КРЕМНИЕВЫЙ PIN-ФОТОДИОД БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод (ФД) большой площади относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению с длиной волны 0,9 мкм и 1,06 мкм, и предназначен для использования в оптико-электронных системах определения координат источников излучения, в том числе в условиях высокой фоновой засветки.
Известен аналог - кремниевый pin-фотодиод большой площади ФД141К, разработанный в ОКБ НПО «Кварц» (г.Черновцы, Украина) и содержащий подложку р-типа проводимости, на которой сформирован фоточувствительный элемент (область с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки). Недостатком прибора является узкий спектральный диапазон (рабочая длина волны - 1,06 мкм) и достаточно высокое для pin-фотодиода рабочее напряжение (115 В).
т
λ
Наиболее близким к заявляемой модели и принятым за прототип является кремниевый pin-фотодиод большой площади ФД342, разработанный нашим предприятием для замены изделия ФД141К. Указанный фотодиод также содержал подложку р-типа проводимости, на которой сформирован фоточувствительный элемент (область с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки). Для изготовления ФД использовались пластины монокристаллического кремния толщиной 400 мкм с удельным сопротивлением ρ=10-40 кОм.см. Приборы изготовленные на основе такого материала обеспечивали основные фотоэлектрические характеристики (емкость С - не более 70 пФ, темновой ток I - не более 7 мкА, токовую чувствительность S - не менее 0,2 А/Вт) уже при рабочем напряжении ≤70 В. Вместе с тем ФД342 по-прежнему имеет ограниченную область чувствительности (только на длине волны 1,06 мкм), что не позволяет использовать его в аппаратуре, работающей на длине волны 0,9 мкм, в том числе в условиях высокой фоновой засветки.
2
Заявляемая полезная модель решает задачу создания унифицированного кремниевого прибора большой площади (А=154 мм), чувствительного на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм, со следующими характеристиками:
p
- рабочее напряжение U - не более 50 В;
λ
- токовая чувствительность на длине волны 0,9 мкм S - не менее 0,45 А/Вт;
λ
- токовая чувствительность на длине волны 0,9 мкм в условиях засветки S - не менее 0,35 А/Вт
λ
- токовая чувствительность на длине волны 1,06 мкм S - не менее 0,2 А/Вт;
- емкость С - не более 150 пФ.
Для решения поставленной задачи при изготовлении унифицированного фотодиода используются пластины толщиной ~400 мкм с удельным сопротивлением, лежащем строго в интервале 10-14 кОм.см. Заявляемая полезная модель поясняется:
- таблицами 1-13, в которых представлены результаты расчета допусков по величинам толщины и удельного сопротивления пластин, обеспечивающих выполнение заданного уровня токовой чувствительности;
- фиг.1, на которой представлена топология и сечение А-А полезной модели;
- фиг.2, на которой представлено конструктивное исполнение
полезной модели.
Заявляемый кремниевый pin-фотодиод изготавливался на основе пластин, минимальное удельное сопротивление которых оценивалось, исходя из требований по емкости:
C=εA/W (1),
Где с - емкость ФД=150 пф,
-12
ε - диэлектрическая постоянная кремния =55.10,
2
А - площадь ФД=154 мм,
W - ширина области пространственного заряда.
Из формулы (1) следует, что W должна быть не менее 300 мкм. Исходя из этого значения определяется концентрация примеси в пластинах кремния:
p
2
12
-3
N=2ε.U/q/W=2.10 см (2),
Этой концентрации примеси в кремниевых пластинах р-типа проводимости соответствует
удельное сопротивление р=10 кОм.см (3)
Коэффициент поглащения α в кремнии на длине волны 0,9 мкм равен 300 см-1, поэтому даже при минимальной толщине структуры (140 мкм) квантовая эффективность должна составить:
η=(1-e-αw)=0,99,
а максимальная стационарная чувсвительность S=0,71 А/Вт.
tф
RC
Относительная импульсная чувствительность S зависит от длительности сигнала Тс, постоянной времени ФД и RC-составляющей t:
c
c
ф
RC
2
2
2
Sи=T/√T +t +t  (4)
ф
p
n
Постоянная времени ФД t зависит от ширины W, рабочего напряжения U, последовательного сопротивления R следующим образом:
ф
p
n
p
n
2
t=0,0055. [W/(U-R).(1+0,151.(U-R)/W (5)
RC - составляющая является произведением следующих величин:
n
p
n
R=(ρ/A)/(W-√2.ε.μ.ρ.(U-R) (6)
p
n
С=ε.A/√2.ε.μ.ρ.(U-R)(7)
ф
RC
Результаты расчета ширины ОПЗ W, постоянной времени ФД t, последовательного сопротивления Rn, емкости ФД С, RC-составляющей t и чувствительности S в том числе в условиях фоновой засветки представлены в таблицах 1-12. Заштрихованные ячейки таблиц означают условия, при которых не обеспечивается выполнения требуемых параметров, т.е. уменьшение относительной чувствительности при фоновой засветке превышало 0,35/0,45=0,78.
Результаты расчетов сведены в таблицу 13.
Результаты расчета показали, что при использовании пластин толщиной 400 мкм в диапазоне удельного сопротивления 10-14 кОм.см можно обеспечить создание унифицированного кремниевого прибора большой площади, чувствительного на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм.
2
Пример. В соответствии с заявляемой моделью был спроектирован и изготовлен кремниевый pin-фотодиод большой площади. Указанный прибор выполнялся на пластине 1 (фиг.1) монокристаллического кремния р-типа проводимости толщиной 400 мкм с удельным сопротивлением 10-14 кОм.см. Фоточувствительная область 2 и область охранного кольца 3 формировались с помощью диффузии фосфора через пленку двуокиси кремния (SiO) 3. Необходимая толщина пленки 0,65 мкм достигалась за счет термического окисления пластины кремния при Т=1100°С. Создание омических контактов 4, 5 осуществлялось путем нанесения пленки золота с подслоем титана. Толщина контактного покрытия - 0,5 мкм. Топология прибора обеспечивалась фотолитографическими процессами. Фоточувствительный элемент (ФЧЭ) прибора образовывался после дисковой резки кремниевой пластины на кристаллы размером 16×16 мм. Диаметр фоточувствительной области - 14 мм.
Кристалл ФЧЭ собирался в прецизионном корпусе (фиг.2) в следующей последовательности. Кристалл 1 припаивается на ситалловую изоляционную подложку 6, последняя, в свою очередь, приклеивается на цоколь 7. Цоколь имеет четыре рабочих вывода 8, изолированных с помощью стеклянных изоляторов 9. Электрическое соединение внешних рабочих выводов 8 с контактными площадками ФЧЭ и подложки производится контактной точечной сваркой золотой проволоки 10 диаметров 0,05 мм. Крышка 11 со стеклянным окном 12 герметически приваривалась к цоколю 7 в инертной азотной среде.
Структура, топология и технология изделия позволяют освоить его в производстве и наладить серийный выпуск. Использование заявляемой полезной модели позволило по сравнению с прототипом:
- расширить спектральный диапазон чувствительности прибора (рабочие длины волн -0,9 мкм и 1,06 мкм);
- улучшить эксплуатационные характеристики (снизить рабочее напряжение);
- унифицировать производство фотодиодов для регистрации импульсного излучения в спектральном диапазоне 0,9-1,06 мкм;
- обеспечить работу прибора в условиях высокой фоновой засветки.
Указанные кремниевые pin-фотодиоды (ФД342-02), изготовленные в соответствии с признаками заявляемой полезной модели, обеспечили потребность оптико-электронной аппаратуры - лазерных дальномеров, работающих на длинах волн 0,9 мкм и 1,06 мкм, в том числе - в условиях высокой фоновой засветки. Разработка внедрена в производство в 2003 г. Объем поставок таких приборов превысил 6000 шт. в год.
Up, В
Емкость
Чувствительность
Уд. Сопр., кОмхсм
С, пф б/фон.засветки при U=20B
С, пф с фон.засветкой при U=12B
S<sub>0,9</sub>б/фон.засветки
S<sub>0,9</sub>Cфон.засветкой
S<sub>1,06</sub> б/фон.засветки, А/Вт
9
151
98
0,7
0,43
0,25
10
113
92
0,7
0,41
0,25
14
109
90
0,71
0,35
0,25
15
82
88
0,71
0,34
0,25
- не удовлетворяет заданным требованиям