Стойкий к коротковолновому облучению одно- или многоплощадочный планарный фотодиодный кристалл из антимонида индия

+
Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ИК-излучению диапазона 3-5 мкм, и может использоваться при изготовлении по групповой технологи дискретных, линейчатых и матричных планарных фотодиодных кристаллов (ПФК) р-n типа из антимонида индия.
+
+
+
Типовой ПФК из антимонида индия представляет собой пластину монокристаллического антимонида индия n-типа проводимости, являющегося базой ПФК. На поверхности пластины имеются один или несколько планарных р-n переходов (эмиттеров), являющихся фоточувствительными площадками. Площадки без разрыва окружены одним или несколькими дополнительными планарными короткозамкнутыми р-n переходами, выполняющими функции охранного кольца (ОК), «гасящего» взрывные шумы и уменьшающего поверхностные токи утечки площадок. Расстояние между границами каждой площадки и ОК составляет не более двух диффузионных длин дырок в базе и не менее суммарной ширины области пространственного заряда (ОПЗ) площадки и ОК. На всю поверхность пластины, включая площадки и ОК, нанесен защитный диэлектрический слой или композиция таких слоев, в которых имеются контактные окна на выбранных участках площадок, ОК и базы. Поверх защитного слоя создана контактная система на основе слоя золота толщиной 0,8-1,2 мкм с подслоем хрома, обеспечивающая с помощью токоведущих дорожек вывод сигналов от контактных площадок эмиттеров и базы к контактным площадкам на периферии пластины, через которые производится стыковка ПФК с внешней схемой обработки сигналов ПФК, а также закоротку ОК с базой с помощью закорачивающих участков. Конструкции охлаждаемых фотодиодов (ФД) с ПФК из антимонида индия разнообразны в зависимости от решаемых задач, одной из которых является обеспечение стойкости ФД к коротковолновым (λ≤1 мкм) облучениям. Это означает, что при работе ФД на него эпизодически или запрограммированно может попадать такое излучение и при этом допускается полная потеря работоспособности ФД, однако синхронно с окончанием облучения работоспособность должна полностью восстановиться. При этом требуется минимизировать вес и габариты ФД. Самым рациональным в данном случае является обеспечение стойкости ФД за счет стойкости самого ПФК. Отсутствие стойкости ПФК к коротковолновому облучению в типовых случаях объясняется тем, что большие площади областей поверхности базы, находящиеся у границ площадок, не защищены от попадания излучения, в том числе коротковолнового. Воздействие такого излучения при охлаждении ПФК приводит к накоплению и закреплению электронов на границе антимонид индия - защитный диэлектрический слой в этих областях и как следствие - к формированию «наведенных» каналов р- или р-типа у поверхности базы, замыкающих площадки с закороченным ОК, что и приводит к деградации параметров ПФК на все время охлаждения. При снятии охлаждения или при прогревах, в случае слабых воздействий излучения, параметры ПФК могут восстановиться, однако, при значительных энергиях квантов и дозах облучения восстановление не происходит (см. В.П. Астахов, П.Д. Гиндин, Г.В, Чеканова. Результаты зарядки поверхности планарных фотодиодов из антимонида индия при коротковолновом облучении и обратном смещении. Успехи прикладной физики. Том 7, №2, с. 191-140, 2019 г.).
Из изложенного следует, что для обеспечения стойкости ПФК к коротковолновому облучению следует создать на его поверхности вокруг каждой площадки экраны, непрозрачные для такого излучения, в виде рамки с шириной сторон W, закрывающей поверхность базы вокруг площадок. Экраны должны примыкать непосредственно к границам площадок и не иметь разрывов с тем, чтобы не допустить увеличения размера площадок в первом случае и формирования замыкающих каналов во втором. Ширина сторон рамки W должна перекрывать ширину ОПЗ площадки при максимальном напряжении смещения на ПФК при измерениях, испытаниях и эксплуатации и дополнительно перекрывать длину экранирования Дебая в базе для предотвращения смыкания канала, образующегося при облучении, с ОПЗ площадки.
ОПЗ
Таким образом, величина W должна быть не меньше суммы ширины ОПЗ площадки (W), определяемой формулой:
Д
и длины экранирования Дебая в базе (W), определяемой формулой:
где
ε - относительная диэлектрическая проницаемость InSb;
0
ε - электрическая постоянная;
е - элементарный заряд;
б ми
Nн - минимальная концентрация легирующей примеси в базе (фрагменте или пластине);
макс
_
V максимальное напряжение смещения на ПФК при измерениях, испытаниях и эксплуатации;
k - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура ПФК.
б
мин
Значение концентрации легирующей примеси в базе взято минимальным (N) из возможных значений для антимонида индия выбранной марки с тем, чтобы гарантировать отсутствие смыкания площадки с ОК, максимально отодвинув от площадки канал, образующийся при облучении.
Суммировав правые части формул (1) и (2) и проведя необходимые преобразования, получаем формулу (3) для требуемого значения ширины экрана:
Требование отсутствия разрывов в экранах, создаваемых вокруг площадок, приводит к необходимости электрически и конструктивно объединить экран с контактной площадкой и токоведущей дорожкой от площадки, а также формировать их в едином процессе создания контактной системы, поскольку применяемый в типовом случае слой золота толщиной 0,8-1,2 мкм с подслоем хрома является экраном для коротковолнового излучения.
Известен многоплощадочный ПФК с «длинными» площадками, у которого экранами являются узкие области металлизированных токоведущих дорожек, занимающие не более 1/7 доли от длины периметра площадок и поэтому не защищающие основную долю площади поверхности базы у границы с площадкой (см. документацию АО «Московский завод «САПФИР» ВЖМИ 764416.238-02). Такой ПФК не отвечает требованию стойкости к коротковолновому облучению.
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой модели многоплощадочный ПФК с «длинными» площадками, у которого контактная система обеспечивает контакт к площадке по всей ее длине и экран, закрывающий только одну длинную границу площадки и близлежащую с ней базовую область. Базовая область с другой стороны площадки у ее границы полностью открыта (см. документацию АО «Московский завод «САПФИР» ВЖМИ 764416.238-01). Такой ПФК также не отвечает требованию стойкости к коротковолновому облучению.
Заявляемая полезная модель решает задачу обеспечения стойкости ПФК к коротковолновому облучению.
+
+
+
Указанный технический результат достигается тем, что стойкий к коротковолновому облучению одно - или многоплощадочный планарный фотодиодный кристалл (ПФК) из антимонида индия, содержащий пластину монокристаллического антимонида индия n-типа проводимости, являющегося базой ПФК, на поверхности которой имеются один или несколько планарных р-n переходов (эмиттеров), являющихся фоточувствительными площадками, которые без разрыва окружены одним или несколькими дополнительными пленарными короткозамкнутыми р-n переходами, выполняющими функции охранного кольца (ОК), «гасящего» взрывные шумы и уменьшающего поверхностные токи утечки площадок и расположенного на расстоянии не более двух диффузионных длин дырок в базе от границ площадок и не менее суммарной ширины области пространственного заряда (ОПЗ) площадки и ОК, при этом вся поверхность пластины, включая площадки и ОК, защищена поверхностным диэлектрическим слоем или диэлектрической композицией из нескольких слоев, в которых имеются контактные окна на выбранных участках площадок, ОК и базы, через которые осуществляются контакты между металлом контактной системы, сформированной на основе слоя золота толщиной 0,8-1,2 мкм с подслоем хрома на поверхности ПФК после вскрытия контактных окон, и р-участками площадок и ОК, а также базой ПФК, при этом в состав контактной системы входят контактные площадки на всех контактных окнах, а также на периферии ПФК, через которые обеспечивается связь с внешней схемой обработки сигналов ПФК, токоведущие дорожки, соединяющие контактные площадки эмиттеров и базы с соответствующими контактными площадками на периферии ПФК, и участки, закорачивающие ОК с базой, отличается тем, что в состав контактной системы ПФК введены дополнительные отдельные элементы - экраны, выполненные на основе металлического слоя контактной системы, охватывающие каждую площадку без разрывов начиная от границ площадки, в виде рамок с шириной сторон W, которая определяется по формуле:
где
ε - относительная диэлектрическая проницаемость InSb;
0
ε - электрическая постоянная; е - элементарный заряд;
мин
Nб  - минимальная концентрация легирующей примеси в базе (пластине);
макс
V - максимальное напряжение смещения на ПФК при измерениях, испытаниях и эксплуатации;
k - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура ПФК, причем экран каждой площадки конструктивно и электрически соединен с соответствующей токоведущей дорожкой.
Предлагаемая полезная модель основывается на следующих экспериментальных результатах.
15
-3
+
x
На пластинах монокристаллического антимонида индия n-типа проводимости с концентрацией теллура ~ 10 см были изготовлены 5 партий 10-площадочных ПФК с размерами площадок 60×400 мкм по единой серийной технологии, в которой планарные р-n переходы формировали локальной имплантацией ионов бериллия с последующим термическим отжигом, защиту поверхности осуществляли анодным окислением с последующим нанесением слоя SiO, вскрытие контактных окон проводили плазмохимическим травлением, нанесение слоя золота с подслоем хрома контактной системы осуществляли термическим распылением, а саму контактную систему формировали с помощью контактной фотолитографии. Партии отличались вариантами контактной системы с экранами, соединенными конструктивно и электрически с соответствующими токоведущими дорожками, но в разной мере закрывающими близлежащие к границам площадок области поверхности базы. Содержание вариантов контактной системы представлено в Таблице 1 и поясняется чертежом 1 фиг. 1-5, где пластина 1, база 2, площадка 3, охранное кольцо 4, контактное окно площадки 5, токоведущая дорожка 6, закоротка ОК 7 и контактная площадка на периферии ПФК 8.
ПФК каждого варианта контактной системы изготавливали на отдельных пластинных в виде ЧИПов по групповой технологии. ЧИПы выделяли разрезанием пластины после завершения всех технологических процессов. Отдельные ЧИПы (ПФК) каждого варианта, имевшие сходные обратные ветви вольт-амперных характеристик (ВАХ) и напряжения «загиба» не ниже 7 В, собирали в корпуса с прозрачными входными окнами, в которых ПФК охлаждали заливкой жидким азотом. После охлаждения при отсутствии видимых подсветок, с помощью характериографа типа В2912А Keysight, измеряли и фиксировали исходные обратные ветви ВАХ этих ПФК вплоть до предельного напряжения (начало «загиба» ВАХ). Затем при постоянном охлаждении через входное окно производили облучение всей площади ПФК, не подавая или подавая на него обратное смещение 100 мВ. Облучение производили от осветителя типа ОИ-24 с расстояния ~ 10 см при токах накала от 0 до 8А в течение (2÷3) секунд. Сразу после завершения каждого дискретного облучения, производимого при выбранном постоянном токе накала, повторяли измерения ВАХ всех площадок непрерывно охлаждаемого ПФК. Продолжая охлаждать ПФК, повторяли измерения через разные промежутки времени (до 30 минут).
Вывод о стойкости ПФК к коротковолновому облучению делали исходя из сравнения ВАХ, измеренных до и после облучения. Стойкими считали ПФК, исходные ВАХ которых не изменилась после облучения.
+
+
Результаты экспериментов не зависели от наличия или отсутствия обратного смещения 100 мВ на ПФК при облучении, и они сводятся к следующему. Исходные темновые ВАХ для всех вариантов контактной системы соответствуют совершенным р-n переходам, практически не имеющим утечек. При включении облучения значительно и практически синхронно с включением возрастают токи во всем диапазоне прикладываемых напряжений обратного смещения на всех ПФК. При этом ток в каждой точке ВАХ складывается из темнового тока, фототока и тока утечки по каналам между ОК и ОПЗ площадки, если каналы образуются при облучении. Фототок обусловлен наличием в спектре излучателя участка вблизи λ≥1 мкм, соответствующего началу спектральной чувствительности р-n перехода из антимонида индия. При выключении излучателя фототок, составляющий значительную долю тока, фиксируемого при облучении, синхронно исчезает, оставляя либо только исходный темновой ток, либо исходный темновой ток вместе с током утечки по каналам, которые и ответственны за деградацию ВАХ и нестойкость ПФК к коротковолновому облучению, поскольку каналы сохраняются либо в течение всего времени охлаждения, либо также и при нормальных условиях и при прогревах.
макс
макс
макс
Результаты оценки стойкости ПФК с разными вариантами контактной системы при двух значениях V (2 В и 7 В) представлены также в таблице 1. Из представленных в таблице данных следует, что стойкими при обоих значениях V оказались только ПФК, у которых контактная система имеет в своем составе экраны без разрывов, совмещенные с токоведущими дорожками от каждой площадки и предотвращающие попадание коротковолнового излучения на поверхностные области базы шириной W, определяемой условием формулы (3) предлагаемой полезной модели для V=7 В, и прилегающие ко всем границам всех площадок (вариант 5, фиг. 5). Это означает, что при данном варианте контактной системы прекращение облучения сразу приводит к возврату исходной темновой ВАХ во всем диапазоне значений прикладываемых напряжений смещения (до 7 В включительно) из-за отсутствия каналов на критичных участках поверхности базы (между ОК и ОПЗ площадки). При таких же конфигурации и расположении экранов, но при невыполнении условия формулы (3) предложения (ширина экрана уменьшена от 23 до 4 мкм - вариант №4, фиг. 4), стойким к облучению оказался только участок ВАХ до 2 В включительно. При больших напряжениях произошла деградация ВАХ: токи значительно возрастают по линейному закону, характерному для утечки по каналам, которые в данном случае соединяют ОК с ОПЗ площадки при напряжении больше 2 В.
В соответствии с данными таблицы 1 для вариантов контактной системы №№1-3 (фиг. 1-3), в том числе и для прототипа, когда экраны имеют разрывы, открывающие часть поверхностных областей базы вокруг площадок, облучение привело к полной деградации ВАХ. Деградация происходила при всех опробованных условиях облучения, превращая ВАХ в почти линейную с наклоном, соответствующим сопротивлениям с номиналом от единиц МОм до единиц Ом при увеличении тока накала осветителя. В таком виде ВАХ сохранялись в течение всего времени охлаждения после завершения облучения.
Особенности изменений обратной ветви ВАХ в результате облучения с возрастающей интенсивностью для случаев экранов прототипа и предложения иллюстрируют данные, представленные на чертеже 2 (фиг. 6 и 7, соответственно), измеренные до  и после облучения при «слабом красном»  и «сильном белом»  свечении лампы.
+
+
Все представленные результаты объясняются тем, что при коротковолновом облучении на всех открытых участках поверхности базы охлажденного ПФК образуются каналы р- или р-типа, которые соединяют площадки также р-типа с закороченным ОК. Уменьшение площади открытых участков без полного экранирования путей возможных закороток площадки с ОК не делает площадку стойкой к облучению. Закоротки не происходят только если не дать каналу образоваться на критичных участках поверхности базы, располагающихся непосредственно у границ площадки вдоль всего ее периметра. Ширина такого участка (расстояние от границ площадки) должна превосходить ширину ОПЗ площадки при заданном напряжении не менее, чем на длину экранирования Дебая, чтобы не дать площадке сомкнуться с каналом, образующимся при облучении и соединенным с ОК. Именно такое понимание следует закладывать в основу проектирования по данному предложению контактной системы ПФК, совмещающей функции переноса сигналов, закорачивания ОК и экранирования критичных участков поверхности базы от коротковолнового облучения.
Таким образом, реализация предложения при проектировании ПФК позволяет определять местоположение и геометрические параметры экранов, входящих в состав контактной системы и защищающих ПФК от коротковолнового облучения, делая их стойкими к этому воздействию.