Способ изготовления фотоприемника Российский патент 2022 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к области полупроводниковой фотоэлектроники, а именно, к технологии изготовления фотоприемников с высокой фоточувствительностью, и может быть использовано для создания как дискретных, так и матричных фотоприемных устройств (МФПУ) для регистрации объектов в условиях малой освещенности в видимом и ближнем РЖ диапазонах спектра.

Известны фотоприемные устройства на основе фотодиодных матриц [Интегральные матричные МОП мультиплексоры формата 128×128 и 384×288 для смотрящих ИК матриц. XVII Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения. Тезисы докладов, стр. 12, Москва, 27-31 мая 2002 г.], содержащих в каждой ячейке фотодиод и переключающий элемент - МОП транзистор.

Основные недостатки фотодиодных матриц такого типа состоят в низком уровне выходного сигнала, так как в ячейке матрицы происходит только регистрация фотосигнала без его усиления, а также неполное использование площади ячейки для приема падающего излучения из-за наличия переключающих элементов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ создания фотоприемных матриц с усилением фотосигнала непосредственно в ячейке матрицы, на основе биполярных или полевых транзисторов, либо лавинных фотодиодов [Матричные лавинные фотоприемные модули на основе ГЭС InGaAs, XXIV Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, стр. 583. 24-27 мая 2016. Москва, Россия.]. Обычно, коэффициент усиления сигнала в таких приборах составляет в среднем 20÷200 раз в зависимости от типа прибора. Однако, наряду с классическими способами получения приборов с внутренним усилением, существуют способы получения коэффициентов усилением в несколько тысяч раз в супербета транзисторах.

Основные недостатки рассмотренного способа состоят, во-первых, в недостаточном коэффициенте усилении фотосигнала (классические конструкции биполярного и полевого транзисторов и лавинных фотодиодов) и, во-вторых, в сложности технологического процесса получения лавинных фотодиодов и супербета транзисторов с высоким коэффициентом усиления.

Задачей изобретения является повышение коэффициента усиления видеосигнала фотоприемника и упрощение технологии его изготовления. Высокое внутреннее усиление в фотоприемнике необходимо для увеличения мощности сигнала до такого уровня, чтобы он не тонул в шуме усилителя.

Технический результат состоит в том, что на поверхности базы и на примыкающие к ней области рп - переходов эмиттер - база и коллектор -база формируют слой подзатворного диэлектрика, типично, двуокиси кремния, на который наносят проводящий слой материала затвора, перекрывающего область базы и рп - переходы эмиттер - база и коллектор -база, через который обеспечивается доступ потока излучения к области базы и рп - переходам (фиг. 1 и 2), где 1 - рп - переход коллектор - база, 2 - рп -переход эмиттер - база, 3- слой подзатворного диэлектрика, 4- скрытый сильно легированный п⁺ слой коллектора, 5- контакт к скрытому п⁺ слою коллектора, 6- затвор,7- контакт к эмиттеру и 8- контакт к затвору. На фиг. 1 затвор 6 выполнен из полупрозрачного материала, а на фиг. 2 затвор 6 изготовлен напылением металлического слоя с последующей его перфорацией для получения доступа падающего излучения к структуре фотоприемника.

Предлагаемый способ реализован на кремниевом биполярном транзисторе npnn+типа с затвором над областью базы. Рассматриваемая структура прибора является комбинацией биполярного и полевого МОП транзистора, не просто соединенными параллельно, а встроенными друг в друга и обладающая новыми свойствами. На фиг. 3 представлена электрическая схема фотоприемника, где 9 - затвор, 10 - эмиттер, а 11 - коллектор. При этом, эмиттер служит также истоком полевого фототранзистора, коллектор его стоком, а приповерхностная область базы служит подзатворной областью полевого транзистора.

Затвор выполняет двойную функцию: служит электродом, создающим электрическое поле в приповерхностной области базы, а также обеспечивает пропускание падающего излучения на прибор. Затвор может быть выполнен из полупрозрачного материала, например поликристаллического слоя кремния, или тонких полупрозрачных слоев различных металлов. Возможно создание затвора и из непрозрачных толстых слоев металлов, используемых в стандартной технологии БИС (алюминий). При этом, для осуществления доступа излучения к прибору, в непрозрачном слое металла делают сквозную перфорацию.

В зависимости от полярности и величины напряжения на затворе, приповерхностная подзатворная область базы может быть обогащена или обеднена при подаче на затвор отрицательного или положительного напряжения, соответственно. Обычно прибор используется в режиме с "оборванной" или "плавающей" базой, когда коэффициент усиления фототока биполярного фототранзистора максимален. В измерительную цепь фотоприемник включается как трехполюсник Э-К-З, где З - затвор, который служит управляющим электродом, на него подается смещение требуемой величины и полярности, определяющее коэффициент передачи. Электрическая схема включения прибора фотоприемника показана на фиг. 4. Напряжение смещения, подаваемое на затвор от источника питания ИП1, регистрируется вольтметром В1, напряжение на коллекторе от ИП2 измеряется вольтметром В2. Фототок через транзистор фиксируется измерителем тока А. Структуры выполнены на подложке п+- типа, поэтому все питающие напряжения прибора положительны относительно эмиттера-истока.

При нулевом напряжении на затворе прибор работает как биполярный транзистор, полевой транзистор отключен. Коэффициент передачи прибора, в том числе и усиление фототока, определяется коэффициентом усиления β биполярного транзистора. При подаче небольшого положительного напряжения на затвор приповерхностная область базы прибора переходит в режим обеднения, так называемый подпороговый режим. С увеличением напряжения на затворе толщина обедненного слоя растет, но еще не образуется канал и нет сквозного тока через транзистор. При освещении подзатворная область прибора переходит из режима обеднения в режим слабой инверсии, возникает сквозной фототок, величина которого определяется потоком излучения и напряжениями на электродах прибора. Коэффициент передачи в этом режиме максимален и может составлять величину 10⁶ раз. При дальнейшем увеличении напряжения на затворе до порогового значения формируется индуцированный канал, даже без освещения, и прибор переходит в режим насыщения, коэффициент передачи фототока при этом снижается. Типичная вольтамперная характеристика фотоприемника Iк=f(Uз) представлена на фиг. 5, где Iк - фототок коллектора, Uз - управляющее напряжение на затворе, параметром служит величина падающего на прибор излучения F. На ВАХ прибора хорошо просматриваются различные режимы его работы прибора, причем угол наклона к горизонтальной оси отражает величину коэффициента передачи прибора. Следует отметить, что кроме фототока усиливается и темновой ток прибора. Однако, при современной технологии изготовления кремниевых приборов, его величина незначительна.

Коэффициент передачи фототока определялся как отношение фототока фототранзистора в рабочем режиме к фототоку фотодиода, образованного рп - переходом коллектор - база того же прибора.

Фотоприемник выполнен по стандартной технологии изготовления кремниевых транзисторов, что значительно снижает затраты на его изготовление по сравнению с прецизионными технологиями изготовления лавинных фотодиодов и супер-бета транзисторов.

По предлагаемому способу разработаны и изготовлены фотоприемники различной конструкции и топологии (~20 шт.) и на всех приборах, в той или иной степени, подтвердилась возможность получения высоких коэффициентов передачи фототока.

Изобретение относится к области полупроводниковой фотоэлектроники, а именно к технологии изготовления фотоприемников с высокой фоточувствительностью, и может быть использовано для создания как дискретных, так и матричных фотоприемных устройств (МФПУ) для регистрации объектов в условиях малой освещенности в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра. Способ изготовления фотоприемника на основе биполярного фототранзистора на полупроводниковой подложке включает в себя создание легированных областей коллектора, базы и эмиттера, формирование контактных площадок к легированным областям, при этом на поверхности базы и на прилегающие к ней области p-n-переходов эмиттер - база и коллектор - база формируют слой подзатворного диэлектрика, на который наносят проводящий слой материала затвора, перекрывающего область базы и p-n-переходы эмиттер - база и коллектор - база, при этом электрод затвора изготавливают с возможностью доступа светового потока к области базы и прилегающим к ней областям p-n-переходов. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента усиления видеосигнала фотоприемника и упрощение технологии его изготовления. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изготовления фотоприемника на основе биполярного фототранзистора на полупроводниковой подложке, включающий в себя создание легированных областей коллектора, базы и эмиттера, формирование контактных площадок к легированным областям, отличающийся тем, что на поверхности базы и на прилегающие к ней области p-n-переходов эмиттер - база и коллектор - база формируют слой подзатворного диэлектрика, на который наносят проводящий слой материала затвора, перекрывающего область базы и p-n-переходы эмиттер - база и коллектор - база, при этом электрод затвора изготавливают с возможностью доступа светового потока к области базы и прилегающим к ней областям p-n-переходов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводящий электрод затвора изготавливают из полупрозрачного материала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводящий электрод затвора изготавливают из непрозрачного материала с перфорацией над областью базы.