Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты)
AVALANCHE PHOTODETECTOR (EMBODIMENTS) AND METHOD OF MANUFACTURING (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 наполупроводниковую 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.
Для уменьшения темнового тока лавинного усилителя и, следовательно, улучшения пороговой чувствительности ЛФД можно уменьшать площадь лавинного усилителя по сравнению с площадью фото преобразователя.
Известны конструкции 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 таких приборах удается дополнительно оптимизировать их параметры, в том числе улучшать пороговую чувствительность за счет снижения площади лавинного усилителя. В конструкции по патенту RU 2641620слой 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
В конструкциях патента RU 2641620слой умножения выполнен технологически независимо от фотопреобразователя, что приводит к ограничению попадания фотоносителей из слоя фотопреобразователя в слой умножения и, тем самым, к потерям усиленного фото сигнала. В результате ухудшается базовая характеристика ЛФД - 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 фотодетектора позволяют уменьшить темновой ток прибора.
Решение этих задач позволяет улучшить основную характеристику лавинного фотодетектора - 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 уменьшения влияния паразитных приповерхностных носителей заряда на работу лавинного усилителя его область умножения заглубляется относительно верхней поверхности области фотопреобразователя, путем вытравливания выемки в слое умножения, на дне которой формируется контактный слой лавинного усилителя.
С целью ограничения темнового тока прибора, попадающего из соседних с ним областей подложки, на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равнуюили большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложкии слоя умножения для формирования внутри неефотодетектора 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 канавку выполнить шириной от 1,5 до 2,0 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.
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, слой диэлектрика 103, нанесенный на поверхность слоя умножения 102 и боковые стенки канавки под контактный слой 105, контактный слой 105, выполненный за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 104 глубиной 0,5 - 2,5 мкм, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 106 и фотопреобразователя 107, располагаемого за пределами лавинного усилителя, первый электрод 108, расположенный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, и слоя диэлектрика 103 выполненный из прозрачного материала и второй электрод 109, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101.
Фиг. 1A иллюстрирует процесс нанесения слоя умножения 102 на кремниевую подложку 101;
Фиг. 1B иллюстрирует процесс нанесения диэлектрического слоя 103 на поверхность слоя умножения 102;
Фиг. 1С иллюстрирует процесс формирования областей лавинного усилителя 106 путем создания контактного слоя 105, за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 104, глубиной 0,5 - 2,5 мкм, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 106 и фотопреобразователя 107, располагаемого за пределами лавинного усилителя;
Фиг. 1D иллюстрирует процесс формирования первого электрода 108 из прозрачного проводящего материала на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, и слоя диэлектрика 103;
Фиг. 1Е иллюстрирует процесс формирования второго электрода 109 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, слой диэлектрика 203, нанесенный на поверхность слоя умножения 202 и боковые стенки выемки 204 под контактный слой 205, выполненный за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 204 глубиной 0,5 - 2,5 мкм, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 206 и фотопреобразователя 207, замкнутую канавку 210 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 и фотопреобразователь, слой высокоомного материала 211 сформированный на сильнолегированном поликристаллическом кремнии, заполняющим выемку 104, прозрачный электрод 208, сформированный на поверхности слоя высокоомного материала 211 и слоя диэлектрика 203 и второй электрод 209, сформированный на полупроводниковой подложке 201.
Фиг. 2A иллюстрирует процесс нанесения слоя умножения 202 на кремниевую подложку 201;
Фиг. 2B иллюстрирует процесс формирования замкнутой канавки 210,заполненной сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, для формирования внутри неефотодетектора;
Фиг. 2C иллюстрирует процесс нанесения диэлектрического слоя 203 на поверхность слоя умножения 202;
Фиг. 2D иллюстрирует процесс формирования областей лавинного усилителя 206 путем создания контактного слоя 205, за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 204, глубиной 0,5 - 2,5 мкм, с образованием, по меньшей мере, одного лавинного усилителя 206 и фотопреобразователя 207, располагаемого за пределами лавинного усилителя;
Фиг. 2Е иллюстрирует процесс формирования слоя высокоомного материала 211 на контактном слое 205 лавинного усилителя 206;
Фиг. 2F иллюстрирует процесс формирования первого электрода 208 из прозрачного проводящего материала на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, и слоя диэлектрика 203;
Фиг. 2G иллюстрирует процесс формирования второго электрода 209 на полупроводниковой подложке 201;
Фиг. 3A показывает схематический вид сверху второго варианта фотодетектора с одним лавинным усилителем 206 и канавкой 210;
Фиг. 3B показывает схематический вид сверху второго варианта фотодетектора с тремя лавинными усилителями 206 и канавкой 210.
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, используемые в чертежах:
01 - Подложка;
02 - Слой умножения;
03 - Слой диэлектрика;
04 - Выемка, заполненная сильнолегированным поликристаллическим кремнием;
05 - Контактный слой;
06 - Лавинный усилитель;
07 - Фотопреобразователь;
08 - Первый прозрачный электрод;
09 - Второй электрод;
10 - Замкнутая канавка;
11 - Слой высокоомного материала.
На фиг.1 схематически изображен поперечный разрез варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 101, слой умножения 102, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, слой диэлектрика 103, нанесенный на поверхность слоя умножения 102, выемку 104, заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием, контактный слой 105, выполненный путем диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния, с типом проводимости, противоположным типу проводимости слоя умножения, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 106 и фотопреобразователя 107, располагаемого за пределами лавинного усилителя, первый электрод 108, выполненный из прозрачного материала и расположенный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104 и слоя диэлектрика 103, и второй электрод 109, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101.
Способ изготовления изображенного на фиг. 1 ЛФД 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 поверхность слоя умножения 102 наносят диэлектрический слой 103 (фиг.1B);
В слое умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 106 путем вытравливания выемки 104 глубиной 0,5 - 2,5 мкм в диэлектрическом слое 103 и слое умножения 102, формирования слоя диэлектрика на боковых поверхностях выемки 104, и заполнения выемки 104сильнолегированным поликристаллическим кремнием (Фиг. 1С);
Контактный слой 105 формируют путем диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, с образованием, по меньшей мере, одного лавинного усилителя 106 и фотопреобразователя 107, располагаемого за пределами лавинного усилителя (Фиг. 1D);
На поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, и слоя диэлектрика 103 формируют первый электрод 108 из прозрачного проводящего материала (Фиг. 1E);
На нижней поверхности полупроводниковой подложки 101 формируют второй электрод 109 (Фиг. 1F).
18
-3
15
17
-3
18
-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 формируют по меньшей мере один лавинный усилитель 106, для чего в слое диэлектрика 103 и слое умножения 102 вытравливают выемку 104 глубиной 0,5 -2,5 мкм, закрывают ее боковые стенки слоем диэлектрика и заполняют выемку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с концентрацией примеси более 10 см и типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения 102, после чего проводят диффузию этой примеси в слой умножения 102 для образования контактного слоя 105, при этом за пределами лавинного усилителя 106 формируется слой фотопреобразователя 107. На поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104 и слоя диэлектрика 103 формируют первый электрод 108, выполненный из прозрачного материала - ITO или AZO, а на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101 формируют второй электрод 109, выполненный в виде пленки алюминия толщиной порядка 0,5-1,0 мкм.
ЛФД, показанный на фиг.1, работает следующим образом.
К электроду 108 относительно электрода 109 прикладывается положительное напряжение величиной, достаточной для возникновения в слое умножения 102 лавинного усилителя 106 процесса ударной ионизации, приводящего к умножению свободных носителей заряда.
Регистрируемый свет 100, падающий на поверхность фотопреобразователя 107, поглощается в этом слое и образует в нем свободные носители заряда: электроны и дырки. Свободные электроны, инициированные светом (фотоэлектроны) в фотопреобразователе 107, под воздействием суперпозиции электрических полей, одно из которых проникает из лавинного усилителя 106, а другое индуцируется в фотопреобразователе от первого электрода 108, 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 107, собираются в обедненную область фотопреобразователя за счет диффузии, обусловленной возникающим в фотопреобразователе градиентом концентрации свободных электронов.
Для уменьшения влияния паразитных приповерхностных носителей заряда на работу лавинного усилителя его область умножения заглубляется относительно верхней поверхности области фотопреобразователя, путем вытравливания выемки 104 в слое умножения, на дне которой формируется контактный слой 105 лавинного усилителя 106. При этом попадание в область лавинного усилителя фотоносителей из объема фотопреобразователя от актуальных длинноволновых регистрируемых сигналов осуществляется эффективно, тогда как подток темновых носителей с поверхности раздела диэлектрик - фотопреобразователь затруднен.
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, слой диэлектрика 203, нанесенный на поверхность слоя умножения 202 выемку 204, заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием, контактный слой 205, выполненный путем диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположным типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 204 глубиной 0,5 - 2 мкм с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 206, и фотопреобразователя 207, располагаемого за пределами лавинного усилителя, замкнутую канавку 210 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 и фотопреобразователь, слой высокоомного материала 211 сформированный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, прозрачный электрод 208, сформированный на поверхности слоя высокоомного материала 211 и слоя диэлектрика 202 и второй электрод 209, сформированный на полупроводниковой подложке 201.
Способ изготовления ЛФД, изображенного на фиг. 2, проиллюстрирован фигурами 2А, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G и 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);
На поверхности слоя умножения 202 вытравливают замкнутую канавку 210 на глубину, равнуюили большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри неефотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения 202 (фиг.2B);
На поверхность слоя умножения 202 и канавки 209 наносят диэлектрический слой 203 (фиг.2C);
В слое умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 206 путем вытравливания выемки 204 глубиной 0,5 - 2,5 мкм в диэлектрическом слое 203 и слое умножения 202, формирования слоя диэлектрика на боковых поверхностях выемки 204 и заполнения выемки слоем сильнолегированного поликристаллического кремния (фиг.2D);
Контактный слой 205, формируют путем диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 204, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 206 и фотопреобразователя 207, располагаемого за пределами лавинного усилителя. (Фиг. 2E);
На поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, формируют слой высокоомного материала 211. (Фиг. 2F);
На поверхности слоя высокоомного материала 211 и слоя диэлектрика 203 формируют первый электрод 208 из прозрачного проводящего материала (Фиг. 2G);
На нижней поверхности полупроводниковой подложки 201 формируют второй электрод 209 (фиг.2H).
18
-3
15
17
-3
18
-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 замкнутую канавку 210 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 202 формируют по меньшей мере один лавинный усилитель 205, для чего в слое диэлектрика и слое умножения вытравливают выемку глубиной 0,5 -2,5 мкм, закрывают ее боковые стенки слоем диэлектрика, заполняют выемку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с концентрацией примеси более 10 см и типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения 202, после чего проводят диффузию этой примеси в слой умножения 202 для образования контактного слоя 205, при этом за пределами лавинного усилителя 206формируется слой фотопреобразователя 207. На поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, формируют слой высокоомного материала 211 из высокоомного поликристаллического кремния. На поверхности слоя высокоомного материала 211 и слоя диэлектрика 203 формируют первый электрод 207 из прозрачного проводящего материала - ITO или AZO, а на нижней поверхности подложки 201 формируют второй электрод 208, выполняемый в виде пленки алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм.
Особенностью работы варианта ЛФД, изображенного на фиг. 2, снабженного замкнутой канавкой 210, является подавление подтока паразитных носителей заряда, попадающих в лавинный усилитель прибора из соседних с ним областей. Для эффективного подавления таких паразитных токов канавка глубиной, превышающей толщину слоя умножения, заполнена сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения. Результатом уменьшения темнового тока ЛФД является дополнительное улучшение пороговой чувствительности.
,
Слой высокоомного материала 211расположенный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, обеспечивает отрицательную обратную связи при формировании лавины и позволяет реализовывать высокие коэффициенты умножения, в частности при работе в т.н. Гейгеровском режиме.