ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МИКРОЯЧЕИСТЫЙ ГЕЙГЕРОВСКИЙ ФОТОДИОД (ВАРИАНТЫ)

Техническое решение относится к области полупроводниковых приборов, в частности, к области высоко эффективных детекторов регистрации светового излучения, в том числе видимой части спектра, и может быть использовано в различных областях науки и техники.
5
Ранее для регистрации светового излучения активно применяли фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототек), усиливают в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; при этом ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 10 раз и выше). Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление потока электронов осуществляют с использованием нескольких специальных электродов изогнутой формы - «динодов», обладающих коэффициентом вторичной эмиссии больше 1. Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подают высокое напряжение (600-3000 В). Иногда также применяют магнитную фокусировку, либо фокусировку в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Однако данному типу приборов, несмотря на простоту конструкции, присущи все недостатки электровакуумных приборов.
По этой причине более предпочтительно для регистрации светового излучения использовать приборы твердотельной электроники.
3
2
Известно устройство для регистрации одиночных фотонов ["Avalanche photodiodes and quenching circuits for single-photon detection", S.Cova, M.Ghioni, A.Lacaita, C.Samori and F.Zappa APPLIED OPTICS Vol.35 №12 20 April 1996], включающее кремниевую подложку, с выполненным на ней эпитаксиальным слоем, имеющим на поверхности маленькую (10-200 мкм) область (ячейку) противоположного к данному слою типа проводимости. К ячейке прикладывается напряжение обратного смещения выше пробойного. При поглощении фотона в этой области происходит гейгеровский разряд, который ограничивается внешним гасящим резистором. Такой счетчик одиночных фотонов обладает высокой эффективностью регистрации света, однако имеет очень маленькую чувствительную площадь, а также не способен измерять интенсивность светового потока. Для устранения этих недостатков необходимо использовать большое (≥10) число таких ячеек, размещенных на общей подложке площадью ≥1 мм. Тогда каждая из таких ячеек работает как вышеописанный счетчик фотонов, в целом же прибор регистрирует интенсивность света, пропорциональную числу сработавших ячеек.
Известно устройство (Техника оптический связи. Фотоприемники. Под ред. У.Тсанга. М. 1988, с.526), включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирован полупроводниковый слой противоположного типа проводимости. Недостатком известного устройства является нестабильность его характеристик. Причина этой нестабильности заключается в следующем. Коэффициент умножения лавинного процесса является резкой функцией приложенного к прибору потенциала. Величина критического потенциала, при которой начинается ударная ионизация полупроводника, может меняться от точки к точке вдоль поверхности
прибора, поскольку в реальных р-n переходах всегда присутствуют вакансии, дислокации и другие неоднородности кристаллической структуры. При увеличении напряжения на р-n переходе выше некоторого порогового значения начинается лавинный процесс в областях подложки с наименьшим потенциалом пробоя. Дальнейшее увеличение напряжения пробоя приводит к локальным неуправляемым микропробоям, ограничивающим коэффициент усиления и срок службы прибора.
Известен (Foss N.A., Ward S.A., "Large area avalanche photodiode", Yournal of Applied Physics, Febr. 1984, vol.44, p.728-731) лавинный фотодиод, содержащий кремниевую подложку, буферный слой и полевой электрод. К полевому электроду приложено напряжение, обеспечивающее образование в подложке области пространственного заряда (ОПЗ) с напряженностью поля, достаточной для лавинного размножения носителей тока. Фотоны, поглощаемые в ОПЗ, генерируют носители тока, которые разгоняются под действием поля и лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока и повышению чувствительности. В случае возникновения микроплазмы за счет локального увеличения падения напряжения на буферном слое происходит ограничение тока через микроплазму, что уменьшает ее влияние на параметры прибора. Однако имеющая место инжекция горячих носителей из полупроводника в буферный слой приводит к увеличению сквозного потока через буферный слой, накоплению встроенного заряда и, как следствие, к ограничению чувствительности прибора.
Известно также фотоэлектронное устройство (RU, патент 2102821), содержащее полупроводниковую подложку и полупроводниковые области противоположного типа проводимости. Полупроводниковые области противоположного подложке типа
проводимости, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, используют с целью создания отдельных лавинных областей (микроканалов), обеспечивающих усиление сигнала. Недостатком устройства является малая эффективность сбора носителей заряда для последующего усиления, поскольку фотоэлектроны (или дырки), образованные в промежутке между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиления.
++
18
20
-3
18
14
-3
15
17
-3
+
18
20
-3
+
++
18
20
-3
Известен (RU, патент 2290721) кремниевый фотоэлектронный умножитель, который по первому варианту реализации содержит подложку р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10÷10 см и состоит из ячеек, каждая из которых включает в себя эпитаксиальный слой p-типа проводимости с градиентно изменяющейся концентрацией легирующей примеси 10÷10 см, выращенной на подложке, слой р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10÷10 см, слой n-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10÷10 см, в каждой ячейке на слое оксида кремния размещен поликремниевый резистор, соединяющий слой n-типа проводимости с шиной питания, между ячейками расположены разделяющие элементы. Согласно второму варианту реализации кремниевый фотоэлектронный умножитель содержит подложку n-типа проводимости, на которую нанесен слой р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10÷10 см и состоит из ячеек, при этом структура ячеек такая же, как в варианте 1, в каждой ячейке на слое оксида кремния размещен поликремниевый резистор, между ячейками расположены разделяющие элементы.
15
17
Недостатком известного устройства следует признать малую величину фоточувствительной области ячейки, ограниченную областью легирования с концентрацией 10-10, поскольку только в
этой области напряженность поля достаточна для развития гейгеровского разряда. Кроме того, дополнительное легирование этой области приводит к появлению дефектов в кремнии, ухудшающих шумовые характеристики устройства за счет увеличения частоты темновых импульсов и послеимпульсов, что снижает пороговую чувствительность устройства при детектировании света слабой интенсивности.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного устройства, состоит в разработке твердотельного фотоэлектронного прибора с улучшенными характеристиками.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной конструкции прибора, состоит в повышении эффективности регистрации света, улучшении шумовых характеристик и упрощении технологии изготовления устройства.
12
17
-3
16
17
-3
12
15
-3
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный полупроводниковый микроячеистый гейгеровский фотодиод. Согласно первому варианту реализации он содержит подложку р типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10..10 см, при этом он состоит из множества одинаковых ячеек, каждая из которых включает в себя последовательно расположенные n слой, с концентрацией легирующей примеси 5·10÷8·10 см, i-слой с близкой к собственной проводимостью, с концентрацией легирующей примеси 10...10 см, слой р+, являющийся входным окном, расположенный на непланарной поверхности, обеспечивающей уменьшение толщины i-слоя в центральной области ячейки и увеличение по периферии ячейки, с концентрацией легирующей примеси, достаточной для предотвращения полного обеднения р+-слоя при рабочих напряжениях смещения, причем в каждой ячейке размещен резистор,
12
17
-3
16
17
-3
12
15
-3
соединяющий слой р+ с шиной питания, а между ячейками расположены разделяющие элементы. Согласно второму варианту реализации он содержит подложку n типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10..10 см, при этом он состоит из множества одинаковых ячеек, каждая из которых включает в себя последовательно расположенные р слой, с концентрацией легирующей примеси 5·10÷8·10 см, i-слой с близкой к собственной проводимостью, с концентрацией легирующей примеси 10...10 см, слой n+, являющийся входным окном, расположенный на непланарной поверхности, обеспечивающей уменьшение толщины i-слоя в центральной области ячейки и увеличение по периферии ячейки, с концентрацией легирующей примеси, достаточной для предотвращения полного обеднения n+-слоя при рабочих напряжениях смещения, причем в каждой ячейке размещен резистор, соединяющий слой n+ с шиной питания, а между ячейками расположены разделяющие элементы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что непланарная поверхность входного окна обладает фокусирующими свойствами по отношению к фотоэлектронам, эффективно собирая их в область высокого поля со всего объема ячейки. При этом напряженность электрического поля, достаточная для развития гейгеровского разряда, создается вдоль всей поверхности входного окна - в центральной части за счет уменьшения толщины i-слоя, в периферической части за счет кривизны высоколегированной области входного окна. Благодаря отсутствию дополнительного легирования не ухудшается исходное кристаллическое совершенство кремния и упрощается технология изготовления.
На чертеже представлена конструкция ячейки для микроячеистого гейгеровского фотодиода по первому варианту реализации, при этом использованы следующие обозначения: подложка 1, первый 2 эпитаксиальный слой, второй 3 эпитаксиальный слой, слой 4, тип проводимости которого аналогичен типу проводимости подложки, просветляющий диэлектрический слой 5, резистор 6, пассивирующий оксид 7, проводящий контакт 8.
+
+
Микроячеистый гейгеровский фотодиод в соответствии с первым вариантом содержит подложку 1 р-типа проводимости, эпитаксиальный слой 2 n-типа проводимости, выращенный на подложке 1, эпитаксиальный слой 3 i-типа, слой 4 p-типа проводимости, просветляющий диэлектрический слой 5, резистор 6, пассивирующий оксид 7 и, предпочтительно, алюминиевый контакт 8, соединяющий слой 4 с шиной питания 6.
+
+
Микроячеистый гейгеровский фотодиод в соответствии со вторым вариантом содержит подложку 1 n-типа проводимости, эпитаксиальный слой 2 p-типа проводимости, выращенный на подложке 1, эпитаксиальный слой 3 i-типа, слой 4 n-типа проводимости, просветляющий диэлектрический слой 5, резистор 6, пассивирующий оксид 7 и, предпочтительно, алюминиевый контакт 8, соединяющий слой 4 с шиной питания 6.
Микроячеистый гейгеровский фотодиод состоит из одинаковых ячеек с размерами 20-100 мкм. Посредством алюминиевых шин все ячейки объединены и к ним приложено одинаковое напряжение смещения, превышающее пробойное, что обеспечивает работу в гейгеровском режиме. При попадании фотона в активную область ячейки, в ней развивается самогасящийся гейгеровский разряд. Гашение, то есть прекращение разряда, происходит из-за флуктуации числа носителей до нулевого значения при падении напряжения на р-n-переходе,
7
благодаря наличию в каждой ячейке резистора (токоограничивающий резистор). Токовые сигналы от сработавших ячеек суммируются на общей нагрузке. Усиление каждой ячейки составляет величину до 10. Разброс величины усиления определяется технологическим разбросом величины емкости ячейки и напряжением пробоя ячейки и составляет менее 5%. Поскольку все ячейки одинаковые, отклик детектора на слабые световые вспышки пропорционален числу сработавших ячеек, т е. интенсивности света.
Для изготовления разработанной конструкции применяют следующую технологию.
12
17
-3
16
17
-3
12
15
-3
На исходной пластине кремния (подложке) р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси от 10 до 10 смвыращивается двойной эпитаксиальный слой так, что примыкающий к подложке слой n-типа проводимости имеет концентрацию легирующей примеси 5·10÷8·10 см, а второй i-слой получен эпитаксиальным наращиванием в отсутствии легирующей смеси или с добавлением легирующей смеси, обеспечивающей противоположный (р) тип проводимости. При этом, в зависимости от толщины второго слоя, концентрация легирующей примеси в нем будет составлять 10...10 см, а проводимость может быть как р, так и n-типа.
18
-3
Индивидуальные ячейки, показанные на рис., формируются во втором эпитаксиальном i-слое локальным жидкостным химическим травлением кремния на глубину порядка нескольких микрон. Маской при этом служит оксид кремния, в котором вскрыты окна, через которые проводится сначала травление, а затем ионное легирование кремния, для создания входного окна р-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси около 10 см. На входное окно наносятся диэлектрические слои оксида и нитрида кремния, обеспечивающие просветление в требуемом спектральном диапазоне.
В каждой ячейке на просветляющем покрытии формируется поликремниевый резистор, с одной стороны подсоединенный к р-слою ячейки, с другой - к общей алюминиевой шине, соединяющей все ячейки микроячеистого гейгеровского фотодиода.
Между ячейками создаются разделяющие элементы за счет реактивного ионного травления кремния и заполнения получившейся выемки металлом.