Микропиксельный лавинный фотодиод

Авторы патента:

H01L31/117 - детекторы излучения, основанные на использовании объемного эффекта, например германиево-литиевые детекторы гамма-излучения с компенсированным p-i-n-переходом

H01L31/107 - с потенциальным барьером, работающим в лавинном режиме, например лавинные фотодиоды

H01L31/0352 - отличающиеся формой или формами, относительными размерами или расположением полупроводниковых областей

Владельцы патента RU 2770147:

Садыгов Зираддин Ягуб оглы (RU)

Микропиксельный лавинный фотодиод может быть использован для регистрации слабых потоков световых и гамма-квантов, а также заряженных 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. Микропиксельный лавинный фотодиод включает в себя два полупроводниковых слоя, расположенных на поверхности полупроводниковой подложки и матрицу из полупроводниковых областей, расположенную между полупроводниковыми слоями. Площадь матрицы из полупроводниковых областей полностью окружена охранной матрицей из дополнительных полупроводниковых областей. Между одним из полупроводниковых слоев и полупроводниковой подложкой сформирован высоколегированный слой. Изобретение обеспечивает возможность улучшения стабильности работы и увеличивается чувствительность микропиксельного лавинного фотодиода, поэтому устройство способно работать в режиме счетчика Гейгера, позволяющего регистрировать единичные световые кванты при комнатной температуре. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала. Предложенный лавинный фотодиод может быть использован для регистрации сверхслабых импульсов света, вплоть до единичных фотонов, а также для детектирования гамма-квантов и заряженных частиц в составе устройств медицинской гамма-томографии, радиационного мониторинга и ядерно-физических экспериментов.

Уровень техники

Известно устройство /1/ (аналог), включающее полупроводниковую подложку, матрицу полупроводниковых областей противоположного подложке типа проводимости, отделенных от полевого полупрозрачного электрода буферным резистивным слоем с определенной проводимостью. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границах полупроводниковой подложки с полупроводниковыми областями. При этом лавинный ток стекает к полупрозрачному электроду через резистивный слой, расположенный над этими областями. Недостатком устройства является низкий квантовый выход в видимой и ультрафиолетовой области спектра ввиду низкой прозрачности, как буферного слоя, так и полупроводниковых областей. Кроме того, фотоэлектроны, образованные между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиливаться, что приводит к понижению чувствительности устройства.

Известно устройство /2/ (аналог), включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости и эпитаксиальный слой р-типа проводимости, отделенный от подложки резистивным и диэлектрическим слоями. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие полупроводниковые области n-типа проводимости, имеющие выход с одной стороны на резистивный слой, а с противоположной стороны на эпитаксиальный слой. Полупроводниковые области n-типа проводимости обеспечивают локализацию лавинного процесса в р-n переходах, отделенных друг от друга областями диэлектрического слоя. Фоточувствительным слоем, в котором создаются первичные фотоэлектроны, является эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности инородных материалов, т.е. на поверхности диэлектрических и резистивных слоев. Поэтому основными недостатками устройства являются сложность технологии изготовления таких эпитаксиальных слоев и высокий уровень темнового тока, приводящие к ухудшению чувствительности устройства и отношения сигнал/шум.

Известно устройство /3/ (аналог), содержащий подложку р-типа проводимости, на поверхности которой выращен эпитаксиальный слой р-типа проводимости. На поверхности эпитаксиального слоя сформирована матрица из полупроводниковых областей с противоположным типом проводимости по отношению к эпитаксиальному слою. Все полупроводниковые области соединены с металлическими шинами через индивидуальные резисторы. Полезной фоточувствительной площадью является полупроводниковая область, где происходит лавинное умножение фотоэлектронов. Между полупроводниковыми областями сформированы глубокие канавки с целью предотвращения оптической и электрической перекрестной наводки. Металлические шины и индивидуальные резисторы также расположены между полупроводниковыми областями. В результате этого, полезная площадь занимает от 30 до 50% общей площади лавинного фотодиода, что является основным недостатком устройства.

Известно также устройство /4/ (прототип), включающее полупроводниковую подложку и два эпитаксиальных слоя, на общей границе которых расположена матрица из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по сравнению с эпитаксиальными слоями. Полупроводниковые области и эпитаксиальные слои расположены между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями, которые имеют повышенную проводимость по сравнению с эпитаксиальными слоями. Полупроводниковые области в устройстве используются с целью создания отдельных лавинных областей (микроканалов), обеспечивающих независимое усиление сигнала. Недостатком устройства является высокая вероятность образования неуправляемых микропробоев по всему периметру матрицы полупроводниковых областей. Это вызвано эффектом краевого пробоя, имеющего место в крайних элементах выше упомянутой матрицы. Эффект краевого пробоя не позволяет поднять напряжение на устройстве с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на всей площади прибора. В результате этого, ограничивается коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности устройства.

Сущность изобретения

Технической задачей изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Задача решается за счет того, что в микропиксельном лавинном фотодиоде, содержащем полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены первый полупроводниковый слой, матрица из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою и второй полупроводниковый слой, сформированы новые элементы. Эти новые элементы предотвращают краевой пробой по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью. Первым новым элементом является высоколегированный по отношению к полупроводниковой подложке слой, расположенный между полупроводниковой подложкой и первым полупроводниковым слоем. Вторым новым элементом служит охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою. Матрица из дополнительных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью расположена по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей и имеет необходимую ширину L, причем охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей выступает за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя. Формы и размеры новых элементов зависят от типа проводимости полупроводниковых слоев по отношению к полупроводниковой подложке.

Микропиксельный лавинный фотодиод содержит полупроводниковую подложку 1 (Фиг. 1), на поверхности которой расположены первый полупроводниковый слой 2, матрица из полупроводниковых областей 3 с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою и второй полупроводниковый слой 4. Для достижения выше упомянутых технических результатов на границе полупроводниковой подложки с первым полупроводниковым слоем сформирован высоколегированный по отношению к полупроводниковой подложке слой 6, а по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей выполнена охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей 5 с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою. Охранная матрица шириной L выступает за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя, причем размеры дополнительных полупроводниковых областей 5 не превышают размеров полупроводниковых областей 3. Это позволяет предотвратить краевой пробой по всему периметру рабочей области устройства. Дело в том, что благодаря отсутствию высоколегированного слоя под охранной матрицей, обедненный слой, при работе устройства, проникает в подложку, и в результате этого уменьшается напряженность электрического поля по всему периметру фоточувствительной площади устройства, т.е. по всей площади матрицы из полупроводниковых областей микропиксельного лавинного фотодиода. Таким образом предотвращается краевой пробой в крайних элементах матрицы из полупроводниковых областей, что позволяет увеличить напряжение на устройстве с целью увеличения чувствительности лавинного фотодиода.

В зависимости от варианта исполнения полупроводниковые слои в устройстве могут иметь как одинаковый тип проводимости (первый вариант исполнения), так и противоположный тип проводимости (второй вариант исполнения). При этом высоколегированный слой, полупроводниковые области, дополнительные полупроводниковые области и полупроводниковая подложка всегда должны иметь одинаковый тип проводимости.

Лавинное усиление фототока в первом варианте исполнения устройства происходит только на границах полупроводниковых областей со вторым полупроводниковым слоем, представляющих собой независимые каналы умножения носителей заряда, совпадающие направлением «А» на Фиг. 1. Для этого ко второму (верхнему) полупроводниковому слою прикладывается напряжение полярностью, соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом обеднение от основных носителей заряда начинается с границы высоколегированного полупроводникового слоя с первым полупроводниковым слоем, причем средний р-n переход смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между каналами умножения (направление «В» на Фиг. 1), также смещаются в противоположном направлении. При этом высоколегированный полупроводниковый слой ограничивает распространение электрического поля в полупроводниковую подложку. В результате этого первый эпитаксиальный слой полностью обедняется до матрицы полупроводниковых областей и достигается такая форма распределения потенциала внутри устройства, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в первом полупроводниковом слое, в потенциальных микро-ямах из p-n-p-n переходов, образованных вокруг полупроводниковых областей. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху р-n переходе, а следующий р-n переход, смещенный в прямом направлении играет роль гасящего лавину сопротивления. В результате этого образуются потенциальные 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 приграничной области первого р-n перехода), и 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 утечке третьего (нижнего) р-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. Поэтому устройство способно работать в режиме счетчика Гейгера, позволяющего регистрировать единичные световые кванты при комнатной температуре. Во втором варианте исполнения устройства первый полупроводниковый слой и полупроводниковая подложка имеют одинаковый тип проводимости, а второй полупроводниковый слой имеет противоположный к ним тип проводимости. Работа устройства в этом варианте исполнения аналогична первому варианту исполнения. Отличие в том, что здесь обеднение от основных носителей заряда начинается с общей границы полупроводниковых слоев. Под действием напряжения, приложенного к устройству, область обеднения распространяется как в первый полупроводниковый слой, так и второй полупроводниковый слой. Область первого полупроводникового слоя n-типа проводимости играет роль гасящего лавину индивидуального резистора в каждом канале умножения. При этом область первого полупроводникового слоя 2, расположенная непосредственно под охранной матрицей, полностью обедняется. Дело в том, что благодаря отсутствию высоколегированного слоя под охранной матрицей, обедненный слой, при работе устройства, проникает в подложку, и в результате этого уменьшается напряженность электрического поля по всему периметру фоточувствительной площади устройства, т.е. по всей площади матрицы из полупроводниковых областей микропиксельного лавинного фотодиода. Таким образом предотвращается краевой пробой в крайних элементах матрицы из полупроводниковых областей, что позволяет увеличить напряжение на устройстве с целью увеличения чувствительности лавинного фотодиода. В этом случае лавинное усиление фототока происходит только на границах полупроводниковых областей со вторым полупроводниковым слоем.

Предложенный микропиксельный лавинный фотодиод можно изготовить на базе полупроводниковой подложки, например, кремниевой подложки n-типа проводимости с удельным сопротивлением 10 Ом⋅см. Сначала на рабочей области полупроводниковой подложки формируют высоколегированный полупроводниковый слой n⁺-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,1 Ом⋅см путем локального диффузионного легирования фосфором. Затем на поверхности полупроводниковой подложки путем молекулярной эпитаксии выращивают первый полупроводниковый слой р-типа (или n-типа) проводимости с удельным сопротивлением 50 Ом⋅см. Матрицу из полупроводниковых областей n⁺-типа проводимости формируют путем ионного легирования первого полупроводникового слоя атомами фосфора или мышьяка. Диаметр полупроводниковых областей выбирают 5 мкм, а зазор между ними - 3 мкм. Дозу легирования выбирают около 50 мкКл⋅см^-2. Также формируют охранную матрицу из дополнительных полупроводниковых областей. Охранную матрицу из дополнительных полупроводниковых областей располагают так, чтобы она выступала за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя. После этого проводят отжиг дефектов при температуре 1000°С. Затем на поверхности первого полупроводникового слоя формируют второй полупроводниковый слой р-типа проводимости с удельным сопротивлением в интервале 3 Ом⋅см путем молекулярной эпитаксии. Это приводит к образованию в объеме устройства чередующихся p-n-переходов в направлении «А», перпендикулярном к плоскости подложки.

Источники информации

1. Гасанов А.Г. и др. Патент РФ №1702831 от 27 июня 1997 года.

2. Antich P.P. et al. US Patent #5844291 from December 1, 1998, Class: H01L 31/107.

3. Долгошеин Б.А. и др., Патент РФ №2290721 от 27 декабря 2006 года.

4. Sadygov Z.Y. and A.F. Zerrouk. US Patent # US 8,742,543 B2 from June 3, 2014.

Микропиксельный лавинный фотодиод, содержащий полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены первый полупроводниковый слой, матрица из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою и второй полупроводниковый слой, отличающийся тем, что на границе полупроводниковой подложки с первым полупроводниковым слоем сформирован высоколегированный по отношению к полупроводниковой подложке слой, а по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей выполнена охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою, причем охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей выступает за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования воздействий радиационного излучения, преимущественно нейтронного, в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить уровень радиации или набранную дозу облучения. .

Лавинный фотодиод и способ его изготовления // 2769749

Изобретение может быть использовано в оптических системах связи, в системах измерения в качестве оптоэлектронного датчика, в том числе при регистрации одиночных фотонов в системах квантовой криптографии, в интегральной оптоэлектронике и системах тестирования интегральных схем, а также в других областях, предполагающих регистрацию оптического сигнала.

Способ порогового обнаружения оптических сигналов // 2755602

ИИзобретение относится к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов. Технический результат изобретения заключается в обеспечении максимального отношения сигнал/шум.

Способ обнаружения оптических сигналов // 2755601

Изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов. Технический результат изобретения заключается в обеспечении максимального отношения сигнал/шум во всех условиях эксплуатации.

Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) // 2732695

Изобретения относятся к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды и т.д. Предложен способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции: на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения; на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения, для формирования внутри нее фотодетектора; заполняют замкнутую канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения; на части верхней поверхности слоя умножения, ограниченной вышеупомянутой замкнутой канавкой, формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя, образуя за пределами этого контактного слоя область фотопреобразователя; на контактном слое формируют первый прозрачный электрод; на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) // 2732694

Изобретения относятся к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды и т.д. Предложен способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции: на всей верхней поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения; на части верхней поверхности слоя умножения формируют, по меньшей мере, один лавинный усилитель, для чего по границе этой части слоя умножения вытравливают кольцевую канавку глубиной, меньшей, чем толщина слоя умножения, заполняют ее диэлектриком, а внутри области, ограниченной канавкой, наносят контактный слой упомянутого лавинного усилителя, образуя слой фотопреобразователя за пределами области, ограниченной канавкой; на верхнюю поверхность фотопреобразователя наносят слой диэлектрика; на поверхность контактного и диэлектрического слоев наносят первый электрод из прозрачного материала; на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) // 2731665

Изобретения относятся к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды и т.д. Предложен способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции: на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения; на всю поверхность слоя умножения наносят слой диэлектрика; на части верхней поверхности слоя умножения и слоя диэлектрика формируют по меньшей мере один лавинный усилитель, для чего в слое диэлектрика и слое умножения вытравливают выемку, боковые стенки которой покрывают слоем диэлектрика, формируют контактный слой упомянутого лавинного усилителя путем заполнения выемки сильнолегированным поликристаллическим кремнием с типом проводимости, противоположным проводимости слоя умножения, с последующей диффузией из области поликристаллического кремния в слой умножения, и фотопреобразователь, образующийся вне выемки; на поверхность контактного слоя и слоя диэлектрика наносят первый электрод из прозрачного материала; на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.

Устройство фотодетектирования и система фотодетектирования // 2686396

Предложено устройство фотодетектирования, в котором на виде сверху первая полупроводниковая область первого типа проводимости перекрывает по меньшей мере часть третьей полупроводниковой области, вторая полупроводниковая область перекрывает по меньшей мере часть четвертой полупроводниковой области второго типа проводимости, значение потенциала третьей полупроводниковой области в отношении электрического заряда первого типа проводимости меньше значения потенциала четвертой полупроводниковой области, а разность между значением потенциала первой полупроводниковой области и значением потенциала третьей полупроводниковой области больше разности между значением потенциала второй полупроводниковой области и значением потенциала четвертой полупроводниковой области.

Способ изготовления планарного лавинного фотодиода // 2654386

Использование: для изготовления фоточувствительных приборов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления планарного лавинного фотодиода включает последовательное эпитаксиальное наращивание на подложку InP n-типа InP буферного слоя n-типа, поглощающего слоя InGaAs n-типа, разделительного слоя InGaAsP, зарядового слоя InP n-типа и слоя умножения InP n-типа; формирование защитного слоя на слое умножения InP; 1-ю ФЛГ: селективное травление светопоглощающей области в защитном слое и слое умножения InP; включающее травление светопоглощающей области защитного слоя и слоя умножения InP на заданную глубину для обеспечения заданного профиля травления с положительным наклоном боковой стенки для уменьшения кривизны области пространственного заряда (создание эффекта охранного кольца) и предотвращение раннего краевого пробоя; 2-ю ФЛГ: селективное травление защитного слоя в области охранного кольца до слоя умножения; диффузию из твердого источника в слой умножения при заданной температуре; формирование светоотражающего слоя на диффузионном слое; 3-ю ФЛГ: локальное травление через маску фоторезиста светоотражающего слоя для формирования контактного окна на светопоглощающей области; 4-ю ФЛГ: формирование слоя верхнего электрода на диффузионной области, образованной на светопоглащающей области; образование нижнего электродного слой на обратной стороне подложки, при этом селективное травление углубления в светопоглощающей области умножающего слоя InP осуществляется методом жидкостного химического травления, которое за счет подбора травителя, время травления и ориентации фотошаблона относительно кристаллографического направления на пластине, обозначенного базовым срезом, обеспечивает воспроизводимую глубину и профиль травления в указанном слое InP; диффузия Zn3P2 осуществляется в откаченной и запаянной кварцевой ампуле при заданной температуре.

Полупроводниковый лавинный фотоприемник // 2650417

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к полупроводниковым лавинным фотоприемникам с внутренним усилением сигнала, и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и заряженных ядерных частиц. Лавинный полупроводниковый фотоприемник включает полупроводниковый слой первого типа проводимости, на поверхности которого выполнены множество полупроводниковых областей второго типа проводимости, на части поверхности которых расположены индивидуальные эмиттеры, образующие потенциальные барьеры с полупроводниковыми областями, первая и вторая проводящие шины, отделенные от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем, индивидуальные микрорезисторы, соединяющие полупроводниковые области с первой проводящей шиной, и дополнительные индивидуальные микрорезисторы, соединяющие индивидуальные эмиттеры со второй проводящей шиной, при этом по всему периметру каждой полупроводниковой области выполнено индивидуальное охранное кольцо, а между каждой полупроводниковой областью и полупроводниковым слоем сформирована дополнительная полупроводниковая область первого типа проводимости с повышенной концентрацией легирующих примесей по сравнению с полупроводниковым слоем.

Лавинный фотодетектор // 2641620

Изобретение может быть использовано для регистрации слабых световых сигналов в системах связи, мониторинга окружающей среды и других областях. Лавинный детектор содержит расположенные на одной и той же подложке фотопреобразователь оптического сигнала, подлежащего детектированию, в ток свободных носителей заряда и по меньшей мере один лавинный усилитель этого тока, имеющий два слоя: контактный и слой умножения, при этом слой умножения обращен к подложке, выполнен из полупроводникового материала того же типа проводимости, что и фотопреобразователь, и примыкает к этому фотопреобразователю, образуя с ним электрический контакт, при этом первый электрод размещен на контактном слое лавинного усилителя, а второй - на проводящей подложке.