Многоплощадочный кремниевый pin-фотодиод

Полезная модель относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс) при напряжениях смещения порядка 200 В. К такой аппаратуре относятся лазерные дальномеры, системы наведения по лучу, обнаружители лазерного излучения, системы защиты танков от лазерного оружия, высокоточное оружие и другие системы [A.M. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. М.: Физматкнига, 2007 г., 384 с.].
+
+
Известен многоплощадочный планарный кремниевый pin-фотодиод (патент на полезную модель РФ №126195, ОАО «Московский завод «Сапфир»), чувствительный к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм и содержащий пластину, выполненную из высокоомного кремния p-типа проводимости, с фоточувствительными площадками из планарных n-p переходов и охранным элементом в виде планарного n-p перехода, охватывающим без разрыва каждую отдельную фоточувствительную площадку, входящую в состав фотодиода.
Известен 8-площадочный планарный кремниевый pin-фотодиод, принятый в качестве прототипа, фоточувствительные площадки которого расположены в 4-х квадрантах, вписанных в окружность диаметром 2 мм (4 внутренние площадки) и диаметром 10 мм (4 внешние площадки) с охранным кольцом, при значениях всех межплощадочных промежутков 0,2 мм (Прикладная физика, №5, 2003 г., с. 106-111). Топология прототипа соответствует топологии фотодиода изделия ФУР124М, изготавливаемого АО «НПО «Орион». Недостатком прототипа являются снижение процента выхода годных фотодиодов по значениям темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца, а также значениям коэффициентов фотоэлектрической связи между фоточувствительными площадками, нестабильность электрических параметров изделия, обусловленных образованием инверсионного слоя n-типа проводимости на поверхности высокоомной кремниевой пластины p-типа проводимости. Данный инверсионный слой, возникающий из-за наличия встроенного положительного заряда на границе раздела окисел-кремний, приводит к появлению больших поверхностных токов утечки, дающих вклад в темновые токи фоточувствительных площадок и охранного кольца, снижению величины сопротивления каналов между охранным кольцом и фоточувствительной площадкой и между фоточувствительными площадками, что также приводит к увеличению темновых токов охранного кольца и повышению коэффициента фотоэлектрической связи между фоточувствительными площадками, а также к изменению величины темновых токов во времени.
Задачей полезной модели является снижение коэффициента фотоэлектрической связи между фоточувствительными площадками, снижение шумов и повышение стабильности электрических параметров изделия, уменьшение темновых токов охранного кольца и фоточувствительных площадок и, как следствие, увеличение процента выхода годных фотодиодов.
Технический результат достигается уменьшением поверхностных токов утечки за счет создания стоп-области p+-типа проводимости и областей p-типа проводимости, расположенных между охранным кольцом и фоточувствительной площадкой и между фоточувствительными площадками.
Многоплощадочный кремниевый pin-фотодиод содержит пластину, выполненную из высокоомного кремния p-типа проводимости, с фоточувствительными площадками и охранным кольцом n+-типа проводимости, стоп-областью p+-типа проводимости и областями p-типа проводимости, расположенными между охранным кольцом и фоточувствительной площадкой и между фоточувствительными площадками.
+
16
-3
Наличие p-стоп-области (концентрация примеси на границе раздела кремний-окисел ≥10 см) препятствует образованию инверсионного слоя на периферийной области фотодиода, тем самым снижая величину поверхностных токов утечки. Области p-типа проводимости, расположенные между охранным кольцом и фоточувствительной площадкой и между фоточувствительными площадками, увеличивают сопротивление каналов между охранным кольцом и фоточувствительной площадкой и между фоточувствительными площадками, тем самым снижая величину темнового тока охранного кольца и коэффициент фотоэлектрической связи между фоточувствительными площадками.
+
+
+
Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой представлена структурная схема 8-площадочного кремниевого pin-фотодиода. Согласно рисунку многоплощадочный кремниевый pin-фотодиод содержит пластину (1), выполненную из высокоомного кремния p-типа проводимости, с фоточувствительными площадками (2), охранным кольцом n-типа проводимости (3), стоп-областью p-типа проводимости (4), областями p-типа проводимости (5), тыльным контактным слоем p-типа проводимости (6), термическим окислом (7), двухслойными металлическими контактами хром-золото к фоточувствительным площадкам, охранному кольцу и тыльному контактному слою (8).
+
+
+
+
Пример. В соответствии с заявляемой полезной моделью был спроектирован кремниевый фотодиод и изготовлены 3 партии фотодиодов. В качестве исходного материала использовались пластины высокоомного кремния p-типа проводимости с удельным сопротивлением 15-20 кОм⋅см. Стоп-область p-типа проводимости и области p-типа проводимости, расположенные между охранным кольцом и фоточувствительной площадкой и между фоточувствительными площадками, создавались методом ионной имплантации бора. Формирование структуры фотодиода включает в себя также технологические операции термического окисления; загонки и разгонки фосфора для создания областей фоточувствительных площадок и охранного кольца n-типа проводимости; загонки фосфора в тыльную сторону пластины для формирования геттерирующего слоя; удаления геттера и диффузионной загонки бора для создания тыльного контактного слоя p-типа проводимости; формирования двухслойных металлических контактов к фоточувствительным площадкам, области охранного кольца и тыльному контактному слою p-типа проводимости методом напыления пленки золота с подслоем хрома. У изготовленных фотодиодов были измерены фотоэлектрические параметры.
Величина сопротивления канала между охранным кольцом и фоточувствительной площадкой составила 50-100 мОм, коэффициент фотоэлектрической связи между фоточувствительными площадками не превышал 1%. В таблице 1 приведены сравнительные типовые значения темновых токов при рабочем напряжении 200 В заявляемого фотодиода и прототипа.