О диаграмме направленности кремниевых дифференциальных фотоприемников

УДК 621.382.4

О ДИАГРАММЕ НАПРАВЛЕННОСТИ КРЕМНИЕВЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ В.В.Гаврушко, О.Р.Кадриев, В.А.Ласткин, А.А.Сапожников ON DIRECTIONAL DIAGRAM OF SILICON-BASED DIFFERENTIAL PHOTODETECTORS

V.V.Gavrushko, O.R.Kadriev, V.A.Lastkin, A.A.Sapozhnikov

Институт электронных и информационных систем НовГУ, Valery.Gavrushko@novsu.ru

Приведены результаты исследования диаграмм направленности кремниевых дифференциальных фотоприемников. Измерения проводились отдельно для ультрафиолетового и видимого излучения на длинах волны 0,402 и 0,625 мкм. Рассматривалось два варианта конструктивного исполнения фотоприемников: в традиционном корпусе типа КТ-2 и плоском корпусе типа КТ-93. Установлено, что для излучения с длиной волны 0,402 мкм результаты оказались аналогичными для обоих вариантов изготовления фотоприемников. Диаграммы направленности имели типичный для фотоприемников вид. Ширина диаграмм по уровню 0,5 составила около 90 градусов. Для видимого излучения с длиной волны 0,625 мкм диаграммы оказались различными. При использовании корпуса КТ-2 обнаружено наличие паразитных максимумов на краях диаграммы направленности. Использование плоского корпуса КТ-93 не выявило наличия паразитной чувствительности в области больших длин волн. Для дифференциальных фотоприемников с широкими диаграммами направленности целесообразно использовать корпуса плоской конструкции.

Ключевые слова: дифференциальный фотоприемник, кремний, диаграмма направленности, краевой эффект, корпус, длина волны

The research results concerning directional diagrams of silicon-based differential photodetectors are presented. The measurements were conducted separately for ultra-violet and visible radiation for wavelengths of 0.402 and 0.625 microns. Both variants of design in traditional КТ-2 package and in flat КТ-93 package were considered. It was found out that for the radiation with wavelength of 0.402 microns the results turned out to be analogous for both variants of photodetector designs. Directional diagrams had a typical form for photodetectors. The width of the diagram on 0.5 level made about 90 degrees. For visible radiation with wavelength of 0.625 microns the diagrams happened to be different. When using КТ-2 package, the presence of parasitic maximums on the edge of directional diagram was detected. Usage of flat КТ-93 package did not show the presence of parasitic sensibility in the range of long length waves. For differential photodetectors with wide directional diagram, planar package construction should be used. Keywords: differential photodetector, silicon, directional diagram, edge effect, package, wavelength

Постановка задачи

Одними из наиболее распространенных в опто-электронике являются фотоприемники на основе кремния [1]. Это связано с высокоразвитой и низкозатратной технологией кремниевых приборов, а также с возможностью материала эффективно регистрировать оптическое излучение в широком спектральном диапазоне от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК). Вместе с тем, во многих случаях целесообразно вводить ограничение на диапазон спектральной чувствительности. Такая оптимизация улучшает характеристики оптоэлектронных устройств, позволяя при эффективной работе в заданном спектральном интервале снизить влияние оптических помех. Интересным способом формирования спектральной чувствительности фотоприемника является метод вычитания сигналов рядом расположенных чувствительных площадок с различной спектральной характеристикой (дифференциальные фотоприемники) [2-4]. Достоинством таких фотоприёмников является возможность получения селективной спектральной чувствительности с использованием технологических операций только полупроводникового производства, без применения внешних фильтров.

Одной из основных характеристик фотоприемника является диаграмма направленности. Особенность топологии дифференциальных фотоприемни-

ков может сказаться на характере пространственного распределения чувствительности. В связи с этим нами было предпринято исследование диаграмм направленности дифференциальных фотоприемников различной конструкции.

Структура фотоприемников и методика исследования

Каждый фотоприемник содержал два фотодиода (два канала), спектральная чувствительность которых была идентичной в инфракрасной области, но различна для УФ области. Исходным материалом служил кремний /»-типа марки КДБ-10. Структура первого канала формировалась ионным легированием фосфором и его последующей разгонкой для создания /-«-перехода с хорошими электрическими характеристиками [5]. Небольшая глубина, около 1 мкм, и наличие значительного градиента концентрации примеси обеспечивали высокую чувствительность канала в широком спектральном интервале, включая ультрафиолетовую область.

Второй канал формировался одновременно с первым на той же пластине с использованием общих технологических операций, но с добавлением на заключительной стадии процесса имплантации высокой дозы мышьяка. Такой прием позволил создать в приповерхностной области второго канала дополнительные центры рекомбинации и снизить чувствительность

фотодиода в УФ области [6]. Вместе с тем идентичность глубоких слоев обеспечивала близкую спектральную чувствительность в длинноволновой области, где процессы собирания фотоносителей определялись удаленными от поверхности областями. Размеры приемных площадок для обоих каналов были одинаковыми. Использование дифференциального усилителя позволяло путем вычитания сигналов сформировать селективную спектральную характеристику фотоприемника с явно выраженным максимумом в ультрафиолетовой области, приходящимся на Хтах = 0,36 мкм [7]. Для уменьшения влияния на спектральную характеристику неоднородности физических характеристик структуры, а также влияния неравномерности светового потока каждый из фотодиодов представлял собой серию параллельно включённых площадок. Фотодиоды первого и второго каналов располагались в шахматном порядке, как это показано на рис.1. Общее число площадок составляло 8+8.

О

2

Т

Рис.1. Топология дифференциального фотоприемника

Диаграммы направленности регистрировались с использованием монохроматических источников света отдельно для коротковолнового и длинноволнового излучения. В качестве коротковолнового источника использовался УФ светодиод с длиной волны 0,402 мкм и полушириной спектра 0,005 мкм, а качестве длинноволнового — светодиод красного цвета с длиной волны 0,625 мкм и полушириной 0,009 мкм.

Результаты исследования

Фотоприемники первого типа имели классическую конструкцию. Фоточувствительная структура монтировалась в металлический корпус типа КТ-2, снабженный оптическим окном, как это показано на рис.2. Диаграммы направленности дифференциального канала и для сравнения основного, широкодиапазонного канала, в области коротких длин волн приведены на рис.3. Как видно, для этой области спектра диаграммы направленности, как основного, так и дифференциального каналов, имели традиционный для фотоприемников вид. Ширина диаграммы по уровню 0,5 как в первом, так и во втором случаях составляла около 90 градусов. Следует отметить дос-

таточно высокую эффективность дифференциального канала, уровень сигнала в котором, достигал 82% от сигнала основного широкодиапазонного канала.

Рис.2. Конструкция фотоприемника первого типа

Рис.3. Диаграммы направленности фотоприемника первого типа для коротковолновой области

Рис.4. Диаграммы направленности фотоприемника первого типа в длинноволновой области

На рис.4 приведены диаграммы направленности в длинноволновой области спектра. Как видно, для этой области диаграмма дифференциального канала отличалась от традиционной и от диаграммы направленности основного канала. При отклонении от оси, начиная с углов порядка 30 градусов, наблюдался ряд паразитных максимумов. Чувствительность

дифференциального канала в длинноволновой области должна отсутствовать, или быть минимально возможной. Наличие фотоответа в этой области приводит к резкому снижению селективность фотоприемника и является нежелательной. Это может быть связано со случайным затенением фоточувствительных площадок стенками корпуса фотоприемника на границах диаграммы направленности, как это видно из рис.1. Поскольку дифференциальный сигнал формируется вычитанием сигналов соседних фотодиодов, то неравномерное освещение площадок будет приводить к появлению краевого эффекта и образованию паразитного дифференциального сигнала.

о --------

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Угол, градусы

Рис.5. Диаграммы направленности фотоприемника второго типа для коротковолновой области

12

Угол, градусы

Рис.6. Диаграммы направленности фотоприемника второго типа в длинноволновой области

Фотоприемник второго типа имел аналогичную фоточувствительную структуру, но был смонтирован в плоский корпус типа КТ-93, имеющий небольшую глубину. Диаграмма направленности для УФ излучения (X = 0,402 мкм) приведена на рис.5. Качественно она подобна диаграмме фотоприемника первого типа (ширина около 90 градусов по уровню 0,5). Наибольший практический интерес имеет диаграмма направленности фотоприемника второго типа для длинноволнового красного излучения (X = 0,625 мкм), приведенная на рис.6. Как видно, исключение влияния на освещение фоточувствительной структуры элементов

конструкции корпуса привело к значительному подавлению паразитных краевых эффектов. Низкий уровень сигналов дифференциального канала свидетельствовал о сохранении селективности спектральной чувствительности фотоприемника второго типа для всех направлений диаграммы направленности.

Заключение

Таким образом, результаты проведенного исследования показывают, что дифференциальные фотоприемники в корпусах традиционной конструкции обладают негативной особенностью, связанной со снижением селективности спектральной характеристики для больших длин волн на границах диаграммы направленности. Использование плоских корпусов с невысокими стенками устраняет паразитные краевые эффекты и является предпочтительным для такого вида фотоприемников.

1. Полупроводниковые фотоприемники / Под ред. В.И.Стафеева. М.: Радио и связь, 1984. 216 с.

2. Патент №7196311B2 US, МКИ H01L 27/15. Semiconductor photosensor / Yukiko Takiba, Hiroshi Suzunaga. Заявл. 11.08.2005. Опубл. 27.03.2007.

3. Патент 8532 U BY, МКИ H01L 27/15 Фотоприемник / В.И.Блынский, С.А.Малышев Заявл. 29.12.2011. Опубл. 30.08.2012.

4. Пат. 156627 РФ № 2015117120/28, МПК H01L 31/068 Кремниевый дифференциальный фотоприемник / В.В.Гаврушко, А.С.Ионов, О.Р.Кадриев и др. Заявл. 05.05.2015. Опубл. 10.11.2015. Бюл. № 31.

5. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Ласткин В.А. Кремниевые фотоприемники с высокой чувствительностью к УФ излучению // Датчики и системы. 2009. №6 (121). С.49-51.

6. Гаврушко В.В., Ласткин В.А. Широкодиапазонный кремниевый фотодиод. // Вестник НовГУ. 2014. Сер.: Техн. науки. №81 С.53-55.

7. Гаврушко В.В., Ионов А.С., Кадриев О.Р., Ласткин В.А. Коротковолновый дифференциальный фотоприемник на основе кремния. // Журнал технической физики. 2017. Т.87. Вып.2. С.310-311.

References

1. Stafeev V.I., ed. Poluprovodnikovye fotopriemniki [Semiconductor photodetectors]. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1984. 216 p.

2. Yukiko Takiba, Hiroshi Suzunaga. Semiconductor photosensor. Patent US, no. 7196311 (B2), 2007.

3. Blynskii V.I. Malyshev S.A. Fotopriemnik [Photodetector]. Patent BY, no. 8532 U, 2012.

4. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Kadriev O.R., Lastkin V.A., Sapozhnikov A.A. Kremnievyi differentsial'nyi fotopriemnik [Silicon-based differential photodetector]. Patent RF, no. 156627, 2015.

5. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Lastkin V.A. Kremnievye fotopriemniki s vysokoi chuvstvitel'nost'iu k UF izlucheniiu [Silicon photodetectors with high UV sensitivity]. Datchiki i Sistemy - Sensors and Systems, 2009, no. 6(121), pp. 4951.

6. Gavrushko V.V., Lastkin V.A. Shirokodiapazonnyi kremnievyi fotodiod [Wide-range silicon photodiode]. Vest-nik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering sciences. 2014. № 81. P.53-55.

7. Gavrushko V.V., Ionov A.S., Kadriev O.R., Lastkin V.A. Korotkovolnovyi differentsial'nyi fotopriemnik na osnove kremniia [Silicon-based shortwave differential photodetector]. Zhurnal tekhnicheskoi fiziki - Technical Physics, 2017, vol. 62, no. 2, pp. 338-340.