Многоплощадочный кремниевый pin-фоточувствительный элемент

Полезная модель относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нc) при напряжениях смещения 180-200 В. К такой аппаратуре относятся лазерные дальномеры, системы наведения по лучу, обнаружители лазерного излучения, системы защиты от лазерного оружия, высокоточное оружие и другие системы [А.М. Филачев, И.И. Таубкин, М.А. Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. М.: Физматкнига, 2007 г., 384 с.].
+
+
+
Предлагаемый многоплощадочный кремниевый pin-фоточувствительный элемент (ФЧЭ) содержит пластину, выполненную из высокоомного кремния p-типа-проводимости, с фоточувствительными площадками и охранным кольцом n-типа проводимости и стоп-областью p-типа проводимости (p-стоп-область).
+
Технический результат предлагаемой полезной модели - повышение стабильности электрических параметров изделия и увеличение процента выхода годных ФЧЭ, обеспечивается уменьшением поверхностных токов утечки за счет создания p-стоп-области.
+
+
Известен многоплощадочный планарный кремниевый pin-фотодиод [патент на полезную модель РФ №126195, ОАО «Московский завод «Сапфир»], чувствительный к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм и содержащий пластину, выполненную из высокоомного кремния p-типа проводимости, с фоточувствительными площадками из планарных n-p-переходов и охранным элементом в виде планарного n-p-перехода, охватывающим без разрыва каждую отдельную фоточувствительную площадку, входящую в состав pin-фотодиода. Недостатком этой конструкции является наличие поверхностного инверсионного канала n-типа проводимости, приводящего к избыточным темновым токам охранного кольца и нестабильности электрических параметров фотодиода.
На фиг .1 представлена поясняющая структурная схема pin-фотодиода с инверсионным каналом, где 1 - пластина высокоомного кремния; 2 - фоточувствительная площадка; 3 - охранное кольцо; 4 - инверсионный канал; 5 и 6 - пассивирующая и прсветляющая пленки двуокиси кремния с положительным зарядом.
Инверсионный канал, возникающий из-за наличия встроенного положительного заряда на границе раздела окисел - кремний, приводит к тому, что p-n-переход охранного кольца выходит на непассивированную боковую поверхность ФЧЭ, которая содержит поверхностные энергетические уровни, следовательно, в темновой ток охранного кольца вносит большой вклад ток поверхностной утечки. Кроме того, характерной особенностью тока утечки является его временная нестабильность [И.П. Степаненко. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977 г., стр. 128.], что, в свою очередь, приводит к нестабильности таких параметров ФЧЭ, как темновые токи и шумы.
2
+
+
+
Известен 8-площадочный планарный кремниевый pin-фотодиод, принятый в качестве прототипа, фоточувствительные площадки которого расположены в 4 квадрантах, вписанных в окружность диаметром 2 мм (4 внутренние площадки) и диаметром 10 мм (4 внешние площадки) с охранным кольцом, при значениях всех межплощадочных промежутков 0,2 мм [журнал Прикладная физика, №5, 2003 г., с. 106-111]. Недостатком прототипа являются повышенные значения темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца из-за дефектов, образующихся в результате имплантации ионов N в границы n-p-переходов и в прилегающие к границам n-области шириной 20 мкм.
Задачей полезной модели является уменьшение темновых токов фоточувствительных площадок и охранного кольца, повышение стабильности электрических параметров изделия, увеличение процента выхода годных ФЧЭ.
Технический результат достигается тем, что многоплощадочный кремниевый pin-фоточувствительный элемент содержит пластину, выполненную из высокоомного кремния p-типа проводимости, с фоточувствительными площадками и охранным кольцом n+-типа проводимости и стоп-областью p+-типа проводимости.
Сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых представлена топология 8-площадочного кремниевого ФЧЭ (Фиг. 2) и его структурная схема (Фиг. 3).
2
2
Многоплощадочный кремниевый pin-ФЧЭ содержит пластину (1), выполненную из высокоомного кремния p-типа проводимости; восемь фоточувствительных площадок (четыре - с площадью S=18 мм (2) и четыре - с площадью S=0,6 мм (7)) и охранное кольцо (3) n+-типа проводимости; стоп-область (8) p+-типа проводимости; просветляющую (6) и пассивирующую (5) пленки термической двуокиси кремния; тыльный контактный слой (9) р+-типа проводимости; металлические контакты (10, 11, 12, 13) на основе двухслойной системы хром - золото, на поверхности ФЧЭ также присутствует инверсионный канал (4) n-типа проводимости.
+
17
-3
Наличие p-стоп-области (концентрация примеси на границе раздела кремний - окисел ~10 см) препятствует образованию инверсионного канала на периферийной области ФЧЭ, тем самым исключается выход p-n-перехода на боковую поверхность ФЧЭ, и, следовательно, снижается величина поверхностных токов утечки.
+
13
-2
+
+
+
Пример. В соответствии с заявляемой полезной моделью был спроектирован кремниевый pin-фоточувствительный элемент. В качестве исходного материала использовались пластины высокоомного кремния p-типа проводимости с удельным сопротивлением 15-20 кОм·см. Стоп-область p-типа проводимости создавалась методом ионной имплантации бора с энергией 50 кэВ и дозой 4·10 см. Формирование структуры ФЧЭ включает в себя также технологические операции термического окисления; загонки и разгонки фосфора для создания областей фоточувствительных площадок и охранного кольца n-типа проводимости; загонки фосфора в тыльную сторону пластины для формирования геттерирующего слоя; удаления геттера и диффузионной загонки бора для создания тыльного контактного слоя p-типа проводимости; формирования двухслойных металлических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и тыльному контактному слою p-типа проводимости методом напыления пленки золота с подслоем хрома.
У изготовленных ФЧЭ измерялись темновые токи фоточувствительных площадок и охранного кольца при напряжении 200 В. Сопротивление нагрузке фоточувствительных площадок составляло 10 кОм, охранного кольца - 1 кОм.
В таблице приведены сравнительные типовые значения темновых токов заявляемого фоточувствительного элемента и лучшие значения темновых токов прототипа.
+
Из приведенных результатов следует, что введение p-стоп-области приводит к значительному снижению темновых токов ФЧЭ.