Полупроводниковый лавинный детектор Российский патент 2024 года по МПК H01L31/06 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к полупроводниковым детекторам, и может применяться для регистрации слабых потоков электромагнитного излучения и ядерных частиц. Известны лавинные полупроводниковые детекторы, называемые авторами как твердотельные фотоумножители /Wen Li et al. Patent US 7,652,257B2 from Dec. 18.2008, Int.Cl: G01T 1/24.; Долгошеин Б.А. и др. Патент России №2290721 от 27 декабря 2006 года, МПК: H01L 31/06/, которые включают в себя подложку, на которой выращивается эпитаксиальный слой. На поверхности эпитаксиального слоя формируется массив лавинных диодов плоскопараллельной конструкции. Твердотельный фотоумножитель также включает в себя структуру оптической изоляции, расположенную вокруг каждого матричного лавинного диода. Роль оптической изоляции выполняют глубокие канавки, созданные ионным травлением эпитаксиального слоя вокруг лавинных диодов. Канавки заполнены светопоглощающим материалом. Глубокие канавки, заполненные светопоглощающим материалом, достаточно хорошо предотвращают перекрестные оптические наводки между лавинными диодами. Однако, в вышеупомянутых работах не предусмотрен вопрос повышения радиационной стойкости прибора. Радиационная стойкость этих разработок не превышает радиационной стойкости известных лавинных полупроводниковых диодов из-за плоскопараллельной конструкции полупроводниковых диодов.

В работе /Antich P.P. et al. US Patent #6222209 B1 from April 24, 2001, Class: H01L 31/107 / предложено устройство, включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости и эпитаксиальный слой р-типа проводимости, отделенный от подложки резистивным и диэлектрическим слоями. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие 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, приводящий к ухудшению радиационной стойкости и отношения сигнал/шум устройства.

Известно также устройство /Садыгов З.Я. Патент России №2102821 от 20 января 1998 года, МПК: H01L 31/06/, взятое за прототип, включающее полупроводниковую подложку 1, на поверхности которой расположены полупроводниковый слой 2 и матрица из отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью 3, образующая с полупроводниковым слоем 2 р-n переход с определенной кривизной (Фиг. 1). Матрица из отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью здесь используется с целью создания отдельных лавинных областей, обеспечивающих усиление сигнала в независимых каналах. Недостатком устройства является неоднородность электрического поля по плоскости устройства, приводящая к неоднородности параметров прибора вдоль поверхности. Дело в том, что в рабочем режиме практически вся толщина полупроводникового слоя обедняется от основных носителей заряда. В результате этого на внешней поверхности полупроводникового слоя образуется тонкий проводящий (необедненный) слой, используемый в устройстве в качестве токопроводящего слоя для подачи напряжения к прибору. Однако, этот необедненный слой имеет достаточно высокое (~1МОм/квадрат) сопротивление, и поэтому устройство имеет высокую неоднородность рабочих параметров.

Задачей изобретения являются повышение радиационной стойкости и увеличение чувствительности лавинного полупроводникового детектора. Для достижения этой технической задачи на свободной поверхности полупроводникового слоя сформирован высоколегированный полупроводниковый слой, имеющий тот же тип проводимости, что и полупроводниковый слой, а матрица из отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью расположена на границе высоколегированного полупроводникового слоя с полупроводниковым слоем. Как вариант исполнения, на границе полупроводникового слоя с полупроводниковой подложкой сформирован дополнительный высоколегированный слой, имеющий тот же тип проводимости, что и полупроводниковая подложка

Описание фигур.

Фиг. 1 Прототип изобретения.

1. Полупроводниковая подложка.

2. Полупроводниковый слой, образующий с полупроводниковой подложкой р-n переход.

3. Матрица из отдельных полусферических полупроводниковых областей с повышенной проводимостью, образующих с полупроводниковым слоем р-n переход.

Фиг. 2. Вариант 1 изобретения.

1. Полупроводниковая подложка.

2. Полупроводниковый слой.

3. Матрица из отдельных полусферических полупроводниковых областей с повышенной проводимостью, образующих с полупроводниковым слоем р-n переход.

4. Высоколегированный полупроводниковый слой.

Фиг 3. Вариант 2 изобретения.

1. Полупроводниковая подложка.

2. Полупроводниковый слой.

3. Матрица из отдельных полусферических полупроводниковых областей с повышенной проводимостью, образующих с полупроводниковым слоем р-n переход.

4. Высоколегированный полупроводниковый слой.

5. Дополнительный высоколегированный слой.

Предлагается два варианта конструкции устройства. На чертеже (Фиг. 2) проиллюстрировано поперечное сечение первого варианта осуществления предложенного полупроводникового лавинного детектора. В первом варианте в конструкцию полупроводникового лавинного детектора, включающего полупроводниковую подложку 1, на поверхности которой расположен полупроводниковый слой 2, введен новый элемент -высоколегированный полупроводниковый слой 4. Формирование высоколегированного полупроводникового слоя на свободной поверхности полупроводникового слоя обеспечивает однородность потенциала по всей поверхности устройства, что приводит к повышению чувствительности прибора. Кроме того, в отличие от прототипа, матрица из отдельных полусферических полупроводниковых областей с повышенной проводимостью 3, имеющая противоположный тип проводимости по отношению к полупроводниковому слою, сформирована на границе раздела высоколегированного полупроводникового слоя с полупроводниковым слоем. В предлагаемом устройстве лавинный процесс достигается только около полусферических полупроводниковых областей, поскольку там значительно снижается потенциал пробоя благодаря существенной кривизне р-n перехода. Поскольку потенциал пробоя полусферических р-n переходов по отношению к плоским р-n переходам значительно слабее зависит от совершенства кристаллической структуры подложки и от количества созданных радиационных дефектов, то радиационная стойкость и чувствительность устройства значительно улучшаются.

Второй вариант реализации предложенного устройства (Фиг. 3) отличается от первого варианта тем, что на границе полупроводникового слоя 2 с полупроводниковой подложкой 1 сформирован дополнительный высоколегированный слой 5, имеющий тот же тип проводимости, что и полупроводниковая подложка. Дополнительный высоколегированный слой предотвращает влияние разброса концентрации примесей в полупроводниковой подложке на величину напряжения пробоя полусферических р-n переходов. Таким образом достигается одинаковое условие лавинного процесса во всех полусферических р-n переходах устройства.

Осуществление изобретения.

Действующий образец предложенного первого варианта полупроводникового лавинного детектора, можно изготовить, например, на базе кремниевой подложки р-типа проводимости с удельным сопротивлением 1 Ом*см. Сначала на поверхности подложки выращивают полупроводниковый слой кремния р-типа проводимости при температуре 1050°С. Толщину и удельное сопротивление полупроводникового слоя выбирают 5 мкм и 3 Ом*см, соответственно. Затем на поверхности полупроводникового слоя формируют матрицу из отдельных полусферических полупроводниковых областей с повышенной проводимостью, имеющих n-тип проводимости. Диаметр и удельное сопротивление этих областей выбирают 2,5 мкм и ОД Ом*см, соответственно. Для этого используют локальное диффузионное (или ионное) легирование полупроводниковую подложку фосфором. Разгонку примесей производят при температуре 1050°С. После этого выполняют ионное легирование поверхности устройства фосфором для формирования высоколегированного полупроводникового слоя n-типа проводимости толщиной 0,5 мкм и концентрацией примесей 10¹⁸ см^-3. Отжиг примесей производят при температуре 850°С. Таким образом, можно изготовить лавинный полупроводниковый детектор с рабочим напряжением около 120 В.

Способ изготовления второго варианта предложенного полупроводникового лавинного детектора отличается от способа изготовления первого варианта тем, что перед выращиванием эпитаксиального слоя кремния р-типа проводимости на поверхности подложки формируют дополнительный высоколегированный слой р-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,1 Ом*см путем диффузионного (или ионного) легирования подложки бором. Отжиг примесей производят при температуре 1050°С.

Использование: для регистрации слабых потоков электромагнитного излучения и ядерных частиц. Сущность изобретения заключается в том, полупроводниковый лавинный детектор включает полупроводниковую подложку с полупроводниковым слоем и матрицей из отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью, образующей с полупроводниковым слоем р-n переход, при этом на свободной поверхности полупроводникового слоя сформирован высоколегированный полупроводниковый слой, имеющий тот же тип проводимости, что и полупроводниковый слой, а матрица из отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью расположена на границе высоколегированного полупроводникового слоя с полупроводниковым слоем. Технический результат - обеспечение возможности повышения радиационной стойкости и увеличение чувствительности лавинного полупроводникового детектора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Полупроводниковый лавинный детектор, включающий полупроводниковую подложку с полупроводниковым слоем и матрицей из отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью, образующей с полупроводниковым слоем р-n переход, отличающийся тем, что на свободной поверхности полупроводникового слоя сформирован высоколегированный полупроводниковый слой, имеющий тот же тип проводимости, что и полупроводниковый слой, а матрица из отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью расположена на границе высоколегированного полупроводникового слоя с полупроводниковым слоем.

2. Полупроводниковый лавинный детектор по п. 1, отличающийся тем, что на границе полупроводникового слоя с полупроводниковой подложкой сформирован дополнительный высоколегированный слой, имеющий тот же тип проводимости, что и полупроводниковая подложка.