ЛАВИННЫЙ ФОТОДЕТЕКТОР Советский патент 1997 года по МПК H01L31/107 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано для производства полупроводниковых фотодатчиков устройств обработки оптической информации в спектрофотометрии, астрометрии, биофизики, системах оптической связи.

Цель изобретения повышение отношения сигнал/шум.

На чертеже представлен разрез лавинного фотодетектора, состоящего из полупроводниковой подложки 1 первого типа проводимости, на поверхности которой выполнены пирамидальные выемки 2, в которых сформирован слой 3 полупроводника второго типа проводимости. Над выемками 2 и остальной частью подложки 1 сформирован слой 4 диэлектрика, а над ним слой 5 из проводящего материала с максимально возможной прозрачностью. Расстояние между выемками не превышает двойную диффузионную длину неосновных носителей тока в полупроводнике 3 второго типа проводимости. В качестве полупроводниковых материалов могут быть использованы кремний, германий, InSb, GaAs и т.д. диэлектриками могут служить прозрачные карбиды, нитриды и окислы металлов, обладающие удельным сопротивлением порядка 10²-10⁵ Ом•см, металлический слой 5 может быть изготовлен из Ni, V, Ti, Ta, Au, In₂O₃•SnO₂. Количество граней в выемке определяется типом материала полупроводника 1 и ориентацией осей кристалла, например в кремнии с ориентацией [III] пирамида будет трехгранной, а для [100] - четырехгранной.

Лавинный МДП-фотоприемник работает следующим образом. Между подложкой 1 и электродом 5 прикладывается напряжение питания, часть которого падает на диэлектрике 2, а часть на обратно смещенном p-n-переходе, образованном полупроводниками 1 и 3 разных типов проводимости. При этом в переходе создается область пространственного заряда (ОПЗ), свободная от основных носителей тока. Если напряженность поля в ОПЗ достаточно высока (не менее 10⁵ В/см для кремния), то при появлении здесь носителя тока вследствие термо- или фотогенерации возникает лавинный пробой. В данной конфигурации такой пробой возникает, в первую очередь, на вершине и по ребрам пирамиды, где вследствие большой кривизны поверхности напряженность поля наиболее высока. Область развития пробоя имеет при этом очень малую площадь, т.к. грани пирамиды и углы почти идеальны. Малая площадь развития лавин практически исключает возможность возникновения микроплазмы (вероятность появления микроплазмы пропорциональна площади лавинного умножения), что соответственно снижает уровень темнового шума. Однако размеры фоточувствительной площадки оказываются больше, чем площадь развития лавины, в результате диффузии фотоиндуцированных носителей от места образования к месту умножения. Эта зона ограничена диффузионной длиной L неосновных носителей тока, именно поэтому расстояние между выемками не должно превышать 2L, в противном случае будут наблюдаться снижение квантовой эффективности в среднем по фоточувствительной площадке и ухудшение однородности чувствительности из-за появления зон, диффузия носителей из которых к месту умножения не происходит из-за рекомбинации. Ограничение расстояния между выемками величиной 2L эквивалентно требованию установить на уровне не более L расстояние от любой точки первой поверхности подложки до ближайшей выемки.

Лавинный фотодетектор формировался на подложке кремния p-типа марки 1А2М КДБ-1. На планарной поверхности термически выращивался слой SiO₂ толщиной 0,3 мкм, в котором методами фотолитографии вскрыты окна в окисле, через которые проводилось анизотропное травление материала подложки до формирования V-образного профиля выемки. Глубина выемок и их планарные размеры составляли 5 и 8 мкм соответственно. Шаг 14 мкм. Далее после соответствующей стандартной химобработки в открытую поверхность канавок проводили диффузию фосфора на глубину 0,5-1 мкм, используя тот же слой SiO₂ как защитную маску. Сняв поверхностный слой SiO₂ и проведя очистку поверхности, формировали диэлектрический слой. В качестве резистивных материалов (диэлектрического слоя с конечным сопротивлением) могут быть использованы пленки карбидов, нитридов и оксидов металлов и полупроводников, в частности SiC, WC, Ta₂O₅, SiO₂, Si₃N₄, ZrO₂ и др. В данном конкретном примере использовали пленки карбида вольфрама, полученные ионно-плазменным распылением вольфрама в атмосфере аргона с добавлением углекислого газа. Меняя концентрацию CO₂, изменяли сопротивление наносимых пленок (а изменяя время толщину) таким образом, чтобы сопротивление участков этих пленок, расположенных в пределах прозрачного полевого электрода, сквозному току составляло 10⁴, 10⁶, 10⁸ Ом.

Далее на поверхность WC при температуре 330^oC методом пиролиза тетраэтоксисилана осаждали слой SiO₂ и методами фотолитографии и жидкостного травления вскрывали в нем окна до WC.

Этот слой SiO₂ был необходим для предотвращения лавинного пробоя под формируемыми контактными площадками и для предотвращения повреждения слоя WC при разварке выводов. После химобработки методами термического напыления и фотолитографии на поверхности подложки последовательно формировали полупрозрачный полевой электрод площадью 600x600 мкм и контактную площадку к полевому электроду из алюминия толщиной 1 мкм. На обратной стороне подложки создавался омический контакт из пленки алюминия толщиной 1 мкм. В качестве материала полевого электрода также могут быть использованы In₂O₃•SnO₂, тонкие пленки Ni, Ta, V, Au и т.п.

Использование: лавинный фотодетектор относится к оптоэлектронике и может быть использован в качестве полупроводниковых фотодатчиков устройств обработки оптической информации, в спектрофотометрии, астрометрии, биофизике, системах оптической связи. Сущность изобретения: в лавинном фотодетекторе, состоящем из последовательно сформированных на полупроводниковой подложке слоя полупроводника противоположного типа проводимости, резистивного слоя и прозрачного проводящего электрода омического контакта на обратной стороне подложки, в подложке выполнена матрица углублений в форме пирамид с шагом не более удвоенной диффузионной длины неосновных носителей заряда в подложке, а слой полупроводника противоположного типа проводимости размещен на поверхности углублений. 1 ил.

Лавинный фотодетектор, состоящий из последовательно сформированных на полупроводниковой подложке слоя полупроводника противоположного типа проводимости, резистивного слоя и прозрачного проводящего электрода и омического контакта на обратной стороне подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения отношения сигнал-шум, в подложке выполнена матрица углублений в форме пирамид с шагом не более удвоенной диффузионной длины неосновных носителей, а слой полупроводника противоположного типа проводимости размещен на поверхности углублений.