ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАВИННЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2014 года по МПК H01L31/107 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодетекторам с внутренним усилением сигнала, и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и заряженных ядерных частиц.

Устройства обнаружения и обработки оптической информации используются во многих научных и бытовых приборах. Ключевым элементом таких устройств является фотодетектор, преобразующий оптическую информацию в электрический сигнал. Основные рабочие параметры фотодетектора, такие как чувствительность и быстродействие определяют эффективность работы таких устройств. Традиционно, в таких оптических устройствах используются вакуумные фотоэлектронные умножители. Однако в последние годы были разработаны полупроводниковые фотоэлектронные умножители, являющиеся адекватными аналогами вакуумных фотоэлектронных умножителей.

В настоящее время полупроводниковые фотоэлектронные умножители стали коммерчески доступны и могут применяться для регистрации единичных световых квантов в видимой и ИК областях оптического спектра. Полупроводниковые фотоэлектронные умножители состоят из множества независимых ячеек, в которых осуществляется гейгеровский режим усиления фотоэлектронов. В результате этого достигается уникальное сочетание быстрого фотоотклика (длительность фотоотклика ~5 нс) и большого усиления сигнала (~10⁶). Однако для решения ряда прикладных задач требуется фронт нарастания фотоотклика меньше 1 нс. Кроме того, большой коэффициент усиления фотосигнала в полупроводниковых фотоэлектронных умножителях приводит к нежелательному эффекту - перекрестной оптической наводке (по-английски "cross-talk"). Этот эффект связан с тем, что большой коэффициент усиления (~10⁶) фотосигнала сопровождается испусканием оптических фотонов в лавинной области полупроводника. Эти фотоны поглощаются в соседних ячейках фотодетектора и вызывают ложный запуск лавинного процесса. Поэтому приходится уменьшать коэффициент лавинного усиления фотосигнала до 10⁴, что недостаточно для работы в режиме счета единичных фотоэлектронов.

Известно устройство, включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой выполнена матрица из полупроводниковых областей, образующих с полупроводниковой подложкой р-n-переход. На поверхности полупроводниковых областей содержатся резистивный слой с определенной проводимостью и полупрозрачный для света полевой электрод. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе полупроводниковой подложки с полупроводниковыми областями. При этом лавинный ток стекает к полупрозрачному полевому электроду через резистивный слой, расположенный над этими областями. Недостатком устройства является низкий квантовый выход устройства в видимой области спектра ввиду низкой прозрачности как резистивного слоя, так и полупроводниковых областей. Кроме того, фотоэлектроны, образованные между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиливаться, что приводит к понижению коэффициента усиления фототока в устройстве.

Известно устройство /2/, включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости, на поверхности которой последовательно расположены резистивный слой с определенной проводимостью, диэлектрический слой и полупроводниковый эпитаксиальный слой p-типа проводимости. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие высоколегированные 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 полупроводниковый слой, на поверхности которого расположены множество полупроводниковых областей, образующих потенциальные барьеры в виде p-n-переходов с полупроводниковым слоем. Индивидуальные микрорезисторы соединяют полупроводниковые области с общей проводящей шиной, отделенной от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем. В устройстве каждая полупроводниковая область (пиксель) независимо от остальных может работать в режиме выше пробивного потенциала, то есть каждый пиксель в режиме гейгеровского счетчика. Поэтому коэффициент усиления фототока в устройстве может превышать 10⁶. Однако, как было упомянуто выше, использование устройства при таких высоких коэффициентах усиления затруднено из-за появления перекрестных оптических наводок (по-английски "cross-talk"). Это является первым основным недостатком прототипа. Вторым основным недостатком устройства является недостаточно высокое быстродействие из-за высокой емкости, как самого пикселя, так и паразитных емкостей в устройстве. Здесь нужно отметить тот факт, что для заданного пикселя, усиливающего фототок, все остальные пиксели, не участвующие в усилении фототока являются паразитной емкостью.

Заявляемое изобретение направлено на снижение уровня перекрестных оптических наводок и улучшение быстродействия полупроводникового лавинного детектора. Для достижения этих технических результатов в полупроводниковом лавинном детекторе, включающем полупроводниковый слой, на поверхности которого сформированы множество полупроводниковых областей, образующих потенциальные барьеры с полупроводниковым слоем, общая проводящая шина, отделенная от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем, и индивидуальные микрорезисторы, соединяющие полупроводниковые области с общей проводящей шиной, дополнительно сформированы новые элементы. Этими новыми элементами являются индивидуальные эмиттеры, сформированные на поверхности упомянутых полупроводниковых областей, дополнительная проводящая шина и дополнительные индивидуальные микрорезисторы, соединяющие индивидуальные эмиттеры с дополнительной проводящей шиной.

Упомянутый полупроводниковый слой используют или самостоятельно для создания предложенного устройства или же его формируют путем эпитаксиального выращивания на поверхности полупроводниковых или диэлектрических подложек. Затем на поверхности полупроводникового слоя формируются необходимые элементы.

Заявляемое устройство, выполненное на поверхности полупроводникового слоя, включает в себя следующие варианты:

- индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гомогенными p-n-переходами;

- индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гетерогенными p-n-переходами;

- индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала, т.е. между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируется барьер Шоттки;

Полупроводниковый слой заявляемого устройства выполнен на поверхности полупроводниковой подложки, т.е. полупроводниковый слой представляет собой эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности полупроводниковой подложки. В этом случае заявляемое устройство включает в себя следующие варианты:

- индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гомогенными p-n-переходами;

- индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гетерогенными p-n-переходами;

- индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала, т.е. между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируется барьер Шоттки;

Полупроводниковый слой заявляемого устройства выполнен на поверхности диэлектрической подложки. В этом случае включает в себя следующие варианты:

- индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гомогенными p-n-переходами;

- индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям, т.е. потенциальные барьеры между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируются гетерогенными p-n-переходами;

- индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала, т.е. между индивидуальными эмиттерами и полупроводниковыми областями формируется барьер Шоттки;

Изобретение иллюстрируется на фигуре 1, на котором показано поперечное сечение полупроводникового лавинного детектора. Предложенный полупроводниковый лавинный детектор содержит полупроводниковый слой 1, на поверхности которого сформировано множество (матрица) полупроводниковых областей 2, образующих потенциальные барьеры в виде p-n-перехода с полупроводниковым слоем. Каждая полупроводниковая область имеет индивидуальный микрорезистор 3, соединяющий ее с общей проводящей шиной 4. Микрорезисторы и проводящая шина изолированы от полупроводникового слоя 1 диэлектрическим слоем 5. На поверхности упомянутых полупроводниковых областей сформированы индивидуальные эмиттеры 6. Индивидуальные эмиттеры соединены с дополнительной проводящей шиной 7 посредством дополнительных индивидуальных микрорезисторов 8. В устройстве выполнен омический контакт 9 к полупроводниковому слою.

Устройство работает следующим образом. К полупроводниковому слою 1 относительно проводящих шин подают потенциал с полярностью, соответствующей обратному смещению p-n-перехода, образованного между полупроводниковым слоем 1 и полупроводниковыми областями 2. Ввиду малых размеров (около 50 мкм×50 мкм) полупроводниковых областей в обедненном слое не всегда присутствуют носители заряда, и поэтому такие p-n-переходы малой площади (или пиксели) могут работать в режиме выше потенциала пробоя на 2-5 В. В отсутствие фотоэлектрона (или темновых носителей заряда) потенциал пикселя равен потенциалу индивидуального эмиттера, и поэтому ток через эмиттер равен нулю. В случае появления единичного фотоэлектрона в обедненной области пикселя происходит лавинный процесс и излишек напряжения, то есть ΔV~2-5 В, падает в индивидуальном микрорезисторе. При этом потенциал ΔV~2-5 B полностью открывает потенциальный барьер между пикселем (полупроводниковой областью) и индивидуальным эмиттером, в результате этого через индивидуальный эмиттер течет усиленный ток, который может ограничиваться только дополнительным индивидуальным микрорезистором. Таким образом, в устройстве сигнал сначала усиливается лавинным процессом в пикселе, а затем микротранзистором (структурой "индивидуальный эмиттер - полупроводниковая область - полупроводниковый слой"), выполненном на поверхности этого пикселя. Сигнал снимается с внешнего нагрузочного сопротивления, подключенного к электрической цепи дополнительной проводящей шины. Общий коэффициент усиления сигнала определяется как M₀=M_av·M_tr, где M_av - коэффициент усиления лавинного процесса, M_tr - коэффициент усиления микротранзистора.

Лавинный процесс разряжает емкость пикселя ниже потенциала пробоя, в результате этого лавинный процесс в пикселе гаснет, и как результат прекращается ток через микротранзистор. Таким образом, необходимый коэффициент усиления фототока, например M₀=10⁶, можно получить установив M_av=10⁵ и M_tr=10. Это значительно понизит уровень оптической обратной связи в устройстве благодаря уменьшению коэффициента усиления лавинного процесса. Кроме того, в устройстве улучшается быстродействие, поскольку емкость (или площадь) микротранзистора значительно меньше емкости (площади) пикселя. Например, при типичных размерах пикселей (полупроводниковых областей) 50 мкм×50 мкм, размеры микротранзисторов не превышают 5 мкм×5 мкм.

Полупроводниковый лавинный детектор реализуют следующим образом. На поверхности полупроводникового слоя 1, например кремниевого слоя n-типа проводимости с удельным сопротивлением 2 Ом·см, формируют диэлектрический слой 5 из двуокиси кремния (SiO₂) толщиной ~0,1 мкм путем термического окисления при температуре 1100°C. На поверхности окисла фотолитографическим способом вскрывают окна размером 40 мкм×40 мкм и с интервалом 10 мкм. Затем в этих окнах формируют полупроводниковые области 2 (пиксели) p-типа проводимости путем ионного легирования бором с дозой 10 мкКл/см² и энергией 70 кэВ. После термической разгонки бора до глубины 1,5 мкм на небольшой поверхности (около 5 мкм×5 мкм) каждого пикселя формируют индивидуальный эмиттер путем ионного легирования фосфором с дозой 150 мкКл/см² и энергией 100 кэВ. Разгонку фосфора производят до глубины 0,7 мкм. Контактные области к пикселям формируют путем дополнительного легирования небольшой площади полупроводниковых областей ионами бора с дозой 50 мкКл/см² и энергией 70 кэВ. Микрорезисторы с поверхностным сопротивлением около 20 Ом/квадрат изготавливают из аморфного кремния путем осаждения из газовой фазы. Общую проводящую шину и дополнительную шину изготавливают из двухслойного металла (Ti+Al) путем ионно-плазменного напыления. Омический контакт 9 к полупроводниковому слою формируют напылением алюминиевого слоя на свободной лицевой поверхности полупроводникового слоя.

Благодаря низкому уровню оптических перекрестных наводок и высокому быстродействию предложенный полупроводниковый лавинный детектор может найти широкое применение в качестве детекторов световых квантов и заряженных частиц как в фундаментальных исследованиях (ядерная физика, физика высоких энергий и др.), так и в прикладных областях (экология, дозиметрия, медицинская томография и др.).

Источники информации

1. Патент России №1702831, кл. H01L 31/06, 1997 (аналог).

2. Патент США 5844291, кл. H01L 31/06, 1998 (аналог).

3. Патент России 2102820, кл. H01L 31/06, 1998 (прототип).

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодетекторам с внутренним усилением сигнала, и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и заряженных ядерных частиц. Полупроводниковый лавинный детектор согласно изобретению сдержит множество независимых полупроводниковых областей, расположенных на поверхности полупроводникового слоя, множество полупроводниковых областей образуют p-n-переходы с полупроводниковым слоем, общую проводящую шину, отделенную от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем и индивидуальные микрорезисторы, соединяющие полупроводниковые области с общей проводящей шиной, при этом на части поверхности упомянутых полупроводниковых областей выполнены индивидуальные эмиттеры, образующие потенциальные барьеры с полупроводниковыми областями, причем упомянутые индивидуальные эмиттеры соединены с дополнительной проводящей шиной посредством дополнительных индивидуальных микрорезисторов. Изобретение направлено на снижение уровня перекрестных оптических наводок и улучшение быстродействия полупроводникового лавинного детектора. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Лавинный полупроводниковый детектор, включающий полупроводниковый слой, на поверхности которого расположено множество полупроводниковых областей, образующих p-n-переход с полупроводниковым слоем, общая проводящая шина, отделенная от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем и индивидуальные микрорезисторы, соединяющие полупроводниковые области с общей проводящей шиной, отличающийся тем, что на части поверхности упомянутых полупроводниковых областей выполнены индивидуальные эмиттеры, образующие потенциальные барьеры с полупроводниковыми областями, причем упомянутые индивидуальные эмиттеры соединены с дополнительной проводящей шиной посредством дополнительных индивидуальных микрорезисторов.

2. Лавинный полупроводниковый детектор по п.1, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости.

3. Лавинный полупроводниковый детектор по п.1, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям.

4. Лавинный полупроводниковый детектор по п.1, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала.

5. Лавинный полупроводниковый детектор по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый слой выполнен на поверхности полупроводниковой подложки.

6. Лавинный полупроводниковый детектор по п.5, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости.

7. Лавинный полупроводниковый детектор по п.5, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям.

8. Лавинный полупроводниковый детектор по п.5, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала.

9. Лавинный полупроводниковый детектор по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый слой выполнен на поверхности диэлектрической подложки.

10. Лавинный полупроводниковый детектор по п.9, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из одинакового с полупроводниковыми областями материала, но имеющего противоположный тип проводимости.

11. Лавинный полупроводниковый детектор по п.9, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из широкозонного полупроводника по отношению к полупроводниковым областям.

12. Лавинный полупроводниковый детектор по п.9, отличающийся тем, что индивидуальные эмиттеры выполнены из металлического материала.