Полупроводниковый детектор с внутренним усилением

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ядерных излучений. Область применения - эксперименты ядерной и ускорительной физики, в том числе регистрация нейтронного излучения при использовании совместно с конвертером.
Известен детектор на основе биполярного транзистора, обладающий усилением [R.L. Williams, P.P. Webb, Proc. Asheville Conf., NAS-NRC Publ., 871, P. 182, 1961]. К обеим сторонам тонкой пластины высокоомного кремния p-типа формируются сильнолегированные области n-типа путем диффузии или имплантации. Детектор работает в режиме с подключенной базой, либо в режиме оборванной базы (режим фототранзистора), эмиттер в обоих случаях заземлен на коллектор подается положительное смещение. Рабочей областью детектора является обедненная область коллектора, практически целиком лежащая в p-области. Налетающая ядерная частица наводит в области пространственного заряда коллектора ионизацию. Генерированные электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем: электроны «уходят» в коллектор, а дырки попадают в квазинейтральную базу и вызывают инжекцию электронов из эмиттера. В режиме протекания постоянного тока через эмиттер-база достигалось усиление 200-300, в режиме фототранзистора при непрерывном освещении - 600. Недостатком данной конструкции является то, что коэффициент усиления такого детектора зависит от ширины квазинейтральной базы, и, таким образом, рабочее смещение на коллекторе необходимо подбирать для получения определенного коэффициента усиления.
++
+
+
Известна конструкция ядерного детектора [R. Horisberger, «The bipolar silicon microstrip detector: a proposal for a novel precision tracking device», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, V. 288, pp. 87-91, 1990], объединяющая технологию полностью обедненных кремниевых микростриповых детекторов, изготовленных на кремнии, с концепцией биполярного транзистора. Это достигается путем добавления n-«кармана» внутрь p-имплантированной области p-i-n диода, которая представляет собой стрип либо пиксель координатного детектора. Самая простая схема считывания с биполярной матрицы пикселей с помощью алюминиевой шины также дает биполярный микростриповый детектор. Полученная структура обладает усилением и является по сути биполярным транзистором с высокоомным коллектором. Представленная конструкция, лишена недостатков предыдущей и также позволяет изготавливать координатные детекторы.
Известны различные конструкции координатно-чувствительных детекторов, содержащих двухмерную матрицу из полупроводниковых одно- и двухэмиттерных биполярных транзисторов и их различные варианты исполнения [Патент РФ 2133524 С1, «Координатно-чувствительный детектор (варианты)», Мурашев В.Н. и др., опубликовано 20 июля 1999 г.]
2
Известен координатный микростриповый детектор [G. Batignani, S. Bettarini, М. Bondioli, М. Boscardin, L. Bosisio, G.-F. Dalla Betta, S. Dittongo, F. Forti, G. Giacomini, M.A. Giorgi, P. Gregori, C. Piemonte, I. Rachevskaia, S. Ronchin, and N. Zorzi «Functional Characterization of a High-Gain BJT Radiation Detector», IEEE Transactions on Nuclear Science, V. 52, NO. 5, 2005] в котором каждый стрип представляет собой биполярный детектор. Эмиттер такого транзистора площадью 18×18 мкм расположен в конце длинной базовой области (4.8 мм), которая и является стрипом. Детектор содержит 25 стрипов шириной 30 мкм и шагом 100 мкм. Типичный коэффициент усиления такого прибора составил 600.
12
-2
++
12
-2
4
-1
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является детектор на основе кремниевого биполярного транзистора, имеющий выскокий коэффициент усиления [D.J. Hana, G. Batignani, A. Del Guerra, G.-F. Dalla Betta, M. Boscardin, L. Bosisio, M. Giorgi, F. Forti, «High-gain bipolar detector on float-zone silicon», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, V. 512, pp. 572-577, 2003]. Детектор изготовлен на подложке высокочистого кремния, полученного зонной плавкой, толщиной 280 мкм, к обратной стороне которой изготовлен омический контакт на основе геттерированного слоя аморфного кремния, легированного фосфором, для сохранения высоких времен жизни неравновесных носителей в используемом материале. База формировалась имплантацией бора с энергией 400 кэВ и дозой 1⋅10 см с последующей разгонкой. Последующее формирование n-эмиттера проводилось имплантацией фосфора с энергией 400 кэВ (доза 7⋅10 см) и дальнейшей диффузией. Эмиттер имел круговую геометрию диаметром 2 мм. При этих параметрах детектор демонстрировал высокий коэффициент усиления: 3820 для рентгеновских квантов с энергией 22 кэВ от источника Cd (поток 7.77⋅10 с) и 4400 для инфракрасного излучения с длиной волны 0.83 мкм и мощностью 0.17 нВт.
Особенностью данного класса приборов (детекторов с внутренним усилением на основе биполярного транзистора) является то, что падение потенциала, создаваемое дырками на эмиттере обратно пропорционально его емкости. Таким образом, для увеличения коэффициента усиления детектора необходимо уменьшать площадь эмиттерного перехода.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение чувствительности детекторов с усилением на основе биполярных транзисторов.
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что детектор с усилением на основе биполярного транзистора, содержащий n-подложку, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, на рабочей стороне подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора, эпитаксиальный p-слой базы, толщина которого много меньше диффузионной длины электронов, и n-слой эмиттера, к n-слою эмиттера сформирован омический контакт, между эпитаксиальным p-слоем базы и n-слоем эмиттера дополнительно содержит эпитаксиальный i-слой эмиттера толщиной много меньше длины амбиполярной диффузии. Введение эпитаксиального i-слоя эмиттера позволяет снизить емкость эмиттера и, тем самым, увеличить создаваемый зарядом дырок в базе потенциал, открывающий эмиттер.
Полезная модель поясняется приведенным ниже чертежом.
+
+
+
+
На фиг. 1 показана принципиальная конструкция детектора с усилением, содержащего n-подложку 1, на обратной стороне которой сформирован омический контакт коллектора 2; на рабочей стороне n-подложки 1 последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора 3, эпитаксиальный p-слой базы 4, эпитаксиальный i-слой эмиттера 5 и n-слой эмиттера 6, к n-слою эмиттера 6 сформирован омический контакт эмиттера 7; поверхность полупроводниковой структуры закрыта пассивирующим покрытием 8; к омическому контакту эмиттера 7 последовательно сформирована контактная площадка 9.
Принцип работы детектора аналогичен вышеописанному: генерированные в области эпитаксиального i-слоя высокоомного коллектора 3 электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем; далее дырки, попадая в квазинейтральную область эпитаксиального p-слоя базы 4, создают падение потенциала на эмиттере, вызывая инжекционный ток. Толщина эпитаксиального i-слоя эмиттера 5 выбирается таким образом, чтобы инжектируемые электроны из эмиттера полностью «попадали» в коллектор, то есть толщина эпитаксиального i-слоя эмиттера 5 должна быть много меньше длины амбиполярной диффузии, а толщина эпитаксиального p-слоя базы 4 должны быть значительно меньше диффузионной длины электронов.
-3
+
18
-3
17
-3
+
+
18
-3
Далее представлен один из примеров реализации предлагаемой полезной модели. Детектор изготавливается с помощью стандартных технологических операций микроэлектроники. В настоящем патенте представлен пример создания предложенной конструкции на GaAs, однако данная меза-планарная технология может быть также реализована и на других широкозонных полупроводниковых соединениях, таких как GaN, SiC и др. Эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора 3 толщиной 40-120 мкм с концентрацией носителей на уровне 3⋅10 см выращивается методом хлоридной эпитаксии на n-подложке 1 из GaAs, легированной до концентрации 2⋅10 см. Сверху эпитаксиального i-слоя высокоомного коллектора 3 методом хлоридной эпитаксии выращивается эпитаксиальный p-слой базы 4 толщиной не более 1 мкм и уровнем легирования 5⋅10 см; далее методом МОС-гидридной эпитаксии последовательно выращиваются: эпитаксиальный i-слой эмиттера 5; n-слой эмиттера 6. Уровень легирования n-слоя эмиттера 6 выбирается на уровне не менее 1-2⋅10 см.
Основные технологические операции изготовления детектора:
+
1) Формирование омического контакта коллектора 2 на основе системы Ni/AuGe/Au к n-подложке 1 методом термического напыления;
+
2) Формирование рисунка металлизации омического контакта эмиттера 7 на основе Ni/AuGe/Au к n-слою эмиттера 6 посредством термического напыления и «взрывной» фотолитографии;
3) Формирование двойной меза-структуры методом реактивного ионно-лучевого травления;
+
-6
4) Вжигание омических контактов коллектора 2 и эмиттера 7 к n в течение 1.5 мин при температуре 450°С в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2⋅10 мм.рт.ст;
5) Осаждение пассивирующего покрытия 8, например полиимида, и вскрытие окон под контакт;
6) Формирование контактных площадок 9 с помощью гальванического осаждения золота.
Представленная технология позволяет создавать как дискретные, так и координатные детекторы.