Лавинный фотоприемник (варианты)

 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для регистрации излучений различных диапазонов спектра и заряженных частиц. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности фотоприемника путем уменьшения темновых токов. Сущность: лавинный фотоприемник по варианту 1 содержит полупроводниковую подложку, дополнительно сформированную на подложке область противоположного подложке типа проводимости, размещенные в последней локальные области одного с подложкой типа проводимости, расположенные между ними сильнолегированные области противоположного подложке типа проводимости, а также буферный слой и металлический электрод, размещенные над каждой из локальных областей. Сильнолегированные области расположены между локальными областями в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника. Лавинный фотоприемник по варианту 2 содержит диэлектрическую подложку, дополнительно сформированный на ней тонкий полупроводниковый слой, выполненные в нем локальные области противоположного полупроводниковому слою типа проводимости, размещенные между ними сильнолегированные области одного с полупроводниковым слоем типа проводимости, а также буферный слой и полевой электрод, расположенные над каждой из локальных областей. Сильнолегированные области расположены между локальными областями в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника. 2 с. и 14 з. п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к полупроводниковым приемникам, предназначенным для регистрации излучений различных диапазонов спектра и заряженных и частиц.

Известны лавинные фотоприемники по патентам RU 1644708, кл. H 01 L 31/06, 1996 г. и RU 2142175, кл. Н 01 L 31/06, 1999 г., представляющие собой тип микроячеистого полупроводникового приемника, состоящего из независимых идентичных p-n переходов, каждый из которых работает с ограниченной модой гейгеровского усиления на общую нагрузку. В обоих упомянутых фотоприемниках в той или иной степени происходит процесс растекания заряда в сработавшей ячейке, что приводит к снижению квантовой эффективности и, следовательно, чувствительности к падающему излучению.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является лавинный фотоприемник по патенту BY 2929, кл. H 01 L 31/00, 1999 г., содержащий полупроводниковую подложку, локальные области противоположного подложке типа проводимости, сформированные между локальными областями сильнолегированные области с таким же, как у подложки типом проводимости, расположенные на расстоянии, меньшем, чем ширина области пространственного заряда при напряжении лавинного пробоя, а также расположенные над поверхностью локальных областей буферный слой и металлический электрод. При достаточно высокой квантовой эффективности чувствительность лавинного фотоприемника ограничивается темновым током, образующимся за счет электронов, генерируемых в подложке и дрейфующих в область лавинного умножения под действием поля, возникающего в полупроводниковой подложке.

Настоящее изобретение решает задачу уменьшения темнового тока лавинного фотоприемника. Поставленная задача решается двумя путями: за счет отвода темновых носителей из области лавинного умножения путем создания дополнительного p-n перехода либо путем уменьшения объема полупроводникового материала - источника темновых носителей.

Вариант 1.

Сущность изобретения заключается в том, что в лавинном фотоприемнике, содержащем полупроводниковую подложку, локальные области, размещенные между локальными областями сильнолегированные области, буферный слой и металлический электрод, расположенные над каждой из локальных областей, на подложке сформирована дополнительная область противоположного подложке типа проводимости, локальные области выполнены в упомянутой дополнительной области одного с подложкой типа проводимости, а сильнолегированные области выполнены в упомянутой дополнительной области противоположного подложке типа проводимости, при этом сильнолегированные области расположены между локальными областями в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника. Введенная дополнительная область может быть выполнена с концентрацией носителей, по меньшей мере в два раза большей, чем концентрация носителей в подложке, а глубина дополнительной области в месте размещения в ней локальных областей может быть выполнена по меньшей мере в два раза большей расстояния между локальной и сильнолегированной областью. Длина каждой из локальных областей больше собственной ширины. Буферный слой, расположенный над каждой из локальных областей, соединяет ее и металлический электрод электрически, причем металлические электроды, расположенные над каждой из областей, могут быть соединены между собой. Также соединены между собой могут быть и сильнолегированные области. Между локальными областями в дополнительной области в другом направлении вдоль поверхности фотоприемника выполнены выемки, которые могут быть заполнены светозащитным материалом.

В заявляемом лавинном фотоприемнике сформирован дополнительный p-n переход и силовые линии напряженности электрического поля в толще полупроводника расположены таким образом, что темновые носители, генерированные в нем, не попадают в область лавинного умножения, что уменьшает величину темнового тока и повышает чувствительность прибора.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображен разрез фотоприемника (фиг.1) и вид фотоприемника сверху (фиг.2).

Лавинный фотоприемник (представлен фрагмент) содержит полупроводниковую подложку 1 и дополнительно сформированную на ее поверхности полупроводниковую область 2 противоположного подложке типа проводимости. В области 2 на поверхности ее со стороны, противоположной подложке, выполнены локальные области 3 одного с подложкой типа проводимости, а между ними, на равном расстоянии от каждой области - сильнолегированные области 4 (по одной области 4 между парой областей 3) противоположного подложке типа проводимости. Таким образом, области 3 и 4 выполнены чередующимися в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника. Расстояние между локальной и сильнолегированной областью, как правило, выполняется меньшим ширины области пространственного заряда (ОПЗ) при напряжении лавинного пробоя в дополнительной области. ОПЗ на фиг. 1 характеризуется наличием силовых линий электрического поля. Над каждой из локальных областей выполнены последовательно буферный слой 5, как правило, резистивный (тип и параметры резистора определяются величиной сопротивления, необходимой для обеспечения работоспособности структуры) и металлический электрод 6, а над сильнолегированной областью - только металлический электрод 7. На поверхности дополнительной области в местах, свободных от областей с повышенной концентрацией носителей, выполнен слой окисла 8, обеспечивающий защиту структуры от влияния внешних неблагоприятных воздействий.

В сконструированном таким образом лавинном фотоприемнике силовые линии электрического поля расположены таким образом, что темновые носители, генерированные в подложке 1, не попадают в область лавинного умножения. Дополнительно сформированная область 2, как правило, выполняется с концентрацией носителей, по меньшей мере в два раза большей, чем концентрация носителей в подложке. Это способствует тому, что напряжение пробоя между подложкой 1 и локальными областями 3 больше, чем напряжение лавинного пробоя между областями 3 и 4, что обеспечивает работоспособность основной структуры. Этот же эффект может быть достигнут и тем, что ОПЗ в месте расположения локальной области 3 выполнена по меньшей мере в два раза большей расстояния между локальной 3 и сильнолегированной 4 областями. Каждая из локальных областей 3 выполнена таким образом, что ее длина по меньшей мере в два раза больше ее ширины, что позволяет наиболее эффективно заполнить поверхность фотоприемника. Буферный слой 5 над локальными областями 3 выполнен в виде резистора и электрически соединяет область 3 с металлическим электродом 6. Металлические электроды 6, расположенные над каждой из областей 3, соединены между собой электрически, что обеспечивает наращивание структуры фотоприемника до нужных размеров. С этой же целью соединены между собой и сильнолегированные области 4 электрическим соединением расположенных над ними металлических электродов 7. Чтобы предотвратить растекание заряда между локальными областями в дополнительной области в другом направлении вдоль поверхности фотоприемника (перпендикулярном направлению размещения сильнолегированных областей 4) выполнены выемки 9 на глубину, не меньшую глубины локальных областей, причем выемки могут быть заполнены светозащитным (оптически непрозрачным) материалом для уменьшения оптической взаимосвязи между областями 3.

Лавинный фотоприемник по варианту 1 функционирует следующим образом.

Напряжение, достаточное для лавинного пробоя, прикладывается между электродами 6 и 7 и напряжение того же знака - между электродом 6 и подложкой 1. Напряженность электрического поля, возникающего при этом между областями 3 и 4, имеет максимальное значение, достаточное для лавинного умножения носителей, причем наибольшее значение напряженности устанавливается вблизи областей 3 со стороны области 4. Фотоны, падающие на поверхность фотоприемника и поглощаемые в дополнительной области вблизи поверхности последней, генерируют носители, которые под действием электрического поля двигаются к области 3, попадая в область умножения, и усиливаются в ней, образуя ответный падающему излучению фототок. Резистивный слой 5 и металлический электрод 6 снижают напряженность электрического поля на выходе фотоприемника. Подача напряжения на подложку 1 обеспечивает протекание темновых носителей, генерируемых в подложке, между электродами 7 и 6, минуя область усиления. Это ведет к тому, что темновые токи, ограничивающие чувствительность лавинного фотоприемника, ниже, чем в известных приборах, так как не усиливаются в области умножения носителей.

Лавинный фотоприемник по варианту 1 может быть выполнен, например, на подложке из кремния n-типа с удельным сопротивлением порядка 100 Ом•см. Дополнительная область выполняется при этом из кремния р-типа с удельным сопротивлением 40 Ом•см глубиной около 10 мкм. Области 3 и 4 n⁺-типа и р⁺-типа соответственно выполняются методом ионного легирования с концентрацией носителей порядка 10¹⁸ см^-3, резистивный слой - из карбида кремния с величиной сопротивления 10 Мом, а металлические электроды - из алюминия.

Вариант 2.

Сущность изобретения заключается в том, что в лавинном фотоприемнике, содержащем подложку, локальные области, размещенные между ними сильнолегированные области, буферный слой и металлический электрод, расположенные над поверхностью локальных областей, подложка выполнена диэлектрической, а на ней сформирован полупроводниковый слой. Локальные области выполнены противоположного упомянутому полупроводниковому слою типа проводимости, а сильнолегированные области - одного с полупроводниковым слоем типа проводимости. Глубина полупроводникового слоя выполнена равной глубине локальных либо сильнолегированных областей, причем сильнолегированные области расположены между локальными областями в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника. Диэлектрическая подложка может быть выполнена оптически прозрачной, а на ее свободной поверхности может быть выполнен отражающий слой. Длина локальных областей выполнена большей собственной ширины. Буферный слой, расположенный над каждой из локальных областей, соединяет электрически ее с металлическим электродом, причем упомянутые электроды могут быть соединены между собой. Также соединены между собой могут быть и сильнолегированные области. В полупроводниковом слое в другом направлении вдоль поверхности фотоприемника выполнены выемки на глубину упомянутого слоя, которые могут быть заполнены светозащитным материалом.

В этом варианте лавинного фотоприемника силовые линии электрического поля расположены только между локальной и сильнолегированной областями. Малый темновой ток определяется малым объемом полупроводника. По этой же причине фотоприемник обладает малой емкостью, что позволяет наращивать структуру и получать приборы с хорошей чувствительностью и достаточным быстродействием.

Изобретение поясняется приложенными к описанию чертежами, на которых изображены разрез фотоприемника (фиг.3) и вид фотоприемника сверху (фиг.4).

Лавинный фотоприемник (представлен фрагмент) содержит диэлектрическую подложку 1, дополнительно введенный полупроводниковый слой 2, расположенный на подложке, локальные области 3 противоположного полупроводниковому слою типа проводимости и размещенные между ними в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника сильнолегированные области 4 одного с полупроводниковым слоем типа проводимости. Таким образом, области 3 и 4 выполнены чередующимися в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника. Глубина полупроводникового слоя выполнена равной глубине локальных и (или) сильнолегированных областей, а длина локальных областей 3 выполнена большей собственной ширины не менее чем в два раза. Над каждой из локальных областей 3 размещен буферный слой 5 в виде резистора, вид которого определяется необходимым значением сопротивления, электрически соединяющий область 3 с металлическим электродом 6. Над каждой из сильнолегированных областей 4 также расположен металлический электрод 7, причем однотипные электроды соединены между собой электрически с образованием структуры требуемого размера. На поверхности полупроводникового слоя в местах, свободных от областей с повышенной концентрацией носителей, выполнен оптически прозрачный слой окисла 8, защищающий фотоприемник от неблагоприятного воздействия внешней среды. Для предотвращения растекания заряда между локальными областями 3 в полупроводниковом слое 2 в другом направлении (перпендикулярном направлению размещения областей 4) вдоль поверхности фотоприемника выполнены выемки 9 на глубину полупроводникового слоя 2, заполненные для уменьшения оптической взаимосвязи между областями 3 светозащитным материалом (оптически непрозрачным). Диэлектрическая подложка 1 может быть выполнена оптически прозрачной, что позволяет направлять измеряемое излучение со стороны подложки. В этом случае упрощается конструкция корпуса фотоприемника. Кроме того, на свободную поверхность подложки может быть нанесен отражающий (например, металлический) слой 10, что позволяет повысить эффективность сбора оптического излучения.

Лавинный фотоприемник по варианту 2 функционирует следующим образом.

Напряжение, необходимое для лавинного умножения носителей, прикладывается к электродам 6 и 7. Напряженность электрического поля, возникающего под действием приложенного напряжения в полупроводниковом слое 2, имеет при этом максимальное значение, достаточное для лавинного умножения носителей, генерируемых в упомянутом слое под действием падающего излучения. Наибольшее значение напряженности поля устанавливается вблизи областей 3 со стороны областей 4. Под действием поля генерируемые носители перемещаются к областям 3, попадая в область лавинного умножения и создавая усиленный фототок. Темновые носители в полупроводниковом слое 2 практически отсутствуют, поскольку упомянутый слой выполняется предельно тонким. Резистивный слой 5 и металлический электрод 6 снижают напряженность электрического поля на выходе фотоприемника.

Лавинный фотоприемник по варианту 2 может быть выполнен, например, на основе структуры "кремний на сапфире", причем толщина слоя кремния составляет около 1 мкм. Области 3 и 4 ⁺-типа и n⁺-типа соответственно выполняются методом ионного легирования с концентрацией носителей порядка 10¹⁸ см^-3. Резистивный слой 5 выполняется из карбида кремния с величиной сопротивления порядка 10 Мом, а металлические электроды 6 и 7 - из алюминия.

Лавинный фотоприемник по настоящему изобретению используется для регистрации излучений, в том числе в режиме счета фотонов, а также для регистрации заряженных частиц.

Формула изобретения

1. Лавинный фотоприемник, содержащий полупроводниковую подложку, локальные области, сильнолегированные области, расположенные между локальными областями, буферный слой и металлический электрод, расположенные над каждой из локальных областей, отличающийся тем, что на подложке сформирована дополнительная область противоположного подложке типа проводимости, причем локальные области выполнены в упомянутой дополнительной области одного с подложкой типа проводимости, а сильнолегированные области выполнены в упомянутой дополнительной области противоположного подложке типа проводимости, при этом сильнолегированные области расположены между локальными областями в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника.

2. Лавинный фотоприемник по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная область выполнена с концентрацией носителей по меньшей мере в два раза большей, чем концентрация носителей в подложке.

3. Лавинный фотоприемник по п. 1, отличающийся тем, что глубина дополнительной области в месте размещения в ней каждой из локальных областей по меньшей мере в два раза больше расстояния между локальной и сильнолегированной областью.

4. Лавинный фотоприемник по п. 1, отличающийся тем, что длина каждой из локальных областей больше ее собственной ширины.

5. Лавинный фотоприемник по п. 1, отличающийся тем, что сильнолегированные области соединены между собой.

6. Лавинный фотоприемник по п. 1, отличающийся тем, что металлические электроды, размещенные над каждой из локальных областей, соединены между собой.

7. Лавинный фотоприемник по п. 1, отличающийся тем, что между локальными областями в дополнительной области в другом направлении вдоль поверхности фотоприемника выполнены выемки.

8. Лавинный фотоприемник по п. 8, отличающийся тем, что упомянутые выемки заполнены светозащитным материалом.

9. Лавинный фотоприемник, содержащий подложку, локальные области, размещенные между ними сильнолегированные области, буферный слой и металлический электрод, расположенные над поверхностью локальных областей, отличающийся тем, что подложка выполнена диэлектрической, а на ней дополнительно сформирован полупроводниковый слой, при этом локальные области выполнены противоположного упомянутому полупроводниковому слою типа проводимости, а сильнолегированные области выполнены одного с полупроводниковым слоем типа проводимости, причем глубина полупроводникового слоя равна глубине локальных либо сильнолегированных областей, а сильнолегированные области расположены между локальными областями в одном направлении вдоль поверхности фотоприемника.

10. Лавинный фотоприемник по п. 9, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена оптически прозрачной.

11. Лавинный фотоприемник по п. 10, отличающийся тем, что в него дополнительно введен отражающий слой, контактирующий с диэлектрической подложкой по свободной поверхности последней.

12. Лавинный фотоприемник по п. 9, отличающийся тем, что длина локальных областей больше ее собственной ширины.

13. Лавинный фотоприемник по п. 9, отличающийся тем, что металлические электроды, размещенные над каждой из локальных областей, соединены между собой.

14. Лавинный фотоприемник по п. 9, отличающийся тем, что сильнолегированные области соединены между собой.

15. Лавинный фотоприемник по п. 9, отличающийся тем, что между локальными областями в полупроводниковом слое в другом направлении вдоль поверхности фотоприемника выполнены выемки глубиной, равной глубине упомянутого слоя.

16. Лавинный фотоприемник по п. 15, отличающийся тем, что упомянутые выемки заполнены светозащитным материалом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4