Планарный одно- или многоплощадочный фотодиод из антимонида индия

Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ИК-излучению и может использоваться при изготовлении дискретных, линейчатых и матричных фотодиод (ФД) спектральной области 3-5 мкм на основе антимонида индия. Применение антимонида индия обеспечивает получение наивысших фотоэлектрических параметров ФД по сравнению с другими полупроводниковыми материалами благодаря наивысшей квантовой эффективности и отработанности технологий получения исходных кристаллов и фотодиодных структур.
+
+
Современные одно- и многоплощадочные ФД из антимонида индия (InSb) представляют собой охлаждаемую до температур (80±10)К планарную фотодиодную структуру p-n типа на основе кристаллов n-типа проводимости, являющихся базой ФД. Фоточувствительными площадками являются пленарные площадки р-типа (эмиттеры).
+
+
д
д
Обязательным элементом ФД является охранное кольцо (ОК), которое образовано дополнительной, замкнутой на базу планарной р-областью, окружающей площадку или группу площадок и расположенное на расстоянии  от этих площадок. Такое ОК (короткозамкнутый р-n переход) является областью с нулевой скоростью генерации и бесконечной скоростью рекомбинации дырок, благодаря чему оно «отсасывает» в себя из базы неравновесные и равновесные дырки с расстояний до двух диффузионных длин дырок (L). Благодаря этому ОК обеспечивает отсутствие фотовзаимосвязи между площадками, ограничивает фотоэлектрический размер площадок и «гасит» все неравновесные процессы между ОК и площадкой, если та находится в пределах 2L от ОК, следствием чего является «гашение» взрывных шумов фонового типа (см. Микроэлектроника, т. 18, вып. 5 (1989), с. 455-463).
д
ПД
Отбор равновесных дырок с периферии площадки в ОК приводит к уменьшению темнового тока площадки на ту величину, которая обусловлена этими дырками, и этот эффект усиливается при уменьшении размера площадки (за счет уменьшения отношения площади к периметру площадки) и уменьшении расстояния  (см. Прикладная физика, №2 (1999), с. 73-79). Таким образом, для того, чтобы в полной мере выполнить свои задачи, ОК должно располагаться не дальше 2L от площадки и как можно ближе к ней. Однако, как показывают экспериментальные результаты, приближение ОК к площадке на расстояниях меньше 30 мкм, уменьшая темновой ток, приводит к резкому уменьшению предельно-допустимого напряжения обратного смещения площадки (U), превышение которого приводит либо к временной, либо к устойчивой деградации ФД, и это необходимо учитывать при проектировании топологии ФД.
д
ПД
Из изложенного следует, что значение  не должно превышать 2L и при этом быть минимальным, но ограниченным снизу значением, обеспечивающим заданную величину U.
ПД
ПД
Известен планарный ФД из InSb, имеющий U = 12 В, с ОК, расположенным на расстоянии  от площадки размером 50×50 или 150×150 мкм (см. Патент SU 1589963 А1 от 17.01.1995 г.), однако такой ФД не отвечает требованию минимальности расстояния  при U<(10-12)В.
ПД
ПД
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятый за прототип планарный ФД из InSb, имеющий U = 6,5 В с ОК, расположенным на расстоянии  от площадки размером 150×150 мкм (см. Документация АО «Московский завод «САПФИР» АГЦ7.340.144), однако значение  в таком ФД также не отвечает требованию минимальности при U≤6,5 В.
ПД
Заявляемая полезная модель решает задачу обеспечения минимальности значения , то есть минимальной дальности расположения ОК от фоточувствительной площадки или группы площадок, при заданной величине U в пределах до 12 В.
+
+
ПД
Указанный технический результат достигается тем, что в планарном одно- или многоплощадочном ФД из антимонида индия, содержащем подложку из монокристалла InSb n-типа проводимости или эпитаксиальной структуры со слоем такого монокристалла, являющегося базой ФД, на поверхности которой располагаются одна или несколько фоточувствительных площадок р-типа проводимости, каждая из которых или группа площадок окружены охранным кольцом в виде замкнутой на базу дополнительной планарной р-области, расположенной на расстоянии  от пленарных границ площадки или группы площадок, причем значение  одновременно не превышает двух диффузионных длин дырок в базе ФД и определяется заданным предельно-допустимым напряжением обратного смещения ФД (U) при расчете исходя из полуэмпирической формулы:
где
- расстояние в см;
е - элементарный заряд;
N - концентрация основных носителей заряда в базе;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость InSb;
о
ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
з
U - напряжение запаса.
Предлагаемая полезная модель основывается на следующих экспериментальных результатах.
+
+
x
Были изготовлены 4 партии 10-площадочных планарных ФД из кристаллов InSb марки ИСЭ-2в по серийной технологии с применением локальной имплантации ионов Ве и стационарного постимплантационного отжига (формирование планарных р-n переходов), анодного окисления и нанесения слоя SiO термическим распылением для защиты поверхности, нанесения контактной системы последовательным термическим напылением слоев хрома и золота и операций контактной фотолитографии.
+
+
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом фиг. 1, на котором пластина n - InSb, являющаяся базой 1ФД, содержит р-площадки (эмиттеры) 2 размером 50×50 мкм, которые располагаются в линию; каждая площадка 2 окружена р ОК 3, расположенным на расстоянии  от площадок и закороченным на базу 1 (закоротки ОК 4), где  = 4, 10, 20 или 30 мкм соответственно в партиях №1-4. Готовые пластины разрезали на ЧИПы ФД, собиравшиеся в герметичные капсулы, которые заливали жидким азотом и измеряли прямые и обратные ветви вольт-амперных характеристик (ВАХ) площадок.
д
д
ПД
ПД
д
3
3
ПД
Результаты измерений обнаружили следующие особенности. Прямые ветви ВАХ практически не отличаются для площадок разных партий, а обратные зависят от величины : напряжение «загиба» возрастает при увеличении . При дальнейшем возрастании прикладываемого напряжения и достижении некоторой его величины U происходит деградация ВАХ площадок: появляется шунтирующее сопротивление уровней от единиц до сотен кОм. При этом значения U также возрастают с увеличением  в соответствии с данными, представленными на чертеже фиг. 2 в виде зависимости предельно-допустимого напряжения (U) от величины , где U = U-U, a U = 0,5 В - запас по U, гарантирующий отсутствие деградации.
ПД
Из данных чертежа фиг. 2 видно, что величина U возрастает при увеличении  во всем диапазоне значений от 4 до 30 мкм.
+
Д
ПД
Представленные результаты объясняются зарядкой поверхности электронами, «разгоняемыми» электрическим полем области пространственного заряда (ОПЗ) площадки до энергий, достаточных для их заброса и закрепления на поверхности базы. При увеличении обратного смещения, ОПЗ площадки расширяется и в глубину кристалла, и вдоль поверхности базы в сторону ОК. При этом в ОПЗ площадки увеличивается напряженность электрического поля, постепенно достигая величины, при которой электроны, движущиеся вдоль поверхности из эмиттера в базу, на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для переброса и закрепления на поверхности базы у границы с эмиттером. При этом на данном участке поверхности базы формируется отрицательный поверхностных заряд, индуцирующий у поверхности кристалла «наведенный» р-слой, увеличивающий площадку. При увеличении смещения этот слой постепенно расширяется в сторону ОК и при достижении ОК замыкает площадку на базу через сопротивление этого слоя. Такая ситуация соответствует напряжению U, величина которого будет возрастать при отдалении ОК от площадки из-за необходимости увеличения смещения для расширения приповерхностной части ОПЗ площадки вплоть до ОК. Параллельно возрастает и величина U.
ПД
Такая модель позволяет подойти следующим образом к расчету зависимости величины U от . В качестве исходного уравнения применена известная зависимость ширины ОПЗ (W) несимметричного р-n перехода от напряжения обратного смещения (U) (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Москва, «Мир», 1984 г., с. 84):
Д
ПД
Исходя из формулы (2) и считая, что величина U соответствует расширению поверхностной части ОПЗ площадки вплоть до границы ОК, когда , зависимость U от  можно представить в виде формулы:
ПД
ПД
+
Однако, как показало сравнение рассчитанных по этой формуле значений U с экспериментальными на чертеже фиг. 2, рассчитанные значения существенно (в 2-7 раз по мере увеличения ) превышают экспериментальные. Это объясняется тем, что в формуле (3) не учтено постепенное смещение границы площадки к ОК за счет ее увеличения при росте наведенного р-слоя. Этот процесс и приводит к отставанию роста экспериментальных значений U от расчетных при увеличении смещения и его можно учесть, дополнив формулу (3) эмпирическим безразмерным коэффициентом k в виде убывающей функции , которая получена аппроксимацией экспериментальных данных чертежа фиг. 2 с помощью программного обеспечения «Origin». Полученное выражение для k имеет вид:
где  - в см.
ПД
ПД
14
-3
Добавив выражение (4) в формулу (3) получаем окончательную расчетную формулу (1), связывающую величины  и U и позволяющую получить значения U по заданным значениям  (4, 10, 20 и 30 мкм) с отклонением от экспериментальных данных не более чем на 5% при N = 2⋅10 см.
ПД
15
-3
Указанное значение N соответствует нижнему пределу легирования InSb использовавшейся марки ИСЭ-2, благодаря чему обеспечивается дополнительный запас по параметру U при применении этого же материала с большими значениями N (до 2⋅10 см).
ПД
Отступления от условий формулы (4) в сторону больших значений  не обеспечивает выполнение требований по минимизации темнового тока, а в сторону меньших значений - по обеспечению заданного значения U, и это подтверждается экспериментальными данными на чертеже фиг. 2.
ПД
ПД
Таким образом, реализация предложения при проектировании ФД позволяет исходя из формулы (1) определять минимальное значение , при котором обеспечивается заданное значение U и минимальный темновой ток ФД. С другой стороны при заданном расстоянии  формула (1) позволяет определять значение U, исходя из которого определяется рабочее напряжение ФД. Такой подход может использоваться при проектировании матричного фотодиодного кристалла с ограниченными или минимизированными размерами шага и пикселов.