Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) Российский патент 2020 года по МПК H01L31/107 H01L31/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к лавинным фотодетекторам (ЛФД), регистрирующим слабые световые сигналы. Такие ЛФД широко используются в лидарах, системах связи и технического зрения, мониторинга окружающей среды, в медицине и биологии, робототехнике и т.д.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Традиционный ЛФД состоит из последовательно нанесенных на полупроводниковую подложку различных слоев полупроводниковых материалов.

Одна группа таких слоев образует фотопреобразователь, в котором сигнальные фотоны, поглощаясь, создают свободные носители заряда: электроны или дырки. Эти образованные светом носители заряда попадают в другую группу слоев полупроводниковых материалов - лавинный усилитель, в котором формируется область электрического поля с напряженностью, достаточной для лавинного умножения этих носителей.

Одной из важнейших характеристик ЛФД является пороговая чувствительность, определяемая как свойствами фотопреобразователя, так и лавинного усилителя.

В значительной степени пороговую чувствительность ограничивает величина темнового тока лавинного усилителя, основная доля которого вызвана сильным полем, необходимым для процесса лавинного умножения фотоносителей.

Для уменьшения темнового тока лавинного усилителя и, следовательно, улучшения пороговой чувствительности ЛФД можно уменьшать площадь лавинного усилителя по сравнению с площадью фотопреобразователя.

Это реализуется в конструкциях ЛФД, предложенных в патентах US 9,035,410; RU 2641620, где лавинный усилитель, имеющий два слоя: контактный и слой умножения, расположен рядом с фотопреобразователем на общей подложке, при этом площадь фотопреобразователя превосходит площадь усилителя.

В конструкции по патенту RU 2641620 слой умножения обращен к подложке, выполнен из полупроводникового материала того же типа проводимости, что и фотопреобразователь сигнала, и непосредственно примыкает к этому, отдельно выполненному технологически фотопреобразователю, что позволяет снизить избыточные темновые шумы, возникающие при переносе фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель через внешнюю электрическую цепь, реализуемом в конструкции US 9,035,410.

НЕДОСТАТКИ ПРОТОТИПА

Выполнение слоя умножения технологически независимо от фотопреобразователя приводит к ограничению попадания фотоносителей из слоя фотопреобразователя в слой умножения и, тем самым, к потерям усиленного фотосигнала. В результате ухудшается базовая характеристика фотодетектора - пороговая чувствительность.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Задачей настоящего изобретения является создание лавинного фотодетектора, конструкция которого позволяла бы реализовывать высокую пороговую чувствительность, не ограниченную малоэффективным переносом фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель. Кроме того, одна из предлагаемых конструкций фотодетектора позволяет уменьшить темновой ток прибора, попадающий из соседних с ним областей. Наконец, в предлагаемом изобретении снижаются шумы взаимовлияния соседних лавинных усилителей при реализации фотодетектора с множеством таких усилителей.

Решение всех этих задач позволяет улучшить основную характеристику лавинного фотодетектора - его пороговую чувствительность.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение представляет ЛФД, конструкция и способ изготовления которого позволяет повысить эффективность переноса фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель благодаря тому, что слой умножения выполняют на всей проводящей подложке. На части слоя умножения формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя. В результате создания вышеуказанной конструкции за пределами контактного слоя слой умножения выполняет функцию фотопреобразователя. В результате инициируемые в фотопреобразователе фотоносители беспрепятственно попадают в область умножения лавинного усилителя. Первый и второй электроды лавинного фотодетектора размещают на контактном слое и подложке соответственно.

Для реализации задачи уменьшения темнового тока прибора, попадающего из соседних с ним областей подложки, на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения.

Наконец, для подавления шумов взаимовлияния соседних лавинных усилителей, возникающих при попадании в область умножения паразитного фотоэлектрона от фотона, порожденного горячим носителем заряда в соседнем лавинном усилителе, области умножения усилителей располагают выше, чем область генерации фотоносителей.

Для этого за пределами контактного слоя в области фотопреобразователя стравливают слой умножения, на глубину, меньшую его толщины. Затем на стравленную поверхность слоя умножения наносят слой диэлектрика толщиной равной глубине травления слоя умножения в области фотопреобразователя, а первый электрод из прозрачного материала наносят на поверхности контактного слоя лавинного усилителя и слоя диэлектрика.

Целесообразно полупроводниковую подложку выполнить из низкоомного материала.

Желательно подложку и слой умножения выполнить из одинакового полупроводникового материала.

Возможно слой умножения на поверхности подложки сформировать методом эпитаксии, а контактный слой выполнить путем легирования слоя умножения примесью, образующей слой с типом проводимости противоположным тому, который имеет слой умножения.

Также желательно замкнутую канавку выполнить шириной от 1,5 до 2,0 мкм.

Также возможно между контактным слоем лавинного усилителя и первым электродом нанести высокоомный слой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Приведенные ниже чертежи, объясняющие конструкцию, являются частью изобретения, иллюстрируя его суть вместе с дальнейшим описанием.

Фиг. 1 является схематическим изображением поперечного разреза первого варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 101, слой умножения 102, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки, контактный слой 105, нанесенный на часть слоя умножения, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 103 и фотопреобразователя 104, располагаемого за пределами лавинного усилителя, первый электрод 106, сформированный на контактном слое 105 и второй электрод 107, сформированный на полупроводниковой подложке 101.

Фиг. 1A иллюстрирует процесс нанесения слоя умножения 102 на кремниевую подложку 101;

Фиг. 1B иллюстрирует процесс формирования областей лавинного усилителя 103 путем создания контактного слоя 105;

Фиг. 1С иллюстрирует процесс формирования первого электрода 106 на контактном слое 105;

Фиг. 1D иллюстрирует процесс формирования второго электрода 107 на полупроводниковой подложке 101;

Фиг. 2 является схематическим изображением поперечного разреза второго варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 201, слой умножения 202, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки, контактный слой 205, нанесенный на часть слоя умножения 202, с образованием в слое умножения, по меньшей мере, области одного лавинного усилителя 203 и области фотопреобразователя 204, расположенного за пределами лавинного усилителя, замкнутую канавку 208 шириной от 1,5 до 2,0 мкм с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители и фотопреобразователь, первый электрод 206, сформированный на контактном слое и второй электрод 207, сформированный на полупроводниковой подложке. Канавка 208 может, например, иметь прямоугольное сечение, как это показано на чертежах, однако форма ее сечения в значительной степени будет зависеть от способа глубокого травления кремния.

Фиг. 2A иллюстрирует процесс нанесения слоя умножения 202 на кремниевую подложку 201;

Фиг. 2B иллюстрирует процесс формирования замкнутой канавки 208, заполненной сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, для формирования внутри нее фотодетектора;

Фиг. 2С иллюстрирует процесс формирования областей лавинного усилителя 203 путем создания контактного слоя 205;

Фиг. 2D иллюстрирует процесс формирования первого электрода 206 на контактном слое 205;

Фиг. 2Е иллюстрирует процесс формирования второго электрода 207 на полупроводниковой подложке 201;

Фиг. 3 является схематическим изображением поперечного разреза третьего варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 301, слой умножения 302, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки, контактный слой 305, нанесенный на часть слоя умножения 302, с образованием в слое умножения, по меньшей мере, области одного лавинного усилителя 303 и области фотопреобразователя 304, расположенного за пределами лавинного усилителя, замкнутую канавку 308 шириной от 1,5 до 2,0 мкм с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители и фотопреобразователь, слой диэлектрика 309, заполняющий часть области фотопреобразователя 304, стравленную на глубину, меньшую толщины слоя умножения, слой высокоомного материала 310 сформированный на контактном слое 305 в области лавинного усилителя, прозрачный электрод 311, сформированный на поверхности слоя высокоомного материала 310 и слоя диэлектрика 309 и второй электрод 307, сформированный на полупроводниковой подложке. Область фотопреобразователя 304, может стравливаться, в частности, на глубину порядка 1,5-2,5 мкм.

Фиг. 3A иллюстрирует процесс нанесения слоя умножения 302 на кремниевую подложку 301;

Фиг. 3B иллюстрирует процесс формирования замкнутой канавки 308, заполненной сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, для формирования внутри нее фотодетектора;

Фиг. 3С иллюстрирует процесс формирования одной или нескольких областей лавинного усилителя 303 путем создания контактного слоя 305 за счет легирования слоя умножения 302 примесью противоположного к слою умножения типа проводимости, и образования при этом области фотопреобразователя 304 за пределами лавинного усилителя 303;

Фиг. 3D иллюстрирует процесс травления области фотопреобразователя 304 за пределами лавинного усилителя 303 на глубину, меньшую толщины слоя умножения 302;

Фиг. 3Е иллюстрирует процесс заполнения стравленной области фотопреобразователя 304 слоем диэлектрика 309;

Фиг. 3F иллюстрирует процесс формирования слоя высокоомного материала 310 на контактном слое 305в области лавинного усилителя 303;

Фиг. 3G иллюстрирует процесс формирования прозрачного электрода 311 на поверхности слоя высокоомного материала310и слоя диэлектрика309;

Фиг. 3H иллюстрирует процесс формирования второго электрода 307 на полупроводниковой подложке 301;

Фиг. 4A, 4B представляют собой схематический вид сверху второго варианта ЛФД с одним и четырьмя лавинными усилителями соответственно.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Используемые в тексте и на чертежах номера ссылок, кроме номера 100, обозначающего регистрируемый свет, состоят из трех цифр, первая из которых - номер фигуры, вторая и третья - номер элемента конструкции.

Например, ссылка 306,отображенная на фиг. 3 обозначает элемент конструкции 06 из приведенного ниже списка,

Номера элементов конструкций, используемые на чертежах:

01 - Подложка;

02 - Слой умножения;

03 - Лавинный усилитель;

04 - Фотопреобразователь;

05 - Контактный слой;

06 - Первый электрод;

07 - Второй электрод;

08 - Замкнутая канавка;

09 - Слой диэлектрика;

10 - Слой высокоомного материала;

11 - Прозрачный электрод.

На фиг1.схематически изображен поперечный разрез первого варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 101, слой умножения 102, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки, контактный слой 105, нанесенный на часть слоя умножения, с образованием в слое умножения области, по меньшей мере, одного лавинного усилителя 103 и фотопреобразователя 104, расположенного за пределами лавинного усилителя, первый электрод 106, сформированный на контактном слое и второй электрод 107, сформированный на полупроводниковой подложке 101.

Способ изготовления изображенного на фиг. 1 ЛФД проиллюстрирован фигурами 1A, 1B, 1C и 1D и заключается в последовательном выполнении следующих операций:

На кремниевую подложку 101 наносят слой умножения 102 того же типа проводимости, что и подложка (фиг.1А).

На поверхности слоя умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 103 путем создания контактного слоя 105 за счет легирования слоя умножения 102 примесью противоположного к слою умножения типа проводимости (фиг.1В).

На контактном слое формируют первый электрод 106 (фиг.1С).

На полупроводниковой подложке 101 формируют второй электрод 107 (фиг.1D).

Примером изготовления ЛФД, изображенного на фиг.1, является способ, при котором на кремниевую подложку 101 p+ - типа с концентрацией примеси более 10¹⁸ см^-3, методом эпитаксии наращивают слой умножения 102толщиной 5-7 мкм, выполненный из кремния p-типа с концентрацией примеси в 10¹⁵-10¹⁷ см^-3. Лавинный усилитель 103 выполняют путем нанесения контактного слоя 105, изготовленного с использованием диффузии примеси n-типа с концентрацией более 10¹⁸ см^-3 на глубину 0.5-1.0 мкм, на слой умножения 102. На поверхности контактного слоя 105 формируют первый электрод 106, а на нижней поверхности подложки101второй электрод 107, выполняемые в видепленки алюминия толщиной порядка 0,5-1,0 мкм.

Работает изображенный на фиг. 1 ЛФД следующим образом.

При приложении к электроду 106 положительного напряжения относительно электрода 107 с величиной, достаточной для возникновения в слое умножения 102 лавинного усилителя 103 процесса ударной ионизации, в этом слое возникает умножение свободных носителей заряда.

Сигнальный свет 100, падающий на поверхность области фотопреобразователя 104, поглощается в этом слое и образует в нем свободные носители заряда: электроны и дырки. Свободные электроны, инициированные светом в области фотопреобразователя 104, захватываются полем, проникающим из лавинного усилителя 103, дрейфуют в направлении области лавинного умножения 102 и далее умножаются в нем, формируя выходной сигнал фотодетектора, в то время как дырки уходят в подложку 101. Фотоэлектроны, инициированные светом в не обедненной области фотопреобразователя 104, собираются в обедненную область фотопреобразователя за счет диффузии, обусловленной возникающим в фотопреобразователе градиентом концентрации свободных электронов. Процесс диффузионно-дрейфового собирания фотоносителей в лавинном усилителе происходит с высокой эффективностью благодаря тому, что область умножения усилителя и область фотопреобразования фотонов в фотоэлектроны являются частями одного и того же слоя умножения, нанесенного на подложку.

С целью улучшения быстродействия ЛФД ширина фотопреобразователя преимущественно делается меньшей 10 мкм для снижения доли диффузионно собираемых фотоносителей.

На фиг. 2 схематически изображен поперечный разрез второго варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 201, слой умножения 202, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки, контактный слой 205, нанесенный на часть слоя умножения 202, с образованием в слое умножения, по меньшей мере, области одного лавинного усилителя 203 и области фотопреобразователя 204, расположенного за пределами лавинного усилителя, замкнутую канавку 208 шириной от 1,5 до 2,0 мкм с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители и фотопреобразователь, первый электрод 206, сформированный на контактном слое и второй электрод 207, сформированный на полупроводниковой подложке. Замкнутая канавка 208 может, например, иметь прямоугольное сечение , как это показано на чертежах, однако форма ее сечения в значительной степени будет зависеть от способа глубокого травления кремния.

Способ изготовления ЛФД, изображенного на фиг. 2, проиллюстрирован фигурами 2А, 2B, 2C, 2D и 2E и заключается в последовательном выполнении следующих операций:

На кремниевую подложку 201 наносят слой умножения 202 того же типа проводимости, что и подложка (фиг.2А).

На поверхности слоя умножения 202 вытравливают замкнутую канавку 208 на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения 202. (фиг.2В).

На поверхности слоя умножения 202 внутри замкнутой канавки 208 формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 203 путем создания контактного слоя 205 за счет легирования слоя умножения 202 примесью противоположного к слою умножения типа проводимости, образуя при этом область фотопреобразователя 204за пределами лавинного усилителя 203 (фиг.2C).

На контактном слое формируют первый электрод 206 (фиг.2D).

На полупроводниковой подложке 201 формируют второй электрод 207 (фиг.2E).

Примером изготовления ЛФД, изображенного на фиг.2, является способ, при котором на кремниевую подложку 201 p+ - типа с концентрацией примеси более 10¹⁸ см^-3, методом эпитаксии наращивают слой умножения 202, выполненный из кремния p-типа с концентрацией примеси в 10¹⁵-10¹⁷ см^-3 толщиной 5-7 мкм. Далее на поверхности слоя умножения 202 вытравливают замкнутую канавку 208 шириной от 1,5 до 2,0 мкм на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения 202. Лавинный усилитель 203 выполняют путем нанесения на слой умножения 202контактного слоя 205, изготовленного с использованием диффузии примеси n-типа с концентрацией более 10¹⁸ см^-3 на глубину 0.5-1.0 мкм. На поверхности контактного слоя 205 формируют первый электрод 206, а на нижней поверхности подложки201второй электрод 207, выполняемые в видепленки алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм.

Особенностью работы варианта фотодетектора, изображенного на фиг. 2, снабженного замкнутой канавкой по периметру границы слоя умножения, является подавление подтока паразитных носителей заряда как темновых, так и световых, попадающих в лавинный усилитель прибора из соседних с ним областей. Для эффективного подавления таких паразитных токов канавка глубиной превышающей толщину слоя умножения заполнена сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения. Результатом уменьшения темнового тока ЛФД является дополнительное улучшение пороговой чувствительности.

В остальном этот вариант ЛФД работает аналогично варианту, изображенному на фиг. 1.

На фиг. 3 схематически изображен поперечный разрез третьего варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 301, слой умножения 302, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки, контактный слой 305, нанесенный на часть слоя умножения 302, с образованием в слое умножения, по меньшей мере, области одного лавинного усилителя 303 и области фотопреобразователя 304, расположенного за пределами лавинного усилителя, замкнутую канавку 308 шириной от 1,5 до 2,0 мкм с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители и фотопреобразователь, слой диэлектрика 309, заполняющий часть области фотопреобразователя 304, стравленную на глубину, меньшую толщины слоя умножения, слой высокоомного материала 310 сформированный на контактном слое 305в области лавинного усилителя, прозрачный электрод 311, сформированный на поверхности слоя высокоомного материала310и слоя диэлектрика309 и второй электрод 307, сформированный на полупроводниковой подложке. Как и в описанном выше варианте фотодетектора канавка 308 может, например, иметь прямоугольное сечение , как это показано на чертежах, однако форма ее сечения в значительной степени будет зависеть от способа глубокого травления кремния.

Способ изготовления фотодетектора, изображенного на фиг. 3, проиллюстрирован фигурами 3А, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 3G, 3H, и заключается в последовательном выполнении следующих операций:

На кремниевую подложку 301 наносят слой умножения 302 того же типа проводимости, что и подложка (фиг.3А).

На поверхности слоя умножения 302 вытравливают замкнутую канавку 308 на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения 202 (фиг.2B).

На поверхности слоя умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 303 путем создания контактного слоя 305 за счет легирования слоя умножения 302 примесью противоположного к слою умножения типа проводимости, и образования при этом области фотопреобразователя 304за пределами области лавинного усилителя 303 (фиг.3C).

Область фотопреобразователя 304 за пределами области лавинного усилителя 303 травят на глубину от 0,5 до 2,5 мкм, но меньшую толщины слоя умножения 302 (фиг.3D).

На стравленную часть области фотопреобразователя 304 осаждают слой диэлектрика 309 таким образом, чтобы он заполнил всю стравленную область фотопреобразователя 304 (фиг.3E).

На контактном слое 305в области лавинного усилителя 303формируют слой высокоомного материала 310(фиг.3F).

На поверхности слоя высокоомного материала310и слоя диэлектрика309формируют прозрачный электрод 311 (фиг.3G).

На поверхности полупроводниковой подложки 301формируют второй электрод 307 (фиг.3H).

Примером изготовления ЛФД, изображенного на фиг.3 является способ, при котором на кремниевую подложку 301 p+ - типа с концентрацией примеси более 10¹⁸ см^-3, методом эпитаксии наращивают слой умножения 302, выполненный из кремния p-типа с концентрацией примеси в 10¹⁵-10¹⁷ см^-3 толщиной 5 - 7 мкм. Далее на поверхности слоя умножения 302 вытравливают замкнутую канавку 308 шириной от 1,5 до 2,0 мкм на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения 302. Лавинный усилитель 303 выполняют путем нанесения на слой умножения 302 контактного слоя 305, изготовленного с использованием диффузии примеси n-типа с концентрацией более 10¹⁸ см^-3 на глубину 0.5-1.0 мкм. Стравливают слой фотопреобразователя 304 за пределами лавинного усилителя 303 на глубину, меньшую толщины слоя умножения 302и проводят процесс заполнения стравленной части слоя фотопреобразователя слоем диэлектрика 309, так, чтобы внешняя граница слоя диэлектрика совпадала с внешней границей контактного слоя 305. Область фотопреобразователя 304, может стравливаться, в частности, на глубину порядка 1,5-2,5 мкм. На поверхности контактного слоя 305 формируют слой высокоомного материала 310 в видепленки высокоомного поликристаллического кремния толщиной порядка 100 нм и далее на всю внешнюю поверхность высокоомного слоя и слоя диэлектрика осаждают прозрачный электрод311в виде пленки ITO или AZO толщиной 100-200 нм. В заключение на нижней поверхности подложки 301осаждаютвторой электрод 307, выполненный в видепленки алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм.

Положительное напряжение, прикладываемое к прозрачному электроду 311 относительно электрода 307, варианта ЛФД, представленного на фиг.3, создает в области умножения 302 лавинного усилителя электрическое поле с напряженностью, достаточной для развития в этой области процесса ударной ионизации, приводящей к умножению свободных носителей. В тоже время фотоэлектроны, возникающие в области фотопреобразователя 304, двигаются в сторону области умножения 302 под действием суперпозиции полей, одно из которых проникает из лавинного усилителя, а другое формируется под прозрачным электродом 311, нанесенным на слой диэлектрика 309. Тем самым реализуется эффективный перенос сигнальных фотоносителей в лавинный усилитель и соответственно достигается высокая пороговая чувствительность прибора.

При этом в данной конструкции за счет расположения областей умножения 302 и генерации фотоносителей 304 на разных уровнях уменьшается вероятность паразитной оптической связи, когда фотон, излучаемый горячим носителем заряда при лавинном умножении в одном усилителе, инициирует процесс лавинного умножения в соседнем усилителе. Вызванный этим эффектом избыточный шум, ухудшающий пороговую чувствительность ЛФД со значительным количеством лавинных усилителей , дополнительно снижается за счет отражения паразитных фотонов от границ с диэлектриком 309, расположенным между лавинными усилителями.

Слой высокоомного материала 310, расположенный на поверхности контактного слоя 305 лавинного усилителя обеспечивает отрицательную обратную связи при формировании лавины и позволяет реализовывать высокие коэффициенты умножения, в частности при работе в т.н. Гейгеровском режиме.

Результатом всех конструктивных и технологических мер, предпринятых в варианте ЛФД, представленного на фиг.3, по улучшению его пороговой чувствительности, явилось, в частности, создание прибора с многоканальным усилением, имеющего уникальный набор рабочих параметров, из которых важнейшим является в несколько раз более высокая пороговая чувствительность, чем у ЛФД известных из уровня техники в условиях фоновых засветок, характерных для работы автомобильных лидаров. Детальное описание преимуществ заявленного технического решения изложено в статье авторов изобретения: D.A. Shushakov, S.V. Bogdanov, N.A. Kolobov, E.V. Levin, Y.I. Pozdnyakov, T.V. Shpakovskiy, V.E. Shubin, K.Y. Sitarsky, R.A. Torgovnikov, "Thenew-typesiliconphotomultiplierforToFLIDARandotherpulsedetectingapplications," Proc. SPIE 10817, Optoelectronic Imaging and Multimedia Technology V, 108170J (8 November 2018); doi: 10.1117/12.2505120 (https://www.researchgate.net/publication/328836757_The_new-type_silicon_photomultiplier_for_ToF_LIDAR_and_other_pulse_detecting_applications).

Изобретения относятся к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды и т.д. Предложен способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции: на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения; на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения, для формирования внутри нее фотодетектора; заполняют замкнутую канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения; на части верхней поверхности слоя умножения, ограниченной вышеупомянутой замкнутой канавкой, формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя, образуя за пределами этого контактного слоя область фотопреобразователя; на контактном слое формируют первый прозрачный электрод; на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод. Также предложены еще два варианта способа изготовления ЛФД и ЛФД, изготовленные этими способами. Изобретения позволяют улучшить основную характеристику лавинного фотодетектора - его пороговую чувствительность. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции:

- на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения;

- на части верхней поверхности слоя умножения формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя, образуя за пределами этого контактного слоя область фотопреобразователя;

- на контактном слое формируют первый прозрачный электрод;

- на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

2. Способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции:

- на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения;

- на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора;

- заполняют замкнутую канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения;

- на части верхней поверхности слоя умножения, ограниченной вышеупомянутой замкнутой канавкой, формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя, образуя за пределами этого контактного слоя область фотопреобразователя;

- на контактном слое формируют первый прозрачный электрод;

- на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

3. Способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции:

- на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения;

- на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора;

- заполняют замкнутую канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения;

- на части верхней поверхности слоя умножения, ограниченной вышеупомянутой замкнутой канавкой, формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя, образуя за пределами этого контактного слоя область фотопреобразователя;

- за пределами контактного слоя в области фотопреобразователя стравливают слой умножения на глубину, меньшую его толщины;

- на стравленную поверхность слоя умножения наносят слой диэлектрика толщиной, равной глубине травления слоя умножения в области фотопреобразователя;

- на поверхности контактного слоя и слоя диэлектрика наносят первый электрод из прозрачного материала;

- на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что полупроводниковую подложку выполняют из низкоомного материала.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что подложку и слой умножения выполняют из одинакового полупроводникового материала.

6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что слой умножения на поверхности подложки формируют методом эпитаксии.

7. Способ по пп. 1-6, отличающийся тем, что контактный слой выполняют путем легирования слоя умножения примесью, образующей слой с типом проводимости, противоположным тому, который имеет слой умножения.

8. Способ по пп. 2-7, отличающийся тем, что замкнутую канавку выполняют шириной от 1,5 до 2,0 мкм.

9. Способ по пп. 3-8, отличающийся тем, что до нанесения первого электрода на контактный слой лавинного усилителя наносят высокоомный слой.

10. Лавинный фотодетектор, изготовленный по способу согласно п. 1, содержащий:

- полупроводниковую подложку;

- слой умножения, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки;

- контактный слой, нанесенный на часть слоя умножения с образованием в слое умножения области по меньшей мере одного лавинного усилителя и области фотопреобразователя за пределами контактного слоя;

- первый прозрачный электрод, сформированный на контактном слое;

- второй электрод, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки.

11. Лавинный фотодетектор, изготовленный по способу согласно п. 2, содержащий:

- полупроводниковую подложку;

- слой умножения, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки;

- контактный слой, нанесенный на часть слоя умножения с образованием в слое умножения, по меньшей мере, области одного лавинного усилителя и области фотопреобразователя;

- замкнутую канавку с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения, заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители и фотопреобразователь;

- первый прозрачный электрод, сформированный на контактном слое;

- второй электрод, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки.

12. Лавинный фотодетектор по п. 11, отличающийся тем, что замкнутая канавка выполнена шириной от 1,5 до 2,0 мкм.

13. Лавинный фотодетектор, изготовленный по способу согласно пп. 3, 9 содержащий:

- полупроводниковую подложку;

- слой умножения, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки;

- замкнутую канавку с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения, заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители и фотопреобразователь;

- контактный слой, нанесенный на часть слоя умножения с образованием в слое умножения, по меньшей мере, области одного лавинного усилителя и области фотопреобразователя за пределами контактного слоя;

- слой диэлектрика, которым заполнена вся область фотопреобразователя слоя умножения, стравленная за пределами контактного слоя на глубину, меньшую толщины области фотопреобразователя;

- высокоомный слой на поверхности контактного слоя лавинного усилителя;

- первый электрод, выполненный из прозрачного материала и нанесенный на поверхность высокоомного слоя и слоя диэлектрика;

- второй электрод, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки.

14. Лавинный фотодетектор по п. 13, отличающийся тем, что замкнутая канавка выполнена шириной от 1,5 до 2,0 мкм.

15. Лавинный фотодетектор по пп. 13, 14, отличающийся тем, что толщина слоя диэлектрика, которым заполнена вся область фотопреобразователя, составляет 0,5-2,5 мкм.