МНОГОПЛОЩАДОЧНЫЙ ПЛАНАРНЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ PIN-ФОТОДИОД

Заявляемый многоплощадочный планарный кремниевый pin-фотодиод (ФД) относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к излучению в диапазоне длин волн 0,4÷1,2 мкм и применяемым, как правило, в системах приема информации и управления с помощью коротких (10÷200 нс) лазерных импульсов с длиной волны 0,9 и 1,06 мкм при напряжениях смещения от 50 до 200 В. Помимо высокой импульсной токовой чувствительности к таким приборам предъявляются жесткие требования по уровню темновых токов, ответственных за уровень шума, ухудшающего пороговые параметры системы.
+
+
Известен 8-площадочный планарный кремниевый pin-фотодиод, фоточувствительные площадки которого расположены в 4-х 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 (см. ж. Прикладная физика, №5, 2003 г., с.106-111). Для решения задачи обеспечения высокой импульсной токовой чувствительности в конструкции pin-фотодиода в качестве исходного материала используется высокоомный кремний p-типа проводимости, обладающий существенно большей подвижностью неосновных носителей заряда, чем высокоомный кремний n-типа, а площадки представляют собой планарные n-p переходы. Задача снижения избыточного темнового тока, обусловленного наличием поверхностного инверсионного канала, всегда образующегося на поверхности p-Si с удельным сопротивлением выше 6 Ом·см, в этом случае решается с помощью охранного кольца (ОК), представляющего собой дополнительный планарный n-p переход в виде кольца с внутренним диаметром 10, 4 мм, окружающий внешние границы внешних площадок. При параллельном включении каждой площадки и ОК часть темнового тока площадки, перетекающего в нее из инверсионного канала, перетекает в ОК. Недостатком такого прибора является высокий уровень темнового тока площадок при напряжениях смещения 50÷200 В, в особенности, внутренних площадок, наиболее удаленных от ОК.
+
+
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является 4-х площадочный планарный кремниевый pin-фотодиод (см. ж. Прикладная физика, №2, 1999 г., с.79-85). Планарные фоточувствительные площадки этого ФД сформированы на поверхности пластины p-Si с удельным сопротивлением 20 кОм·см в виде квадрантных n-p переходов с зазором 0,2 мм в окружности диаметром 14 мм с охранным элементом в виде планарного кольцевого n-р перехода, имеющим внутренний диаметр 14,4 мм и близкорасположенным только к внешним границам площадок. Недостатком прототипа является также повышенный уровень темнового тока площадок.
Заявляемая полезная модель решает задачу уменьшения уровня темновых токов фоточувствительных площадок, при этом техническим результатом является улучшение этого параметра в 2÷6 раз.
+
+
+
Указанный технический результат достигается тем, что в многоплощадочном планарном pin-фотодиоде, содержащем пластину, выполненную из высокоомного p-Si или эпитаксиальной кремниевой структуры с эпитаксиальной пленкой высокоомного p-Si на подложке р-типа, с фоточувствительными площадками из планарных n-р переходов и охранным элементом, выполненным в виде планарного n-р перехода, охранный элемент охватывает без разрыва каждую отдельную фоточувствительную площадку, входящую в состав pin-фотодиода. В частном случае выполнения охранный элемент и фоточувствительные площадки могут иметь аналогичные профили распределения примесных атомов по глубине, то есть могут формироваться в едином технологическом процессе.
Окружение каждой площадки охранным элементом осуществляется его введением между всеми площадками, что приближает отдаленные участки границ площадок к охранному элементу, уменьшая сопротивление для перетекающих в него токов утечки через эти участки, и поэтому увеличивает его эффективность, снижая темновой ток площадок.
+
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены топологии n-р переходов фоточувствительных площадок и охранного элемента на поверхности p-Si для прототипа (фиг.1) и 3-х примеров многоплощадочных планарных кремниевых pin-фотодиодов, соответствующих заявляемому предложению: 4-х (фиг.2) и 8-площадочного (фиг.3) квандрантных и 96-элементого кольцевого pin-ФД (фиг.4).
+
+
+
Согласно чертежам многоплощадочный планарный кремниевый pin-фотодиод содержит пластину, выполненную из высокоомного (удельное сопротивление ρ≥1 кОм·см) p-Si или эпитаксиальной кремниевой структуры с эпитаксиальной пленкой высокоомного p-Si на подложке р-типа, у поверхности р-области которой 1 сформированы фоточувствительные площадки 2 из планарных n-p переходов. Вокруг каждой из фоточувствительных площадок 2 сформирован охранный элемент 3 в виде непрерывного планарного n-р перехода с конфигурацией, позволяющей охватывать каждую площадку без разрыва. В частном случае выполнения охранный элемент 3 и фоточувствительные площадки 2 могут иметь аналогичные профили распределения примесных атомов по глубине.
При работе в устройствах через фоточувствительную площадку протекает темновой ток, который обусловлен утечкой через ее границу по поверхностному инверсионному каналу. Поскольку охранный элемент находится вблизи всех участков границ площадок, то их токи утечки успешно перетекают в охранный элемент, уменьшая темновой ток площадки. В результате pin-фотодиод обладает способностью фиксировать более низкий уровень сигнальной засветки, чем при больших темновых токах, например, по сравнению с прототипом.
+
+
+
+
+
В соответствии с чертежом на пластинах p-Si с удельным сопротивлением 8-12 кОм·см были изготовлены по 1 партии 4-, 8- и и 96-площадочных pin-ФД с расстоянием между площадками 0,2 мм, соответствующих предложению и прототипу. Использована планарная диффузионная технология с маскирующей и защитной пленкой термического окисла, выращенного при температуре 1150°С в атмосфере сухого и влажного кислорода, с применением загонки фосфора из газовой фазы и последующей разгонки в атмосфере кислорода для формирования планарных n-p переходов площадок и охранного элемента. Аналогичным образом выполнялось генерирование на обратной стороне пластины с последующим снятием легированного генерирующего слоя и формированием омического контакта p-p типа загонкой бора из твердого источника. Для формирования контактов к n- и р-слоям проводилось напыление системы Cr+Au с последующим вжиганием при температуре 300°С. Рисунок контактной системы на n-областях площадок и ОК формировался с применением контактной фотолитографии. Пластины разрезались на ЧИПы, на площадках которых измерялись темновые токи с сопротивлением нагрузки 10 кОм при напряжениях 50, 100, 150 и 200 В с подключением охранного элемента непосредственно к источнику напряжения. Средние значения темновых токов в мкА при каждом напряжении для каждого типа ФД представлены в таблице:
Рабочее напряжение, В
Тип ФД
4-х площадочный квадрантный
8-и площадочный квадрантный
96-и площадочный кольцевой
по предложению
по прототипу
по предложению
по прототипу
по предложению
по прототипу
50
0,082
0,280
0,122
0,312
0,018
0,077
100
0,111
0,392
0,186
0,487
0,021
0,095
150
0,168
0,523
0,220
0,768
0,035
0,127
200
0,234
0,897
0,343
1,47
0,052
0,306
+
Из таблицы следует, что для всех применявшихся топологий pin-ФД и размеров площадок введение n-р перехода охранного элемента между площадками и таким образом их окружение в соответствии с предложением приводит к снижению уровня темновых токов площадок в 2-6 раз. При этом не было отмечено возрастания тока охранного элемента, что обусловлено превышением этого тока на 2 порядка величины тока площадок при каждом значении рабочего напряжения.
+
+
Сопротивление от охранного элемента до отдаленных участков границы площадки в случае прототипа велико и ток, перетекающий от этих участков в охранный элемент, мал, то есть на этих участках границы площадок охранного элемента действуют неэффективно. Окружение каждой площадки n-р переходом охранного элемента (введение n-р перехода охранного элемента между площадками по предложению) приближает отдаленные участки границ площадок к охранному элементу, что уменьшает сопротивление для перетекающих в охранный элемент токов утечки через эти участки и поэтому увеличивает его эффективность, снижая темновой ток площадок.
Предложенная конструкция является универсальной и не зависит от расстояния между площадками, минимальное значение которого ограничивается техническими возможностями фотолитографии.