Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты)
AVALANCHE PHOTODETECTOR (EMBODIMENTS) AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF (EMBODIMENTS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды, и т.д.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционный ЛФД состоит из нанесенных на полупроводниковую подложку различных полупроводниковых слоев.
Одна группа таких слоев образует фотопреобразователь, в котором сигнальные фотоны, поглощаясь, создают свободные носители заряда: электроны и дырки. Эти образованные светом носители заряда попадают в другую группу слоев полупроводниковых материалов - лавинный усилитель, в котором формируется область электрического поля с напряженностью, достаточной для лавинного умножения этих носителей.
Основным параметром ЛФД является пороговая чувствительность, определяемая как свойствами самого фотопреобразователя, так и лавинного усилителя.
В значительной степени пороговую чувствительность ограничивает величина темнового тока лавинного усилителя, основная доля которой вызвана сильным полем, необходимым для процесса лавинного умножения фотоносителей.
Для уменьшения темнового тока лавинного усилителя и, следовательно, улучшения пороговой чувствительности ЛФД можно уменьшать площадь лавинного усилителя по сравнению с площадью фотопреобразователя.
Это реализуется в конструкциях ЛФД, патенты US 9,035,410; RU 2641620, где лавинный усилитель, имеющий два слоя: контактный и слой умножения, и фотопреобразователь расположены на общей подложке, при этом площадь фотопреобразователя превосходит площадь усилителя.
В конструкции по патенту RU 2641620 слой умножения обращен к подложке, выполнен из полупроводникового материала того же типа проводимости, что и фотопреобразователь сигнала и непосредственно примыкает к этому, отдельно выполненному, фотопреобразователю, что позволяет снизить избыточные темновые шумы, возникающие при переносе фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель через внешнюю электрическую цепь, реализуемом в конструкции US 9,035,410.
НЕДОСТАТКИ ПРОТОТИПА
Выполнение слоя умножения технологически независимо от фотопреобразователя приводит к ограничению попадания фотоносителей из слоя фотопреобразователя в слой умножения и, тем самым, к потерям усиленного фотосигнала. В результате ухудшается базовая характеристика фотодетектора - пороговая чувствительность.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Задачей настоящего изобретения является создание ЛФД, конструкция которого позволяла бы реализовывать высокую пороговую чувствительность, не ограниченную малоэффективным переносом фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель. Кроме того, предлагаемые конструкции ЛФД позволяют уменьшить темновой ток прибора и снизить шумы взаимовлияния соседних лавинных усилителей при реализации фотодетектора с множеством таких усилителей.
Решение всех этих задач позволяет улучшить основную характеристику ЛФД - его пороговую чувствительность.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение представляет ЛФД, конструкция и способ изготовления которого позволяет повысить эффективность переноса фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель благодаря тому, что слой умножения выполняют на всей проводящей подложке. На части слоя умножения формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя. В результате создания вышеуказанной конструкции за пределами контактного слоя слой умножения выполняет функцию фотопреобразователя. В результате инициируемые в фотопреобразователе фотоносители беспрепятственно попадают в область умножения лавинного усилителя. Первый и второй электроды лавинного фотодетектора размещают на контактном слое и подложке соответственно.
Для подавления шумов взаимовлияния соседних лавинных усилителей, возникающего при попадании в область умножения паразитного фотоэлектрона от фотона, порожденного горячим носителем заряда в соседнем лавинном усилителе, используется кольцевая канавка, заполненная диэлектриком, располагаемая вокруг контактного слоя лавинного усилителя.
Для уменьшения темнового тока прибора, попадающего из соседних с ним областей подложки, на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения.
Целесообразно полупроводниковую подложку выполнить из низкоомного материала.
Желательно подложку и слой умножения выполнить из одинакового полупроводникового материала.
Возможно, слой умножения на поверхности подложки сформировать методом эпитаксии, а контактный слой выполнить путем легирования слоя умножения примесью, образующей слой с типом проводимости противоположным тому, который имеет слой умножения.
Также желательно дополнительную канавку по периметру границы области фотопреобразователя выполнить шириной не более, чем 2 мкм.
Также возможно между контактным слоем лавинного усилителя и первым электродом нанести высокоомный слой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенные ниже чертежи, объясняющие конструкцию, являются частью изобретения, иллюстрируя его суть вместе с дальнейшим описанием.
Перечень чертежей
Фиг. 1 является схематическим изображением поперечного разреза первого варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 101, слой умножения 102, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, кольцевую канавку 103, заполненную диэлектриком, слой диэлектрика 104, нанесенный на поверхность слоя умножения 102, контактный слой 106, выполненный путем диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния 105 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 107 и фотопреобразователя 108, располагаемого за пределами лавинного усилителя, первый электрод 109 из прозрачного материала, расположенный на поверхности контактного слоя 106 и слоя диэлектрика 104 и второй электрод 110, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101.
Фиг. 1A иллюстрируют процесс нанесения слоя умножения 102 на кремниевую подложку 101;
Фиг. 1B иллюстрируют процесс формирования кольцевой канавки 103, заполненной диэлектриком;
Фиг. 1C иллюстрируют процесс нанесения слоя диэлектрика 104 на поверхность слоя умножения 102 и создания в диэлектрическом слое над поверхностью слоя умножения окна, заполненного сильнолегированным поликристаллическим кремнием 105 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения;
Фиг. 1D иллюстрируют процесс формирования областей лавинного усилителя 107 путем создания контактного слоя 106 за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния 105, заполняющего окно в слое диэлектрика 104 над поверхностью слоя умножения, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 107 и фотопреобразователя 108, располагаемого за пределами лавинного усилителя;
Фиг. 1E иллюстрируют процесс формирования первого электрода 109 из прозрачного проводящего материала на поверхности контактного слоя 107 и слоя диэлектрика 104;
Фиг. 1F иллюстрируют процесс формирования второго электрода 110 на полупроводниковой подложке 101.
Фиг. 2 является схематическим изображением поперечного разреза второго варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 201, слой умножения 202, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, кольцевую канавку 203, заполненную диэлектриком, слой диэлектрика 204, нанесенный на поверхность слоя умножения 202, контактный слой 206, выполненный путем диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния 205 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 207 и фотопреобразователя 208, располагаемого за пределами лавинного усилителя, дополнительную замкнутую канавку 211 шириной от 1,5 до 2,0 мкм с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители 207 и фотопреобразователь 208, слой высокоомного материала 212, сформированный на контактном слое 206 в области лавинного усилителя 207, прозрачный электрод 209, сформированный на поверхности слоя высокоомного материала 212 и слоя диэлектрика 204 и второй электрод 210, сформированный на нижней полупроводниковой подложки 201.
Фиг. 2A иллюстрирует процесс нанесения слоя умножения 202 на кремниевую подложку 201;
Фиг. 2B иллюстрирует процесс формирования дополнительной замкнутой канавки 211, которую заполняют сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, для формирования внутри нее фотодетектора;
Фиг. 2C иллюстрирует процесс формирования кольцевой канавки 203, заполненной диэлектриком, в области предполагаемого расположения лавинного усилителя 207;
Фиг. 2D иллюстрирует процесс нанесения слоя диэлектрика 204 на поверхность слоя умножения 202 и создания в диэлектрическом слое над поверхностью слоя умножения окна, заполненного сильнолегированным поликристаллическим кремнием 205 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения;
Фиг. 2E иллюстрирует процесс формирования областей лавинного усилителя 207 путем создания контактного слоя 206 за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния 205, заполняющего окно в слое диэлектрика 204 над поверхностью слоя умножения, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 207 и фотопреобразователя 208, располагаемого за пределами лавинного усилителя;
Фиг. 2F иллюстрирует процесс формирования слоя высокоомного материала 212 на контактном слое 206 в области лавинного усилителя 207;
Фиг. 2G иллюстрирует процесс формирования первого электрода 209 из прозрачного проводящего материала на поверхности контактного слоя 206 и слоя диэлектрика 204;
Фиг. 2H иллюстрирует процесс формирования второго электрода 210 на полупроводниковой подложке 201;
Фиг. 3A показывает схематический вид сверху второго варианта фотодетектора с одним лавинным усилителем 207 и канавкой 21;
Фиг. 3B показывает схематический вид сверху второго варианта фотодетектора с тремя лавинными усилителями 207 и канавкой 211.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Используемые в тексте и на чертежах номера ссылок, кроме номера 100, обозначающего  регистрируемый свет, состоят из трех цифр, первая из которых - номер фигуры, вторая и третья - номер элемента конструкции.
Например, ссылка 206, отображенная на фиг. 2,обозначает элемент 06,изприведенного ниже списка.
Номера элементов конструкций, используемых в чертежах:
01 - Подложка;
02 - Слой умножения;
03 -Кольцевая канавка;
04 - Слой диэлектрика;
05 - Слой сильнолегированного поликристаллического кремния;
06 - Контактный слой;
07 - Лавинный усилитель;
08 - Фотопреобразователь;
09 - Первый электрод;
10 - Второй электрод;
11 - Дополнительная замкнутая канавка;
12 - Слой высокоомного материала.
На фиг 1. схематически изображен поперечный разрез первого варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 101, слой умножения 102, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, кольцевую канавку 103, заполненную диэлектриком, слой диэлектрика 104, нанесенный на поверхность слоя умножения 102, контактный слой 106, выполненный путем диффузии из слоя сильнолегированного поликристаллического кремния 105 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 107 и фотопреобразователя 108, располагаемого за пределами лавинного усилителя, первый электрод 109 из прозрачного материала, расположенный на поверхности контактного слоя 106 и слоя диэлектрика 104 и второй электрод 110, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101.
Способ изготовления изображенного на фиг. 1 фотодетектора проиллюстрирован фигурами 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F и заключается в последовательном выполнении следующих операций:
На кремниевую подложку 101 наносят слой умножения 102 того же типа проводимости, что и подложка (фиг.1А);
На поверхности слоя умножения 102 формируют по меньшей мере одну кольцевую. канавку 103, которую заполняют диэлектриком (фиг.1В);
На поверхность слоя умножения 102 наносят слой диэлектрика 104(Фиг. 1С);
В слое диэлектрика 104 в месте, ограниченном кольцевой канавкой 103, создают окно, которое заполняют сильнолегированным поликристаллическим кремнием 105 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения; далее в слое умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 107 путем создания контактного слоя 106 за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния 105, заполняющего окно в слое диэлектрика 104, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 107 и фотопреобразователя 108, располагаемого за пределами лавинного усилителя (Фиг. 1D);
На поверхности контактного слоя 106 и слоя диэлектрика 104 формируют первый электрод 109 из прозрачного проводящего материала (Фиг. 1E);
На полупроводниковой подложке 101 формируют второй электрод 110 (Фиг. 1F);
18
-3
15
17
-3
19
-3
Примером изготовления ЛФД, изображенного на фиг.1, является способ, при котором на кремниевую подложку 101 p+ - типа с концентрацией примеси более 10 см, методом эпитаксии наращивают слой умножения 102 толщиной 5 - 7 мкм, выполненный из кремния p-типа с концентрацией примеси в 10-10 см. На поверхности слоя умножения методами фотолитографии и плазмохимического травления формируют кольцевую канавку 103 диаметром 1,0-2,0 мкм, глубиной 1,5-2,0 мкм и шириной 0,4-0,5 мкм, заполненную диэлектриком. Hа поверхность слоя умножения 102 методом термохимического осаждения наносят слой диэлектрика 104 толщиной порядка 1,0-1,5 мкм, и этом слое в месте расположения кольцевой канавки 103 методом фотолитографии и плазмохимического травления создают окно, которое затем с помощью метода термохимического осаждения заполняют сильнолегированным поликристаллическим кремнием 105 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения и концентрацией примеси не менее 10 см. В слое умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 107 путем создания контактного слоя 106 за счет диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния 105 на глубину, меньшую глубины кольцевой канавки 103. При этом за пределами лавинного усилителя формируется слой фотопреобразователя 108. На поверхности контактного слоя 106 и слоя диэлектрика 104 формируют первый электрод 109, выполненный из прозрачного материала типа ITO или AZO, а на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101 формируют второй электрод 110, выполненный в виде пленки алюминия толщиной порядка 0,5-1,0 мкм.
ЛФД, показанный на на фиг.1, работает следующим образом.
К электроду 109 относительно электрода 110 прикладывается положительное напряжение величиной, достаточной для возникновения в слое умножения 102 лавинного усилителя 107 процесса ударной ионизации, приводящего к умножению свободных носителей заряда.
Регистрируемый свет 100, падающий на поверхность фотопреобразователя 108, поглощается в этом слое и образует в нем свободные носители заряда: электроны и дырки. Свободные электроны, инициированные светом в фотопреобразователе (фотоэлектроны) 108, под воздействием суперпозиции электрических полей, одно из которых проникает из лавинного усилителя 107, а другое индуцируется в фотопреобразователе от первого электрода 109, дрейфуют в направлении слоя лавинного умножения 102 и далее умножаются в нем, формируя выходной сигнал фотодетектора, в то время как дырки уходят в подложку 101. Фотоэлектроны, инициированные светом в не обедненной области фотопреобразователя 104, собираются в обедненную область фотопреобразователя за счет диффузии, обусловленной возникающим в фотопреобразователе градиентом концентрации свободных электронов.
На фиг. 2 схематически изображен поперечный разрез второго варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 201, слой умножения 202, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, кольцевую канавку 203, заполненную диэлектриком, слой диэлектрика 204, нанесенный на поверхность слоя умножения 202, контактный слой 206, выполненный путем диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния 205 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 207 и фотопреобразователя 208, располагаемого за пределами лавинного усилителя, дополнительную замкнутую канавку 211 шириной от 1,5 до 2,0 мкм с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители 207 и фотопреобразователь 208, слой высокоомного материала 212, сформированный на контактном слое 206 в области лавинного усилителя 207, прозрачный электрод 209, сформированный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния 205 слоя высокоомного материала 212, слоя диэлектрика 204 и второй электрод 210, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки 201.
Способ изготовления ЛФД, изображенного на фиг. 2, проиллюстрирован фигурами 2А, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H и заключается в последовательном выполнении следующих операций.
На кремниевую подложку 201 наносят слой умножения 202 того же типа проводимости, что и подложка (фиг.2А);
В слое умножения 202 и подложке 201 вытравливают дополнительную замкнутую канавку 211, которую заполняют сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, для формирования внутри нее фотодетектора (фиг.2В);
На поверхности слоя умножения, в области расположения лавинного усилителя 207, формируют, по меньшей мере, одну кольцевую канавку 203, которую заполняют диэлектриком (фиг.2C);
На поверхность слоя умножения 202 наносят слой диэлектрика 204 (Фиг. 2D);
В слое диэлектрика 204 над поверхностью слоя умножения в пределах кольцевой канавки 203 создают окно и заполняют его сильнолегированным поликристаллическим кремнием 205 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, После чего в слое умножения 202 формируют, по меньшей мере, одну область лавинного усилителя 207 путем создания контактного слоя 206 за счет диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния 205, с образованием, по меньшей мере, одного лавинного усилителя 207 и фотопреобразователя 208, располагаемого за пределами лавинного усилителя (Фиг. 2E);
На сильнолегированный поликристаллический кремний 205 наносят слой высокоомного материала 212 (Фиг. 2F);
На поверхности слоя высокоомного материала 212 и слоя диэлектрика 204 формируют первый электрод 209 из прозрачного проводящего материала (Фиг. 2G);
На нижней поверхности полупроводниковой подложки 201 формируют второй электрод 210 (Фиг. 2H).
18
-3
15
17
-3
19
-3
Примером изготовления ЛФД, изображенного на фиг.2, является способ, при котором на кремниевую подложку 201 p+ - типа с концентрацией примеси более 10 см, методом эпитаксии наращивают слой умножения 202, выполненный из кремния p-типа с концентрацией примеси в 10-10 см толщиной 5-7 мкм. Далее на поверхности слоя умножения 202 вытравливают дополнительную замкнутую канавку 211 шириной от 1,5 до 2,0 мкм на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения 202. На поверхности слоя умножения методами фотолитографии и плазмохимического травления формируют кольцевую канавку 203 диаметром 1,0-2,0 мкм, глубиной 1,5-2,0 мкм и шириной 0,4-0,5 мкм, которую заполняют диэлектриком. Hа поверхность слоя умножения 202 методом термохимического осаждения наносят слой диэлектрика 204 толщиной порядка 1,0-1,5 мкм, и этом слое в месте расположения кольцевой канавки 203 методом фотолитографии и плазмохимического травления создают окно, которое затем с помощью метода термохимического осаждения заполняют сильнолегированным поликристаллическим кремнием 205 с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения и концентрацией примеси не менее 10 см. В слое умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 207 путем создания контактного слоя 206 за счет диффузии из слоя сильнолегированного поликристаллического кремния 205 на глубину, меньшую глубины кольцевой канавки 203. При этом за пределами лавинного усилителя формируется слой фотопреобразователя 208. На сильнолегированном поликристаллическом кремнии 205 формируют слой высокоомного материала 212 из высокоомного поликристаллического кремния. На поверхности слоя высокоомного материала 212 и слоя диэлектрика 204 формируют первый электрод 209 из прозрачного проводящего материала типа ITO или AZO, а на нижней поверхности подложки 201 формируют второй электрод 210, выполняемый в виде пленки алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм.
Особенностью работы второго варианта ЛФД, изображенного на фиг. 2, снабженного канавкой по периметру границы слоя умножения, является подавление подтока паразитных носителей заряда как темновых, так и световых, попадающих в лавинный усилитель прибора из соседних с ним областей. Для эффективного подавления таких паразитных токов канавка глубиной, превышающей толщину слоя умножения, но меньшей суммарной толщины слоя умножения и подложки заполнена сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения. В остальном этот вариант ЛФД работает аналогично варианту, изображенному на фиг. 1.