ИК-ФОТОДИОД С ВЫСОКИМ ОТНОШЕНИЕМ СИГНАЛ/ШУМ И СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ В ИК-ФОТОДИОДЕ Российский патент 2013 года по МПК H01L31/101 

Изобретения относятся к фотоэлектронике и могут использоваться в пороговых фотоприемных устройствах для регистрации слабого электромагнитного излучения инфракрасного (ИК) диапазона.

Известен фоточувствительный полупроводниковый прибор (фотодиод) с низким уровнем темнового тока (patent US 4242695) в котором для уменьшения диффузионного тока и обусловленных им шумов фотодиода сформирован дополнительный p-n переход, имеющий общую базу с основным p-n переходом.

Недостатком данного полупроводникового прибора является необходимость формирования дополнительного p-n перехода, что существенно усложняет технологический процесс изготовления фоточувствительного полупроводникового прибора, а также отсутствие омических контактов к двум противоположным сторонам периметра слаболегированного слоя (базы) что, в свою очередь, обуславливает невозможность использования тока продольной проводимости базы, для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.

В известном фотодиоде для увеличения отношения сигнал/шум уменьшают диффузионный ток основного p-n перехода, так как уменьшение среднего значения диффузионного тока приведет к уменьшению его спектральной плотности шума.

Недостаток известного способа увеличения отношения сигнал/шум заключается в том, что диффузионный ток дополнительного p-n перехода не используется для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n переходов, что не позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум в фотодиоде.

Задачей изобретений является увеличение отношения сигнал/шум (S/N) ИК-фотодиода за счет использования тока продольной (вдоль плоскости p-n перехода) проводимости базы, шумы которого коррелированны с шумами диффузионного тока p-n перехода, для коррелированной обработки сигнала и шума p-n перехода, регистрирующего ИК-излучение.

Технический результат достигается тем, что ИК-фотодиод с высоким отношением сигнал/шум, содержит последовательно расположенные сильнолегированный слой, прилегающий к прозрачной для ИК-излучения подложке, толщина которого l₁ превышает длину поглощения ИК-излучения в полупроводнике, а также слаболегированный слой другого типа проводимости (базу), толщина которого d меньше диффузионной длины неосновных носителей. При этом, вдоль двух противоположных сторон периметра слаболегированного слоя сформированы омические контакты. Сильнолегированный слой, а также каждый из двух омических контактов, сформированных к слаболегированному слою, соединен с микросхемой. считывания и обработки сигнала отдельным индиевым столбиком.

В рассматриваемом фотодиоде ИК-излучение должно полностью поглощаться в сильнолегированном слое, поэтому последний прилегает к подложке, а толщина сильнолегированного слоя ℓ₁ удовлетворяет условию:

,

где α - коэффициент поглощения.

Для повышения отношения сигнал/шум в ИК-фотодиоде регистрируют сумму диффузионного тока и фототока p-n перехода, а также ток продольной проводимости базы, протекающий между омическими контактами, сформированными вдоль двух противоположных сторон периметра слаболегированного слоя. При этом подают на один из омических контактов к слаболегированному слою нулевой потенциал, на омический контакт к сильнолегированному слою - потенциал, соответствующий небольшому обратному смещению на p-n переходе, на другой омический контакт к слаболегированному слою - потенциал, знак которого противоположен знаку потенциала на омическом контакте к сильнолегированному слою, а величина удовлетворяет условию

,

ГДЕ Q - ЗАРЯД ЭЛЕКТРОНА,

ε₀ - электрическая постоянная,

ε - диэлектрическая проницаемость полупроводника,

N₂ - концентрация легирующей примеси в базе,

d - толщина слаболегированного слоя,

V_G - напряжение на p-n переходе,

V_bi - встроенный диффузионный потенциал p-n перехода.

Затем ток продольной проводимости базы используют для коррелированной обработки сигнала и шума p-n перехода.

На фиг.1 изображен фотодиод с коррелированной обработкой сигнала и шума, который может использоваться в качестве ячейки матричного ИК-фотоприемника (вид сверху).

На фиг.2 изображен фотодиод с коррелированной обработкой сигнала и шума (сечение А-А).

На фиг.3 изображен фотодиод с коррелированной обработкой сигнала и шума (сечение В-В).

Рассматриваемый фотодиод содержит:

1 - сильнолегированный слой;

2 - слаболегированный слой (базу);

3 - прозрачную для ИК-излучения подложку;

4 - индиевый столбик, соединенный с омическим контактом к сильнолегированному слою;

5, 6 - индиевые столбики, соединенные с омическими контактами к слаболегированному слою;

7 - пассивирующий диэлектрик;

8 - металлический слой.

Сильнолегированный слой 1 прилегает к прозрачной для ИК-излучения подложке 3 и предназначен для поглощения ИК-излучения. Толщина l₁ сильнолегированного слоя 1 удовлетворяет условию

,

где α - коэффициент поглощения. Над сильнолегированным слоем сформирован слаболегированный слой (база) 2. Толщина d слаболегированного слоя 2 удовлетворяет условию

d<L,

где L - диффузионная длина неосновных носителей в базе. К сильнолегированному слою 1 сформирован омический контакт, который с помощью металлического слоя и индиевого столбика 4 соединен с микросхемой считывания и обработки сигнала. Вдоль двух противоположных сторон периметра слаболегированного слоя 2 сформированы омические контакты, которые с помощью металлических слоев и индиевых столбиков 5 и 6, соответственно, соединены с микросхемой считывания и обработки сигнала.

Коррелированная обработка сигнала и шума в рассматриваемом фотодиоде может быть реализована при выполнении двух условий.

Во-первых, диффузионный ток p-n перехода должен определиться процессами тепловой генерации и рекомбинации в базе 2. Это условие выполняется, если концентрация легирующей примеси в базе p-n перехода 2 существенно меньше, чем концентрация легирующей примеси в сильнолегированном слое 1, т.е. при выполнении неравенства:

N₂<<N

где N₂ - концентрация легирующей примеси в слаболегированном слое 2,

N₁ - концентрация легирующей примеси в сильнолегированном слое 1.

Во-вторых, регистрируемое ИК-излучение должно полностью поглощаться в сильнолегированном слое p-n перехода 1, прилегающем к подложке. Второе условие выполняется, если толщина сильнолегированного слоя 1, удовлетворяет условию

,

где α - коэффициент поглощения.

В рабочем режиме на один из омических контактов к слаболегированному слою подают нулевой потенциал, а на омический контакт к сильнолегированному слою подают потенциал, соответствующий небольшому обратному смещению на p-n переходе. При этом, на другой омический контакт к слаболегированному слою подают потенциал, величина которого удовлетворяет условию , а знак противоположен знаку потенциала на омическом контакте к сильнолегированному слою.

В рассматриваемом фотодиоде флуктуации диффузионного тока обусловлены флуктуациями скорости тепловой генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар в слабо легированном слое. Флуктуации продольной проводимости базы также обусловлены флуктуациями скорости тепловой генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар. Выше было отмечено, что толщина базы предложенного фотодиода меньше диффузионной длины. Поэтому флуктуации скорости тепловой генерации и рекомбинации в любой небольшой части базы фотодиода дадут вклад как в шум диффузионного тока p-n перехода, так и в шум тока продольной проводимости базы, что обуславливает корреляцию этих шумов. Таким образом, при засветке со стороны подложки предложенного фотодиода суммарный ток p-n перехода будет представлять собой сумму диффузионного тока и фототока, причем шум диффузионного тока будет коррелирован с шумом тока продольной проводимости базы.

Из сказанного следует, что ток продольной проводимости базы, протекающий между омическими контактами, сформированными вдоль двух противоположных сторон слаболегированного слоя, может быть использован для коррелированной обработки сигнала и шума p-n перехода, что позволит увеличить отношение сигнал/шум рассматриваемого ИК-фотодиода. При этом, в простейшем случае, коррелированная обработка сигнала и шума p-n перехода представляет собой умножение тока продольной проводимости базы на нормировочный коэффициент

где µ_min - подвижность неосновных носителей заряда в базе,

µ_maj - подвижность основных носителей заряда в базе,

τ - время жизни неосновных носителей заряда в базе,

n_i - собственная концентрация носителей в полупроводнике,

А - площадь p-n перехода,

ℓ - расстояние между омическими контактами к слаболегированному слою,

V - напряжение, приложенное между омическими контактами к слаболегированному слою, и вычитание нормированного тока продольной проводимости базы из суммы диффузионного тока и фототока основного p-n перехода.

Изобретения относятся к фотоэлектронике и могут использоваться в пороговых фотоприемных устройствах для регистрации слабого электромагнитного излучения инфракрасного диапазона. ИК-фотодиод с высоким отношением сигнал/шум, содержит сильнолегированный слой, прилегающий к прозрачной для ИК-излучения подложке, толщина которого l₁ удовлетворяет условию: , а также слаболегированный слой другого типа проводимости (базу) толщина которого d удовлетворяет условию d<L. Вдоль двух противоположных сторон периметра слаболегированного слоя сформированы омические контакты. Для повышения отношения сигнал/шум в ИК-фотодиоде регистрируют сумму диффузионного тока и фототока p-n перехода, а также ток продольной проводимости базы, протекающий между омическими контактами, сформированными вдоль двух противоположных сторон периметра слаболегированного слоя, при подаче на эти контакты небольшого напряжения, удовлетворяющего заданному условию. Изобретения обеспечивают увеличение отношения сигнал/шум (S/N) ПК-фотодиода за счет использования тока продольной (вдоль плоскости p-n перехода) проводимости базы, шумы которого коррелированны с шумами диффузионного тока p-n перехода, для коррелированной обработки сигнала и шума. p-n перехода, регистрирующего ИК-излучение. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. ИК-фотодиод с высоким отношением сигнал/шум, содержащий сильнолегированный слой и слаболегированный слой другого типа проводимости (базу), толщина которого меньше диффузионной длины неосновных носителей, отличающийся тем, что вдоль двух противоположных сторон периметра слаболегированного слоя сформированы омические контакты, а сильнолегированный слой и каждый из омических контактов к противоположным сторонам периметра слаболегированного слоя соединены с микросхемой считывания и обработки сигнала отдельным индиевым столбиком, при этом сильнолегированный слой расположен со стороны подложки, прозрачной для ИК-излучения, а его толщина удовлетворяет условию
,
где α - коэффициент поглощения.

2. Способ повышения отношения сигнал/шум в ИК-фотодиоде, содержащем сильнолегированный слой и слаболегированный слой другого типа проводимости (базу), заключающийся в том, что регистрируют сумму диффузионного тока и фототока p-n-перехода, а также ток продольной проводимости базы, протекающий между омическими контактами, сформированными вдоль двух противоположных сторон периметра слаболегированного слоя, при подаче на один из омических контактов к слаболегированному слою нулевого потенциала, на омический контакт к сильнолегированному слою - потенциала, соответствующего небольшому обратному смещению на p-n-переходе, на другой омический контакт к слаболегированному слою - потенциала, знак которого противоположен знаку потенциала на омическом контакте к сильнолегированному слою, а величина удовлетворяет условию

где q - заряд электрона,
ε₀ - электрическая постоянная,
ε - диэлектрическая проницаемость полупроводника,
N₂ - концентрация легирующей примеси в базе,
d - толщина слаболегированного слоя,
V_G - напряжение на p-n-переходе,
V_bi - встроенный диффузионный потенциал p-n-перехода,
после чего ток продольной проводимости базы используют для коррелированной обработки сигнала и шума p-n-перехода.