Способ и устройство для многомодульных устройств без механической изоляции
METHOD AND DEVICE FOR MULTI-MODULE DEVICES WITHOUT MECHANICAL ISOLATION

[0001] Рассматриваемое изобретение относится к многомодульным фотоэлектрическим полупроводниковым устройствам на общей подложке. Использование множества монолитных модулей на общей подложке, где производятся мощные фототоки, более желательно, чем такие же участки, изготовленные в виде одного модуля или множества взаимосоединенных одиночных модулей устройства. Использование монолитных многомодульных конструкций снижает выходной ток и увеличивает выходное напряжение в прямолинейной зависимости от числа модулей, соединенных в последовательную цепь. Из-за того что потери внутреннего сопротивления сокращаются пропорционально квадрату силы тока, общие потери внутренней энергии в многомодульных устройствах сильно сокращаются на высоких уровнях распределения электромагнитного поля.
[0002] В производстве многомодульных устройств на общей подложке отдельные модули должны быть изолированы друг от друга с помощью электричества. Из уровня техники известно, что электрическая изоляция изобретена с помощью использования механических диэлектрических барьеров между модулями, что увеличивает стоимость и сложность изготовления. Изобретение, описанное здесь, предлагает множество диодных цепочек, которые могут быть распределены на общей подложке без использования механической изоляции. Описанное изобретение не призывает использовать механический изоляционный барьер для получения электрической изоляции между модулями в многомодульном монолитном устройстве. Изобретение может применяться на устройствах, содержащих полупроводниковые материалы, где диоды могут быть изготовлены с дискретными P и N-переходами.
[0003] Из уровня техники известно, что в многомодульных устройствах используются механические траншеи для получения электрической изоляции между модулями. Наиболее практически применимые процессы изготовления траншей требуют использования множества эпитаксиальных слоев в многомодульном устройстве. Требование наличия множества эпитаксиальных слоев также увеличивает затраты на обработку, не считая стоимости изготовления траншеи, а выполнение этих работ обычно требует участия высококвалифицированных специалистов, так как множество эпитаксиальных слоев имеет комплекс требований по изготовлению.
РЕЗЮМЕ
[0004] Настоящее изобретение делает возможным изготовление многомодульного устройства без необходимых диэлектрических траншей для изоляции отдельного модульного P-N-перехода. Каждый отдельный модульный P-N-переход включает область поглощения и диффузионное поле между материалом P-типа и материалом N-типа, которое формируется в результате дыр и электронов, образованных поглощением фотонов, и градиента концентрации, в результате их скопления в областях P и N. В целях упрощения в данном описании изобретения и в формуле термин "диффузионное поле" используется для обобщения и включает все движения носителей, которые образуются в результате их воспроизводства фотонами, и их движение к областям скопления с помощью диффузионного процесса. Диффузионный процесс происходит либо из-за градиента концентрации, как в случае для неосновных носителей, либо из-за требования нейтральности зарядов, как в случае для основных носителей. Определенный механизм в изобретении, который препятствует, или блокирует, паразитный ток, который представляет собой ток основного носителя, связан с диффузионным полем, так как эксперимент показал, что препятствие или блокировка паразитного тока не происходит в тех случаях, когда электрод ориентирован в неправильном направлении. Дыры и электроны собираются омическим контактом на материале P-типа и материале N-типа, и в результате появляется выпускной фототок и напряжение прямого смещения через модульный P-N-переход. Многомодульное устройство основано на примере встречно-штыревых модульных P-N-переходов, расположенных в непрерывной конфигурации для эффективного сбора фотогенерированных носителей. Электрическая изоляция достигается благодаря размещению множества модульных P-N-переходов таким образом, чтобы диффузионные поля, образованные потоком фототока или потоком напряжения прямого смещения через модульные P-N-переходы располагались в поперечном направлении относительно общего потока тока между модульными P-N-переходами, направлению электрического поля, образованного разницей напряжения между многомодульными омическими контактами областей поглощения, и направлению паразитного потока тока между двумя внешними соединениями многомодульного устройства. Таким образом, любой паразитный ток и электрическое поле в направлении между выходом многомодульного устройства и входом многомодульного устройства оказывает ничтожный эффект на фототок, производимый модульными P-N-переходами из-за поперечного взаимоотношения между ними. Это поперечное взаимоотношение электрически изолирует модули.
[0005] Преимущество этого применения в более низкой сложности изготовления для производства многомодульного устройства на общей подложке. Предлагается единственный известный способ производства многомодульного устройства без использования эпитаксиальной технологии и траншейной изоляции. Изобретение может применяться в изготовлении многомодульных устройств на полуизолирующей подложке с тонким эпитаксиальным слоем, где расположены модульные переходы, допуская поглощение близко к накапливающим модульным переходам. Простой эпитаксиальный слой гораздо менее сложный и менее затратный, чем эпитаксиальные слои, требуемые для способа механической траншеи.
[0006] В описании изобретения, приведенном здесь, обозначение диода относится к обычному фотоэлектрическому случаю, где присутствует область поглощения для поглощения фотонов в устройстве, имеющем омические контакты на обоих материалах N-типа и P-типа, и также относится к случаю, где существует множество чередующихся омических контактов N-типа и P-типа в области поглощения внутри устройства. Последний случай преимущественно относится к встречно-штыревому устройству, где множество омических контактов N-типа соединены с первой общей конфигурацией электрической шины на первом конце встречно-штыревого устройства, и множество омических контактов P-типа соединены со второй конфигурацией электрической шины на втором конце встречно-штыревого устройства напротив первого конца встречно-штыревого устройства. Встречно-штыревое устройство обычно применяется, чтобы увеличить эффективность сбора фотогенерированных носителей, так как дизайн-макет устройства минимизирует расстояние, которое должен преодолеть носитель перед тем, как он окажется в месте сбора на омических контактах.
[0007] Многомодульное устройство, которое изготовлено без механической изоляции между модулями, демонстрирует нежелательные паразитные токи, представленные схематически в виде резистивных соединений между модулями многомодульного устройства. Примерно половина сильнолегированных встречно-штыревых областей имеют ту же полярность, что и поглотитель, и используются для формирования омического контакта с ним. Другая половина сильнолегированных встречно-штыревых областей имеют противоположную поглотителю полярность, формируя модульный диод. Омические соединения на общей подложке формируют потенциальные паразитные резистивные каналы в отсутствии механической изоляции. Без способа, описанного в данном изобретении, этот паразитный канал будет проводить ток, направленный противоположно от желаемого выхода устройства.
[0008] Описанное изобретение использует образец встречно-штыревых модульных P-N-переходов, расположенных в такой конфигурации, где диффузионные поля, которые могут быть как фотогенерированными, так и генерированными смещением, служат для электрической изоляции отдельных модульных переходов, таким образом создавая многомодульное устройство без механической изоляции между отдельными модульными переходами. Модульные P-N-переходы могут быть сформированы с помощью диффузии, ионной имплантации или вытравливания мезаструктур. Например, диффузионные поля и токи между встречно-штыревыми контактными областями направлены перпендикулярно направлению тока, движущегося от модуля к модулю через устройство. Изоляция, достигнутая с помощью устройств, в соответствии с настоящим изобретением, была представлена в качестве эксперимента на изготовленных устройствах. Когда диффузионные поля сформированы перпендикулярно каналу паразитных токов, эффект от паразитных токов уменьшается, и результат электрической изоляции примерно сопоставим с результатом механической изоляции. Однако в альтернативной нежелательной конфигурации поля и токи между встречно-штыревыми контактными областями перехода параллельны направлению тока, движущегося от модуля к модулю через устройство и параллельны паразитному резистивному каналу. В этой нежелательной конфигурации встречно-штыревые области будут проводить мощный ток в противоположном направлении от желаемого выхода устройства, и устройство не будет функционировать как многомодульное устройство.
[0009] Рассматриваемое изобретение представляет единственно известный способ достижения многомодульного действия на по большей части не эпитаксиальной подложке, без крайнего сильного утончения подложки и формирования в ней траншей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Данные и другие характеристики, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут более понятны благодаря следующему описанию, прилагаемой формуле изобретения и сопутствующим чертежам, где:
[0011] Фигура 1А демонстрирует вид в разрезе известного из уровня техники многомодульного устройства, где применены траншеи для обеспечения механической изоляции между модулями;
[0012] Фигура 1B демонстрирует аналогичное схематическое представление многомодульного устройства;
[0013] Фигура 2А демонстрирует схему многомодульного устройства, где ориентация встречно-штыревого образца не обеспечивает достаточной изоляции модуля поперечным электрическим полем;
[0014] Фигура 2B демонстрирует аналогичную схему многомодульного устройства для цепи, показанной в Фигуре 2А.
[0015] Фигура 3A демонстрирует схему многомодульного устройства, где ориентация встречно-штыревого образца обеспечивает достаточную изоляцию модуля поперечным электрическим полем;
[0016] Фигура 3B демонстрирует аналогичное схематическое представление многомодульного устройства и [0017] Фигура 4 демонстрирует экспериментальные данные, взятые из многомодульного устройства без механической изоляции и имеющего ориентацию конфигурации встречно-штыревого образца, что обеспечивает достаточную изоляцию модулей с помощью поперечного диффузионного поля.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0018] Обращаясь к Фигуре 1А, следует отметить, что Фигура 1А демонстрирует эпитаксиальный слой на подложке полуизолирующего материала. Как показано на Фигуре 2А, известные из уровня техники многомодульные устройства на общей подложке требуют, чтобы устройство было электрически изолировано с помощью создания изолятора или механического барьера между модулями. Чрезвычайно высокое сопротивление материала подложки изолирует модуль по вертикали. Как показано, горизонтальная изоляция обычно достигается путем просечки траншей через эпитаксиальный слой на материал подложки.
[0019] Фигура 1А демонстрирует вид в разрезе известного из уровня техники многомодульного устройства 100, где применены траншеи для обеспечения механической изоляции между модулями. Фигура 1B демонстрирует аналогичное схематическое представление многомодульного устройства 100. Фигура 1А демонстрирует области N+ омического контакта 124, 134, 144 и области P+ омического контакта 122, 132, 142, образованные в областях поглощения P-типа 110, 112, 114. Эти области были изначально отдельным эпитаксиальным слоем, расположенным на полуизолирующей подложке исходной пластины 116. Использование этого типа подложки, изготовленной из материала высокого сопротивления, обеспечивает вертикальную изоляцию для модулей. Как показано, отдельный эпитаксиальный слой был разделен на модули 126, 136, 146 конфигурацией траншей 128, 138. Траншеи футерованы кремниевым диоксидом 118 для обеспечения горизонтальной изоляции и изоляции верхней поверхности. Металлизированные поверхности 120, 130, 140, 150 обеспечивают внешние и внутренние соединения для устройства 100. Показаны только последовательные цепочки соединений. Существует широко известная из уровня техники многомодульная технология, где применяются обе траншеи 128, 138 и множество эпитаксиальных слоев, которая гораздо более сложная, чем конфигурация, показанная на Фигуре 1А. Эта технология применяет общеизвестный слой горизонтального сбора. В отличие от поперечного слоя из известного уровня техники, изобретение может использовать один эпитаксиальный слой, а также не иметь сложности, связанные с изготовлением траншеи или множества эпитаксиальных слоев.
[0020] Обращаясь к Фигуре 2А, необходимо отметить, что Фигура 2А демонстрирует схему соединения многомодульного устройства 200, где встречно-штыревой образец не обеспечивает достаточную электрическую или механическую изоляцию. Канал тока в диффузионных полях 290 модулей 225, 235, 245, 255 и общем потоке тока 280 параллелен и обычно также направлен, как и канал паразитного тока и выходной ток 280, движущийся через устройство 200. Модули соединены друг с другом встык изнутри, благодаря металлизации 230, 240, 250, и снаружи, благодаря металлизации 220, 260. Аналогичная схема для цепочки в Фигуре 2А показана в Фигуре 2 В. Ток в паразитном резисторе обратной связи 260 не противоположно направлен, что ухудшает выход устройства. Данная конфигурация 200 не обеспечивает изоляцию полей и является примером неэффективной конфигурации. Это очень неэффективный способ изоляции, и он дает неудовлетворительные результаты. Для простоты, для каждого модуля показана только одна пара переходов. Однако модули могут содержать множество встречно-штыревых переходов, соединенных электрическими шинами.
[0021] Обращаясь к Фигуре 3A, необходимо отметить, что Фигура 3A демонстрирует вид сверху многомодульного устройства 300, которое обеспечивает достаточную электрическую изоляцию, в соответствии с рассматриваемым изобретением, благодаря выборочному расположению и направлению встречно-штыревых P-N-переходов. Фигура 3A демонстрирует четыре модуля 322, 332, 342, 352, соединенных в последовательной конфигурации. Каждый модуль 322, 332, 342, 352 имеет встречно-штыревые переходы, соединенные параллельно. Эти модули или субмодули соединены электрическими шинами 330, 340, 350 для образования выходного напряжения и минимизации внутренних потерь. Модули имеют внешние соединения 320, 360. Фигура 3B демонстрирует аналогичное схематическое представление многомодульного устройства 300. Как показано в Фигуре 3A, поток тока диффузионного поля 390 перпендикулярен общему потоку тока 380, электрическому полю, находящемуся на подложке, и направлению паразитного канала. Эта перпендикулярная ориентация диффузионного поля и диффузионного тока 390 противоположна электрическому полю на подложке и приводит к тому, что электрическая изоляция практически равна той, которая обеспечивается механической изоляцией, без использования механической изоляции, например, траншей.
[0022] Обращаясь у Фигуре 4, необходимо отметить, что Фигура 4 показывает прямую и обратную характеристики смещения цепочки из пяти диодов, изготовленных на общей сплошной подложке без механической изоляции, в соответствии с рассматриваемым изобретением. Три кривые образуются на трех отдельных диодных цепочках. Достигаемое напряжение согласуется с ожидаемым прямым напряжением германиевого материала. Один германиевый диод будет иметь напряжение приблизительно 200 мВ в прямом смещении, поэтому экспериментально представленное накапливаемое напряжение в примерно один вольт из цепочки диодов, как показано на Фигуре 4, это то, что можно ожидать от цепочки из пяти электрически изолированных диодов, смещенных в прямом направлении. Если электрическая изоляция не достигнута, тестируемая выпускная цепочка (на общей подложке) будет выглядеть как один прямо смещенный диод с внутренним резистором в последовательности, что приводит к более низкому напряжению на выходе.
[0023] Изображение изобретения, представленного здесь, основано, преимущественно, на работе фотоэлектрического устройства, однако изобретение не ограничивается фотоэлектрическими устройствами и с тем же успехом подходит к цепочке диодов с прямым смещением, используемой для различных целей.
[0024] Эффективность представленной конфигурации, как показано на Фигуре 3, в соответствии с рассматриваемым изобретением, и неэффективность конфигурации, представленной на Фигуре 2, были определены экспериментально. Основываясь на экспериментальном примере, можно отметить, что не существует существенных различий в исполнении между механической изоляцией из известного уровня техники и полем, обеспечивающим электрическую изоляцию, предложенную в рассматриваемом изобретении. В общем, электрическая изоляция, в соответствии с изобретением, улучшена наличием конфигурации встречно-штыревого диода, где разделительное расстояние между P+ областью модуля и N+ областью модуля небольшое, относительно длины переходов. Небольшое разделительное расстояние между P+ областью модуля и N+ областью модуля предпочтительно, так как формируется диффузионное поле высокого напряжения. В предпочтительном варианте, разделительное расстояние условно от 5 до 50 микрометров, а длина модуля как минимум в десять раз больше разделительного расстояния. В общих чертах, эти размеры и это соотношение размеров обеспечивают блокирующее поле высокого напряжения и паразитное поле низкого напряжения.
[0025] В ходе проведения попыток улучшить выходной ток многомодульного устройства на монолитной подложке без механической изоляции, было экспериментально протестировано некоторое количество модульных схем. Наилучшие результаты были получены для схемы, изображенной на Фигурах 3A и 3B, где конфигурация устройства обеспечивает многомодульные функциональные возможности без механической изоляции между модулями. В предпочтительном варианте осуществления изобретения отдельные модули сформированы встречно-штыревой конструкцией переходов с такими же переходами, соединенными электрическими шинами. Соединение электрическими шинами между чередующимися модулями P и N некоторым образом формирует цепочку диодов, имеющую размер полного цикла. Отдельные переходы внутри модуля имеют большой размер, параллельный направлению размера полного цикла цепочки диодов. Переходы могут быть образованы с помощью диффузии, имплантации ионов, барьера Шотки или других известных процессов. Предпочтительный вариант осуществления изобретения описывает альтернативное многомодульное устройство на общей подложке, отличающееся тем, что переходы и области омических контактов каждого модуля представлены в форме длинных встречно-штыревых штырей, и продольное направление этих штырей параллельно продольному направлению паразитного канала, образованного омическими контактами некоторых штырей на общей подложке, и продольное направление этих штырей параллельно каналу полного цикла цепочки диодов.