Лавинный фотодиод

Авторы патента:

H01L31/06 - отличающиеся по меньшей мере одним потенциальным барьером, на котором имеет место скачкообразное изменение потенциала, или поверхностным барьером

Владельцы патента RU 2294035:

Садыгов Зираддин Ягуб-оглы (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам с внутренним усилием сигнала. Предложенный лавинный фотодиод может быть использован для регистрации сверхслабых потоков световых и гамма-квантов, а также зараженных частиц в составе устройств медицинской гамма-томографии, радиационного мониторинга и ядерно-физических экспериментов. Техническим результатом изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Сущность: лавинный фотодиод включает два полупроводниковых слоя противоположного типа проводимости, имеющих общую границу раздела. В, по крайней мере, одном из слоев сформированы не менее двух отдельных областей одного типа проводимости, расположенные вдоль общей границы раздела слоев и образующие совместно с ними р-n-р-n- переходы в направлении, перпендикулярном к упомянутой границе. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала, и может быть использовано для регистрации слабых световых импульсов и ядерных частиц.

Известно устройство (аналог), включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены широкозонный резистивный слой и полупрозрачный металлический электрод. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе полупроводник-широкозонный резистивный слой. При этом лавинный ток перетекает к металлическому электроду через резистивный слой. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев, происходящих в областях неоднородности границы раздела полупроводника с широкозонным резистивным слоем. Дело в том, что области микропробоев, статически распределенные на упомянутой выше границе, имеют токовую связь между собой, поэтому широкозонный резистивный слой недостаточно ограничивает лавинный ток в устройстве. Упомянутые микропробои приводят к локальному разогреву полупроводника, и в результате прибор выходит из строя.

Известно устройство (прототип), включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой расположен полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев на границе р-n перехода. Области микропробоя, имеющиеся на границе раздела р-n перехода, имеют зарядовую и токовую связь между собой через электронейтральную часть полупроводникового слоя, то есть в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в отдельных областях микропробоя. Одна или несколько областей небольшого размера не позволяют поднять напряжения на приборе с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на основной площади устройства. Таким образом ограничивается коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности лавинного фотодиода.

Задачей изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Для достижения этих технических результатов в лавинном фотодиоде, включающем два полупроводниковых слоя, образующие между собой р-n-переход, формируют матрицу отдельных полупроводниковых областей одного типа проводимости. Полупроводниковые области формируют, крайней мере, в одном из полупроводниковых слоев. Тип проводимости полупроводниковых областей выбирают противоположным по отношению к полупроводниковому слою, в котором они создаются. Это приводит к образованию в устройстве p-n-p-n-переходов в направлении, перпендикулярном к упомянутой границе раздела полупроводниковых слоев. Полупроводниковые области располагают вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев, в результате этого в устройстве образуется двумерная матрица тройных p-n-p-n-переходов. Элементы этой матрицы отделены друг от друга областями p-n-перехода.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показаны поперечные сечения возможных вариантов лавинного фотодиода. Устройство изготавливают на базе полупроводникового слоя 1 (подложки), например, кремния р-типа проводимости. На поверхности подложки выращивают эпитаксиальный слой 2 n-типа проводимости, образующий с подложкой p-n-переход. Полупроводниковые области 3 и 4 формируют путем ионного легирования полупроводниковых слоев бором и фосфором. Поперечные размеры полупроводниковых областей определяются специальным фотошаблоном, с помощью которого вскрывают окна в фоторезисте для локального легирования полупроводникового слоя. Энергию ионов при легировании выбирают в зависимости от необходимой глубины залегания полупроводниковых областей. Затем изготавливают известные элементы устройства, как охранные кольца и контактные электроды.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве лавинное усиление фототока происходит только в областях p-n-p-n-переходов, представляющихся собой независимые каналы умножения носителей заряда. Это происходит благодаря тому, что области тройных p-n-p-n-переходов 5 окружены областями p-n-переходов 6 (см. чертеж). В рабочем режиме к верхнему электроду полупроводникового слоя прикладывается напряжение полярностью соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом средний переход в области тройного p-n-p-n-перехода смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между p-n-p-n-переходами, также смещаются в противоположном направлении. В результате этого достигается такая форма распределения потенциала, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в верхнем фоточувствительном полупроводниковом слое к областям p-n-p-n-переходов. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху p-n-переходе канала умножения, а следующий p-n-переход, смещенный в прямом направлении, выполняет роль потенциальной ямы глубиной около 0,5-0,7 В, в которой собираются умноженные электроны. Накопление электронов в упомянутой потенциальной яме за время нескольких наносекунд приводит к резкому понижению электрического поля в лавинной области (т.е. в первом p-n-переходе), в результате этого лавинный процесс в данном канале умножения прекращается. Затем за время нескольких десятков наносекунд после окончания лавинного процесса накопленные электроны уходят в подложку благодаря достаточной утечки третьего p-n-перехода. Таким образом лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется в независимых каналах умножения, не имеющих зарядовой связи между собой. Благодаря этому улучшается стабильность работы и увеличивается чувствительность лавинного фотодиода.

Источники информации

1. Микроэлектроника, 1989, т.18, с.88-90 (аналог).

2. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Ч.2. М.: Мир, 1984, с.455, (прототип).

Лавинный фотодиод, содержащий два полупроводниковых слоя противоположного типа проводимости, имеющие общую границу раздела, отличающийся тем, что по крайней мере в одном из полупроводниковых слоев сформированы не менее двух отдельных полупроводниковых областей одного типа проводимости, расположенных вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев и образующих совместно с ними p-n-p-n-переходы в направлении, перпендикулярном упомянутой выше общей границе раздела полупроводниковых слоев.

Похожие патенты:

Фотоприемная ячейка // 2291518

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например для видеокамер и цифровой фотографии.

Фотоприемная ячейка // 2290722

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников. .

Кремниевый фотоэлектронный умножитель (варианты) и ячейка для кремниевого фотоэлектронного умножителя // 2290721

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к детекторам с высокой эффективностью регистрации светового излучения, в том числе видимой части спектра, и может быть использовано в ядерной и лазерной технике, а также в технической и медицинской томографии и т.п.

Лавинный фотоприемник // 2284614

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

Фотоприемная ячейка с разделением цветов // 2273916

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для видеокамер и цифровой фотографии.

Фотодетектор // 2240631

Способ регистрации излучения лавинным металл-диэлектрик- полупроводник (мдп)-фотоприёмником // 2205473

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

Лавинный фотоприемник (варианты) // 2185689

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для регистрации излучений различных диапазонов спектра и заряженных частиц. .

Защитное кольцо для снижения темнового тока // 2178600

Изобретение относится к полупроводниковым структурам для обнаружения излучения видимого диапазона. .

Конструкция ячейки памяти с вертикально расположенными друг над другом пересечениями // 2156013

Изобретение относится к вычислительной цифровой технике, конкретно к конструкции ячейки памяти с вертикально расположенными друг над другом пересечениями. .

Фотоячейка с разделением цветов // 2309483

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для однокристальных цифровых видеокамер и цифровой фотографии

Односекционная фотоячейка с разделением цветов // 2309485

Микроканальный лавинный фотодиод // 2316848

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала

Высокочувствительный (однофотонный) интегральный лавинный фотоприемник // 2333570

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в высокочувствительных видеокамерах и фотоаппаратах, в частности для регистрации трехмерных изображений

Светоизлучающее устройство с гетерофазными границами // 2434315

Изобретение относится к области светоизлучающих устройств, в частности к высокоэффективным светоизлучающим диодам на основе нитридов элементов третьей группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева и их твердых растворов (далее - III-нитриды)

Солнечный элемент, способ изготовления солнечного элемента и модуль солнечных элементов // 2532137

Способ изготовления солнечного элемента содержит этапы формирования pn-перехода в полупроводниковой подложке, формирования пассивирующего слоя на светопринимающей поверхности и/или не принимающей свет поверхности полупроводниковой подложки и формирования электродов отбора мощности на светопринимающей поверхности и не принимающей свет поверхности. В качестве пассивирующего слоя формируют пленку оксида алюминия, имеющую толщину до 40 нм, при этом электрод формируют обжигом проводящей пасты при 500-900°C в течение от 1 секунды до 30 минут с образованием спеченного продукта, который проникает через пассивирующий слой, устанавливая электрический контакт между электродом и подложкой. В результате формирования пленки оксида алюминия с заданной толщиной на поверхности подложки можно добиться превосходных характеристик пассивации и превосходного электрического контакта между кремнием и электродом лишь путем обжига проводящей пасты, что является обычной технологией. Кроме того, этап отжига, который был необходим для достижения эффектов пассивации пленки оксида алюминия в прошлом, может быть устранен, резко снижая расходы. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ создания фотовольтаических ячеек на основе гибридного нанокомпозитного материала // 2532690

Изобретение относится к способам изготовления фотовольтаических ячеек и может быть использовано в солнечных батареях. Предложенный способ основан на поэтапном изготовлении сенсибилизирующего слоя на основе нанокомпозитной гибридной структуры, содержащей мезопористый TiO2, полупроводниковые квантовые точки и органический краситель, и заключается в том, что для уменьшения толщины слоя КТ, адсорбированных на поверхность TiO2, вводится технологический этап предварительного удаления избыточного количества молекул солюбилизатора полупроводниковых квантовых точек из раствора и частично с поверхности квантовых точек. Это позволяет избежать самообразования дендритных структур на поверхности мезопористого TiO2 и приводит к формированию тонких слоев квантовых точек на поверхности мезопористого TiO2, обеспечивающих условия для высокоэффективного переноса заряда. Соответственно увеличивается эффективность преобразования энергии в фотовольтаической ячейке. 6 ил.

Приемник электромагнитного излучения широкого спектрального диапазона // 2536088

Изобретение может быть использовано для создания устройств, различного назначения, например, датчиков пламени; датчиков электрической искры; оптической локации в УФ-спектре; оптической связи в УФ-диапазоне; дозиметрии УФ-излучения, быстродействующих УФ-фотоприемников для эксимерных лазеров; приборов контроля люминесценции в УФ-спектре; флуоресцентной спектрометрии; приборов ночного видения и т.п. Приемник электромагнитного излучения включает полупроводниковую структуру с электронно-дырочным переходом на основе арсенида галлия и внешние электроды, упомянутый электронно-дырочный переход выполнен компенсирующей глубокой примесью хрома с неоднородным по толщине слоя арсенида галлия распределением примеси, причем в приповерхностной области полупроводниковой структуры сформирована область с концентрацией хрома, превышающей концентрацию доноров в исходном арсениде галлия, а во внутреннем объеме полупроводниковой структуры сформирована область с концентрацией хрома меньше, чем концентрация доноров в исходном арсениде галлия. Изобретение обеспечивает расширение спектрального диапазона работы фотоприемного устройства от инфракрасного излучения до вакуумного ультрафиолета. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Гетероструктура многопереходного солнечного элемента // 2548580

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к свету. Гетероструктура содержит подложку, выполненную из AlN, на которой размещено три сопряженных друг с другом выполненных из In1-xGaxN двухслойных компонентов с p-n-переходами между слоями. Двухслойные компоненты сопряжены между собой туннельными переходами. Ширина запрещенной зоны компонентов возрастает в направлении к поверхности, предназначенной для облучения солнечной энергией. Между подложкой и смежным с подложкой двухслойным компонентом предусмотрены релаксационные слои, выполненные из твердых растворов металлов третьей группы. Релаксационные слои позволяют уменьшить рассогласование кристаллической решетки подложки и двухслойных компонентов. Ширина запрещенной зоны двухслойных компонентов удовлетворяет соотношению: Eg1:Eg2:Eg3=1:2,23:3,08, где 0,65≤Eg1≤0,85. Благодаря такому соотношению параметров двухслойных компонентов солнечная энергия поглощается во всем диапазоне спектра солнечного излучения, что позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Солнечный элемент на основе гетероструктуры смешанный аморфный и нанокристаллический нитрид кремния - кремний p-типа // 2568421

Изобретение может быть использовано в космических летательных аппаратах и автономных системах, как высокопроизводительное экологически чистое средство получения электрической энергии в различных областях промышленности. Однопереходной солнечный элемент включает р-кремниевую подложку из кремния p-типа Si(100) предварительно обработанную кислотой HF. На верхней стороне подложки расположен слой пленки n-типа толщиной 4-5 нм из аморфного нитрида кремния смешанного с нитридом кремния нанокристаллической структуры, нанесенный методом магнетронного напыления в аргоне из твердотельной мишени Si3N4. Электрические контакты сформированы методом магнетронного напыления. При этом, на верхней стороне элемента контакты выполнены из Ag в виде гребенки. А электрический тыльный контакт, расположенный на обратной стороне подложки Si(100), выполнен из Ag либо Cu. Изобретение обеспечивает эффективность 7.41% без дополнительных просветляющих, защитных или каких либо других слоев и без применения концентраторов солнечного излучения. 9 ил.