ПЛАНАРНЫЙ МНОГОПЛОЩАДОЧНЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ ФОТОДИОД

т
Заявляемый планарный многоплощадочный кремниевый фотодиод (ФД) относится к полупроводниковым приборам, чувствительным в диапазоне длин волн (0,4-1,2)мкм и применяемым в фотовольтаическом режиме включения в системах отображения рельефа при низких уровнях засветки. К таким приборам предъявляются требования квантовой эффективности не ниже (50÷60)% при низких уровнях темнового тока (I).
К таким приборам предъявляются также требования работоспособности в нормальных условиях (НУ) и при повышенной (до +70°C) температуре среды с незначительным ухудшением параметров во втором случае.
т
i
При этом одним из важнейших требований является крайне незначительный разброс по площадкам всех важнейших параметров: I и токовой чувствительности S при каждой из заданных температур среды.
+
+
т
т
Известны планарные кремниевые ФД (см. ж. Прикладная физика №3, 2003 г., с. 115-121) на подложках кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 20 и 130 Ом·см, содержащие планарные p-области фоточувствительных площадок с дефектной периферийной областью, созданной имплантацией ионов  для уменьшения поверхностных токов утечки, и омический контакт n-n типа на обратной стороне подложки. Недостатком таких ФД является сложность создания периферийной дефектной области. Дополнительным недостатком ФД на подложках с удельным сопротивлением 20 Ом·см является повышенный уровень I и в НУ и при Т=+70°C, а ФД на подложках с удельным сопротивлением 130 Ом·см - особенно высокий уровень I при Т=+70°C.
+
+
+
2
т
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является планарный ФД на подложках кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением (90-100) Ом·см (см. ж. Прикладная физика, №1, 2002 г., с. 48-55). Характерной особенностью таких ФД является наличие охранного кольца (ОК) - дополнительного замкнутого на базу планарного p-n перехода, окружающего планарный p-n переход фоточувствительной площадки и отстоящий от нее на расстояние не больше диффузионной длины дырок в базе. На поверхности рабочей стороны имеется защитная и просветляющая пленка SiO с окнами для контактов. На обратной стороне подложки имеется омический контакт к базе n-n-типа. Контактная система сформирована на основе слоя Al. Недостатком прототипа является повышенный уровень I и в НУ и при повышенных температурах.
2
Заявляемая полезная модель решает задачу снижения уровня темнового тока в НУ и при повышенных температурах, а также разброса этих параметров без снижения уровня токовой чувствительности ФД, что является техническим результатом при использовании устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что исходная подложка n-типа проводимости имеет удельное сопротивление в диапазоне (4,5÷20) Ом·см.
т
т
Применение более низкоомной, чем в прототипе, подложки решает задачу снижения и выравнивания значений I по площадкам ФД в НУ и при повышенных температурах даже при наличии закороченного ОК. В этом случае уменьшена вероятность образования поверхностных каналов утечки и обогащенных областей, наличие которых приводит к туннельным токам. Оба эти фактора приводят к увеличению I и его разброса.
а
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором схематически изображен кристалл ФД ( - вид сверху, б - в разрезе).
+
+
+
+
+
+
2
Согласно чертежу и формуле полезной модели, на рабочей стороне пластины кремния n-типа проводимости 1 с удельным сопротивлением (4,5÷20) Ом·см расположены рабочие фоточувствительные площадки 2 и единое ОК 3 (планарная область p-типа). Рядом с ОК, а в зазоре между площадками - в разрыве между участками ОК, близлежащими к соседним площадкам, расположены участки n-типа омического контакта 4. Планарная поверхность защищена пленкой SiO 5 с окнами для обеспечения контактов 6 ко всем p-областям площадок и контактов 7 к n-областям и соседним p-участкам ОК, обеспечивая их электрическое соединение. Контактная система 6, 7 обеспечивается слоем Al. На обратной стороне имеется слой n-типа 9 (омический контакт к базе) с поверхностным слоем Al 8.
При фотовольтаическом включении предлагаемого ФД в отсутствие засветки через него протекает темновой ток, величина и разброс которого уменьшены и при нормальных условиях, и при повышенных температурах благодаря использованию подложки n-типа проводимости с удельным сопротивлением (4,5÷20) Ом·см.
+
+
Были изготовлены 16-площадочные кремниевые ФД на рабочую длину волны 0,53 мкм с площадками размером 1,4×1,4 мм, расположенными в линию, с зазором между площадками 150 мкм в соответствии с предложением, с отступлениями от предложения по каждой из заявляемых позиций формулы полезной модели, а также без закороченного ОК и по прототипу. При этом расстояние от площадок до ОК составляло 50 мкм, ширина ОК до n-областей - 15 мкм, ширина n-областей - 20 мкм.
3
Изготовлена партия из 100 шт. пластин n-Si толщиной 0,4 мм с удельным сопротивлением 1; 4,5; 20 и 100 Ом·см (по 25 шт. пластин каждого варианта исполнения) по следующему технологическому маршруту:
2
SiO2
1 - окисление при температуре 1150°C (сухой-влажный-сухой кислород) до толщины пленки SiO d=0,6 мкм;
+
2 - загонка и разгонка атомов бора с окислением для создания p-областей площадок и ОК;
15
-2
+
1
1
3 - имплантация ионов фосфора с энергией 60 кэВ и дозой 2·10 см с последующим отжигом в атмосфере азота при T=600°C (1 час) и Т=900°C (1 час) для создания n-области вокруг каждой площадки и на обратной стороне пластины;
4 - вскрытие контактных окон, нанесение слоя Al толщиной 0,75÷0,8 мкм и формирование контактной системы с применением фотолитографии.
После изготовления и разрезания пластин на ЧИПы (16 площадок с двумя планарными омическими контактами) последние приклеивались на ситалловый растр, на который разваривались все планарные контакты кристалла.
На всех площадках собранных таким образом кристаллов измеряли следующие параметры:
- темновой ток при смещении 20 мВ в НУ ;
- темновой ток при смещении 20 мВ при ;
i
- токовая монохроматическая чувствительность в НУ при фотовольтаическом включении и сопротивлении нагрузки 10 кОм (S);
Средние значения всех измеренных параметров и их неравномерности для каждого из вариантов исполнения кристаллов представлены в таблице. При этом неравномерность каждого параметра ΔП рассчитывалась по формуле:
max
min
где П, П,  - соответственно максимальное, минимальное и среднее значение рассматриваемого параметра по данному варианту исполнения.
4
В таблице жирным шрифтом выделены позиции, не отвечающие установленным нормам.
i
Как следует из данных таблицы наилучшие сочетания значений темнового тока и их неравномерности по площадкам многоплощадочных ФД при заданных значениях S имеют место только при реализации предложения. К ухудшению параметра  приводит увеличение удельного сопротивления подложки выше заявленной величины. К ухудшению токовой чувствительности приводит уменьшение удельного сопротивления ниже заявленной величины.
Таким образом, предлагаемый планарный многоплощадочный ФД при фотовольтаическом включении обеспечивает улучшение таких параметров как темновой ток в нормальных условиях и при повышенных температурах, а также равномерность их значений.