Микропиксельный лавинный фотодиод
MICROPIXEL AVALANCHE PHOTODIODE

Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала. Предложенный лавинный фотодиод может быть использован для регистрации сверхслабых импульсов света, вплоть до единичных фотонов, а также для детектирования гамма-квантов и заряженных частиц в составе устройств медицинской гамма-томографии, радиационного мониторинга и ядерно-физических экспериментов.
Уровень техники
Известно устройство /1/ (аналог), включающее полупроводниковую подложку, матрицу полупроводниковых областей противоположного подложке типа проводимости, отделенных от полевого полупрозрачного электрода буферным резистивным слоем с определенной проводимостью. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границах полупроводниковой подложки с полупроводниковыми областями. При этом лавинный ток стекает к полупрозрачному электроду через резистивный слой, расположенный над этими областями. Недостатком устройства является низкий квантовый выход в видимой и ультрафиолетовой области спектра ввиду низкой прозрачности, как буферного слоя, так и полупроводниковых областей. Кроме того, фотоэлектроны, образованные между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиливаться, что приводит к понижению чувствительности устройства.
Известно устройство /2/ (аналог), включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости и эпитаксиальный слой р-типа проводимости, отделенный от подложки резистивным и диэлектрическим слоями. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие полупроводниковые области n-типа проводимости, имеющие выход с одной стороны на резистивный слой, а с противоположной стороны на эпитаксиальный слой. Полупроводниковые области n-типа проводимости обеспечивают локализацию лавинного процесса в р-n переходах, отделенных друг от друга областями диэлектрического слоя. Фоточувствительным слоем, в котором создаются первичные фотоэлектроны, является эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности инородных материалов, т.е. на поверхности диэлектрических и резистивных слоев. Поэтому основными недостатками устройства являются сложность технологии изготовления таких эпитаксиальных слоев и высокий уровень темнового тока, приводящие к ухудшению чувствительности устройства и отношения сигнал/шум.
Известно устройство /3/ (аналог), содержащий подложку р-типа проводимости, на поверхности которой выращен эпитаксиальный слой р-типа проводимости. На поверхности эпитаксиального слоя сформирована матрица из полупроводниковых областей с противоположным типом проводимости по отношению к эпитаксиальному слою. Все полупроводниковые области соединены с металлическими шинами через индивидуальные резисторы. Полезной фоточувствительной площадью является полупроводниковая область, где происходит лавинное умножение фотоэлектронов. Между полупроводниковыми областями сформированы глубокие канавки с целью предотвращения оптической и электрической перекрестной наводки. Металлические шины и индивидуальные резисторы также расположены между полупроводниковыми областями. В результате этого, полезная площадь занимает от 30 до 50% общей площади лавинного фотодиода, что является основным недостатком устройства.
Известно также устройство /4/ (прототип), включающее полупроводниковую подложку и два эпитаксиальных слоя, на общей границе которых расположена матрица из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по сравнению с эпитаксиальными слоями. Полупроводниковые области и эпитаксиальные слои расположены между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями, которые имеют повышенную проводимость по сравнению с эпитаксиальными слоями. Полупроводниковые области в устройстве используются с целью создания отдельных лавинных областей (микроканалов), обеспечивающих независимое усиление сигнала. Недостатком устройства является высокая вероятность образования неуправляемых микропробоев по всему периметру матрицы полупроводниковых областей. Это вызвано эффектом краевого пробоя, имеющего место в крайних элементах выше упомянутой матрицы. Эффект краевого пробоя не позволяет поднять напряжение на устройстве с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на всей площади прибора. В результате этого, ограничивается коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности устройства.
Сущность изобретения
Технической задачей изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Задача решается за счет того, что в микропиксельном лавинном фотодиоде, содержащем полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены первый полупроводниковый слой, матрица из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою и второй полупроводниковый слой, сформированы новые элементы. Эти новые элементы предотвращают краевой пробой по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью. Первым новым элементом является высоколегированный по отношению к полупроводниковой подложке слой, расположенный между полупроводниковой подложкой и первым полупроводниковым слоем. Вторым новым элементом служит охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою. Матрица из дополнительных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью расположена по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей и имеет необходимую ширину L, причем охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей выступает за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя. Формы и размеры новых элементов зависят от типа проводимости полупроводниковых слоев по отношению к полупроводниковой подложке.
Микропиксельный лавинный фотодиод содержит полупроводниковую подложку 1 (Фиг. 1), на поверхности которой расположены первый полупроводниковый слой 2, матрица из полупроводниковых областей 3 с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою и второй полупроводниковый слой 4. Для достижения выше упомянутых технических результатов на границе полупроводниковой подложки с первым полупроводниковым слоем сформирован высоколегированный по отношению к полупроводниковой подложке слой 6, а по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей выполнена охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей 5 с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою. Охранная матрица шириной L выступает за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя, причем размеры дополнительных полупроводниковых областей 5 не превышают размеров полупроводниковых областей 3. Это позволяет предотвратить краевой пробой по всему периметру рабочей области устройства. Дело в том, что благодаря отсутствию высоколегированного слоя под охранной матрицей, обедненный слой, при работе устройства, проникает в подложку, и в результате этого уменьшается напряженность электрического поля по всему периметру фоточувствительной площади устройства, т.е. по всей площади матрицы из полупроводниковых областей микропиксельного лавинного фотодиода. Таким образом предотвращается краевой пробой в крайних элементах матрицы из полупроводниковых областей, что позволяет увеличить напряжение на устройстве с целью увеличения чувствительности лавинного фотодиода.
В зависимости от варианта исполнения полупроводниковые слои в устройстве могут иметь как одинаковый тип проводимости (первый вариант исполнения), так и противоположный тип проводимости (второй вариант исполнения). При этом высоколегированный слой, полупроводниковые области, дополнительные полупроводниковые области и полупроводниковая подложка всегда должны иметь одинаковый тип проводимости.
Лавинное усиление фототока в первом варианте исполнения устройства происходит только на границах полупроводниковых областей со вторым полупроводниковым слоем, представляющих собой независимые каналы умножения носителей заряда, совпадающие направлением «А» на Фиг. 1. Для этого ко второму (верхнему) полупроводниковому слою прикладывается напряжение полярностью, соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом обеднение от основных носителей заряда начинается с границы высоколегированного полупроводникового слоя с первым полупроводниковым слоем, причем средний р-n переход смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между каналами умножения (направление «В» на Фиг. 1), также смещаются в противоположном направлении. При этом высоколегированный полупроводниковый слой ограничивает распространение электрического поля в полупроводниковую подложку. В результате этого первый эпитаксиальный слой полностью обедняется до матрицы полупроводниковых областей и достигается такая форма распределения потенциала внутри устройства, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в первом полупроводниковом слое, в потенциальных микро-ямах из p-n-p-n переходов, образованных вокруг полупроводниковых областей. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху р-n переходе, а следующий р-n переход, смещенный в прямом направлении играет роль гасящего лавину сопротивления. В результате этого образуются потенциальные ямы глубиной около 0,5-0,7 В, в которой собираются умноженные электроны. Накопление электронов в упомянутой потенциальной яме за время нескольких наносекунд приводит к резкому понижению электрического поля в лавинной области (т.е. в приграничной области первого р-n перехода), и в результате этого лавинный процесс в данном канале умножения прекращается. Затем за время нескольких десятков наносекунд после окончания лавинного процесса накопленные электроны уходят в подложку благодаря достаточной утечке третьего (нижнего) р-n перехода. Таким образом, лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется в независимых каналах умножения, не имеющих зарядовой связи между собой. Благодаря этому улучшается стабильность работы и увеличивается чувствительность лавинного фотодиода. Поэтому устройство способно работать в режиме счетчика Гейгера, позволяющего регистрировать единичные световые кванты при комнатной температуре. Во втором варианте исполнения устройства первый полупроводниковый слой и полупроводниковая подложка имеют одинаковый тип проводимости, а второй полупроводниковый слой имеет противоположный к ним тип проводимости. Работа устройства в этом варианте исполнения аналогична первому варианту исполнения. Отличие в том, что здесь обеднение от основных носителей заряда начинается с общей границы полупроводниковых слоев. Под действием напряжения, приложенного к устройству, область обеднения распространяется как в первый полупроводниковый слой, так и второй полупроводниковый слой. Область первого полупроводникового слоя n-типа проводимости играет роль гасящего лавину индивидуального резистора в каждом канале умножения. При этом область первого полупроводникового слоя 2, расположенная непосредственно под охранной матрицей, полностью обедняется. Дело в том, что благодаря отсутствию высоколегированного слоя под охранной матрицей, обедненный слой, при работе устройства, проникает в подложку, и в результате этого уменьшается напряженность электрического поля по всему периметру фоточувствительной площади устройства, т.е. по всей площади матрицы из полупроводниковых областей микропиксельного лавинного фотодиода. Таким образом предотвращается краевой пробой в крайних элементах матрицы из полупроводниковых областей, что позволяет увеличить напряжение на устройстве с целью увеличения чувствительности лавинного фотодиода. В этом случае лавинное усиление фототока происходит только на границах полупроводниковых областей со вторым полупроводниковым слоем.
+
+
-2
Предложенный микропиксельный лавинный фотодиод можно изготовить на базе полупроводниковой подложки, например, кремниевой подложки n-типа проводимости с удельным сопротивлением 10 Ом⋅см. Сначала на рабочей области полупроводниковой подложки формируют высоколегированный полупроводниковый слой n-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,1 Ом⋅см путем локального диффузионного легирования фосфором. Затем на поверхности полупроводниковой подложки путем молекулярной эпитаксии выращивают первый полупроводниковый слой р-типа (или n-типа) проводимости с удельным сопротивлением 50 Ом⋅см. Матрицу из полупроводниковых областей n-типа проводимости формируют путем ионного легирования первого полупроводникового слоя атомами фосфора или мышьяка. Диаметр полупроводниковых областей выбирают 5 мкм, а зазор между ними - 3 мкм. Дозу легирования выбирают около 50 мкКл⋅см. Также формируют охранную матрицу из дополнительных полупроводниковых областей. Охранную матрицу из дополнительных полупроводниковых областей располагают так, чтобы она выступала за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя. После этого проводят отжиг дефектов при температуре 1000°С. Затем на поверхности первого полупроводникового слоя формируют второй полупроводниковый слой р-типа проводимости с удельным сопротивлением в интервале 3 Ом⋅см путем молекулярной эпитаксии. Это приводит к образованию в объеме устройства чередующихся p-n-переходов в направлении «А», перпендикулярном к плоскости подложки.
Источники информации
1. Гасанов А.Г. и др. Патент РФ №1702831 от 27 июня 1997 года.
2. Antich P.P. et al. US Patent #5844291 from December 1, 1998, Class: H01L 31/107.
3. Долгошеин Б.А. и др., Патент РФ №2290721 от 27 декабря 2006 года.
4. Sadygov Z.Y. and A.F. Zerrouk. US Patent # US 8,742,543 B2 from June 3, 2014.