Ик фотодиод с высоким отношением сигнал/шум и способ повышения отношения сигнал/шум в ик фотодиоде
Владельцы патента RU 2456707:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)
Изобретения могут использоваться в пороговых фотоприемных устройствах для регистрации слабого электромагнитного излучения инфракрасного диапазона. ИК фотодиод с высоким отношением сигнал/шум (S/N) содержит сильнолегированный слой (1) основного p-n перехода, сильнолегированный слой (2) дополнительного p-n перехода, общую базу (3) основного и дополнительного p-n переходов, подложку (5). Общая база (3) имеет область 4 пространственного заряда основного p-n перехода. К каждому из слоев структуры сформирован омический контакт (6, 7, 8). Сумма толщин сильнолегированного слоя основного p-n перехода и области пространственного заряда основного p-n перехода, расположенной в общей базе, удовлетворяет условию, определяемому математическим выражением. Для повышения отношения сигнал/шум (S/N) в ИК фотодиоде регистрируют диффузионный ток дополнительного p-n перехода и сумму диффузионного тока и фототока основного p-n перехода, а затем диффузионный ток дополнительного p-n перехода используют для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода. Достигается увеличение отношения сигнал/шум (S/N) ИК фотодиода за счет использования диффузионного тока дополнительного p-n перехода, шумы которого коррелированны с шумами диффузионного тока основного (регистрирующего ИК излучение) p-n перехода, для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретения относятся к фотоэлектронике и могут использоваться в пороговых фотоприемных устройствах для регистрации слабого электромагнитного излучения инфракрасного (ИК) диапазона.
Известен фоточувствительный полупроводниковый прибор (фотодиод) с низким уровнем темнового тока (US patent 4,242,695), в котором для уменьшения диффузионного тока и обусловленных им шумов фотодиода сформирован дополнительный p-n переход, расположенный со стороны подложки, на расстоянии, меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе от основного.
Недостатком данного полупроводникового прибора является отсутствие омического контакта к p области дополнительного p-n перехода, что исключает возможность использования диффузионного тока дополнительного p-n перехода для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.
В известном фотодиоде для увеличения отношения сигнал/шум уменьшают диффузионный ток основного p-n перехода, так как уменьшение среднего значения диффузионного тока приведет к уменьшению его спектральной плотности шума.
Недостаток известного способа увеличения отношения сигнал/шум заключается в том, что не используют корреляцию шумов диффузионных токов основного и дополнительного p-n переходов, что не позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум в фотодиоде.
Задачей изобретений является увеличение отношения сигнал/шум (S/N) ИК фотодиода за счет использования диффузионного тока дополнительного p-n перехода, шумы которого коррелированны с шумами диффузионного тока основного (регистрирующего ИК излучение) p-n перехода, для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.
Технический результат достигается тем, что ИК фотодиод с высоким отношением сигнал/шум содержит сильнолегированный слой основного p-n перехода, сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода, а также общую базу основного и дополнительного p-n переходов, толщина которой меньше диффузионной длины неосновных носителей в общей базе. Каждый из расположенных последовательно слоев - сильнолегированный слой основного p-n перехода, общая база основного и дополнительного p-n переходов, а также сильнолегированный слой дополнительного p-n p-n перехода - соединен с микросхемой считывания и обработки сигнала отдельным индиевым столбиком. При этом сильнолегированный слой основного p-n перехода, регистрирующий ИК излучение, расположен со стороны подложки, а сумма толщин сильнолегированного слоя основного p-n перехода и области пространственного заряда основного p-n перехода, расположенной в общей базе, удовлетворяет условию:
где
- толщина области пространственного заряда основного p-n перехода;
ε - диэлектрическая проницаемость,
ε0 - электрическая постоянная,
q - заряд электрона,
Nb - концентрация легирующей примеси в общей базе,
Еg - ширина запрещенной зоны,
- толщина сильнолегированного слоя основного p-n перехода,
α - коэффициент поглощения.
Для повышения отношения сигнал/шум в ИК фотодиоде, содержащем сильнолегированный слой основного p-n перехода, сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода, а также общую базу основного и дополнительного p-n переходов, регистрируют сумму диффузионного тока и фототока основного p-n перехода, а также диффузионный ток дополнительного p-n перехода. Затем диффузионный ток дополнительного p-n перехода используют для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.
На фиг.1 изображен фотодиод с коррелированной обработкой сигнала и шума, который может использоваться в качестве ячейки матричного ИК фотоприемника.
На фиг.2 изображен фотодиод (вид сверху).
Рассматриваемый фотодиод содержит:
1 - сильнолегированный слой основного p-n перехода;
2 - сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода;
3 - общую базу основного и дополнительного p-n переходов;
4 - область пространственного заряда основного p-n перехода, расположенную в общей базе;
5 - подложку;
6 - индиевый столбик, соединенный с омическим контактом к сильнолегированному слою основного p-n перехода;
7 - индиевый столбик, соединенный с омическим контактом к общей базе основного и дополнительного p-n переходов;
8 - индиевый столбик, соединенный с омическим контактом к сильнолегированному слою дополнительного p-n перехода;
9 - пассивирующий диэлектрик;
10 - металлический слой.
Сильнолегированный слой 1 основного p-n перехода сформирован со стороны подложки 5 и предназначен для регистрации ИК излучения. Между сильнолегированным слоем 2 дополнительного p-n перехода и сильнолегированным слоем 1 основного p-n перехода расположена общая база 3 основного и дополнительного p-n переходов. Толщина d общей базы 3 удовлетворяет условию d<L, где L - диффузионная длина неосновных носителей в общей базе. Область 4 пространственного заряда основного p-n перехода расположена в общей базе 3. Сильнолегированный слой 1 основного p-n перехода соединен с помощью омического контакта, металлического слоя и индиевого столбика 6 с микросхемой считывания и обработки сигнала. Общая база 3 основного и дополнительного p-n переходов соединена с помощью омического контакта, металлического слоя и индиевого столбика 7 с микросхемой считывания и обработки сигнала. Сильнолегированный слой 2 дополнительного p-n перехода соединен через омический контакт и индиевый столбик 8 с микросхемой считывания и обработки сигнала, т.е. к каждому из слоев структуры сформирован омический контакт.
Коррелированная обработка сигнала и шума в рассматриваемом фотодиоде может быть реализована при выполнении двух условий.
Во-первых, диффузионный ток основного и дополнительного p-n переходов должен определяться процессами тепловой генерации и рекомбинации в общей базе.
Это условие выполняется, если концентрация легирующей примеси в общей базе основного и дополнительного p-n переходов существенно меньше, чем концентрация легирующей примеси в сильнолегированных слоях, прилегающих к общей базе, т.е. при выполнении неравенств:
Nb<<N1 и Nb <<N2,
где Nb - концентрация легирующей примеси в общей базе основного и дополнительного p-n переходов,
N1 - концентрация легирующей примеси в сильнолегированном слое основного p-n перехода, прилегающего к подложке,
N2 - концентрация легирующей примеси в сильнолегированном слое дополнительного p-n перехода.
Во-вторых, регистрируемое ИК излучение должно полностью поглощаться в сильнолегированном слое 1 основного p-n перехода, прилегающем к подложке, а также в области 4 пространственного заряда основного p-n перехода.
Второе условие выполняется, если сумма толщин области 4 пространственного заряда основного p-n перехода и сильнолегированного слоя 1 основного p-n перехода, прилегающего к подложке, удовлетворяет условию
где
- толщина области пространственного заряда основного p-n перехода;
ε - диэлектрическая проницаемость,
ε0 - электрическая постоянная,
q - заряд электрона,
Nb - концентрация легирующей примеси в общей базе,
Eg - ширина запрещенной зоны,
- толщина сильнолегированного слоя основного p-n перехода,
α - коэффициент поглощения.
Как было отмечено выше, основной и дополнительный p-n переходы имеют общую базу, толщина которой меньше диффузионной длины. Поэтому в случае когда на основной и дополнительный p-n переходы подано обратное смещение, часть термогенерированных в какой-либо небольшой области базы носителей заряда может диффундировать к основному p-n переходу, а часть - к дополнительному, что обуславливает корреляцию шумов диффузионного тока основного и дополнительного p-n переходов. Таким образом, при засветке со стороны подложки рассматриваемого фотодиода, на основной и дополнительный p-n переходы которого подано обратное смещение, ток основного p-n перехода будет представлять собой сумму диффузионного тока и фототока, а ток дополнительного p-n перехода - диффузионный ток, шум которого коррелирован с шумом диффузионного тока основного p-n перехода.
Из сказанного следует, что диффузионный ток дополнительного p-n перехода может быть использован для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода, что позволит увеличить отношение сигнал/шум рассматриваемого ИК фотодиода. При этом, в простейшем случае, коррелированная обработка сигнала и шума основного p-n перехода представляет собой вычитание диффузионного тока дополнительного p-n перехода из суммы диффузионного тока и фототока основного p-n перехода.
1. ИК фотодиод с высоким отношением сигнал/шум, содержащий сильнолегированный слой основного p-n перехода, сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода, а также общую базу основного и дополнительного p-n переходов, толщина которой меньше диффузионной длины неосновных носителей в общей базе, отличающийся тем, что каждый из расположенных последовательно слоев - сильнолегированный слой основного p-n перехода, общая база основного и дополнительного p-n переходов, а также сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода соединен с микросхемой считывания и обработки сигнала отдельным индиевым столбиком, при этом сильнолегированный слой основного p-n перехода, регистрирующий ИК излучение, расположен со стороны подложки, а сумма толщин сильнолегированного слоя основного p-n перехода и области пространственного заряда основного p-n перехода, расположенной в общей базе, удовлетворяет условию
, где
- толщина области пространственного заряда основного p-n перехода;
ε - диэлектрическая проницаемость,
ε0 - электрическая постоянная,
q - заряд электрона,
Nb - концентрация легирующей примеси в общей базе,
Eg - ширина запрещенной зоны,
- толщина сильнолегированного слоя основного p-n перехода,
α - коэффициент поглощения.
2. Способ повышения отношения сигнал/шум в ИК фотодиоде, содержащем сильнолегированный слой основного p-n перехода, сильнолегированный слой дополнительного p-n перехода, а также общую базу основного и дополнительного p-n переходов, заключающийся в том, что регистрируют сумму диффузионного тока и фототока основного p-n перехода, а также диффузионный ток дополнительного p-n перехода, а затем диффузионный ток дополнительного p-n перехода используют для коррелированной обработки сигнала и шума основного p-n перехода.
