КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ
SILICON PHOTOMULTIPLIER

Область техники изобретения
Изобретение относится к области полупроводниковых оптоэлектронных устройств, в частности к фотодетекторам с высокой эффективностью регистрации света, включая видимую часть спектра. Фотодетекторы в соответствии с изобретением могут быть использованы для широкой области применения, которая использует регистрацию очень слабых и быстрых оптических сигналов, например промышленная и медицинская томография, биологические науки, ядерная энергетика, физика частиц и астрочастиц и т.д.
Документ EP 1 755 171 B1 описывает кремниевый фотоумножитель (SiPM), составленный из матрицы отдельных ячеек. Как правило, кремниевый фотоумножитель (SiPM) содержит кремниевую подложку и множество ячеек, которые размещены на поверхности упомянутой подложки в эпитаксиальном слое. Каждая ячейка содержит внутренний отдельный гасящий сопротивление слой, выполненный из высокостабильного кремния и расположенный поверх слоя оксида кремния, который покрывает все ячейки. В процессе эксплуатации к каждой ячейке подают напряжение обратного смещения, которое превышает напряжение пробоя. Когда фотон поглощается в ячейке, то имеет место гейгеровский разряд, который ограничивают внешним гасящим сопротивлением. Одна основная проблема таких устройств может быть описана как “оптическая помеха”. Ее порождают фотоны, созданные гейгеровским разрядом, в количестве 10-5 фотонов на каждый электрон. Эффективная длина волны фотонов, которая ответственна за оптические помехи, составляет примерно 1 мкм, тем самым давая возможность фотонам преодолевать достаточно большие расстояния в кремнии, до того, как они поглощаются. Тем самым фотоны могут распространяться до другого первично незадействованного пикселя и инициировать там разряд. В документе EP 1 755 171 B1 предлагают решить эту проблему путем введения между ячейками треугольных канавок, которые служат оптическими барьерами между ячейками, так что вторичные фотоны, генерированные в одной ячейке, не могут достигать соседних ячеек. Эти канавки должны иметь размер достаточно большой, чтобы достичь хорошего подавления оптических помех, что в свою очередь приводит к потере эффективности регистрации фотона. Другая проблема устройства, описанного в документе EP 1 755 171 B1, состоит в том, что он демонстрирует низкую эффективность регистрации для длин волн более ~800 нм.
Следовательно, цель настоящего изобретения состоит в предоставлении ячейки для фотоэлектронного умножителя на основе кремния и фотоэлектронного умножителя на основе кремния, содержащего множество ячеек, в которых оптические помехи между ячейками значительно снижены без значительного снижения эффективности оптического детектирования. Еще одна цель настоящего изобретения состоит в предоставлении ячейки и фотоэлектронного умножителя на основе кремния с увеличенной эффективностью оптического детектирования для длин волн больше ~800 нм.
Эти задачи решают с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения являются объектами зависимых пунктов формулы изобретения.
Одной основной идеей настоящего изобретения является повышение оптического поглощения кремниевого детектора в том же интервале длин волн, что и для вторичных оптических фотонов, ответственных за оптические помехи. Для того чтобы повысить оптическое поглощение около 1000 нм, предлагают ввести в кремниевый материал определенное количество кристаллографических дефектов. Ими могут быть, например, свободные связи, вакансии, дефекты типа междоузлие или другие виды дефектов, известные как действующие в качестве эффективных центров захвата электронов. Электроны, захваченные этими дефектами, будут занимать энергетические состояния в пределах запрещенной зоны кремния. Следовательно, оптическое поглощение в районе длины волны 1000 нм будет возрастать, поскольку электроны могут переходить из зоны валентности в одно из энергетических состояний дефектов (подзонное поглощение), а затем в зону проводимости. Дефекты могут быть созданы с помощью ионной имплантации с высокой энергией ионов и с высокой дозой ионов в кремниевое устройство.
Увеличение оптического поглощения на длине волны около и меньше 1000 нм обеспечивает значительное снижение оптических помех между ячейками, поскольку вторичные фотоны, образованные гейгеровским разрядом одной ячейки, не смогут больше достигать соседней ячейки, поскольку они с большой вероятностью поглощаются в промежутке между ячейками. В результате оптические помехи могут быть значительно снижены без формирования каких-либо углублений или канавок в поверхности кремния для отделения ячеек друг от друга. Дополнительно преимущество увеличенного поглощения на 1000 нм состоит в том, что благодаря дефектным состояниям в запрещенной зоне кремния оптическое поглощение увеличивается в основном для длин волн ~800 нм. Следовательно, эффективность оптической регистрации устройства увеличивается для длинноволновой спектральной области.
В соответствии с первым аспектом настоящее изобретение направлено на ячейку для фотоэлектронного умножителя на основе кремния, которая содержит первый слой первого типа проводимости, второй слой второго типа проводимости, расположенный на первом слое, причем первый слой и второй слой формируют первый p-n-переход, и причем ячейку дополнительно обрабатывают с помощью этапа ионной имплантации, при этом параметры ионной имплантации выбирают так, что из-за повреждения кристаллической решетки, вызванного ионной имплантацией, уменьшается длина поглощения инфракрасного света в интервале длин волн ~800-1000 нм в несколько раз, в частности снижается в несколько раз, например в 3 раза, более предпочтительно по меньшей мере в 5 раз, причем этот фактор может быть разным для разных длин волн.
В соответствии с вариантом воплощения первого аспекта настоящего изобретения параметры ионной имплантации выбирают так, что длина поглощения снижается в 10 раз или больше.
-2
В соответствии с вариантом воплощения первого аспекта настоящего изобретения этап ионной имплантации содержит дозу ионов в интервале от 1013 до 1015 см, а энергия ионов находится в интервале 1 МэВ-10 МэВ, в частности в диапазоне 3 МэВ-5 МэВ.
В соответствии с вариантом воплощения первого аспекта настоящего изобретения за этапом ионной имплантации следует этап отжига. В соответствии с дополнительным вариантом воплощения этого этап отжига проводят при температуре в интервале между 300°C и 1000°C продолжительностью 10 с или дольше.
В соответствии с вариантом воплощения первого аспекта настоящего изобретения ячейка дополнительно содержит подложку второго типа проводимости и легированный скрытый слой первого типа проводимости, причем подложка и легированный скрытый слой формируют второй p-n-переход.
В соответствии с вариантом воплощения первого аспекта настоящего изобретения ячейка дополнительно содержит слой сопротивления, соединенный электрически со вторым слоем. В соответствии с дополнительным вариантом воплощения вышесказанного слой сопротивления имеет значение сопротивления, чтобы действовать как гасящее сопротивление для гашения гейгеровского разряда. В соответствии с вариантом воплощения слой сопротивления выполняют из слаболегированного кремния или из поликристаллического кремния.
-2
В соответствии со вторым аспектом настоящее изобретение направлено на ячейку для фотоэлектронного умножителя на основе кремния, содержащую первый слой первого типа проводимости, второй слой второго типа проводимости, сформированный на первом слое, причем первый слой и второй слой формируют первый p-n-переход, при этом ячейку дополнительно обрабатывают с помощью этапа ионной имплантации, содержащей дозу ионов в интервале от 1013 до 1015 см и энергию ионов в интервале 1 МэВ-10 МэВ, в частности в интервале 3 МэВ-5 МэВ.
В соответствии с вариантом воплощения второго аспекта настоящего изобретения за этапом ионной имплантации следует этап отжига. В соответствии с дополнительным вариантом воплощения этого этап отжига проводят при температуре в интервале от 300°C до 1000°C продолжительностью 10 с или дольше.
Дополнительные варианты воплощения могут быть образованы аналогично тем, которые описаны выше совместно с первым аспектом настоящего изобретения.
Настоящее изобретение также относится к фотоэлектронному умножителю на основе кремния, содержащему множество ячеек, таких как ячейки для первого или второго аспекта настоящего изобретения, причем все ячейки изготавливают на одной общей подложке.
Настоящее изобретение относится также к детектору излучения, содержащему сцинтиллятор и матрицу фотоэлектронных умножителей на основе кремния, таких как описанные в предшествующем параграфе, где матрицу фотоэлектронных умножителей на основе кремния выполняют с возможностью принимать вспышки света, произведенного сцинтиллятором, в ответ на принятое излучение.
В соответствии с третьим аспектом настоящее изобретение направлено на способ изготовления ячейки для фотоэлектронного умножителя на основе кремния, который содержит обеспечение первого слоя первого типа проводимости и второго слоя второго типа проводимости, сформированного на первом слое, причем первый слой и второй слой формируют первый p-n-переход, и выполнение ионной имплантации в первый и второй слои, и выбор параметров ионной имплантации так, что из-за повреждения кристаллической решетки, вызванного имплантацией, снижается длина поглощения инфракрасного света с длиной волны в интервале ~800 нм-1000 нм, в частности снижается по меньшей мере в 3 раза, более конкретно снижается по меньшей мере в 5 раз.
В соответствии с вариантом воплощения третьего аспекта изобретения этапы способа можно выполнять в любом требуемом порядке и необязательно в том порядке, который указан выше. Также существует возможность выполнить ионную имплантацию перед изготовлением первого и второго слоев и первого p-n-перехода.
-2
В соответствии с вариантом воплощения третьего аспекта настоящего изобретения способ дополнительно содержит выбор параметров ионной имплантации, таким образом, что доза ионов находится в интервале 1013-1015 см, а энергия ионов находится в интервале 1-10 МэВ, конкретно в интервале 3-5 МэВ.
В соответствии с вариантом воплощения третьего аспекта настоящего изобретения способ дополнительно содержит отжиг ячейки после ионной имплантации. В соответствии с дополнительным вариантом воплощения этого отжиг выполняют при температуре в интервале 300°C-1000°C продолжительностью 10 с или дольше.
В соответствии с вариантом воплощения третьего аспекта настоящего изобретения способ дополнительно содержит использование ионов для имплантации, известных как действующие ионами-донорами или ионами-акцепторами в кремнии. В соответствии с вариантом воплощения этого способ дополнительно содержит использование ионов такого вида, как один из фосфора, мышьяка или бора.
В соответствии с вариантом воплощения третьего аспекта настоящего изобретения способ дополнительно содержит обеспечение подложки второго типа проводимости и создание легированного скрытого слоя первого типа проводимости так, что подложка и легированный скрытый слой формируют второй p-n-переход. В соответствии с вариантом воплощения такой легированный скрытый слой создают с помощью ионной имплантации.
В соответствии с вариантом воплощения третьего аспекта настоящего изобретения слой сопротивления обеспечивают в виде полупроводникового слоя, имеющего концентрацию примеси, чтобы получить требуемое сопротивление или величину удельного сопротивления, чтобы действовать как гасящее сопротивление для подавления лавинного тока. Следовательно, изобретение позволяет интегрировать получение слоя гасящего сопротивления в процесс получения комплементарных структур метал-оксид-полупроводник (КМОП).
В соответствии с альтернативным вариантом воплощения третьего аспекта изобретения слой сопротивления обеспечивают в виде слоя поликристаллического кремния или тонкого металлического слоя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи включены для обеспечения дополнительного понимания вариантов воплощения, включены в описание изобретения и составляют его часть. Чертежи иллюстрируют варианты воплощения и вместе с описанием помогают объяснить принципы вариантов воплощения. Другие варианты воплощения и многие из предполагаемых для использования преимуществ вариантов воплощения будут явно оценены, поскольку они будут лучше поняты с помощью ссылок на следующее подробное описание.
Фиг.1, А, В показывает изображение вида сверху (А) и изображение сечения (В) ячейки фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии с первым вариантом воплощения;
Фиг.2 показывает изображение вида сверху секции фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии с первым вариантом воплощения;
Фиг.3 показывает изображение сечения по линии А-А на Фиг.2 фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии с первым вариантом воплощения;
Фиг.4А-4Е показывают изображения сечений по линии А-А на Фиг.2 промежуточных продуктов (заготовок) фотоэлектронного умножителя на основе кремния для иллюстрации способа изготовления фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии с вариантом воплощения;
Фиг.5 показывает изображение вида сбоку ячейки фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии со вторым вариантом воплощения; и
Фиг.6 показывает изображение сечения детектора излучения в соответствии с вариантом воплощения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты и варианты воплощения теперь будут описаны со ссылкой на чертежи, где аналогичные ссылочные позиции используют, как правило, чтобы обозначить аналогичные элементы по всему описанию. В нижеследующем описании с целью объяснения предлагают много конкретных подробностей для того, чтобы предоставить полное понимание одного или более аспектов вариантов воплощения. Однако специалисту в данной области техники может быть ясно, что один или более аспектов вариантов воплощения могут быть осуществлены на практике с меньшим количеством конкретных деталей. В иных случаях известные структуры и элементы показаны в схематичном виде, чтобы облегчить описание одного или более аспектов вариантов воплощения. Следующее описание, следовательно, не может быть истолковано в ограничивающем смысле, а объем определяют с помощью прилагаемой формулы изобретения. Следует также отметить, что изображения различных слоев, пленок или подложек на чертежах необязательно представлены в масштабе.
В следующем подробном описании сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, которые составляют часть вышеуказанного и на которых в виде иллюстрации показаны конкретные варианты воплощений, в которых может на практике быть осуществлено изобретение. В связи с этим задающую направление терминологию, например “верхний”, “нижний”, “левосторонний”, “правосторонний”, “передняя сторона”, “задняя сторона” и т.д., используют со ссылкой на положение чертежа (чертежей), который описывают. Поскольку компоненты вариантов воплощения могут быть размещены в нескольких различных ориентациях, задающую направление терминологию используют с целью иллюстрации и никоим образом как ограничивающую. Следует понимать, что можно использовать другие варианты воплощения и могут быть сделаны структурные или логические изменения без отступления от объема настоящего изобретения.
Фиг.1,А показывает изображение вида сверху ячейки фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии с первым вариантом воплощения, а Фиг.1,В показывает изображение сечения ячейки по линии В-В Фиг.1,А.
Ячейка 1 включает первый слой 2 первого типа проводимости и второй слой 3 второго типа проводимости, сформированный на первом слое 2, так, что первый слой 2 и второй слой 3 формируют первый p-n-переход. Ячейка 1 дополнительно содержит слой 5 гасящего сопротивления, сформированный на первом слое 2 сбоку второго слоя 3 и соединенный с поверхностью боковой стороны второго слоя 3.
Ячейка 1 и, в частности, второй слой 3 могут иметь прямоугольную или квадратную форму, а слой 5 гасящего сопротивления может быть соединен с одной из боковых краев второго слоя 3, в частности в центре бокового края. Слой 5 гасящего сопротивления продолжается в направлении от второго слоя 3, чтобы создать электрический контакт с линией распределения напряжения (не показано) на удалении от второго слоя 3. Ячейка 1 может также содержать изолирующий слой 7, покрывающий первый слой 2, второй слой 3 и слой 5 гасящего сопротивления. Изолирующий слой 7 может быть таким, что он покрывает целиком всю матрицу ячеек только с одним окном на краевом участке устройства с целью электрического подключения линии распределения напряжения. Второй слой 3 и слой 5 гасящего сопротивления могут быть также сформированы в виде областей карманов в первом слое 2, с использованием традиционных процессов ионной имплантации, известных в технологии изготовления КМОП. Как можно видеть на Фиг.1В, область имплантации второго слоя 3 показана штриховкой с наклоном влево, область имплантации слоя 5 гасящего сопротивления показывают штриховкой с наклоном вправо, а перекрытие между двумя областями может быть обеспечено при проведении этапов имплантации, чтобы обеспечить удовлетворительный электрический контакт между обеими областями.
Следует отметить, что показанные на Фиг.1А элементы необязательно выполнены в масштабе с точки зрения их размеров относительно друг друга, а также геометрических размеров самих элементов. Например, слой 5 гасящего сопротивления показан имеющим полосковый профиль, который может иметь отношение длины к ширине, например, более 10, более предпочтительно более 20, более предпочтительно более 30. Кроме того, отношение длины бокового края ячейки 1 или второго слоя 3 к ширине полоскового профиля слоя 5 гасящего сопротивления может быть, например, более 10, более предпочтительно более 20, более предпочтительно более 30.
При этом слой 5 гасящего сопротивления может обладать удельным сопротивлением в интервале от 10 до 50 КОм/квадрат. С таким удельным сопротивлением слой 5 гасящего сопротивления может эффективно действовать как гасящее сопротивление для подавления лавинного тока в рабочем состоянии фотодиода. Величина удельного сопротивления может быть отрегулирована с помощью геометрических размеров и концентрации примеси слоя 5 гасящего сопротивления.
-3
Второй слой 3 может иметь относительно высокий уровень концентрации примеси, который может быть, например, в интервале от 1018 до 1019 см.
Фиг.2 показывает изображение вида сверху секции фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии с вариантом воплощения.
Фотоэлектронный умножитель 10, изображенный на Фиг.2, состоит из множества ячеек 1, таких, которые показаны на Фиг.1А, В. Их располагают рядами, причем ячейки 1 одного ряда смещают по горизонтали относительно ячеек 1 близлежащего ряда, где смещение может составлять, например, половину длины одного бокового края, имеющего форму квадрата ячейки 1.
-3
-3
Фотоэлектронный умножитель 10 может иметь множество линий 6 распределения напряжения. Для секции фотоэлектронного умножителя 10, показанной на Фиг.2, представлены две линии 6 распределения напряжения, которые расположены вдоль наружных боковых краев двух близлежащих рядов ячеек 1. Слои 5 гасящего сопротивления каждой ячейки 1 одного ряда распространяются в узком пространстве между двумя соседними ячейками близлежащего ряда и электрически соединяются с линией 6 распределения напряжения, простирающейся вдоль близлежащего ряда. Линии 6 распределения напряжения могут также быть выполнены как область кармана, сформированная в пределах первого слоя 2. В частности линии 6 распределения напряжения могут быть сформированы из областей карманов, имеющих концентрацию примеси около 1019 см или 5×1018-5×1019 см, так что они работают как монтажные провода. Таким образом, изготовление линий 6 распределения напряжения может также составлять часть и может быть включено в процесс изготовления КМОП.
Фиг.3 показывает изображение сечения по линии А-А на Фиг.2 фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии с вариантом воплощения.
-3
-3
-2
Секция фотоэлектронного умножителя 20, показанная на Фиг.3 содержит правую часть одной ячейки 1, показанной на левой стороне чертежа, и левую часть дополнительной ячейки 1, показанную на правой стороне чертежа, и область между близлежащими ячейками, которая содержит слой 5 гасящего сопротивления. Фотоэлектронный умножитель 20 содержит подложку 21 второго типа проводимости, имеющую концентрацию легирующего вещества в интервале 5×1014-5×1016 см, и скрытый слой 22 первого типа проводимости, имеющий пиковую концентрацию легирующего вещества, например, в интервале 5×1017-5×1018 см. Скрытый слой 22 получают с помощью ионной имплантации, причем параметры ионной имплантации выбирают так, что доза ионов лежит в интервале от 1013 до 1015 см, а энергия ионов находится в интервале от 1 МэВ до 10 МэВ, конкретно в интервале от 3 МэВ до 5 МэВ. С помощью такой ионной имплантации образуют относительно высокую плотность дефектов в слоях 2, 3 и 22, в частности в слоях 2 и 3, особенно прилегающих к первому p-n-переходу между слоями 2 и 3. Такая относительно высокая плотность дефектов приводит к увеличению коэффициента поглощения и к уменьшению длины поглощения для инфракрасного света с длиной волны в интервале от ~800 нм до 1000 нм, по меньшей мере, в несколько раз, например по меньшей мере в 3 раза, более предпочтительно по меньшей мере в 5 раз. В качестве первого его предпочтительного результата существенно меньше вторичных гейгеровских фотонов, испускаемых p-n-переходом во время разряда, может покинуть одну ячейку и достичь соседней ячейки, и в качестве второго предпочтительного результата длинноволновая спектральная часть падающего света будет подзонно поглощена так, что эффективность регистрации света в этой части спектра может быть повышена. В результате ионной имплантации можно также получить градиент концентрации примесей в следующем порядке сверху вниз 1015-1018 из-за обратного рассеяния имплантированных ионов в первом слое 2; такой градиент создает встроенное электрическое поле, которое вынуждает носители, образованные желто-красными или инфракрасными фотонами в зоне градиента примеси, двигаться в зону гейгеровского обеднения для обнаружения. Это вносит свой вклад в эффективность регистрации длинноволновых фотонов. Подложка 21 и скрытый слой 22 формируют второй N-P-переход на границе раздела между ними.
Благодаря эффективному поглощению вторичных гейгеровских фотонов нет необходимости вводить какие-либо механические углубления или канавки в качестве оптических барьеров между ячейками, как те, которые показаны и описаны в указанном выше Европейском Патенте EP 1 755 171 B1. Следовательно, оптические помехи между ячейками можно эффективно подавить без каких-либо потерь эффективности регистрации фотона.
-3
-3
-3
Над скрытым слоем 22 располагают множество идентичных ячеек 1, где каждую ячейку 1 формируют с помощью первого слоя 2 и второго слоя 3. Первый слой 2 является общим для всех ячеек 1, и он является сплошным по всему фотоэлектронному умножителю 20. Второй слой 3 формируют как тонкий слой второго типа проводимости, имеющий относительно высокую концентрацию легирующего вещества, как, например, 1018-1019, и размещают поверх первого слоя 2. Второй слой 3 работает как входное окно фотоэлектронного умножителя 20. Первый слой 2 и второй слой 3 формируют первый N-P-переход на границе раздела между ними, где при работе прикладывают напряжение обратного смещения к первому N-P-переходу в такой степени, что фотодиод работает в гейгеровском режиме. Тонкие полосковые кремниевые слои 5 гасящего сопротивления второго типа проводимости соединяют каждую ячейку 1 с одной из линий 6 распределения напряжения и служат в качестве гасящих сопротивлений, имеющих сопротивление 10-50 кОм/квадрат. Линии 6 распределения напряжения выполняют из кремниевых слоев второго типа проводимости, обладающих относительно высокой концентрацией легирующего вещества, как, например, около 1019 см или 5×1018 см-5×1019 см легирующего вещества. Верхнюю поверхность фотоэлектронного умножителя 20 покрывают изолирующим слоем 7, в частности слоем оксида кремния, с соответствующими антиотражательными свойствами на верхней поверхности вышеупомянутого. Упомянутые полосковые слои 5 гасящего сопротивления и линии 6 распределения напряжения размещают между первым слоем 2 и изолирующим слоем 7. Линии 6 распределения напряжения соединяют друг с другом на периферии фотоэлектронного умножителя, и существует только единственный входной контакт подачи питания через единственное входное окно в изолирующем слое 7. В заключение поверх слоя 7 оксида кремния размещают слой 8 из алюминия в виде решетки, который служит для выхода сигнала кремниевого фотоумножителя (SiPM).
Фотоэлектронный умножитель 20 в соответствии с Фиг.3 представляет вариант воплощения высокоэффективного фотоэлектронного умножителя, совместимого с технологией КМОП. Скрытый слой 22 может быть сформирован с помощью вышеописанного этапа имплантации ионами с высокой энергией, которую можно проводить в соответствующее время в течение процесса изготовления КМОП. Также и остальные слои, аналогичные второму слою 3, слоям 5 гасящего сопротивления и линиям 6 распределения напряжения, могут быть обработаны с помощью дополнительных этапов ионной имплантации в течение процесса изготовления КМОП.
Фотоэлектронный умножитель 20 на основе кремния содержит, таким образом, подложку 21 второго типа проводимости, скрытый слой 22 первого типа проводимости, первый слой 2 первого типа проводимости, второй слой 3 второго типа проводимости (входное окно), полосковые слои 5 гасящего сопротивления (гасящие сопротивления) первого типа проводимости, шины 6 распределения напряжения, изолирующий слой 7 и слой в виде решетки 8 поверх изолирующего слоя 7. Например, подложка 21 может иметь p-тип (n-тип) проводимости, скрытый слой 22 может иметь n-тип (p-тип) проводимости, слой 2 может иметь n-тип (p-тип) проводимости, слои 3 могут иметь p-тип (n-тип) проводимости, и слои 5 гасящего сопротивления и линии 6 распределения напряжения могут иметь p-тип (n-тип) проводимости.
Следует отметить дополнительно, что в соответствии с вариантом воплощения Фиг.3 скрытый слой 22 изготавливают как непланарный слой, в частности его изготавливают так, что он содержит меняющуюся глубину по всему устройству. На Фиг.3 видно, что на участках между ячейками 1 скрытый первый слой 22 располагают в пределах подложки глубже по сравнению с участками ячеек 1. Причина состоит в том, что электрическое поле будет более сильным в пределах ячеек 1 по сравнению с участками между ячейками 1, поэтому свет, падающий только на ячейку 1, может быть эффективно обнаружен только с помощью ячейки 1.
Высокоэффективную регистрацию света в широком спектральном диапазоне с высокой однородностью электрического поля достигают в структуре, показанной на Фиг.3, которую производят с помощью обработки по стандартной технологии КМОП. Сильное электрическое поле, необходимое для гейгеровского разряда (напряжение больше значения пробоя), создают в N-P-переходе между вторым слоем 3 (входное окно) и первым слоем 2.
Помимо этого, в варианте воплощения Фиг.3 производят еще один N-P-переход между подложкой 21 и скрытым первым слоем 22, упомянутый переход препятствует проникновению фотоэлектронов, созданных вторичными фотонами гейгеровского разряда, в объем близлежащих ячеек. Проникновению вторичных гейгеровских фотонов в близлежащие ячейки также мешает сильное инфракрасное поглощение кремния, главным образом около первого p-n-перехода между слоями 2 и 3 из-за интенсивной ионной имплантации, используемой для формирования скрытого первого слоя 22.
Совместимые с технологией КМОП высокоэффективные фотоэлектронные умножители в соответствии с одним из описанных выше вариантов воплощения содержат независимые ячейки, имеющие обычно размер 20-100 микрон, то есть, например, длину одного бокового края одной ячейки 1 или второго слоя 3. Все ячейки соединяют с шинами 6 распределения напряжения через гасящие сопротивления 5, а одинаковое напряжение смещения, превышающее напряжение пробоя, прикладывают к ячейкам 1, что обеспечивает работу в гейгеровском режиме. Самогасящийся гейгеровский разряд развивается в активной зоне ячейки, когда туда попадает фотон. Гашение, то есть прекращение разряда, происходит из-за флуктуаций числа носителей заряда до нулевого значения при падении напряжения на p-n-переходе благодаря наличию в каждой ячейке гасящего сопротивления 5 (токоограничивающего сопротивления). Токовые сигналы от сработавших ячеек суммируются на общей нагрузке. Усиление каждой ячейки составляет величину до 107. Разброс величины усиления каждой ячейки определяют технологическим разбросом величины емкости ячейки и напряжением пробоя ячейки и составляет менее 5%. Поскольку все ячейки идентичные, отклик детектора на слабые вспышки света пропорционален числу сработавших ячеек, т.е. интенсивности света.
Фиг.4А-Е изображают виды сечений промежуточных продуктов для иллюстрации способа изготовления ячейки для фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии с вариантом воплощения.
-3
Фиг.4А изображает кремниевую подложку 21 второго типа проводимости, имеющую концентрацию легирующего вещества в интервале 5×1014-5×1016 см.
-2
-2
-3
Фиг.4В изображает вид сечения промежуточного продукта, полученного после выполнения ионной имплантации для образования скрытого слоя 22. Скрытый первый слой 22 образуют с помощью ионной имплантации с энергией ионов в интервале между 1 МэВ и 10 МэВ, более предпочтительно в интервале между 3 МэВ и 5 МэВ и дозой ионов в интервале между 1013 см и 1015 см. Скрытый слой 22 дополнительно содержит первый тип проводимости, обладающий пиковой концентрацией легирующего вещества в интервале, например, 5×1017-5×1018 см. С помощью введения скрытого слоя 22 образуют второй p-n-переход (первый p-n-переход сформируют позднее), который служит, чтобы моделировать помехи носителя между ячейками. Слой над скрытым слоем 22 теперь будут обозначать как первый слой 2. Ионная имплантация образует также относительно высокую плотность дефектов, распределенных в первом слое 2 в направлении от верхней поверхности к скрытому слою 22, при том что относительно высокую плотность дефектов получают в области, где должен быть позднее сформирован первый p-n-переход. Дефекты, созданные с помощью ионной имплантации, формируют энергетические состояния в запрещенной зоне кремния, приводящие к увеличению подзонного поглощения в инфракрасной спектральной области.
-3
Фиг.4С изображает вид сечения промежуточного продукта, полученного после образования вторых слоев 3, где каждый второй слой 3 представляет одну ячейку или пиксель фотоэлектронного умножителя. Первый слой 2 продолжается через весь фотоэлектронный умножитель и формирует соответствующие первые p-n-переходы с каждым одним из вторых слоев 3. Вторые слои 3 также могут быть образованы с помощью ионной имплантации с низкой энергией ионов или альтернативно с помощью диффузионного легирования. Вторые слои 3 могут иметь относительно высокий уровень концентрации примеси второй проводимости в интервале 1018-1019 см.
-3
-3
Фиг.4D изображает вид сечения промежуточного продукта, полученного после изготовления слоев 5 сопротивления. Слои 5 сопротивления служат как гасящие сопротивления и заключают в себе сопротивление 10-50 КОм/квадрат и также могут быть образованы с помощью этапа ионной имплантации имплантированием ионов второго типа проводимости. После изготовления слоев 5 сопротивления можно изготовить линии 6 распределения напряжения второго типа проводимости с помощью дополнительного этапа ионной имплантации, имеющие относительно высокую концентрацию легирующего вещества 1019 см или 5×1018-5×1019 см.
Фиг.4Е изображает вид сечения промежуточного продукта, полученного после осаждения слоя 7 оксида кремния с антиотражающими свойствами на всей поверхности фотоэлектронного умножителя. После этого на слой 7 оксида кремния наносят слой 8 в виде решетки, который можно изготовить из алюминия.
++
-2
-2
++
+
Фиг.5 изображает вид сбоку фотоэлектронного умножителя на основе кремния в соответствии со вторым вариантом воплощения. Фотоэлектронный умножитель 30 на основе кремния изготавливают не с помощью технологии КМОП. Вместо этого процесс изготовления начинается со слабо- или среднелегированной кремниевой подложки 31 n-типа проводимости, на верхней поверхности которой формируют сильнолегированный второй слой 32 p-типа проводимости, например, диффузионным легированием. После чего слабо- или среднелегированный второй слой 33 p-типа проводимости эпитаксиально выращивают на втором слое 32. После эпитаксиального выращенного второго слоя 33 выполняют ионную имплантацию, выбирая энергию ионов в интервале 1 МэВ-10 МэВ, более предпочтительно в интервале 3 МэВ-5 МэВ, и дозу ионов в интервале 1013 см-1015 см. Поскольку глубокий второй слой 32 p-типа проводимости уже существует, теоретически ионная имплантация не должна иметь легирующих свойств, а просто повреждающие свойства так, что на практике может быть также выполнена ионная имплантация гелием, ионами или даже фотонами. Однако использование тяжелых ионов, таких как фосфор, мышьяк или бор, получается более эффективным относительно степени повреждения и плотности дефектов. В пределах эпитаксиального выращенного второго слоя 33 первый второй слой 34 p-типа проводимости и второй второй слой 35 n-типа проводимости встраивают таким образом, что они формируют первый n-p- переход у поверхности ячейки. После чего на поверхность второго слоя наносят второй изолирующий слой 36, который может быть изготовлен из слоя оксида кремния. Сквозное отверстие формируют в изолирующем втором слое 36 около одного его конца так, что позднее второй слой 35 может быть присоединен электрически. После чего второй слой 37 сопротивления наносят на второй изолирующий слой 36, где второй слой 37 сопротивления можно изготовить из нелегированного или слаболегированного поликристаллического кремния. Второй слой 37 сопротивления работает как гасящее сопротивление, чтобы гасить гейгеровский разряд. После чего второй слой 37 сопротивления ячеек соединяют вместе и с линий 38 распределения напряжения.
Фиг.6 изображает вид сечения детектора излучения в соответствии с вариантом воплощения. Детектор излучения 40 включает в себя сцинтиллятор 41, который производит сцинтилляцию или вспышку света, когда гамма-луч попадает в сцинтиллятор 41. Вспышку света принимают с помощью матрицы 42 фотоэлектронных умножителей на основе кремния, как описано выше, монолитно расположенной на кремниевой подложке 43. Материалом сцинтиллятора может быть одно из LSO, LYSO, MLS, LGSO, LaBr и их смеси. Также можно использовать другие материалы сцинтиллятора. Сцинтиллятор 41 может быть составлен из одного кристалла или матрицы кристаллов. Кроме того, дополнительно между сцинтиллятором 41 и умножителями 42 можно вставить планарный световод 44, чтобы улучшить передачу фотонов вспышек света умножителю 42.
Множество детекторов излучения 40, показанных на Фиг.5, может быть расположено в системе формирования изображения позитронно-эмиссионной томографии.