Способ регистрации излучения лавинным металл-диэлектрик- полупроводник (мдп)-фотоприёмником

 

Изобретение относится к области полупроводниковой фотоэлектроники и предназначено для регистрации светового излучения коротких световых сигналов малой интенсивности. Сущность: способ заключается в том, что в металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)-структуре используют туннельно-тонкий диэлектрик, проводят формовку МДП-структуры импульсами фототока, помещая МДП-структуру в среду жидкого азота, причем амплитуду обедняющих импульсов напряжения увеличивают до величины, при которой импульсы фототока стабилизируются на выбранном уровне, затем подают на МДП-структуру постоянное обедняющее напряжение, при этом ограничивают стационарный темновой ток путем включения последовательно с МДП-структурой стабилизатора тока, а фотосигнал регистрируют, измеряя импульс напряжения на МДП-структуре. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в разделении этапов формовки и режима эксплуатации фотоприемника, а также в ограничении стационарного темнового тока фотоприемника. Это позволило значительно увеличить (до 10⁹ и более импульсов) ресурс работы при условии сохранения коэффициента умножения фототока порядка 5•10⁵ и стабилизировать величину порогового напряжения ~0,5% через 10⁸ циклов.

Изобретение относится к области полупроводниковой фотоэлектроники и предназначено для регистрации светового излучения, в особенности коротких световых сигналов малой интенсивности.

В настоящее время для регистрации электромагнитного излучения широко используются фотоприемники, выполненные в виде фотодиода [1]. Однако такого типа фотоприемники не обладают высоким быстродействием при высокой чувствительности. Более перспективным с точки зрения обеспечения вышеуказанных параметров, является фотодиод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда, т. е. при высоких напряженностях электрического поля в полупроводнике, вызывающих лавинное умножение [2]. За счет умножения имеет место внутреннее усиление тока, что значительно улучшает характеристики фотоприемника. Существенным недостатком таких фотоприемников является трудность обеспечения однородного умножения в пределах фоточувствительной площади из-за образования микроплазм, обусловленных наличием в фоточувствительной области локальных участков, в которых напряжение лавинного пробоя меньше, чем в остальной однородной области. Вследствие этого невозможно создать фотоприемник на фотодиоде с большой площадью. Кроме того, сильная зависимость коэффициента от температуры и напряжения на фотодиоде существенно затрудняют использование многоэлементных (матричных) фотоприемников, работающих в режиме лавинного размножения носителей заряда в полупроводнике.

Таким образом, в настоящее время фотоприемники с р-n переходами в лавинном режиме имеют ограниченное применение из-за влияния микроплазменных пробоев реальных р-n переходов, ограничивающих пороговую чувствительность, рабочую площадь и накладывающих жесткие требования на стабильность рабочих напряжений и температур.

В качестве прототипа выбран способ регистрации излучения лавинным металл-диэлектрик-полупроводник-фотоприемником (МДП-ЛФП) [3], в котором при большой площади фоточувствительной области сочетается высокая пороговая чувствительность с высоким коэффициентом умножения.

Сущность способа заключается в подаче на металл-диэлектрик-полупроводник МДП-структуру обедняющего импульса напряжения трапецеидальной формы с полярностью, соответствующей обеднению полупроводника и длительностью, существенно меньшей времени образования инверсионного слоя на поверхности полупроводника. Приложенное напряжение V(t) делится между диэлектриком и областью пространственного заряда полупроводника: V(t) = V_g+Ψ_s, где V_g - напряжение на диэлектрике, Ψ_s - падение напряжения на полупроводнике. Если напряженность электрического поля превышает некоторую критическую величину для данного проводника, а концентрация легирующей примеси в полупроводнике соответствует диапазону лавинного пробоя полупроводника, то в приповерхностной области полупроводника развивается лавинный процесс размножения носителей заряда посредством ударной ионизации. При этом с течением времени будет иметь место замедление роста Ψ_s и лавинного тока i_л вследствие накопления неосновных носителей заряда на границе полупроводник-диэлектрик. По этой причине для линейного закона изменения V(t)=α•t характерно достижение устойчивого стабилизированного лавинного процесса, при котором квазиравновесное значение лавинного тока равно: i_л = α•c₀, где α - скорость нарастания пилообразного напряжения, с₀ - емкость диэлектрика МДП-структуры. Таким образом, в лавинных МДП-структурах реализуется режим стабилизации лавинного тока по внешнему напряжению. При этом коэффициент лавинного умножения также стабилизируется на постоянном уровне и может достигать значений порядка 10⁵-10⁶. Заметим, однако, что стабильность коэффициента умножения М существенно зависит от стабильности тока i₀, инициирующего лавину, и его однородности в пределах фоточувствительной области.

Кроме того, протекание через МДП-структуру лавинного тока достаточно большой плотности (i_л~ 1,5•10^-2-3•10^-2 А/см²) приводит к ряду негативных явлений, затрудняющих практическое использование МДП-структур в качестве эффективных лавинных фотоприемников: а) увеличению (деградации) порогового напряжения лавины (Vп) и напряжения плоских зон (Vпз) в процессе наработки за счет захвата электронов, инжектированных из полупроводника, на ловушки в диэлектрике; б) увеличению плотности поверхностных состояний (ПС), росту темнового генерационного тока и, как следствие, уменьшению коэффициента умножения. Все эти процессы приводят к тому, что уже через 10⁶-10⁷ циклов приложения напряжения к структуре параметры МДП-фотоприемника могут значительно ухудшиться, например, наблюдается уменьшение величины М на 2 и более порядка величины.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением - увеличение ресурса работы МДП-ЛФП и упрощение режима его питания.

Этот результат достигается тем, что в известном способе используют туннельно-тонкий диэлектрик, проводят формовку МДП-структуры импульсами фототока, помещая МДП-структуру в среду жидкого азота, причем амплитуду обедняющих импульсов напряжения увеличивают до величины, при которой импульсы фототока стабилизируются на выбранном уровне, затем подают на МДП-структуру постоянное обедняющее напряжение, при этом ограничивают стационарный темновой ток путем включения последовательно с МДП-структурой стабилизатора тока, а фотосигнал регистрируют, измеряя импульс напряжения на МДП-структуре.

Известно, что в МДП-структуре в областях с повышенной по каким-либо причинам напряженностью электрического поля процесс лавинного размножения носителей заряда идет более интенсивно, т.е. в этих областях лавинные токи будут иметь максимальные значения. При этом такие места по мере протекания лавинного тока с течением времени будут самоэкранироваться ("выключаться") за счет образования в них встречного электрического поля, вызванного захваченным на ловушке в диэлектрике зарядом, инжектированным из полупроводника. В ряде случаев этот процесс происходит достаточно быстро, так что наличие его не всегда регистрируется. Тем не менее именно он в силу экстремальности локальных лавинных токов определяет ухудшение генерационно-рекомбинационных свойств структуры, повышение инициирующего тока, уменьшение коэффициента умножения и понижение электрической прочности структуры. Поэтому проведение формовки структуры в контролируемом выбранном режиме позволяет оптимизировать процесс самоэкранировки мест с повышенной напряженностью электрического поля и "выключить" эти области, не изменяя их генерационной активности. Так, для структур, используемых в качестве МДП-ЛФП (структуры металл-SiO₂-Si), были определены оптимальные значения плотности фототока и максимального времени его протекания: i~ 10^-3-2•10^-3 А/см²; Δt~5-2 мкс, соответственно. Отметим, что общепринятый режим питания лавинного МДП-фотоприемника обеспечивает следующие значения этих величин: i_л~2•10^-2 А/см², Δt~500 мкс. Отметим также то, что проведение процесса формовки в среде жидкого азота позволяет полностью исключить тепловую генерацию носителей заряда при формовке, вследствие этого, уменьшить экстремальные локальные токи, приводящие к ухудшению генерационно-рекомбинационных свойств границы раздела диэлектрик-полупроводник в МДП-ЛФП.

Длительность формовки, т. е. число циклов (импульсов), необходимое для устранения неоднородного характера лавинного процесса, а также и амплитуда тока формовки определяются в основном параметрами ловушек в диэлектрике, которые заряжаются за счет захвата носителей, инжектируемых в диэлектрик из полупроводника. Практически формовка проводиться путем постепенного (на 1-2 В) увеличения амплитуды обедняющих импульсов напряжения до момента стабилизации импульсов фототока на выбранном уровне i_л~10^-3-2•10^-3 А/см². Сразу после каждого увеличения амплитуды обедняющих импульсов происходит релаксация фототока, обусловленная неоднородным протеканием лавинного процесса в структуре, при этом времена релаксации фототока t_рел, увеличиваются на 2-3 порядка величины (от 1 до 1000 сек). Для полной стабилизации фототока обычно требуется порядка 10⁴-10⁵ циклов (импульсов).

При использовании общепринятого режима питания МДП-ЛФП в силу большой плотности лавинного тока и длительности его протекания, фотоприемник в значительной степени подвержен деградации, т. е. наблюдается постепенное уменьшение коэффициента умножения в процессе наработки до значений порядка 10³ и менее, начиная с числа циклов 10⁵-10⁶. Это обусловлено тем, что фактически в этом режиме одновременно имеют место процессы, связанные с формовкой и деградацией фотоприемника, в то время как оптимальные режимы для этапа формовки и режима эксплуатации - разные. Поэтому работа фотоприемника в режиме порогового лавинного тока, уровень которого для исследуемых образцов составлял 10^-4-2•10^-4 А/см², происходит при значительно меньшей скорости протекания деградационных процессов, что и позволяет обеспечить высокие значения коэффициента умножения (порядка 10⁵) в течение длительного процесса эксплуатации (порядка 10⁸-10⁹ циклов).

Использование туннельно-тонкого слоя диоксида кремния толщиной ~5-10 нм обеспечивает утечку накапливающихся неосновных носителей заряда с поверхности полупроводника МДП-ЛФП и, следовательно, дает возможность работы МДП-ЛФП на постоянном напряжении питания.

Так как вывод фотоприемника в режим порогового лавинного тока предлагается осуществлять путем включения последовательно с МДП-структурой стабилизатора тока в виде обратновключенного диода или большого балластного сопротивления (10 МОм), то для регистрации фотосигнала предлагается измерять импульс напряжения на МДП-ЛФП.

Пример реализации способа Была проведена апробация способа на структурах p-Si (тип КДБ-1) с туннельно-тонким слоем диоксида кремния толщиной от 5 до 10 нм, полученным термическим окислением кремния во влажном и сухом кислороде при температуре 800 и 900^oС. Круглые и прямоугольные полупрозрачные электроды из Ni, Cr или Аl формировались либо с помощью фотолитографии, либо напылялись в вакууме через металлическую маску. Диаметр электродов составлял 0,3-1,0 мм. Формовка структуры проводилась под воздействием обедняющих импульсов прямоугольной формы длительностью 2-5 мкс, синхронно с ними подавались на полупрозрачный затвор структуры импульсы излучения мощностью ~10 мВт/см² длинной волны излучения 0,7 мкм. При этом амплитуду напряжения импульсов изменяли в процессе формовки от 30 до 50 В. Импульсы фототока регистрировались на нагрузочном сопротивлении Rм=1 кОм, включенном последовательно с МДП-ЛФП, помещенным в среду жидкого азота.

Формовка проводилась таким образом, чтобы амплитуда нестационарного импульса фототока не превышала 10^-3-2•10^-3 А/см². Практически это достигалось путем регулирования амплитуды обедняющих импульсов. По мере протекания процесса формовки амплитуду импульсов приходилось постепенно увеличивать. Процесс формовки считался законченным после того, как при последующем увеличении амплитуды обедняющих импульсов на 2% амплитуда импульсов фототока оставалась без изменения, т.е. процессы релаксации фототока прекращались.

Качество формовки определялось по максимально достигаемой величине коэффициента умножения М.

Коэффициент умножения определялся по величине отношения интенсивности импульса света длительностью 1 мкс, подаваемого на фотоприемник в долавинном режиме, к интенсивности света в лавинном режиме при условии равенства фотосигнала, снимаемого с МДП-структуры, для обоих режимов, т.е.: M = I₀/I_л| при U_c = const, где I₀ и I_л - интенсивности импульсов света, подаваемых на структуру в долавинном и лавинном режимах, соответственно.

В результате проведения процесса формовки на 50 структурах, изготовленных в различных, описанных выше, технологических условиях, были определены оптимальные режимы формовки с точки зрения получения максимальных коэффициентов умножения М~10⁵-5•10⁵, а именно: i_фор=10^-3-2•10^-3 А/см², Δt=5-2 мкс. Было установлено, что качество формовки не зависит от частоты повторения импульсов напряжения (циклов) в диапазоне частот 25 Гц-25 кГц, а определяется их общим числом. Обычно для "сухих" окислов число циклов формовки составляет порядка 10⁵, а для влажных - порядка 10⁴. Для сравнения укажем, что на неотформованных структурах коэффициент умножения М обычно достигал в процессе эксплуатации величины порядка 3•10³-10⁴, редко 3•10⁴, а затем через 10⁵-10⁷ циклов уменьшался вплоть до 10².

Для того, чтобы существенно уменьшить падение коэффициента умножения М в процессе эксплуатации (наработки), мы значительно понизили обычно используемый уровень рабочего лавинного тока от 10^-2 до 10^-4 А/см². Это было достигнуто за счет работы фотоприемника в режиме стабилизации темнового лавинного тока, когда уровень тока ограничивается, например, путем включения большого балластного сопротивления R_бал= 10 МОм или обратновключенного диода в цепь питания фотоприемника последовательно с ним.

Для отформованных структур был определен оптимальный уровень тока, при котором при сохранении величины М на значении порядка 5•10⁵ скорость протекания процессов деградации была значительно уменьшена: i_пор=10^-4 А/см².

Таким образом, предложенный режим формовки и эксплуатации МДП-фотоприемника в лавинном режиме позволяет существенно увеличить ресурс работы фотоприемника до ~10⁹ циклов и более при практически неизменном и высоком значении коэффициента умножения М.

Для регистрации фотосигнала измерительная цепь (в данном случае осциллограф) подключалась к МДП-структуре через разделительную емкость порядка 1000 пФ. Таким образом регистрировался сигнал фотоэдс.

Основным преимуществом предлагаемого способа является то, что, во-первых, в результате разделения этапов формовки и режима эксплуатации фотоприемника удалось значительно уменьшить экстремальные локальные токи в МДП-структуре, в результате прохождения которых создавались потенциально опасные области, которые во время длительной эксплуатации приводили к ухудшению параметров фотоприемника, а именно к уменьшению коэффициента умножения, увеличению генерационного инициирующего тока, повышению вероятности пробоя структуры. Во-вторых, ограничение стационарного темнового тока позволило уменьшить уровень рабочего тока МДП-ЛФП. Это позволило значительно увеличить (до 10⁹ и более импульсов) ресурс работы при условии сохранения коэффициента умножения на значении порядка 5•10⁵ и стабилизировать величину порогового напряжения ~0,5% через 10⁸ циклов.

Кроме того, предложенный МДП-ЛФП со сверхтонким слоем диэлектрика позволяет упростить режим его питания, т.к. он может работать не только на обедняющих импульсах, но и на постоянном обедняющем напряжении.

Литература 1. Авторское свидетельство СССР 528823, H 01 L 31/10, 31.08.77. Казюлин В.И., Мочалкина О.П. "Полупроводниковый фотоприемник".

2. Johnson K. M. High-Speed Photodiode signal Enhancement at Avalanche breakdownvoltage IEEE Trans Electron Devices ED-12,55 (1965).

3. Прототип предлагаемого способа: Кравченко А.Б., Плотников А.Ф., Шубин В. Э. "О возможности создания импульсного лавинного фотоприемника с устойчивым внутренним усилением на основе МДП-структуры". Квантовая электроника, 1978, т. 5, 9, с. 1918-1923.

Формула изобретения

Способ регистрации излучения лавинным металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)-фотоприемником, включающий подачу на светопроницаемый затвор МДП-структуры фотоприемника обедняющих импульсов напряжения, освещение МДП-структуры импульсами излучения и регистрацию фотосигнала, отличающийся тем, что в МДП-структуре используют туннельно-тонкий диэлектрик, проводят формовку МДП-структуры импульсами фототока, помещая МДП-структуру в среду жидкого азота, причем амплитуду обедняющих импульсов напряжения увеличивают до величины, при которой импульсы фототока стабилизируются на выбранном уровне, затем подают на МДП-структуру постоянное обедняющее напряжение, при этом ограничивают стационарный темновой ток путем включения последовательно с МДП-структурой стабилизатора тока, а фотосигнал регистрируют, измеряя импульс напряжения на МДП-структуре.