого вскрывают окна в фоторезисте либо в специальной маске для локального легирования полупроводникового слоя. Энергию ионов при легировании выбирают в зависимости от необходимой глубины залегания внедряемых атомов. Затем изготавливают известные элементы устройства, такие как охранные кольца или глубокие канавки вокруг рабочей площади, а также контактные электроды.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве лавинное усиление фототока происходит только в границах твердотельных областей с полупроводниковыми слоями, представляющих собой независимые каналы умножения носителей заряда, совпадающие направлением 6. Это происходит благодаря тому, что области чередующихся потенциальных барьеров в направлении 6 окружены областями p-n-перехода, расположенными в направлении 7. В рабочем режиме к верхнему электроду полупроводникового слоя прикладывается напряжение полярностью, соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом средний переход в канале умножения смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между каналами умножения, также смещаются в противоположном направлении. При этом первый дополнительный полупроводниковый слой с повышенной проводимостью ограничивает распространение электрического поля в подложку, тем самым он обеспечивает уменьшение темнового генерационного тока и достижение лавинного процесса только в рабочей области устройства. Второй дополнительный полупроводниковый слой с повышенной проводимостью ограничивает электрическое поле с внешней стороны и обеспечивает однородность потенциала вдоль фоточувствительной поверхности устройства. В результате этого достигается такая форма распределения потенциала внутри устройства, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в верхнем фоточувствительном полупроводниковом слое, к потенциальным микроямам, образованным твердотельными областями. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху переходе канала умножения, а следующий переход, смещенный в прямом направлении, выполняет роль потенциальной ямы глубиной около 0,5-1 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 приграничной области первого перехода), и 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 утечке третьего 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. Гасанов А.Г. и др. Патент РФ №1702831 от 27 июня 1997 года. Заявка 4747595/25 от 11 октября 1989 года (аналог).

2. Antich P.P. et al. US Patent #5844291 from December 1, 1998, Class: H 01 L 31/107; H01L 31/06. Application #771207 from December 10, 1996 (аналог).

3. Садыгов З.Я. Патент России №2102821 от 20 января 1998 года, кл. H01L 31/06. Заявка №96119670 от 10 октября 1996 года (прототип).

Изобретение может быть использовано для регистрации сверхслабых импульсов света, вплоть до единичных фотонов, а также гамма-квантов и заряженных частиц в составе устройств медицинской гамма-томографии, радиационного мониторинга и ядерно-физических экспериментов. Предложенный лавинный фотодиод содержит подложку и полупроводниковые слои с разными электрофизическими свойствами, имеющие общие границы раздела как между собой, так и с подложкой. Кроме того, лавинный фотодиод содержит, по крайней мере, одну двумерную матрицу отдельных твердотельных областей, окруженных полупроводниковым материалом одного типа проводимости. Твердотельные области располагают между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями, имеющими повышенную проводимость по отношению к полупроводниковым слоям, с которыми они имеют общие границы раздела. Благодаря этому улучшается стабильность амплитуды фотоотклика и увеличивается чувствительность лавинного фотодиода в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Лавинный фотодиод, содержащий подложку и полупроводниковые слои с разными электрофизическими свойствами, имеющие общие границы раздела как между собой, так и с подложкой, отличающийся тем, что в устройстве содержится, по крайней мере, одна матрица, состоящей из отдельных твердотельных областей с повышенной проводимостью, окруженных полупроводниковым материалом одного типа проводимости, причем твердотельные области расположены между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями, имеющими повышенную проводимость по отношению к полупроводниковым слоям, с которыми они имеют общие границы раздела.2. Лавинный фотодиод по п.1, отличающийся тем, что твердотельные области сделаны из одинакового материала с окружающими их полупроводниковыми слоями, но с противоположным по отношению к ним типом проводимости.3. Лавинный фотодиод по п.1, отличающийся тем, что твердотельные области сделаны из полупроводника с узкой запрещенной зоной по отношению к полупроводниковым слоям, с которыми они имеют общие границы раздела.4. Лавинный фотодиод по п.1, отличающийся тем, что твердотельные области сделаны из металлического материала.