ГИБРИДНЫЙ ПИКСЕЛЬНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК - ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЙ, КОНСТРУКЦИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HYBRID PIXEL PHOTODETECTOR - RADIATION DETECTOR, DESIGN AND MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к гибридным пиксельным полупроводниковым фотоприемникам - детекторам ионизирующих излучений (ГПДИИ) и может быть использовано в качестве приемника оптического, рентгеновского, гамма, электронного и других видов радиационных излучений и для получения видеоизображений различных объектов.
В частности, такой детектор может быть использован в медицине, таможенном контроле, контроле качества и неразрушающем контроле материалов, рентгеновской астрономии, спектроскопии, фундаментальных исследованиях синхротронных излучений и т.д.
-
-
+
+
Известны конструкции гибридных пиксельных детекторов, содержащие первую - кремниевую подложку - пластину, на нижней (верхней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, содержащая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности этих пикселей расположены контактные электроды, и вторую полупроводниковую подложку n(p) типа проводимости, выполненную из материала, оптимального для поглощения конкретного вида излучения, например германия (Ge) или арсенида галлия (AsGa) [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»; 2. G.D. Hallewell «Development of active pixel vertex detectors for high luminosity particle physics applications original research article», Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, Volume 348, Issues 2-3, 1 September 1994, pages 388-398; 3. United states patent US 7157300 B2 Date of filing 02.01.2007 «Fabrication of thin film germanium infrared sensor by bonding to silicon wafer»; 4. United states patent US 5729020 «Hybrid type infrared detector»; 5. United states patent US 6204087 B1 Date of filing 20.03.2001 «Fabrication of three-dimensional architecture for solid state radiation detectors»; 6. United states patent US 2009 0045346 A1 Date of filing 19.02.2009 «Х-ray imaging device and method for the manufacturing thereof], содержащую на своей нижней (верхней) поверхности сильно легированный n(p) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее верхней (нижней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов или диодов Шоттки, которые через контактные электроды (индиевые столбиковые выводы [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»; 2. G.D. Hallewell «Development of active pixel vertex detectors for high luminosity particle physics applications original research article», Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, Volume 348, Issues 2-3, 1 September 1994, pages 388-398], либо иного материала [3. United states patent US 7157300 B2 Date of filing 02.01.2007 «Fabrication of thin film germanium infrared sensor by bonding to silicon wafer»]) соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на верхней (нижней) поверхности второй подложки. Недостатком таких конструкций детекторов является:
- ограничение координатной разрешающей способности из-за относительно больших размеров контактных электродов пиксель и необходимости топологического совмещения пиксель обеих пластин-подложек;
- относительно высокая стоимость из-за высокого процента брака при совмещении электродов пиксель пластин.
-
-
+
+
Наиболее близкой по технической сущности является широко распространенная конструкция гибридного пиксельного детектора, представленная в [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»] и [G.D. Hallewell «Development of active pixel vertex detectors for high luminosity particle physics applications original research article», Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, Volume 348, Issues 2-3, 1 September 1994, pages 388-398], которая взята за прототип. Она содержит первую - кремниевую подложку, на верхней (нижней) поверхности которой расположена интегральная СБИС - микросхема, содержащая матрицу пикселей с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности этих пикселей расположены контактные электроды (столбиковые выводы), и вторую полупроводниковую подложку n(p) типа проводимости, содержащую на своей верхней (нижней) поверхности сильно легированный n(p) слой с расположенным на нем металлическим общим катодным (анодным) электродом, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов, которые через контактные электроды (столбиковые выводы) соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки, расположенной на нижней (верхней) поверхности второй подложки.
Недостатком конструкции детектора-прототипа также является:
- ограничение координатной разрешающей способности детекторов из-за относительно больших размеров контактных электродов пикселей ввиду необходимости топологического совмещения пикселей обеих пластин.
Техническим результатом изобретения является повышение координатной разрешающей способности детекторов.
-
-
+
+
Цель достигается тем, что вторая подложка одного n(p) типа проводимости, является общей - анодной (катодной) областью и образует с полупроводниковыми контактными электродами n(p) типа проводимости, являющимися одновременно катодными (анодными) электродами, матрицу p-i-n-диодов.
Известны способы изготовления гибридных пиксельных детекторов [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»; 2. G.D. Hallewell «Development of active pixel vertex detectors for high luminosity particle physics applications original research article», Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, spectrometers, detectors and associated equipment, Volume 348, Issues 2-3, 1 September 1994, pages 388-398; 3. United states patent US 7157300 B2 Date of filing 02.01.2007 «Fabrication of thin film germanium infrared sensor by bonding to silicon wafer»; 4. United states patent US 5729020 «Hybrid type infrared detector»], включающие:
- подготовку первой - кремниевой подложки, изготовление на ее поверхности интегральной СБИС - микросхемы с матрицей пикселей с контактными электродами;
-
-
+
+
- подготовку второй подложки n(p) типа проводимости и формирование на ее поверхности n(p) сильно легированного слоя;
- утонение второй подложки и изготовление в ней матрицы пикселей - p-i-n-диодов с контактными электродами;
- соединение подложек с топологическим (геометрическим) совмещением соответствующих контактных электродов подложек.
Или способы изготовления детекторов [3. United states patent US 7157300 B2 Date of filing 02.01.2007 «Fabrication of thin film germanium infrared sensor by bonding to silicon wafer»; 4. United states patent US 5,729,020 «Hybrid type infrared detector»], включающие:
- подготовку первой - кремниевой подложки, изготовление на ней интегральной СБИС - микросхемы с матрицей пикселей, формирование на ней контактных электродов (столбиковых выводов);
+
+
- подготовку второй подложки и создание на ее нижней (верхней) поверхности сильно легированного n(p) слоя и общего контактного электрода, изготовление на ее верхней (нижней) поверхности матрицы пикселей p-i-n-диодов;
- соединение подложек с совмещением контактных электродов (столбиковых выводов) первой подложки с контактными электродами p-i-n-диодов второй подложки.
Недостатком таких способов изготовления гибридных пиксельных детекторов является: технологическая сложность (соответственно высокая стоимость технологии) создания большого числа межсоединений между пластинами из-за проблемы совмещения контактных электродов, особенно если пластины имеют значительную толщину (300 мкм).
Наиболее близким по технической сущности широко применяемым и обладающим наилучшей технологичностью является способ изготовления детектора, который взят за прототип [1. European patent application ЕР 2088451 A1 date of filing 12.08.2009 «Imaging detector»], включающий:
- подготовку первой - кремниевой подложки, изготовление на ней интегральной СБИС - микросхемы с матрицей пикселей с контактными электродами (столбиковыми выводами);
+
+
- подготовку второй подложки и создание на ее верхней (нижней) поверхности сильно легированного n(p) слоя и общего контактного электрода, изготовление на ее нижней (верхней) поверхности матрицы пикселей p-i-n-диодов;
- соединение подложек с совмещением контактных электродов (столбиковых выводов) первой подложки с контактными электродами p-i-n-диодов второй подложки.
Однако при таком способе также существует проблема совмещения соответствующих пикселей пластин.
Техническим результатом изобретения является уменьшение стоимости, повышение надежности и повышение разрешающей способности гибридных пиксельных детекторов.
+
+
Цель достигается тем, что контактные электроды первой подложки выполняются из полупроводникового материала сильно легированного примесью n(p) типа, при этом соединение подложек происходит при  температуре интенсивной диффузии этой примеси из контактных электродов первой - кремниевой подложки во вторую подложку с одновременным формированием в ней p-i-n-диодов.
С целью надежности работы путем исключения утечек между p-i-n-диодами по поверхности второй подложки, например пластины германия, ее следует пассивировать путем смыкания под давлением, поверхности второй подложки - пластины германия с диэлектриком (оксидом кремния, нитридом кремния и т.д.), расположенном на кремниевом чипе. При этом возможны варианты, в частности, когда:
- контактные электроды выполняются из «твердого» материала, например, поликремния, который углубляется во вторую подложку (пластину) при соединении пластин;
- контактные электроды выполняются ниже уровня поверхности диэлектрика, а во вторую подложку (пластину) углубляется диэлектрик, расположенный на кремниевом чипе.
Изобретение поясняется фиг. 1-6.
На фиг. 1 показана конструкция детектора-прототипа, из которой видно, что раздельное изготовление пластин приводит к проблеме их совмещения и соответственно к браку либо к нежелательному увеличению площади пикселей (ухудшению разрешающей способности).
+
На фиг. 2 показана конструкция гибридного пиксельного детектора ионизирующих излучений. Она содержит первую - кремниевую подложку - 1 n-типа проводимости, вторую германиевую подложку - 2 n-типа проводимости. На верхней поверхности подложки - 2 расположена интегральная СБИС - микросхема, включающая матрицу пикселей - 3 с КМОП электронными схемами считывания и обработки электрических сигналов, при этом на поверхности этих пикселей расположены контактные электроды - 4. Вторая германиевая подложка содержит на своей верхней поверхности сильно легированный n-слой - 5 с расположенным на нем металлическим общим катодным электродом - 6, а на ее нижней (верхней) поверхности расположена матрица пикселей p-i-n-диодов - 7, которые через контактные электроды - 4 соединены с соответствующими пикселями матрицы первой кремниевой подложки - 1. Матрица пикселей - 3 содержит n-МОП и р-МОП транзисторы, имеющие соответствующие области карманов - 8, стоков и истоков n-типа - 9, стоков и истоков р-типа - 10, затворов - 11, и выводам к ним - 12, на поверхности кремниевой подложки расположен диэлектрик - 13.
На фиг. 2 показана основная операция изготовления конструкции гибридного пиксельного детектора ионизирующих излучений.
Принцип действия гибридного пиксельного детектора
Квант ионизирующего излучения, например рентгеновского, взаимодействует с атомом материала детектирующей пластины-подложки и генерирует фотоэлектрон, который в свою очередь возбуждает определенное количество внешних электронов (порядка нескольких тысяч) с соседних атомов и таким образом создает облако электронов (и дырок) в области пространственного заряда соответствующего p-i-n-диода, которое под действием электрического поля, приложенного к пластине, создает импульс ионизационного тока.
Импульс тока поступает на вход пикселей матрицы микросхемы считывания, расположенной в кремниевой пластине. Здесь он усиливается КМОП электронными схемами и, если его величина превышает некое пороговое значение, суммируется в счетчике импульсов пикселей.
Различное количество одиночных импульсов, накопленных в матрице пикселей, формируют контрастный образ изображения, т.е. изображение объекта. В экспериментах по дифракции рентгеновских лучей одиночные импульсы пикселей формируют двумерную дифракционную картину рентгеновских лучей, а также они могут быть специально интегрированы или разбиты на интервалы для формирования дифрактограмм.
Пример конкретной технологической реализации
Гибридного пиксельного фотоприемника - детектора излучений состоит в следующих технологических операциях:
+
14
-3
17
-3
- формирование диффузией фосфора n-контактной области в верхней германиевой (или кремниевой) пластине с низкой концентрацией примеси фосфора или бора (10 см - 10 см) и осаждение на нее металла общего электрода из алюминия (A1) (фиг. 2, а);
- изготовление в кремниевой пластине КМОП интегральных схем, содержащих матрицы пикселей с входными электродами из сильно легированного бором поликремния (полигермания) (см. фиг. 2, б);
- соединение (сварка) пластин при температуре T=500-800°C интенсивной диффузии примеси из поликремния (полигермания) в германиевую подложку (см. фиг. 2, а).
С целью исключения утечек между p-i-n-диодами по поверхности германия ее можно улучшить - пассивировать - путем смыкания под давлением поверхности германия с диэлектриком (оксидом кремния, нитридом кремния и т.д.), расположенным на кремниевом чипе. При этом возможны варианты, в частности, когда:
- контактные электроды выполняются из «твердого» материала - например, поликремния, который углубляется в германий (фиг. 3);
- контактные электроды выполняются из «мягкого» материала, например, германия, а в германиевую пластину углубляется диэлектрик, расположенный на кремниевом чипе (фиг. 4).
Особенности и преимущества использования
1. Например, для регистрации рентгеновских квантов синхротронных излучений (фотонов) с низкими энергиями 3-10 кэВ возможна конструкция детектора, состоящая из двух кремниевых Si пластин, в которой кремниевая пластина, содержащая электронику, выполняется по технологии «кремний на изоляторе». В этом случае имеется возможность утонения кремниевой  пластины до минимальных значений 0,2-0,5 мкм (до оксидного слоя - 14) (фиг. 5).
Для улучшения качества контактов к германию на его поверхность могут быть нанесены молекулярные эпитаксиальные слои кремния (фиг. 6).
2. Важным преимуществом предлагаемого детектора является также отсутствие экранирования излучения индиевыми электродами (столбиковыми выводами), которое имеется в традиционных гибридных детекторах.
3. При попадании рентгеновского излучения с лицевой стороны германиевой пластины имеется возможность получения максимально высокой квантовой эффективности (около 98%) и координатного разрешения (размера пикселей) - менее 20 мкм, что существенно превышает аналогичные параметры выпускаемых детекторов, мирового лидера - компании DECTRIS Ltd (соответственно 80% и 172 мкм) (https://www.dectris.com/products.html).
4. Использование германиевой Ge - детектирующей подложки позволяет получить для рентгеновских излучений диапазона 10-35 кэВ квантовую эффективность 98% и координатную разрешающую способность не хуже 20 мкм, а для диапазона 30-150 кэВ не хуже 80% и 100 мкм соответственно, что удовлетворяет предельным требованиям, предъявляемым к детекторам медицинского назначения (табл. 1).
5. Исключение совмещения пластин и отказ от дорогого материала индиевых столбов приводит к существенному уменьшению стоимости детектора и повышению качества полученных изображений.
На фиг. 7 показана блок-схема технологической реализации конструкции гибридного пиксельного детектора ионизирующих излучений.