Результат интеллектуальной деятельности: МИКРОКАНАЛЬНЫЙ ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД

Описание изобретения

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

Известно устройство /1/, 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 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 областях спектра ввиду низкой прозрачности как буферного слоя, так и высоколегированных полупроводниковых областей. Кроме того, фотоэлектроны, образованные между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиливаться, что приводит к понижению чувствительности устройства.

Известно устройство /2/, включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости и эпитаксиальный слой p-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. Высоколегированные области n-типа проводимости обеспечивают локализацию лавинного процесса в p-n-переходах, отделенных друг от друга областями диэлектрического слоя. Фоточувствительным слоем, в котором создаются фотоэлектроны, является эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности инородных материалов - диэлектрических и резистивных слоев. Поэтому основными недостатками устройства являются сложность технологии изготовления таких эпитаксиальных слоев и высокий уровень темнового тока, приводящего к ухудшению чувствительности и отношения сигнал/шум устройства.

Известно также устройство /3/, взятое за прототип, включающее полупроводниковую подложку и полупроводниковый слой, образующий с подложкой p-n переход. На поверхности подложки содержится матрица отдельных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к подложке. Полупроводниковые области используются в прототипе с целью создания отдельных лавинных областей (микроканалов), обеспечивающих усиление сигнала. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев в приграничной зоне полупроводниковых областей, где производится усиление фотоэлектронов. Дело в том, что полупроводниковые области расположены непосредственно на границе раздела p-n перехода, образованного на границе раздела подложка-полупроводниковый слой. Поэтому полупроводниковые области имеют зарядовую и токовую связь между собой или через электронейтральную часть полупроводникового слоя, или же через подложку в зависимости от их типа проводимости. То есть в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в отдельных областях, где происходит лавинный процесс. Одна или несколько областей с пониженным потенциалом пробоя не позволяют поднять напряжения на приборе с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на всей площади устройства. Таким образом, в устройстве ограничен коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности лавинного фотодиода.

Предложенное изобретение направлено на улучшение стабильности амплитуды сигнала и увеличение чувствительности лавинного фотодиода в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Для достижения этих технических результатов в лавинном фотодиоде, включающем полупроводниковую подложку и полупроводниковые слои с разными электрофизическими параметрами, формируют, по крайней мере, одну матрицу, состоящую из отдельных твердотельных областей с повышенной проводимостью, окруженных со всех сторон полупроводниковым материалом одного типа проводимости. Твердотельные области расположены между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями, имеющими повышенную проводимость по отношению к полупроводниковым слоям, с которыми они имеют общую границу раздела. При этом, по крайней мере, один из дополнительных полупроводниковых слоев с повышенной проводимостью не имеет общей границы раздела с твердотельными областями. Полупроводниковые области располагают вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев.

В зависимости от варианта исполнения устройства твердотельные области с повышенной проводимостью формируют из одинакового с полупроводниковыми слоями материала, но с разными типами проводимости, из узкозонного полупроводника по отношению к материалу полупроводниковых слоев, а также из металлического материала. Это приводит к образованию в устройстве, соответственно, либо чередующихся p-n-переходов, или гетеропереходов, или же переходов металл-полупроводник в направлении, перпендикулярном к плоскости подложки.

В результате этого в устройстве образуется, по крайней мере, одна двумерная матрица отдельных потенциальных ям, расположенных между дополнительными полупроводниковыми слоями с повышенной проводимостью. Формирование двух и более матриц отдельных твердотельных областей с повышенной проводимостью приводит к большему улучшению чувствительности и стабильности амплитуды сигнала устройства.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показаны поперечные сечения микроканального лавинного фотодиода с одним (А) и двумя (С) матрицами твердотельных областей, расположенных между дополнительными полупроводниковыми слоями с повышенной проводимостью. Устройство изготавливают на базе полупроводниковой подложки 1, например, кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 1 Ом·см. Сначала в рабочей области полупроводниковой подложки формируют первый дополнительный полупроводниковый слой 2 n-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,1 Ом·см путем локального диффузионного легирования фосфором. Затем на поверхности подложки путем молекулярной эпитаксии выращивают кремниевый полупроводниковый слой 3 p-типа проводимости с удельным сопротивлением в интервале 1-100 Ом·см, образующий p-n-переход с первым дополнительным полупроводниковым слоем. Твердотельные области с повышенной проводимостью 4 формируют путем ионного легирования полупроводникового слоя атомами фосфора. Дозу легирования выбирают в интервале 5-100 мкКл·см^-2. После отжига дефектов при температуре 900°С внутри полупроводникового слоя образуются области - островки n-типа проводимости с удельным сопротивлением около 0,01 Ом·см, окруженные со всех сторон полупроводниковым материалом p-типа проводимости с удельным сопротивлением в интервале 1-100 Ом·см. Затем путем ионного легирования бором на поверхности полупроводникового слоя 3 формируют второй дополнительный полупроводниковый слой 5 с удельным сопротивлением около 0,01 Ом·см. Это приводит к образованию в объеме устройства чередующихся p-n-переходов в направлении 6, перпендикулярном к плоскости подложки, причем чередующиеся p-n-переходы расположены между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями с повышенной проводимостью.

В зависимости от варианта исполнения устройства твердотельные области с повышенной проводимостью формируют также из германиевых или титановых кластеров, окруженных кремниевым материалом. Для того чтобы образовалиь германиевые или титановые кластеры в объеме полупроводникового слоя из кремния дозу легирования германием или титаном выбирают выше 1000 мкКл·см^-2. При этом в устройстве образуются, соответственно, или чередующиеся гетеропереходы, или же переходы металл-полупроводник в направлении, перпендикулярном к плоскости подложки.

Поперечные размеры твердотельных областей и зазор между ними определяются специальным фотошаблоном, с помощью которого вскрывают окна в фоторезисте либо в специальной маске для локального легирования полупроводникового слоя. Энергию ионов при легировании выбирают в зависимости от необходимой глубины залегания внедряемых атомов. Затем изготавливают известные элементы устройства, такие как охранные кольца или глубокие канавки вокруг рабочей площади, а также контактные электроды.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве лавинное усиление фототока происходит только в границах твердотельных областей с полупроводниковыми слоями, представляющих собой независимые каналы умножения носителей заряда, совпадающие направлением 6. Это происходит благодаря тому, что области чередующихся потенциальных барьеров в направлении 6 окружены областями p-n-перехода, расположенными в направлении 7. В рабочем режиме к верхнему электроду полупроводникового слоя прикладывается напряжение полярностью, соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом средний переход в канале умножения смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между каналами умножения, также смещаются в противоположном направлении. При этом первый дополнительный полупроводниковый слой с повышенной проводимостью ограничивает распространение электрического поля в подложку, тем самым он обеспечивает уменьшение темнового генерационного тока и достижение лавинного процесса только в рабочей области устройства. Второй дополнительный полупроводниковый слой с повышенной проводимостью ограничивает электрическое поле с внешней стороны и обеспечивает однородность потенциала вдоль фоточувствительной поверхности устройства. В результате этого достигается такая форма распределения потенциала внутри устройства, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в верхнем фоточувствительном полупроводниковом слое, к потенциальным микроямам, образованным твердотельными областями. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху переходе канала умножения, а следующий переход, смещенный в прямом направлении, выполняет роль потенциальной ямы глубиной около 0,5-1 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 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 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. Гасанов А.Г. и др. Патент РФ №1702831 от 27 июня 1997 года. Заявка 4747595/25 от 11 октября 1989 года (аналог).

2. Antich P.P. et al. US Patent #5844291 from December 1, 1998, Class: H 01 L 31/107; H01L 31/06. Application #771207 from December 10, 1996 (аналог).

3. Садыгов З.Я. Патент России №2102821 от 20 января 1998 года, кл. H01L 31/06. Заявка №96119670 от 10 октября 1996 года (прототип).