Лавинный фотоприемник

 

Изобретение относится к микроэлектронике и используется для регистрации излучения различных диапазонов спектра и заряженных частиц. Лавинный фотоприемник содержит полупроводниковую подложку, буферный слой, полевой электрод и области с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей, сформированные на поверхности подложки под буферным слоем, между которыми выполнены выемки, обеспечивающие развязку между ними. Выемки, в частности, могут быть заполнены светоизолирующим материалом, а буферный слой над и между областями может иметь различные электрические характеристики. Подложка по свободной поверхности граничит с дополнительным слоем, имеющим большую концентрацию носителей. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности к падающему излучению за счет увеличения коэффициента заполнения площади активными элементами. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к полупроводниковым приемникам, и может быть использовано для регистрации излучения различных диапазонов спектра и заряженных частиц.

Известен лавинный фотоприемник, содержащий p-n переход в режиме лавинного размножения ("Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый, ближний инфракрасный диапазоны спектра" под ред. В.И.Стафеева, М., "Радио и связь", 1984, стр. 130). Упомянутый автором приемник работает с большим внутренним усилением, однако без ограничения лавинного процесса возникают микроплазмы, инициируемые за счет тепловой генерации электронно-дырочных пар в области пространственного заряда (ОПЗ) p-n перехода.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является лавинный фотоприемник, описанный в "Proceedings supplements nuclear physicsB", 61B (1998), s. 347-352, содержащий полупроводниковую подложку, буферный слой, полевой электрод и сформированные на поверхности полупроводниковой подложки под буферным слоем области обратного по отношению к подложке типа проводимости и с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей.

Он представляет собой новый тип микроячеистого полупроводникового фотоприемника, состоящего из N независимых идентичных p-n переходов, каждый из которых работает с ограниченной модой гейгеровского усиления на общую нагрузку. Ограничения лавинного процесса в каждой ячейке этого прибора достигается за счет механизма обратной связи, возникающего как за счет падения напряжения на емкости ячейки (между локальной неоднородностью и полевым электродом), так и за счет объемного заряда. Однако ячейки в упомянутой конструкции имеют взаимосвязь за счет растекания заряда в сработавшей ячейке, что приводит к снижению потенциала в соседних ячейках и уменьшению их усиления, а также к образованию микроплазм, влияющих на процесс лавинного умножения. Увеличение расстояния между ячейками приводит к снижению квантовой эффективности и, следовательно, чувствительности к падающему излучению за счет уменьшения коэффициента заполняемости плоскости прибора активными ячейками.

Настоящее изобретение решает задачу повышения квантовой эффективности лавинного фотоприемника путем увеличения коэффициента заполнения поверхности прибора рабочими активными элементами (элементами, в пределах которых осуществляется лавинное размножение носителей тока), с одновременным уменьшением взаимосвязи между ними.

Задача решается тем, что в лавинном фотоприемнике, содержащем полупроводниковую подложку, буферный слой и полевой электрод, а также области с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей, сформированные на поверхности полупроводниковой подложки, при этом буферный слой расположен как над упомянутыми областями, так и между ним, подложки под буферным слоем, в полупроводниковой подложке между упомянутыми областями выполнены выемки на глубину, не меньшую глубины упомянутых областей, полностью отделяющие по поверхности подложки одну область от другой. При этом развязка между рабочими элементами достигается за счет определенного формирования поля на поверхности прибора, что позволяет обеспечить максимальную плотность рабочих элементов на полупроводниковой подложке и, следовательно, повысить отношение количества генерируемых прибором носителей к количеству упавших на него фотонов. Наиболее эффективна развязка при глубине выемки, не меньшей глубины упомянутых областей. Еще больший эффект может быть достигнут тем, что участки буферного слоя над упомянутыми областями и между ними выполнены из материалов, отличающихся по электрическим свойствам, причем участки слоя над областями - с большей проводимостью (резистивными), а участки слоя между ними - с меньшей проводимостью, например, из диэлектрика, а выемки заполнены светоизолирующим материалом, который препятствует попаданию вторичных фотонов, рождаемых процессом лавинного усиления в отдельном рабочем элементе, на другие элементы. Дополнительный слой, граничащий с полупроводниковой подложкой по ее свободной поверхности и имеющий большую, чем в подложке, концентрацию носителей, служит для ограничения толщины ОПЗ, и наличие этого слоя снижает электрический потенциал между рабочими элементами.

Изобретение поясняется описанием и приложенным к нему чертежом, на котором изображена конструкция лавинного фотоприемника в поперечном сечении.

Лавинный фотоприемник содержит полупроводниковую подложку 1, буферный слой, включающий части 2 и 3, выполненные из материалов с различными электрическими свойствами, полевой электрод 4, сформированные на поверхности полупроводниковой подложки 1 под буферным слоем 2 области 5 с глубиной h₁ с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей. На поверхности подложки 1 между областями 5 выполнены выемки 6 глубиной h₂, полностью отделяющие по поверхности подложки одну область от другой, а с другой поверхностью подложки граничит дополнительный слой 7 с большей, чем в подложке, концентрацией носителей. Выемки 6 заполнены оптически непрозрачным материалом 8. Прибор может быть выполнен в виде различных модификаций, отличающихся типом проводимости и величиной концентрации носителей элементов поз. 5,1 и 7, а именно (соответственно): n⁺ - p - p⁺; p⁺ - n - n⁺; n⁺ - n - p⁺; p⁺ - p - n⁺, при этом предлагается соответствующий выбор материалов.

Лавинный фотоприемник работает следующим образом.

К полевому электроду 4 прикладывается напряжение, обеспечивающее образование в подложке 1 области пространственного заряда (ОПЗ) с напряженностью поля, достаточной для лавинного размножения носителей тока, причем наибольшая напряженность поля устанавливается вблизи областей 5. Фотоны, поглощаемые в ОПЗ, генерируют носители тока, которые лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока. В случае возникновения в отдельной области 5 темновых носителей увеличение ее тока ограничивается вследствие локального увеличения падения напряжения на буферном слое 2, а влияние накопленного заряда на процесс лавинного умножения в соседних областях исключается из-за наличия выемок 6 между ними. Группа выемок h₂ выбирается не менее h₁, то есть величины, на которую углублены области 5 в подложку 1. Дополнительный слой 7 служит для обеспечения низкого сопротивления тела подложки, для повышения быстродействия прибора, а оптически непрозрачный материал 8 увеличивает развязку между областями 5.

Лавинный фотоприемник по настоящему изобретению используется для регистрации величины излучения малой интенсивности, в том числе в режиме счета отдельных фотонов, а также для регистрации заряженных частиц.

Формула изобретения

1. Лавинный фотоприемник, содержащий полупроводниковую подложку, буферный слой и полевой электрод, а также области с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей, сформированные на поверхности подложки, при этом буферный слой расположен как над упомянутыми областями, так и между ними, отличающийся тем, что в полупроводниковой подложке между упомянутыми областями выполнены выемки на глубину, не меньшую глубины упомянутых областей.

2. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что участки буферного слоя, размешенные над упомянутыми областями, выполнены с большей проводимостью, чем участки буферного слоя между ними.

3. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что выемки заполнены светоизолирующим материалом.

4. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен слой, граничащий с полупроводниковой подложкой по ее другой, свободной поверхности и имеющий большую, чем подложка, концентрацию носителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1