ДЕТЕКТОР УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Заявляемый кремниевый детектор относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению ультрафиолетового диапазона, и предназначен для использования в устройствах детектирования лазерного излучения, спектрофотометрии, в системах обнаружения пламени огня, медико-биологических исследованиях, а также в аппаратуре специального назначения. Во многих случаях требуется, чтобы детектор наряду с высокой чувствительностью в ультрафиолетовой (УФ) области спектра обладал пониженной чувствительностью в видимом и инфракрасном (ИК) диапазоне. Предлагаемый детектор относится именно к такому классу.
Известен аналог кремниевый фотодиод S1227-BQ [Каталог кремниевых приборов, выпускаемых фирмой "Hamamatsu", 2004 г.]. Недостатком прибора является то, что он не ограничивает чувствительность в видимом диапазоне.
+
18
-3
2
Наиболее близким к заявляемому детектору и принятому за прототип является детектор УФ-излучения с ограниченной чувствительностью в видимом и ИК-спектральном диапазоне [R.S.Popovic, K.Solt, U.Falk and Z.Stoessel "A Silicon Ultraviolet Detector", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990), pp.553-558]. Детектор содержит коллекторную область подложки, тонкую высоколегированную область базы п - типа проводимости с концентрацией примеси более 10 см, тонкую высоколегированную область эмиттера, причем области базы и коллектора закорочены с помощью металлизации, а также просветляющую пленку двуокиси кремния SiO толщиной 30 нм на рабочей стороне коллекторной подложки.
Недостатком данного детектора является высокая концентрация примеси в базе, обусловливающая большую величину емкости диода, что приводит к ограничению использования детектора для регистрации высокочастотных сигналов. Вторым недостатком является сложность способа изготовления, требующего специального дорогостоящего оборудования для проведения процессов быстрого термического отжига после ионной имплантации примесей, с целью получения требуемого профиля распределения примесей.
Заявляемая полезная модель решает задачи повышения быстродействия детектора, а также позволяет упростить и удешевить его изготовление, заменив процесс быстрого термического отжига стандартным процессом термического отжига.
Для решения поставленных задач в известном детекторе ультрафиолетового излучения, содержащем коллекторную область подложки, тонкую высоколегированную область эмиттера, просветляющую пленку двуокиси кремния на рабочей стороне коллекторной области подложки, формируют тонкую низколегированную область базы р-типа проводимости и металлизацию, закорачивающую тонкую низколегированную область базы и коллекторную область подложки.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где:
- фиг.1 представлено поперечное сечение заявляемого детектора ультрафиолетового излучения (размеры указаны условно);
- фиг.2 представлена схема включения заявляемого детектора;
- фиг.3 представлено распределение примесей в эмиттере и базе заявляемой детектора;
- фиг.4 представлен пример конструктивного исполнения заявляемого детектора;
- фиг.5 представлены спектральные характеристики заявляемого детектора (сплошная линия) и сравнительного УФ-детектора с обычной диодной структурой (пунктирная линия).
Заявляемый УФ-детектор (фиг.1) содержит коллекторную область подложки 1, на которой сформирована низколегированная базовая область 2 р-типа проводимости, а также высоколегированная эмиттерная область 3. На рабочей стороне коллекторной области подложки располагается пленка 8 двуокиси кремния, выполняющая функцию изолирующего и просветляющего покрытия. Контактные области (4, 5, 6) соответственно эмиттера, базы, коллектора металлизированы пленкой 7 алюминия, легированного кремнием Al(Si 1%), при этом базовая и коллекторная области закорочены металлизацией.
к
б
э
фб
фк
фк
см.обр
э
б1
+
УФ-детектор работает следующим образом (фиг.2). При попадании на него излучения hv фотоносители генерируются во всех трех областях - в коллекторной области подложки n-типа проводимости толщиной W, в тонкой W низколегированной области базы р-типа проводимости и тонкой W высоколегированной n-типа проводимости области эмиттера. На переходах эмиттер-база и база-коллектор эти фотоносители разделяются и создают фототоки эмиттер-база I и база-коллектор I. Так как в заявляемом детекторе области базы и коллектора закорочены, то ток I во внешнюю цепь не поступает. При этом устройство принципиально отличается от включения транзисторов. Переход эмиттер-база смещается в обратном направлении U и работает фактически как фотодиод. Из изложенного следует, что данный детектор чувствителен только к излучению, поглощаемому в тонкой эмиттерной области W и прилегающей к ней части базы W, как это изображено на фиг.2. Суммарная толщина этих областей соответствует глубине поглощения УФ-излучения и синей области видимого излучения, что обусловливает оптическую фильтрацию заявляемого детектора. Низкий уровень концентрации примеси в базе обеспечивает низкую емкость УФ-детектора. Как известно [М.А.Тришенков Фотоприемные устройства и ПЗС. Радио и связь, Москва, 1992 г., стр.58.], емкость фотодиода С равна:
где:
2
А - площадь перехода эмиттер-база, [см];
0
-14
-1
ε=8,85×10 Фсм - диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε=11,9 - диэлектрическая постоянная кремния;
-19
q=1,6×10 Кл - заряд электрона;
a
-3
N - концентрация примеси в базе, [см];
см
к
U=|U|+φ - падение напряжения на переходе эмиттер-база, В;
см
U - внешнее напряжение смещения на р-п-переходе;
к
φ - контактная разность потенциалов перехода.
н
н
Как следует из фиг.2, подключение малой емкости С к сопротивлению нагрузки R приводит к малой постоянной времени RС, следовательно, повышается быстродействие детектора.
Пример. В соответствии с заявляемой полезной моделью был спроектирован и изготовлен детектор УФ-излучения.
14
-3
11
-2
15
-2
-2
15
-2
15
16
-3
2
2
2
В качестве исходного материала выбран кремний (Si) п-типа проводимости с удельным сопротивлением 20 Омсм (концентрацией ~ 2×10 см). Базовая и эмиттерная области, а также контактные области транзистора формировались методом ионной имплантации с последующим термическим отжигом при температуре 900°С в течение 10 минут. В качестве легирующей примеси базы и контактной области к ней использовался бор (В), режимы легирования: энергия Е=40кэВ, доза D=2×10 см и 2×10 см соответственно. Эмиттер и контактные области к коллектору и эмиттеру формировались имплантацией мышьяка (As), Е=30 кэВ, D=5×10 см и 2×10 см соответственно. Как следует из фиг.3, на которой представлено рассчитанное распределение примесей, глубина эмиттерного перехода составляет ~ 80 нм, базового ~ 300 нм, концентрация примеси в базе ~10-10 см. В качестве просветляющего покрытия использовалась пленка двуокиси кремния (SiO) толщиной 30 нм, наносимая методом пиролитического осаждения при температуре 450°С. Для создания контактных площадок использовалась пленка алюминия, легированного кремнием Al(Si 1%) толщиной 800 нм. Размер подложки 3×3 мм, ее толщина 0,45 мм; размер фоточувствительной площадки 1,5×1,5 мм.
Полупроводниковая подложка (со всей описанной структурой) собиралась в металлостеклянном корпусе в следующей последовательности. Сначала подложка 1 монтировалась на керамический изолятор 2, последний в свою очередь - на цоколь 3. Цоколь имеет два рабочих вывода 4, изолированных с помощью стеклянных изоляторов 5. Электрические соединения подложки с выводами осуществлялись с помощью золотой проволоки 6 диаметром 0,03 мм.
Были проведены испытания изготовленных УФ-детекторов.
В результате получены следующие основные фотоэлектрические параметры детектора:
- чувствительность на длине волны 0,2 мкм - 0,06 А/Вт;
- спектральная характеристика детектора, представленная на фиг.3.;
- минимальный темновой ток при обратном смещении 5 В - 0,01 нА;
2
- электрическая емкость при обратном смещении 5 В - 150 пФ (удельная емкость ~ 70 пФ/мм),
18
2
В соответствии с формулой (1) удельная емкость прототипа при концентрации легирующей примеси ~10 составляет 1000 пФ/мм, соответственно его постоянная времени примерно в 15 раз выше, а быстродействие ниже, чем у заявляемого детектора.
+
+
Для сравнения были также изготовлены УФ-детекторы с обычной диодной структурой. В качестве исходного материала использовался кремний р-типа проводимости с удельным сопротивлением 40 Омсм. Область с п-типом проводимости, контактная область р-типа проводимости к подложке, просветляющая пленка двуокиси кремния и металлизированные контакты создавалась по такой же технологии, как и заявляемого детектора.
Спектральные характеристики, представленные на (фиг.4) свидетельствует о том, что в УФ-области спектра чувствительность заявляемого детектора соответствует чувствительности сравнительного, тогда как в видимом и ИК-диапазоне его чувствительность значительно снижена.
Заявляемый детектор по сравнению с прототипом позволил более чем на порядок снизить емкость и за счет этого во столько же раз расширить радиочастотную полосу детектора.
Кремниевые УФ-детекторы, изготовленные в соответствии с признаками заявляемой полезной модели, могут быть использованы в медицине, как датчики компонентов солнечного УФ-излучения, во флуоресцентной спектроскопии, в спектроскопии биологических веществ с аминокислотами, в экологическом мониторинге, в частности, для контроля розлива пятен нефти на воде и на суше, а также в системах обнаружения ракет по люминесцентному излучению свободных радикалов в факеле этих ракет.