БИПОЛЯРНАЯ ЯЧЕЙКА КООРДИНАТНОГО ФОТОПРИЕМНИКА - ДЕТЕКТОРА ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2016 года по МПК G01T1/24 H01L31/115 

Изобретение относится к полупроводниковым монолитным координатным фотоприемникам и детекторам радиационных частиц и излучений.

Известны ячейки (пиксели) для монолитных 2-мерных матриц детекторов, которые построены: на основе p-i-n-диода, который не обеспечивает усиления сигнала в пикселе и, следовательно, быстродействие и чувствительность детектора (1. D. Patti etal United States Patent № US 6,465,857,B1 Date Oct. 15.2002, US 006465857 B1), диодно-емкостной структуре, которая не обеспечивает быстродействие (2. I. Peric; «А novel monolithic pixelated particle detector implemented in high-voltage CMOS technology», Nucl. Inst. Meth. Band A 582, pp. 876-885, August 2007), DEPMOS - МОП транзисторе с управлением по подложке, которые имеют низкую крутизну и относительно высокий уровень шумов (3. J. Kemmer, G. Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273, 588-598 (1988)), на функционально-интегрированных БИ-МОП, n-МОП транзисторных структурах имеют нелинейность усиления при малом уровне сигнала (4. Интегральная Би-МОП ячейка детектора излучений (патент РФ №2383968 от 20.03.2006; 5. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений, патент РФ №2494497 от 21.07.2011).

Наиболее близкой по технической сущности является ячейка на биполярной транзисторной структуре для 2-мерной матрицы фотоприемника - детектора излучений, которая представлена в патенте (6. Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой, патент РФ №2427942, опублик. 08.04.2010).

Данная электрическая схема и конструкция ячейки (пиксели) выбрана в качестве прототипа.

Данная ячейка на биполярной транзисторной структуре с сетчатой базой содержит полупроводниковую подложку, в которой расположена область коллектора 1-го типа проводимости, на которой имеется электрод коллектора, в области коллектора расположена область базы, 2-го типа проводимости, в области базы расположена область эмиттера 1-го типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера, отличающаяся тем, что область базы 2-го типа проводимости выполнена в виде сетки, при этом величины областей пространственного заряда, образованные p-n переходами коллектор - база, превышают расстояние между соседними линиями сетчатой базы.

Данная ячейка имеет относительно низкое напряжение пробоя (менее 70 В), что не позволяет достичь максимально возможных величин области пространственного заряда (ОПЗ), например, в кремниевой подложке, толщина которой составляет обычно 300-460 мкм, небольшая глубина ОПЗ не позволяет соответственно эффективно детектировать излучения, имеющие большую глубину проникновения в полупроводниковый материал подложки (например, рентгеновского или релятивистского электронного излучений). Кроме этого большая величина ОПЗ в коллекторном переходе транзистора существенно ограничивает его быстродействие.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регистрации глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений.

Технический результат достигается за счет:

- электрической схемы, которая содержит дополнительную шину положительного (отрицательного) напряжения питания, к которой подключен коллектор биполярного транзистора, дополнительную шину напряжения смещения, подключенную через резистор к базе 2-эмиттерного биполярного транзистора.

Данная электрическая схема реализуется с помощью оригинальной конструкции интегральной схемы, в которой функционально совмещены высоковольтный p-i-n-диод и низковольтный усиливающий ионизационный ток 2-эмиттерного биполярного транзистора.

- конструкции ячейки, в которой имеется дополнительная область 1-го типа проводимости, расположенная в области анода (катода) p-i-n-диода и базы 2-го типа проводимости, являющаяся областью коллектора 2-эмиттерного биполярного транзистора, на которой расположен электрод коллектора, подключенный к шине положительного (отрицательного) напряжения питания.

Изобретение поясняется приведенными чертежами:

- электрическая схема изобретения, приведенная на фиг. 1, содержит 2-эмиттерный n (р) биполярный транзистор Т₁, база которого через резистор R подключена к шине напряжения смещения V_СМ и аноду (катоду) диода, катод (анод) которого подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +V_DD, первый эмиттер транзистора подсоединен к адресной шине - X, второй эмиттер к адресной шине - Y, его коллектор подсоединен к шине положительного (отрицательного) напряжения питания V_CC;

- конструкция изобретения показана на фиг. 2.

Ячейки 2-мерной матрицы содержат шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +V_DD, шину напряжения смещения V_СМ, первую - X, и вторую - Y выходные ортогональные адресные шины, полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости - 1, на нижней поверхности которой расположен сильно легированный слой 1-ого типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +V_DD, а на верхней поверхности подложки расположены область 2-го типа проводимости - 4, являющаяся одновременно p (n) областью анода (катода) p-i-n-диода и областью базы 2-эмиттерного биполярного транзистора, на ней расположен электрод базы - 5, которая подсоединена к первому электроду - 6 резистора - 7, расположенного на диэлектрике - 8, второй электрод резистора - 9 подключен к шине напряжения смещения V_СМ, в области базы расположены две сильнолегированные области n (p) типа проводимости первого - 10 и второго - 11 эмиттеров, соответствующими электродами - 12, 13 подключенные соответственно к первой - X и второй - Y выходным ортогональным адресным шинам, по границе ячейки расположена n⁺(p⁺) охранная область - 14, в области базы 2-го типа проводимости - 4 расположена дополнительная область коллектора - 15 2-эмиттерного биполярного транзистора, с расположенным на ней электродом коллектора - 16, соединенным с шиной положительного (отрицательного) напряжения питания V_CC.

Пример конкретной технологической реализации изобретения

Двумерная матрица пиксель-ячеек детектора может быть выполнена по стандартной биполярной технологии, используемой при изготовлении интегральных схем, например по следующему технологическому маршруту:

а) формирование n⁺ - контактной области - 2 к пластине кремния - 1 сопротивлением ρ_v~5 кОм/см с ориентацией 100, например, диффузией фосфора в обратную сторону пластины;

б) проведение фотолитографии и формирование ионным легированием бора (дозой 4 мкКл и высокотемпературным отжигом 4 часа при температуре 1050°С), p-базы - 4 глубиной h=4 мкм;

в) проведение фотолитографии и формирование ионным легированием фосфора (дозой 0,5 мкКл), n-охранной области вокруг пиксели;

г) проведение термического окисления, толщина оксида h=0,8 мкм, и проведение фотолитографии мезаобластей;

д) проведение термического окисления открытой поверхности кремния, толщина оксида h=0,3 мкм, и проведение фотолитографии контактных окон эмиттера, базы, коллектора;

е) проведение фотолитографии и формирование области коллектора путем имплантации фосфора дозой 2,5 мкКл в его контактное окно, с последующей разгонкой на глубину h=2 мкм;

ж) осаждение поликремния и проведение по нему фотолитографии разводки;

з) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния мышьяком дозой 1000 мкКл областей эмиттера и коллектора;

и) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния бором дозой 300 мкКл области контакта к базе и резистору

к) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния бором дозой 5 мкКл (резистора);

л) проведение термического отжига при температуре 1050°С 50 мин;

м) осаждение первого плазмохимического (низкотемпературного) оксида и проведение фотолитографии контактных окон к поликремнию, осаждение первого слоя алюминия;

н) проведение фотолитографии разводки (обтрава) алюминия первого уровня;

о) осаждение второго плазмохимического (низкотемпературного) оксида и проведение фотолитографии контактных окон к алюминию первого уровня, осаждение второго слоя алюминия;

п) проведение операции фотолитографии разводки (обтрава) второго алюминия.

Изготовленные по данной технологии тестовые n-p-n биполярные транзисторы имели пробивное напряжение V_кэ около 12 В, а p-i-n-диоды - пробивное напряжение V_пр свыше 250 В. Коэффициент усиления имел значения в пределах β=50-100.

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений. Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений может использоваться в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности и контроля рельефа местности, оптических линий связи. Технический результат достигается за счет применения новой электрической схемы, в которой имеется собирающий ионизационный ток p-i-n-диод, а также 2-эмиттерный биполярный n-p-n (p-n-p)транзистор, первый эмиттер которого подключен соответственно к первой выходной адресной шине, а второй - ко второй выходной адресной шине, а база биполярного транзистора через резистор подключена к шине напряжения смещения, а коллектор - к шине питания. При этом данная электрическая схема реализуется в конструкции интегральной схемы, в которой функционально совмещены высоковольтный p-i-n-диод и низковольтный усиливающий ионизационный ток биполярный транзистор. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Биполярная ячейка, которая содержит шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, первую и вторую выходные ортогональные адресные шины, 2-эмиттерный биполярный n-p-n (p-n-p) транзистор, первый эмиттер которого подключен соответственно к первой выходной адресной шине, а второй - ко второй выходной адресной шине, отличающаяся тем, что дополнительно содержит шину напряжения смещения, которая через резистор подключена к базе 2-эмиттерного биполярного транзистора, p-i-n-диод, катод (анод) которого соединен с шиной высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, анод (катод) - с базой 2-эмиттерного биполярного транзистора, а коллектор - с дополнительной шиной положительного (отрицательного) напряжения.

2. Конструкция биполярной ячейки содержит шины высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, первую и вторую выходные ортогональные адресные шины, полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости, на нижней поверхности которой расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости, на котором расположен электрод подложки, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а на верхней поверхности подложки расположены диэлектрик и область 2-го типа проводимости, являющаяся одновременно p (n) областью анода (катода) p-i-n-диода и областью базы 2-эмиттерного биполярного транзистора, которая подсоединена через резистор, расположенный на диэлектрике, к шине напряжения смещения, в области базы расположены сильнолегированные области n (p) типа проводимости первого и второго эмиттеров, подключенные соответственно к первой и второй выходным ортогональным адресным шинам, отличающаяся тем, что в области анода (катода) p-i-n-диода и базы 2-го типа проводимости расположена дополнительная область 1-го типа проводимости, являющаяся одновременно областью коллектора 2-эмиттерного биполярного транзистора, на которой расположен электрод коллектора, подключенный к шине положительного (отрицательного) напряжения питания, а дополнительная шина напряжения смещения через резистор соединена с базой транзистора и шиной напряжения смещения.