Лавинный фотоприемник

 

Изобретение относится к области микрофотоэлектроники, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам. Целью изобретения является улучшение стабильности, увеличение отношения сигнал/шум и уменьшение темнового тока. Лавинный фотоприемник содержит полупроводниковую подложку, не менее двух полупроводниковых областей с противоположным подложке типом проводимости, буферный слой и полевой электрод. Полупроводниковые области отделены от полевого электрода буферными областями, расположенными в буферном слое. При этом выполняется условие σ^-1_б1+σ^-1_n1<σ^-1_б2+σ^-1_n2 , где σ_n1 и σ_n2 - проводимость обедненного слоя на границе подложка - полупроводниковая область и подложка - буферный слой соответственно, σ_б1 и σ_б2 - проводимость буферных областей и буферного слоя соответственно. Расстояние между полупроводниковыми областями не менее толщины буферного слоя, но не более удвоенной суммы максимальной толщины обедненного слоя при лавинном пробое и диффузионной длины неосновных носителей заряда в подложке. Использование буферных областей позволяет улучшить стабильность работы, т. к. конечное сопротивление буферной области ограничивает резкое развитие лавинного процесса. 1 ил.

Изобретение относится к области микрофотоэлектроники, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам. Известно устройство, включающее полупроводниковую подложку одного типа проводимости, на поверхности которой последовательно расположены буферный слой из карбида кремния и полевой электрод. Недостатком устройства является ограниченный срок службы. Конструкция устройства такова, что на границе раздела полупроводниковой подложки с буферным слоем достигается высокий темп лавинного умножителя носителей заряда, способных проникнуть в объем буферного слоя. При этом носители заряда с высокой кинетической энергией, сталкиваясь с решеткой буферного слоя, изменяют его электрические свойства и в результате ухудшается стабильность характеристик и уменьшается срок службы устройства. Известно устройство, взятое за прототип, включающее полупроводниковую область противоположного подложке типа проводимости, расположенную под полевым электродом, отделенным от нее буферным слоем. Недостатком устройства является присутствие (а также появление при эксплуатации) микроплазмы на границе p-n-перехода. Все центры микроплазмы, статически распределенные по границе раздела p-n-перехода, имеют зарядовую и токовую связи между собой через электронейтральную часть полупроводниковых областей. Это означает, что характер прибора не отличается от лавинного диода с последовательно подключенным конденсатором с емкостью, равной емкости буферного слоя, т. е. в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в области отдельных центров микроплазмы. Целью изобретения является улучшение стабильности, увеличение отношения сигнал/шум и уменьшение темнового тока. Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показана структура лавинного фотоприемника (ЛФП). ЛФП содержит полупроводниковую подложку 1, например, p-типа проводимости, полупроводниковые области 2 n-типа проводимости, расположенные на поверхности полупроводниковой подложки 1 и отстоящие друг от друга на расстоянии 1, буферные области 3, отделяющие полупроводниковые области 2 от полевого электрода 4, и буферный слой 5, отделяющий полупроводниковую подложку от полевого электрода 4. При работе к полевому электроду 4 относительно подложки 1 прикладывают напряжение величиной выше некоторого порогового значения, достаточного для развития лавинного процесса на границе полупроводниковая область подложка. Регистрируемый поток оптических фотонов или ядерных частиц направляется к устройству со стороны полевого электрода. Сигнал измеряется во внешней электрической цепи полевого электрода. Расстояние между областями 2 не менее, чем толщина буферного слоя, но не более, чем удвоенная сумма максимальной толщины обедненного слоя и диффузионной длины неосновных носителей заряда в подложке 1. Подложка 1 и области 2 отделяются от полевого электрода соответственно буферным слоем 5 с проводимостью σ_б2 и буферной областью 3 с проводимостью σ_б1. Величины σ_б1 и σ_б2 выбираются так, чтобы выполнить условие где σ_n1 проводимость обедненного слоя на границе подложка - полупроводниковая область; σ_n2 проводимость обедненного слоя на границе подложка буферный слой. Уменьшение темнового тока и увеличение отношения сигнал/шум достигается путем выбора величин σ_n1 и σ_n2 так, чтобы при любом потенциале на полевом электроде полный ток через системы полупроводниковая область буферная область превышал полный ток через систему полупроводниковая подложка буферный слой, т.е. в соответствии с условием (1). Лавинный процесс осуществляется только на границах полупроводниковая область полупроводниковая подложка, где горячие носители заряда благодаря полупроводниковой области не имеют возможности непосредственно инжектироваться в объем буферного слоя. На границе раздела полупроводниковая область подложка достигается локальная отрицательная обратная связь между темпом лавинного процесса и величиной падения напряжения в буферной области. Эффективности отрицательных обратных связей, достигаемые на соседних границах раздела, не зависят друг от друга, за счет этого улучшается стабильность характеристик устройства. Расстояние 1 между полупроводниковыми областями находится в интервале d < l < (W_макс + L_Д), где d толщина буферного слоя, W_макс - максимально возможное значение толщины обедненного слоя в полупроводниковой подложке при лавинном пробое, L_Д диффузионная длина неосновных носителей заряда в полупроводниковой подложке. При условии l < d лавинные процессы в соседних полупроводниковых областях становятся зависимыми друг от друга из-за значительного перекрытия областей обеднения по периметру полупроводниковых областей, и в результате этого ослабляется локальная отрицательная обратная связь, обеспечивающая стабильность работы устройства. Если l > 2 (W_макс + L_Д), то уменьшается чувствительность устройства из-за значительной рекомбинации носителей заряда, созданных светом или ядерными частицами. Оптимальной величиной расстояния между полупроводниковыми областями является При выполнении условия (1) потенциал границы раздела полупроводниковая область подложка превышает величину потенциала границы раздела подложка - буферный слой. Поэтому неосновные носители заряда, созданные светом или ядерными частицами между полупроводниковыми областями, имеют преимущественную возможность размножаться в объеме полупроводниковой подложки, а основные носителя заряда рекомбинируют в объеме полупроводниковой подложки без дополнительного усиления. Таким образом, отделение области умножения носителей заряда от области поглощения регистрируемого излучения позволяет осуществить ситуацию, когда преимущественно умножаются только носители заряда одного знака, что приводит к улучшению отношения сигнал/шум, а также к уменьшению темнового тока устройства. Пример. Лавинный фотоприемник изготавливают следующим образом. На поверхность кремниевой подложки, например, p-типа проводимости с удельным сопротивлением 1,0 Ом·см создают буферный слой из термического SiO₂ толщиной 0,3 мкм. Затем в слое SiO₂ вскрывают окна диаметром 3 мкм, относящиеся друг от друга на расстоянии 20 мкм, для образования полупроводниковых областей n-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,01 Ом·см. Полупроводниковые области n-типа проводимости изготавливают путем диффузии ионов фосфора в полупроводниковую подложку до глубины 1,5 мкм. После диффузии примесей на поверхность полупроводниковых областей путем ионно-плазменного распыления наносят буферные области из карбида кремния с толщиной 0,3 мкм и с удельным сопротивлением 10⁷ Ом·см. Последним этапом технологического цикла является напыление полупрозрачного для излучения полевого электрода площадью 1 мм² на поверхность устройства в виде никелевой пленки толщиной 0,1 мкм. Поскольку в качестве буферного слоя используется термический окисел SiO₂ с удельным сопротивлением более 10¹⁴ Ом·см, то условие (1) выполнено. Темновой ток устройства уменьшается более, чем в три раза при одновременном увеличении срока стабильной работы более, чем в десять раз.

Формула изобретения

Лавинный фотоприемник, включающий полупроводниковую подложку, полупроводниковую область противоположного подложке типа проводимости, расположенную под полевым электродом, отделенным от нее буферным слоем, отличающийся тем, что, с целью улучшения стабильности увеличения отношения сигнал/шум и уменьшения темнового тока устройства, под полевым электродом расположено не менее двух полупроводниковых областей противоположного подложке типа проводимости на расстоянии друг от друга не менее толщины буферного слоя, но не более удвоенной суммы максимальной толщины обедненного слоя при лавинном пробое и диффузионной длины неосновных носителей заряда в подложке, полупроводниковые области отделены от полевого электрода буферными областями в буферном слое, причем выполняется условие где проводимость обедненного слоя на границе подложка-полупроводниковая область и подложка-буферный слой соответственно;
проводимость буферных областей и буферного слоя соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1

PA4A/PA4F - Прекращение действия авторского свидетельства СССР на изобретение на территории Российской Федерации и выдача патента Российской Федерации на изобретение на оставшийся срок

Номер и год публикации бюллетеня: 3-1998

(73) Патентообладатель:
Ин-т ядерных исследований РАН

Извещение опубликовано: 27.01.1998