Кремниевый pin-фотодиод с повышенным уровнем чувствительности к длине волны 1,06 мкм

Полезная модель относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению с длиной волны λ=1,06 мкм. Они предназначены для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс). 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]. К таким приборам предъявляются высокие требования по величине токовой монохроматической чувствительности.
2
+
+
+
Известен кремниевый pin-фотодиод большой площади [патент на полезную модель РФ 56069 U1, ФГУП «НПО «Орион»], чувствительный на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм, принят в качестве аналога. В подложке из монокристаллического кремния р-типа проводимости с помощью диффузии фосфора через пленку двуокиси кремния (SiO) сформированы области п-типа проводимости: фоточувствительная область и область охранного кольца. На другой стороне подложки сформирован контактный слой р-типа проводимости. Создание двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою р-типа проводимости осуществлялось путем нанесения пленки золота с подслоем титана. Недостатком этого прибора является низкий уровень монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм и низкий процент выхода годных фотодиодов по данному параметру.
Известен кремниевый pin-фотодиод [РФ 108883, ФГУП «НПО «Орион»], принятый в качестве прототипа, содержащий подложку, фоточувствительную область и область охранного кольца, выполненные в подложке со стороны воздействия излучения, контактный слой, выполненный на другой стороне подложки, двухслойные контакты из слоя золота и подслоя хрома к фоточувствительной области и области охранного кольца, изолирующую и просветляющую пленку, отражающую контактную систему, расположенную на контактном слое и состоящую из пленок хрома и золота, причем толщина пленки хрома составляет 5-6 нм. Недостатком прототипа является пониженный уровень монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм, так как отражение излучения, падающего на фоточувствительную область с однослойным просветляющим покрытием (пленкой двуокиси кремния), не равно нулю.
Задачей полезной модели является повышение уровня монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм и увеличение процента выхода годных.
Технический результат достигается тем, что кремниевый pin-фотодиод содержит подложку, фоточувствительную область и область охранного кольца, выполненные в подложке со стороны воздействия излучения, контактный слой, выполненный на другой стороне подложки, двухслойные контакты из слоя золота и подслоя хрома к фоточувствительной области и области охранного кольца, изолирующую пленку и просветляющее двухслойное покрытие, состоящее из пленки нитрида кремния толщиной 88 нм и двуокиси кремния толщиной 40 нм, отражающую контактную систему, расположенную на контактном слое и состоящую из пленок хрома и золота, причем толщина пленки хрома составляет 5-6 нм.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема кремниевого pin-фотодиода (фиг. 1), где
+
1 - фоточувствительная область n-типа проводимости;
+
2 - область охранного кольца n-типа проводимости;
2
3 - изолирующая пленка двуокиси кремния (SiO);
2
4 - просветляющая пленка двуокиси кремния (SiO);
3
4
5 - просветляющая пленка нитрида кремния (SiN);
6 - подложка р-типа проводимости;
+
7 - контактный слой р-типа проводимости;
8,9 - двухслойные контакты из слоя золота (Au) с подслоем хрома (Сг).
+
Кремниевый pin-фотодиод состоит из подложки (6) р-типа проводимости. Со стороны воздействия излучения в подложке сформированы фоточувствительная область (1) и область (2) охранного кольца п+-типа проводимости. На другой стороне подложки сформирован контактный слой (7) р-типа проводимости. Со стороны фотодиода, на которое воздействует излучение, расположены пленка (3) двуокиси кремния, выполняющая функцию изолирующего покрытия, и пленки двуокиси кремния (4) толщиной 40 нм и нитрида кремния (5) толщиной 88 нм, выполняющие роль двухслойного просветляющего покрытия. Двухслойные металлические контакты к фоточувствительной области (1) и области (2) охранного кольца состоят из слоя золота с подслоем хрома (8). Отражающая контактная система (9) состоит из пленки золота и пленки хрома толщиной 5-6 нм.
Для увеличения уровня чувствительности фотодиода необходимо уменьшить потери на отражение излучения от фоточувствительной области прибора, которое может быть достигнуто с помощью двухслойного просветляющего покрытия.
Существует несколько вариантов конструкций системы просветляющего покрытия. Они подробно рассмотрены в книге [Физика тонких пленок, под общей редакцией Г. Хасса и Р.Э. Туна, том II, «Мир», Москва, 1967 г. ]. На фиг. 2 представлена система обозначений, принятая для показателей преломлений. Показатели преломления окружающей среды и подложки обозначены через по и ns а слои нумеруются по порядку от наружного слоя к подложке. С точки зрения совместимости процессов формирования двухслойного просветляющего покрытия с технологией изготовления pin-фотодиода выбран вариант, в котором отношение толщин слоев не равно целому числу, а соотношение показателей преломления слоев удовлетворяет условиям, при которых слой с высоким показателем преломления может располагаться снаружи:
1
2
0
s
В качестве наружного слоя выбрана пленка нитрида кремния с показателем преломления n=2, а в качестве второго слоя - пленка двуокиси кремния с показателем преломления n=1,46 [С. Зи, Физика полупроводниковых приборов, т.2, Москва, Мир, 1984]. Показатель преломления окружающей среды n=1, показатель преломления кремниевой подложки n=3,57 [Полупроводниковые формирователи сигналов изображения, под редакцией П. Йесперса, Ф. Ван де Виле и М. Уайта, Москва, Мир, 1979 г. ].
Тогда по формулам, приведенным в книге [Физика тонких пленок, под общей редакцией Г. Хасса и Р.Э. Туна, том II, «Мир», Москва, 1967 г., стр. 105]:
и
1
1
1
2
2
2
где φ=2πnd/λ, ϕ=2πnd/λ,
1
2
определим требуемые толщины слоев пленки нитрида кремния d=88 нм, и пленки двуокиси кремния d=40 нм.
Таким образом, для повышения уровня монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм необходимо сформировать на фоточувствительной области кремниевого pin-фотодиода двухслойное просветляющее покрытие на основе пленки нитрида кремния толщиной 88 нм и пленки двуокиси кремния толщиной 40 нм.
Пример. В соответствии с заявляемой моделью был спроектирован кремниевый pin-фотодиод, разработана технология осаждения тонких пленок нитрида и двуокиси кремния, изготовлена партия pin-фотодиодов.
λ
На изготовленных фотодиодах измерялась монохроматическая импульсная чувствительность S к излучению с длиной волны 1,06 мкм, а также определялся процент выхода годных.
λ
В таблице 1 приведены сравнительные типовые значения S фотодиодов с однослойным и двухслойным просветляющим покрытием.
Из приведенных результатов следует, что двухслойное просветляющее покрытие приводит к повышению уровня монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм и увеличению процента выхода годных.