close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2929

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2929
(13)
C1
6
(51) H 01L 31/00
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
ЛАВИННЫЙ ФОТОПРИЕМНИК
(21) Номер заявки: a 19980054
(22) 1998.01.21
(46) 1999.09.30
(71) Заявитель: Научно-исследовательское
конструкторско-технологическое
предприятие "Белмикросистемы" (BY)
(72) Авторы: Залесский В.Б., Емельянов В.А.,
Белоус А.И. (BY)
(73) Патентообладатель: Научно-исследовательское
конструкторско-технологическое
предприятие "Белмикросистемы" (BY)
(57)
Лавинный фотоприёмник, содержащий полупроводниковую подложку, локальные области противоположного подложке типа проводимости, буферный слой и металлический электрод, отличающийся тем, что
между локальными областями противоположного типа проводимости сформированы сильнолегированные
области с таким же как у подложки типом проводимости, расположенные на расстоянии, меньшем, чем ширина области пространственного заряда при напряжении лавинного пробоя, а буферный слой и металлический электрод расположены над поверхностью областей противоположного типа проводимости.
(56)
1. Патент Великобритании 1175404, НКИ Н1К, 1967.
2. А. c. СССР 1131403, МПК Н01L 31/00, 1984.
3. А. с. СССР 1644708, МПК H01L 31/00, 1989.
Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано, например, в волоконнооптических линиях связи, в качестве детекторов ионизирующих излучений, фотодатчиков устройств обработки информации.
Одним из перспективных направлений развития оптоэлектроники является создание высокочувствительных интегральных фотоприемных элементов, в частности фотоприемников с внутренним усилением. Общим
недостатком всех имеющихся конструкций лавинных фотодиодов на р-n переходе является сильная зависимость коэффициента умножения от колебаний питающего напряжения. В значительной степени свободными
от этого недостатка являются лавинные фотодиоды со структурой металл - буферный слой - полупроводник,
где в качестве буферного слоя используется как диэлектрики, так и материалы, имеющие сравнительно вы-
BY 2929 C1
сокое (более 1000 Ом) удельное сопротивление. В таких приборах за счет наличия высокоомного буферного
слоя существует отрицательная обратная связь по напряжению, обеспечивающая существенную стабилизацию коэффициента усиления по напряжению, высокие (104) значения коэффициента усиления фототока и
высокую однородность усиления по площади.
В то же время, наличие полевого металлического электрода на поверхности структуры существенно (∼2
раза) снижает величину светового потока, проникающего в объем полупроводника и генерирующего фототок, т.е. снижает квантовую эффективность фотоприемника.
Известна конструкция лавинного фотоприемника, состоящего из кремниевой подложки и двух электродов, один из которых является омическим металлическим контактом, расположенным на тыльной стороне
полупроводниковой подложки, а второй - полупрозрачный электрод, лежащий на диэлектрической пленке
толщиной 0,1 мкм, отделяющий его от подложки [1].
Недостатком этой конструкции является малый срок службы, обусловленный деградацией границы раздела Si-SiO2 под действием горячих носителей и низкая квантовая эффективность, обусловленная наличием
полупрозрачного металлического электрода.
Известна конструкция лавинного фотоприемника [2], состоящего из полупроводниковой подложки первого типа проводимости, полупроводникового слоя второго типа проводимости, буферного диэлектрического слоя и металлических электродов, один из которых является омическим контактом, расположенным на
тыльной стороне полупроводниковой подложки, а второй - полупрозрачный электрод, лежащий на диэлектрической пленке. Недостатком такой конструкции является низкая квантовая эффективность, обусловленная поглощением и отражением части излучения полупрозрачным полевым электродом.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является лавинный фотоприемник [3], состоящий
из полупроводниковой подложки, буферного слоя и полевого электрода. На поверхности подложки под буферным слоем сформированы области обратного по отношению к подложке типа проводимости, напряжение
пробоя внутри областей меньше, чем вне их, а расстояние между областями не меньше толщины буферного
слоя. Лавинное умножение носителей заряда происходит во вновь введенных р-n переходах. Недостатком
такой конструкции является низкая квантовая эффективность, обусловленная наличием полевого электрода.
В основу изобретения положена задача повышения фоточувствительности лавинного фотоприемника за
счет увеличения квантовой эффективности фотопреобразования.
Существо изобретения заключается в том, что в лавинном фотоприемнике, состоящем из полупроводниковой подложки, локальных областей противоположного подложке типа проводимости, буферного слоя и
металлического электрода, между локальными областями противоположного типа проводимости сформированы сильнолегированные области с таким же, как у подложки типом проводимости, расположенные на расстоянии, меньшем, чем ширина области пространственного заряда при напряжении лавинного пробоя, а буферный слой и металлический электрод расположены над поверхностью областей противоположного типа
проводимости.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены поперечный разрез лавинного фотоприемника, содержащего полупроводниковую подложку 1 типа проводимости с омическим контактом 7, в которой расположены области 2 и 3 противоположного и того же типа проводимости, соответственно буферный
слой 4 и металлический электрод 5. Между полупроводником 1 и полупроводниковым слоем 2 образуется рn переход имеющий область пространственного заряда (ОПЗ) 6. Соотношение между диэлектрическими
проницаемостями полупроводниковых слоев, пробивным полем слоя диэлектрика и полем лавинообразования в р-n переходе таково, что поле лавинообразования возникает до начала пробоя диэлектрика, а напряжение смещения на металлическом электроде 5 таково, что напряженность поля в ОПЗ р-n перехода между областями 2 и 3 соответствует напряженности поля лавинообразования.
Устройство изготавливалось следующим образом. В кремниевой пластине n-типа проводимости с удельным сопротивлением 20 Ом∗см формировался защитный слой ∼ 0,3 мкм и методами оптической литографии
- топологический рисунок слоев 2 и 3, обеспечивающий равноудаленность границ слоев 2 и 3. Затем проводилось локальное травление окисного слоя, снятие фоторезиста, повторная фотолитография со вскрытием
окон только под слой 2 и ионная имплантация бора во вскрытые окна. При этом слой фоторезиста служил
маской для предотвращения легирования других областей. Затем операции фотолитографии повторялись,
вскрывая только окна под слой 3 и проводилась ионная имплантация фосфора. После снятия фоторезиста и
химобработки проводился отжиг имплантированных слоев, при этом глубина р-n переходов составила
2,5÷3 мкм. Затем стандартными методами вакуумного напыления и фотолитографии формировались пленки
резистивного слоя карбида кремния и алюминиевый полевой электрод заданного топологического рисунка.
К n+ - областям формировались контактные окна и омический контакт 7.
Устройство работает следующим образом. К электроду затвора 5 прикладывается постоянное напряжение таким образом, чтобы р-n переход находился под обратным смещением. При этом все приложенное на2
BY 2929 C1
пряжение в основном падает на буферном слое 4 и р-n переходе. С увеличением напряжения происходит
расширение ОПЗ 6 р-n перехода и увеличение в нем напряженности электрического поля. При достижении
определенного значения напряжения границы ОПЗ достигнут n+ - областей и в силу более высокой концентрации в них примеси, распространяться далее не смогут. В соответствии с выражением для треугольной
2U
, где Е - напряженность электричеформы распределения напряженности поля в ОПЗ р-n перехода E =
d
ского поля в полупроводнике, U - напряжение смещения, d - расстояние между обкладками конденсатора,
т.е. областями р+ и n+ проводимости, дальнейшее увеличение напряжения приводит к увеличению напряженности электрического поля в этих областях и при соответствующем напряжении напряженность электрического поля может достичь значений, достаточных для лавинообразования, т.е. для развития в ОПЗ процесса
ударной ионизации носителей заряда и соответственно резкого увеличения тока через прибор.
При протекании через р-n переход большого лавинного тока происходит резкое уменьшение его сопротивления. Таким образом, происходит перераспределение напряжения между р-n переходом и буферным
слоем так, что напряжение, приложенное к р-n переходу уменьшается, а к буферному - увеличивается. Это, в
свою очередь, приводит к снижению напряженности электрического поля в ОПЗ и уменьшению коэффициента лавинного умножения, что в свою очередь, приводит к уменьшению лавинного тока и увеличению сопротивления р-n перехода.
Таким образом, в лавинном фотоприемнике устанавливается режим самостабилизации коэффициента лавинного умножения, как и в известном техническом решении.
Для того чтобы инициировать лавинный процесс, необходимо ввести в область с высокой напряженностью электрического поля носителей заряда - электроны или дырки. Это достигается облучением полупроводниковой структуры световым потоком с длинами волн, соответствующими области собственного поглощения полупроводника (для Si ∼ 0,25:1,1 мкм).
Падающее излучение поглощается в полупроводнике по закону N(x) = N0e-αх, где N - количество фотонов
на расстоянии х от поверхности полупроводниковой подложки, N0 - количество фотонов, падающее на поверхность полупроводниковой подложки, α - коэффициент поглощения излучения данной длины волны в
полупроводнике.
Величина, обратная коэффициенту поглощения, т.е. 1/α, показывает на какой глубине интенсивность излучения уменьшается в е раз. Так, 1/α для λ = 0,3 мкм составляет для кремния - 106 см-1, 0,4 мкм - 4Ѕ104 см-1,
0,5 мкм - 104 см-1. Отсюда следует, что все коротковолновое излучение практически полностью поглощается
на глубине ∼ 2 мкм. В обычных планарных фотодиодах приповерхностная область представляет собой высоколегированную область противоположного подложке типа проводимости, в которой, соответственно, имеет
место высокая рекомбинация генерированных светом носителей заряда. Поэтому, такие фотодиоды не обладают высокой чувствительностью к коротковолновому излучению.
В конструкции прототипа на поверхности полупроводниковой подложки расположен полупрозрачный
полевой электрод, поглощающий и отражающий до 40ј60 % падающего светового потока.
В предлагаемой конструкции р и n+ области для уменьшения «затененной» части фотоприемника формируются по возможности узкими (≤ 1 мкм), а ширина области с высокой напряженностью электрического поля выбирается, исходя из желаемого рабочего напряжения. Так, например, для рабочего напряжения 200 В,
ширина зазора между р и n+ областями составляет ∼ 10 мкм, т.е. эффективная фотоприемная площадь составляет 83 %. При падении коротковолнового излучения на такую фотоприемную площадку генерированные светом носители заряда сразу попадают в область высокого поля и дрейфуют к области умножения.
Вследствие малой концентрации примеси в области наличия высокого электрического поля и сравнительно
малых расстояний, рекомбинация носителей заряда практически не происходит, поэтому квантовая эффективность приближается к теоретическому пределу.
Дальнейшее увеличение квантовой эффективности для более длинных длин волн можно достичь, если:
а) р и n+ области формировать в углублениях с вертикальными стенками и глубиной, соизмеримой с глубиной проникновения излучения с регистрируемой длиной волны в полупроводник.
б) Формировать контакты к р и n+ областям только по периферийной части фотоприемной площадки, а
буферный слой располагается под р областями.
Таким образом, предлагаемый лавинный фотоприемник по сравнению с прототипом имеет более высокую фоточувствительность за счет увеличения квантовой эффективности фотопреобразования.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
3
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
160 Кб
Теги
by2929, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа