КРЕМНИЕВЫЙ pin-ФОТОДИОД

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод относится к полупроводниковым приборам, изготавливаемым по диффузионной технологии, чувствительным к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм и применяемых, как правило, в системах управления лазерным лучом с длиной волны 0,9 мкм при низких напряжениях смещения (9-12 В) в условиях различных фоновых засветок, в том числе высоких, во всем диапазоне спектральной чувствительности прибора.
Известен кремниевый pin-фотодиод большой площади, содержащий подложку р-типа проводимости, на которой сформирован фоточувствительный элемент, для изготовления которого используются пластины толщиной ~400 мкм с удельным сопротивлением 10-14 кOм·см_(см. патент РФ на полезную модель №56069, МПК Н01L 31/00, опубл. 2006.08.27). Недостатком этого прибора является низкий уровень параметров при низком напряжении смещения (9-12 В) при высоких фазовых засветках.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является кремниевый pin-фотодиод ФД 344-01 (см. КД ЖИАЮ 75.7641.018, ОАО «Московский завод «Сапфир»). Этот фотодиод сформирован на пластинах р-типа проводимости толщиной не более 0,27 мм с удельным сопротивлением 8-14 кOм·см и временем жизни электронов в исходном кристалле не менее 300 мкс. Приборы на основе такого материала обеспечивают заданные значения основных фотоэлектрических параметров, в том числе чувствительности при смещении 9 В в условиях высокой фоновой засветки в нормальных условиях и при температуре +85 С, однако выход годных кристаллов по этим параметрам не превышает 70%.
Заявляемая полезная модель решает задачу увеличения до 100% выхода годных кристаллов по чувствительности на длине волны 0,9 мкм в условиях высокой фоновой засветки и низком (9 В) напряжении смещения, а также повышения уровня чувствительности в условиях отсутствия фоновой засветки и снижения вдвое уровня темнового тока.
Для решения поставленной задачи при изготовлении кремниевых pin-фотодиодов по диффузионной технологии с применением высокотемпературных (950-1150 С) процессов используют пластины кремния с временем жизни электронов в исходном кристалле не ниже 600 мкс.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема фотодиода.
+
+
Предложенный кремниевый pin-фотодиод состоит из подложки 1 р-типа проводимости, в которой на одной стороне сформированы области n- типа рабочего р-n перехода 2 и охранного кольца 3, а на обратной стороне - область р-типа омического контакта 4. При этом подложка 1 выполнена из материала с временем жизни электронов не менее 600 мкс.
В соответствии с заявляемой полезной моделью были изготовлены 2 партии pin-фотодиодов. Партия №1 изготавливалась на пластинах, отобранных по значению времени жизни (τ) в пределах 300-360 мкс. Партия №2 отобрана по значению τ в пределах 600-700 мкс. Остальные параметры пластин и материала были одинаковыми: толщина пластин ~ 270 мкм, удельное сопротивление 8-14 кOм·см. Пластины обеих партий проходили все процессы изготовления одновременно в одних и тех же реакторах диффузионных печей и вакуумных установках.
+
+
Характерными элементами топологии для обеих партий являются рабочий n-р переход диаметром 14 мм и окружающий его n-р переход охранного кольца, разделенные зазором 200 мкм.
+
+
Основными процессами изготовления являлись термическое окисление при температуре 1150 С в потоке кислорода (сухой-влажный-сухой), диффузия фосфора (загонка при температуре 950 С и разгонка при температуре 1050 С) в окна в окисле для формирования n-областей, геттерирование загонкой фосфора в обратную сторону подложки при температуре 970 С, загонка бора при температуре 970 С для формирования омического контакта (p-области) на обратной стороне подложки. Металлизация осуществлялась слоем золота с подслоем хрома, нанесенными методом термического распыления. Топология структур в процессе изготовления обеспечивалась методом контактной фотолитографии. Кристаллы вырезались из пластин с помощью дисковой резки. Было изготовлено и измерено по 200 кристаллов из каждой партии пластин. Измерения параметров производились на кристаллах с помощью прижимных зондов.
iλ
iλ
iλ
iλ
ф
+
+ф
Измерялись следующие параметры: чувствительность на длине волны 0,9 мкм в нормальных условиях без и с фоновой засветкой (S, S ), при температуре +85 С без и с фоновой зacвeткoй (S , S ), а также темновой ток в нормальных условиях.
iλ
iλ
iλ
iλ
iλ
iλ
+
+
+ф
+
+ф
Средние значения измеренных параметров для годных кристаллов обеих партий представлены в таблице вместе с данными по емкости и выходу годных кристаллов. Значения параметров S и S  измерялись при напряжении смещения 12 В, а параметров S  и S  - при 9 В. 30% забракованных кристаллов из партии №1 обусловлены значениями S  и S меньше заданной величины 0,23 А/Вт.
№партии исходных
Выход годных
Диапазон значений
S<sub>iλ</sub>,
S<sub>iλ</sub> <sup>ф</sup>
S<sub>iλ</sub> <sup>+</sup>,
S<sub>iλ</sub> <sup>+ф</sup>
I<sub>T</sub>,
пластин
кристаллов, %
емкости, пФ
А/Вт
А/Вт
А/Вт
А/Вт
мкА
№1 (τ=300-360 мкс)
70
52-64
0,45
0,33
0,46
0,32
0,62
№2 (τ=600-700 мкс)
100
65-72
0,51
0,39
0,475
0,368
0,31
Из данных таблицы следует, что для партии пластин №2 с большим значением τ в исходном материале характерен существенно больший выход годных кристаллов (100%) и более высокий уровень всех параметров, соответствующий приборам более высокого класса.
+
+
+
Полученные результаты в соответствии с данными по емкости объясняются тем, что в исходных кристаллах с меньшим значением τ при термообработках, сопутствующих изготовлению pin-фотодиодов, происходит более заметная компенсация и увеличение исходного удельного сопротивления (емкости меньше), чем в кристаллах с большими значениями τ (емкости больше). В результате при измерении чувствительности, особенно при больших фоновых засветках, когда часть области пространственного заряда (ОПЗ) n-p перехода экранируется свободными носителями заряда, в приборах на основе этого материала более заметная доля приложенного электрического смещения теряется на области базы и меньшее смещение приходится на n-p переход. В результате уменьшается напряженность электрического поля в ОПЗ, вследствие чего уменьшается ток через n-р переход, определяющий чувствительность.
В целом представленные результаты свидетельствуют о том, что исходные высокоомные кристаллы кремния р-типа проводимости предрасположены к компенсации и увеличению удельного сопротивления при термообработках, при этом степень компенсации тем больше, чем меньше в исходных кристаллах время жизни неосновных носителей заряда - электронов. Очевидно, что при термообработках «глубокие» центры, определяющие величину τ, частично перестраиваются в другие центры, компенсирующие проводимость р-типа. В том случае, когда «глубоких» центров больше (меньше τ), формируется также большее количество компенсирующих центров.
Из приведенных в таблице данных также видно, что для подложек из материала с временем жизни электронов не менее 600 мкс повышается уровень чувствительности в условиях отсутствия фоновой засветки и снижается вдвое уровень темнового тока.