Полупроводниковый лавинный фотоприемник
SEMICONDUCTOR AVALANCHE PHOTODETECTOR

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам с внутренним усилением сигнала, и может применяться для регистрации слабых потоков световых квантов, гамма излучения и заряженных ядерных частиц.
Ключевым элементом современных устройств детектирования и обработки оптической информации является фотоприемник, преобразующий оптическую информацию в электрический сигнал. Основные рабочие параметры фотоприемников, такие как чувствительность и быстродействие, определяют эффективность работы таких устройств. Обычно в таких оптических устройствах используются вакуумные фотоэлектронные умножители. Однако в последние годы были разработаны полупроводниковые фотоэлектронные умножители, являющиеся адекватными аналогами вакуумных фотоэлектронных умножителей.
6
2
2
2
6
4
В настоящее время полупроводниковые фотоэлектронные умножители стали коммерчески доступны и могут применяться для регистрации единичных световых квантов в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях оптического спектра. Полупроводниковые фотоэлектронные умножители состоят из множества независимых ячеек из p-n-переходов, в которых осуществляется Гейгеровский режим усиления фотоэлектронов. В результате этого достигается уникальное сочетание быстрого фотоотклика (длительность фотоотклика ~5 нс) и большого усиления сигнала (~10). Чувствительная площадь известных полупроводниковых умножителей обычно не превышает 10 мм. Однако для решения ряда прикладных задач требуются полупроводниковые фотоэлектронные умножители с большой рабочей площадью (~1 см) и с коротким фронтом нарастания фотоотклика (~1 нс). Дело в том, что известные полупроводниковые фотоэлектронные умножители имеют удельную емкость около 3 нФ/см, что сильно ограничивает быстродействие устройства. Кроме того, большой коэффициент усиления сигнала в полупроводниковых фотоэлектронных умножителях приводит к нежелательному эффекту - перекрестной оптической наводке (по-английски “cross-talk”). Этот эффект связан с тем, что большой коэффициент усиления (~10) сигнала сопровождается испусканием оптических фотонов в лавинной области полупроводника. Эти фотоны поглощаются в соседних ячейках устройства и вызывают ложный запуск лавинного процесса. Поэтому приходится уменьшать коэффициент лавинного усиления сигнала до 10, что недостаточно для надежного детектирования единичных фотоэлектронов.
Известно устройство /1/, включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой выполнена матрица из полупроводниковых областей, образующих с полупроводниковой подложкой p-n-переход. На поверхности полупроводниковых областей содержатся резистивный слой с определенной проводимостью и полупрозрачный для света полевой электрод. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе полупроводниковой подложки с полупроводниковыми областями. При этом лавинный ток стекает к полупрозрачному полевому электроду через резистивный слой, расположенный над этими областями. Недостатком устройства является низкий квантовый выход устройства в видимой области спектра ввиду низкой прозрачности как резистивного слоя, так и полевого электрода.
Известно устройство /2/, включающее полупроводниковую подложку, например, n-типа проводимости, на поверхности которой последовательно расположены резистивный слой с определенной проводимостью, диэлектрический слой и полупроводниковый эпитаксиальный слой p-типа проводимости. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие высоколегированные полупроводниковые области n-типа проводимости, имеющие выход с одной стороны на резистивный слой, а с противоположной стороны на эпитаксиальный слой. Высоколегированные области n-типа проводимости обеспечивают локализацию лавинного процесса в p-n-переходах, отделенных друг от друга областями диэлектрического слоя. Фоточувствительным слоем, в котором создаются фотоэлектроны, является эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности инородных материалов - диэлектрических и резистивных слоев. Поэтому основными недостатками устройства являются сложность технологии изготовления таких эпитаксиальных слоев и высокий уровень темнового тока, приводящего к ухудшению чувствительности и отношения сигнал/шум устройства.
6
Известно также устройство /3/, включающее полупроводниковый слой, на поверхности которого расположены множество полупроводниковых областей, образующих потенциальные барьеры в виде p-n-переходов с полупроводниковым слоем. Индивидуальные микрорезисторы соединяют полупроводниковые области с общей проводящей шиной, отделенной от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем. В устройстве каждая полупроводниковая область (пиксель) может работать в режиме выше пробивного потенциала, то есть каждый пиксель в режиме Гейгеровского счетчика. Поэтому коэффициент усиления фототока в устройстве может превышать 10. Однако, как было упомянуто выше, использование устройства при таких высоких коэффициентах усиления затруднено из-за появления перекрестных оптических наводок (по-английски “cross-talk”). Это является первым основным недостатком устройства. Вторым основным недостатком устройства является недостаточно высокое быстродействие из-за высокой емкости как самого пикселя, так и паразитных емкостей в устройстве. Здесь нужно отметить тот факт, что для заданного пикселя, усиливающего фототок, все остальные пиксели, не участвующие в усилении фототока, являются паразитной емкостью.
Известно также устройство /4/, взятое за прототип, включающее полупроводниковый слой, например, n-типа проводимости, на поверхности которого выполнены множество полупроводниковых областей p-типа проводимости. Полупроводниковые области соединены с первой проводящей шиной через первые индивидуальные микрорезисторы. На части поверхности полупроводниковых областей расположены индивидуальные эмиттеры n-типа проводимости, образующие потенциальные барьеры с полупроводниковыми областями. Индивидуальные эмиттеры соединены со второй проводящей шиной через вторые индивидуальные микрорезисторы. Таким образом, устройство имеет общий контакт для подачи напряжения и два независимых контакта для съема сигнала. Первым независимым контактам является первая проводящая шина, соединенная с полупроводниковыми областями, т.е. с фоточувствительными пикселями, в которых производится лавинное усиление фотосигнала. Вторым независимым контактом является вторая проводящая шина, соединенная с индивидуальными эмиттерами n-p-n микротранзисторов, в которых производится дополнительное усиление сигнала. Второй независимый контакт обеспечивает получение быстрого сигнала благодаря его существенно низкой емкости по сравнению с первым независим контактом. Однако устройство имеет существенный недостаток, связанный с локальными микропробоями, имеющими место по периметру полупроводниковых областей, образующих плоскопараллельные p-n-переходы с полупроводниковым слоем. Дело в том, что по периметру плоскопараллельного p-n-перехода всегда содержатся полусферические области, где напряжение пробоя значительно снижено по сравнению с плоской частью из-за значительной кривизны p-n-перехода. Это приводит к появлению шумовых импульсов большой амплитуды, что ограничивает чувствительность устройства.
Заявляемое изобретение направлено на улучшение чувствительности и повышение быстродействия полупроводникового лавинного фотоприемника. Для достижения этих технических результатов в полупроводниковом лавинном фотоприемнике, включающем полупроводниковый слой первого типа проводимости, множество полупроводниковых областей второго типа проводимости, расположенные на поверхности полупроводникового слоя, индивидуальные эмиттеры, расположенные на поверхности полупроводниковых областей и образующие потенциальные барьеры с полупроводниковыми областями, первая и вторая проводящие шины, отделенные от полупроводникового слоя диэлектрическим слоем, индивидуальные микрорезисторы, соединяющие полупроводниковые области с первой проводящей шиной, и дополнительные индивидуальные микрорезисторы, соединяющие индивидуальные эмиттеры со второй проводящей шиной, выполнены новые элементы. Этими элементами являются индивидуальные охранные кольца и дополнительные полупроводниковые области первого типа проводимости с повышенной концентрацией легирующих примесей по сравнению с полупроводниковым слоем. Индивидуальные охранные кольца сформированы по всему периметру каждой полупроводниковой области, а дополнительные полупроводниковые области расположены между полупроводниковыми областями и полупроводниковым слоем.
Упомянутый полупроводниковый слой используют или самостоятельно для создания предложенного устройства или же его формируют путем эпитаксиального выращивания на поверхности полупроводниковых или диэлектрических подложек. Затем на поверхности полупроводникового слоя формируются необходимые элементы.
Заявляемое устройство, выполненное на поверхности полупроводникового слоя, включает в себя следующие варианты:
• индивидуальные охранные кольца сформированы из одинакового с полупроводниковыми областями материала и типа проводимости;
• индивидуальные охранные кольца сформированы в виде диэлектрической выемки в полупроводниковом слое глубиной не меньше, чем глубина проникновения полупроводниковых областей в полупроводниковый слой.
Полупроводниковый слой заявляемого устройства выполнен на поверхности полупроводниковой подложки, т.е. полупроводниковый слой представляет собой эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности полупроводниковой подложки. В этом случае заявляемое устройство включает в себя следующие варианты:
• индивидуальные охранные кольца сформированы из одинакового с полупроводниковыми областями материала и типа проводимости;
• индивидуальные охранные кольца сформированы в виде диэлектрической выемки в полупроводниковом слое глубиной не меньше, чем глубина проникновения полупроводниковых областей в полупроводниковый слой.
Полупроводниковый слой заявляемого устройства выполнен на поверхности диэлектрической подложки. В этом случае включает в себя следующие варианты:
• индивидуальные охранные кольца сформированы из одинакового с полупроводниковыми областями материала и типа проводимости;
• индивидуальные охранные кольца сформированы в виде диэлектрической выемки в полупроводниковом слое глубиной не меньше, чем глубина проникновения полупроводниковых областей в полупроводниковый слой.
Изобретение иллюстрируется на фиг. 1, на которой показаны лицевая сторона и поперечное сечение полупроводникового лавинного фотоприемника. Предложенный полупроводниковый лавинный фотоприемник содержит полупроводниковый слой 1, на поверхности которого сформировано множество (матрица) полупроводниковых областей 2, образующих потенциальные барьеры в виде p-n-перехода с полупроводниковым слоем. Каждая полупроводниковая область имеет индивидуальный микрорезистор 3, соединяющий ее с общей проводящей шиной 4. Микрорезисторы и проводящая шина изолированы от полупроводникового слоя 1 диэлектрическим слоем 5. На поверхности упомянутых полупроводниковых областей сформированы индивидуальные эмиттеры 6 с целью получения биполярного микротранзистора. Индивидуальные эмиттеры соединены с дополнительной проводящей шиной 7 посредством дополнительных индивидуальных микрорезисторов 8. По всему периметру полупроводниковых областей выполнены индивидуальные охранные кольца 9, а между полупроводниковыми областями и полупроводниковым слоем сформированы дополнительные полупроводниковые области 10 первого типа проводимости с повышенной концентрацией легирующих примесей по сравнению с полупроводниковым слоем. В устройстве выполнен омический контакт 11 к полупроводниковому слою.
0
av
tr
av
tr
Устройство работает следующим образом. К полупроводниковому слою 1 относительно проводящих шин подают потенциал с полярностью, соответствующей обратному смещению р-n-перехода, образованного между полупроводниковым слоем 1 и полупроводниковыми областями 2. В виду малых размеров (около 50 мкм*50 мкм) полупроводниковых областей в обедненном слое не всегда присутствуют носители заряда, и поэтому такие р-n-переходы малой площади (или пиксели) могут работать в режиме выше потенциала пробоя на 2-5 В. В отсутствии фотоэлектрона (или темновых носителей заряда) потенциал пикселя равен потенциалу индивидуального эмиттера биполярного микротранзистора, и поэтому ток через эмиттер равен нулю. В случае появления единичного фотоэлектрона на границе полупроводниковых областей 2 с дополнительными полупроводниковыми областями 10 происходит лавинный процесс. При этом излишек напряжения, то есть ΔV~2-5 В, падает на базе индивидуального микрорезистора. Этот потенциал величиной 2-5 В полностью открывает потенциальный барьер между пикселем (полупроводниковой областью) и индивидуальным эмиттером 6, в результате этого через индивидуальный эмиттер течет усиленный ток, который может ограничиваться только дополнительным индивидуальным микрорезистором 8. Лавинный процесс имеет место только на границе полупроводниковых областей 2 с дополнительными полупроводниковыми областями 10, поскольку здесь снижено напряжение пробоя р-n-перехода благодаря повышенной концентрации легирующих примесей в дополнительных полупроводниковых областях по сравнению с полупроводниковым слоем. В то же время индивидуальные охранные кольца, выполненные по периметру полупроводниковых областей, увеличивают там напряжение пробоя, что приводит к повышению чувствительности устройства без ухудшения отношения сигнал/шум. Таким образом, в устройстве сигнал сначала усиливается лавинным процессом в пикселе, а затем микротранзистором (структурой “индивидуальный эмиттер - полупроводниковая область - полупроводниковый слой”), выполненным на поверхности этого пикселя. Сигнал снимается с внешнего нагрузочного сопротивления, подключенного к электрической цепи дополнительной проводящей шины. Общий коэффициент усиления сигнала определяется как М = М* М, где М - коэффициент усиления лавинного процесса, М - коэффициент усиления микротранзистора.
0
av
tr
6
5
Лавинный процесс разряжает емкость пикселя ниже потенциала пробоя, и в результате этого лавинный процесс в пикселе гаснет, и как результат прекращается ток через микротранзистор. Таким образом, необходимый коэффициент усиления фототока, например М=10, можно получить, установив М =10 и М =10. Это значительно понизит уровень оптической обратной связи в устройстве благодаря уменьшению коэффициента усиления лавинного процесса. Кроме того, в устройстве улучшается быстродействие, поскольку емкость (или площадь) микротранзистора значительно меньше емкости (площади) пикселя. Например, при типичных размерах пикселей (полупроводниковых областей) 50 мкм*50 мкм размеры микротранзисторов не превышают 5 мкм*5 мкм.
2
2
2
2
2
2
Полупроводниковый лавинный детектор реализуют следующим образом. На поверхности полупроводникового слоя 1, например кремниевого слоя n-типа проводимости с удельным сопротивлением 2 Ом*см, формируют диэлектрический слой 5 двуокиси кремния (SiO) толщиной ~0,1 мкм путем термического окисления при температуре 1000°С. На поверхности окисла фотолитографическим способом вскрывают окна размером 42 мкм*42 мкм с интервалом 8 мкм. В этих окнах сначала формируют дополнительные полупроводниковые области 10 n-типа проводимости размером 38 мкм*38 мкм путем ионного легирования фосфором с дозой 1 мкКл/см и энергией 200 кэВ, а затем полупроводниковые области 2 (пиксели) р-типа проводимости путем ионного легирования бором с дозой 10 мкКл/см и энергией 60 кэВ. Индивидуальные охранные кольца шириной 2 мкм вдоль периметра полупроводниковых областей изготавливают путем ионного легирования бором с дозой 1 мкКл/см и энергией 60 кэВ. Термическую разгонку бора и фосфора проводят при температуре 1100°С. Затем на небольшой части поверхности (около 2 мкм*2 мкм) каждого пикселя формируют индивидуальный эмиттер путем ионного легирования фосфором с дозой 150 мкКл/см и энергией 100 кэВ. Разгонку фосфора производят до глубины 0,5 мкм. Контактные области к пикселям формируют путем дополнительного легирования небольшой площади полупроводниковых областей ионами бора с дозой 50 мкКл/см и энергией 70 кэВ. Микрорезисторы с поверхностным сопротивлением около 20 Ом/квадрат изготавливают из аморфного кремния путем осаждения из газовой фазы. Общую проводящую шину и дополнительную шину изготавливают из двухслойного металла (Ti+Al) путем ионно-плазменного напыления. Омический контакт к полупроводниковому слою формируют напылением алюминиевого слоя на свободной лицевой поверхности полупроводникового слоя.
Благодаря повышенной чувствительности и высокому быстродействию предложенный полупроводниковый лавинный фотоприемник может найти широкое применение в качестве детекторов световых квантов и заряженных частиц как в фундаментальных исследованиях (ядерная физика, физика высоких энергий и др. ), так и в прикладных областях (экология, дозиметрия, медицинская томография и др.).
Источники информации
1. Патент России №1702831, кл. H 01 L 31/06, 1997 (аналог).
2. Патент США 5844291, кл. H 01 L 31/06, 1998 (аналог).
3. Патент России 2102820, кл. H 01 L 31/06, 1998 (аналог).
4. Патент России 2528107, кл. H01L 31/107, 2014 (прототип).