[go: up one dir, main page]

RU2240631C1 - Photodetector - Google Patents

Photodetector Download PDF

Info

Publication number
RU2240631C1
RU2240631C1 RU2003119129/28A RU2003119129A RU2240631C1 RU 2240631 C1 RU2240631 C1 RU 2240631C1 RU 2003119129/28 A RU2003119129/28 A RU 2003119129/28A RU 2003119129 A RU2003119129 A RU 2003119129A RU 2240631 C1 RU2240631 C1 RU 2240631C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
region
substrate
junction
regions
photodetector
Prior art date
Application number
RU2003119129/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003119129A (en
Inventor
А.Г. Балашов (RU)
А.Г. Балашов
Р.Д. Тихонов (RU)
Р.Д. Тихонов
Original Assignee
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Государственное учреждение научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Московский государственный институт электронной техники (технический университет), Государственное учреждение научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ filed Critical Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Priority to RU2003119129/28A priority Critical patent/RU2240631C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2240631C1 publication Critical patent/RU2240631C1/en
Publication of RU2003119129A publication Critical patent/RU2003119129A/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

FIELD: semiconductor electronics.
SUBSTANCE: ratio of areas of pn junction structure components and gap between pn junction and contact to substrate is chosen in avalanche-multiplication silicon lateral photodetector. Spatial charge area of pn junction fully covers gap between pn + junction and pn + contact to substrate. Avalanche multiplication of charge carriers is ensured by applying operating voltage due to concentration of electric field about small-size n + and p + areas.
EFFECT: reduced capacitance, enhanced speed and photosensitivity.
3 cl, 7 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам, обладающим чувствительностью к воздействию излучения.The present invention relates to semiconductor electronics, semiconductor devices having sensitivity to radiation.

Полупроводниковые датчики интенсивности и спектра излучения находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.Semiconductor sensors of the intensity and spectrum of radiation are becoming more widespread in integrated microsystems due to the possibility of combining them with other components of microsystems using microelectronics methods and the creation of microminiature devices for monitoring and control in automated complexes for various purposes.

Среди других видов полупроводниковых датчиков интенсивности и спектра излучения фотодиод вызывает особый интерес в связи с возможностью получения высокого быстродействия и фоточувствительности. Подробно этот прибор описан в работе /1/. Фоточувствительность фотодиода обусловлена генерацией проникающими в область пространственного заряда рn-перехода квантами света электронно-дырочных пар носителей тока, которые при приложении напряжения создают проводимость в слое пространственного заряда рn-перехода. Для повышения фоточувствительности диода разрабатываются структуры прибора, в которых выбираются размеры, состав и спектр поглощения всех слоев фотодиода, обеспечивающие наиболее полное преобразование квантов света в носители тока и используется лавинное умножение в электрическом поле слоя пространственного заряда, позволяющее увеличить фотоэффект.Among other types of semiconductor sensors of intensity and emission spectrum, the photodiode is of particular interest in connection with the possibility of obtaining high speed and photosensitivity. Details of this device are described in / 1 /. The photosensitivity of the photodiode is caused by the generation of light quanta of electron-hole pairs of current carriers that penetrate into the space charge of the pn junction, which, when a voltage is applied, create conductivity in the pn junction space charge layer. To increase the photosensitivity of the diode, device structures are developed in which the sizes, composition and absorption spectrum of all layers of the photodiode are selected, which provide the most complete conversion of light quanta into current carriers and avalanche multiplication in the electric field of the space charge layer is used, which allows to increase the photoelectric effect.

Многие виды фотодетекторов имеют объемную конструкцию, в которой электроды, контактирующие с областями катода и анода диода, расположены на противоположных сторонах полупроводниковой пластины.Many types of photodetectors have a three-dimensional structure, in which electrodes in contact with the areas of the cathode and anode of the diode are located on opposite sides of the semiconductor wafer.

Полупроводниковый датчик ультрафиолетового излучения с заданным диапазоном детектирования /2/ имеет выпрямляющий контакт с барьером Шоттки, формируемом на эпитаксиальном n- слое, выращенном на n+ подложке из карбида кремния. Диапазон волн обеспечивается выбором толщины и материала металлизации контакта Шоттки.A semiconductor ultraviolet radiation sensor with a given detection range / 2 / has a rectifying contact with a Schottky barrier formed on an epitaxial n-layer grown on an n + silicon carbide substrate. The wave range is provided by the choice of thickness and material of the metallization of the Schottky contact.

В патенте /3/ предлагается полупроводниковый детектор ионизирующего излучения с кольцевой формой дополнительного электрода, расположенного вокруг первого электрода на расстоянии, по крайней мере равном двойному размеру области пространственного заряда, что позволяет снизить токи утечки и повысить за счет этого чувствительность.The patent / 3 / proposes a semiconductor ionizing radiation detector with a circular shape of an additional electrode located around the first electrode at a distance at least equal to the double size of the space charge region, which allows to reduce leakage currents and thereby increase the sensitivity.

В патенте /4/ предлагается нашедший широкое применение кремниевый полупроводниковый n+-р-р+-р-р+ лавинный фотодиод с объемной структурой - n+(слой)-р(область умножения)-р+(концентратор)-р(область дрейфа)-р+(контакт к подложке снизу) - с увеличенной концентрацией примеси на заданной глубине в слаболегированной р-области диода для разделения областей лавинного умножения и дрейфа фотогенерированных носителей тока.The patent / 4 / proposes a widely used silicon semiconductor n + -p-p + -p-p + avalanche photodiode with a volumetric structure - n + (layer) -p (multiplication region) -p + (concentrator) -p (drift region) -p + (contact with the substrate from the bottom) - with an increased concentration of impurities at a given depth in the lightly doped p-region of the diode to separate the areas of avalanche multiplication and drift of photogenerated current carriers.

В патенте /5/ предлагается конструкция полупроводникового фотодиода с пинч-резисторной областью на периферии рn-перехода для обеспечении работоспособности фотодиода при высоких напряжениях.The patent / 5 / proposes the construction of a semiconductor photodiode with a pinch resistor region at the periphery of the pn junction to ensure the photodiode is operable at high voltages.

В патенте /6/ предлагается кремниевый малошумящий лавинный фотодиод с последовательностью расположения областей n-n++-n-n++ с формированием контакта Шоттки к области n.The patent / 6 / proposes a silicon low-noise avalanche photodiode with the sequence of arrangement of the nnn ++ - nnn ++ regions with the formation of a Schottky contact with region n.

В патенте /7/ предлагается детектор мягких рентгеновских лучей со структурой, включающей слой преобразования рентгеновских квантов в кванты видимого диапазона волн. Кремниевые фотодетекторы экранируются слоем преобразования и поэтому воспринимают только преобразованные кванты.The patent / 7 / proposes a soft X-ray detector with a structure including a layer for converting X-ray quanta into quanta of the visible wavelength range. Silicon photodetectors are shielded by the conversion layer and therefore only transformed quanta are perceived.

В патенте /8/ предлагается конструкция полупроводникового лавинного фотодиода с р+-n-р-n+ меза-структурой и охранной периферийной р-диффузией для устранения боковых эффектов. Эта конструкция по существу тетродная, но с плавающими базовыми областями.The patent / 8 / proposes the construction of a semiconductor avalanche photodiode with p + -n-p-n + mesa structure and protective peripheral p-diffusion to eliminate side effects. This design is essentially tetrode, but with floating base areas.

Известно также, что фотодетектором с большим коэффициентом усиления тока может служить фототранзистор [1], в частности, при включении с оторванной базой, т.е. с двумя контактами, также как у фотодиода.It is also known that a phototransistor [1] can serve as a photodetector with a large current gain, in particular, when turned on with a torn base, i.e. with two contacts, like a photodiode.

В первых фототранзисторах [9-12] возникающий при освещении рn-перехода коллектор-база фототок усиливался током инжекции из эмиттера.In the first phototransistors [9–12], the collector – base photocurrent arising from illumination of the pn junction was amplified by the injection current from the emitter.

В патенте [9] регулятор напряжения имел фотодиод, включенный параллельно переходу коллектор-база биполярного транзистора.In the patent [9], the voltage regulator had a photodiode connected in parallel with the collector-base junction of the bipolar transistor.

В патенте [10] фотодиод включался параллельно переходу коллектор-база непосредственно в структуре фототранзистора, что увеличивало площадь перехода коллектор-база и, соответственно, коэффициент преобразования.In the patent [10], the photodiode was connected parallel to the collector-base junction directly in the structure of the phototransistor, which increased the collector-base junction area and, accordingly, the conversion coefficient.

В патенте [11] предлагается полупроводниковый прибор с уменьшенной емкостью перехода коллектор-база в фототриоде за счет легирования подложки до создания рn-переходов.In the patent [11], a semiconductor device with a reduced collector-base junction capacitance in a phototriode due to doping of the substrate to create pn junctions is proposed.

Создание фототранзистора с лавинным умножением около перехода коллектор-база [12] позволило еще более увеличить коэффициент усиления фототока.The creation of a phototransistor with avalanche multiplication near the collector-base junction [12] made it possible to further increase the photocurrent gain.

Создание структуры фототранзисторов [13] с изменяющимся составом на основе сложных полупроводниковых соединений, образующих гетеропереходы также позволяет увеличить коэффициент усиления фототока.Creating a structure of phototransistors [13] with a varying composition based on complex semiconductor compounds forming heterojunctions also allows increasing the photocurrent gain.

Недостатком фототранзисторов является низкое быстродействие, особенно при малой величине светового потока, из-за большой емкости эмиттера.The disadvantage of phototransistors is the low speed, especially with a small amount of light flux, due to the large capacity of the emitter.

Рассмотренные объемные структуры могут превращаться в планарные структуры при создании областей в полупроводнике, связывающих поверхность структуры с основанием, т.е. с полупроводниковой подложкой. В структурах фотодиодов, сформированных на диэлектрической подложке, контакты к полупроводниковым областям формируются, в основном, на поверхности прибора. В некоторых случаях возможно нанесение электродов на подложку до нанесения слоя полупроводника и получение при этом выводов от нижней стороны слоя полупроводника при частичном стравливании верхних слоев до обнажения нижнего слоя и создание контакта с верхней стороны.The considered bulk structures can turn into planar structures when creating regions in a semiconductor that connect the surface of the structure to the base, i.e. with a semiconductor substrate. In the structures of photodiodes formed on a dielectric substrate, contacts to semiconductor regions are formed mainly on the surface of the device. In some cases, it is possible to deposit electrodes on a substrate before applying a semiconductor layer and thereby obtain conclusions from the lower side of the semiconductor layer by partially etching the upper layers to expose the lower layer and create contact from the upper side.

Особенности создания наиболее подходящих для интегрального исполнения планарных фотодетекторов с электродами, расположенными на одной стороне подложки, находят отражение в следующих работах.Features of creating the most suitable for integrated performance planar photodetectors with electrodes located on one side of the substrate are reflected in the following works.

В патенте /14/ предлагается фотоприемник для регистрации инфракрасного излучения с высоким фотоэлектрическим усилением при больших значениях квантовой эффективности на основе примесного компенсированного полупроводника с несколькими контактами на одной стороне прибора, расположенными на расстоянии, обеспечивающем протекание между электродами тока, ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ), который управляется фотогенерированным зарядом в объеме полупроводника.The patent / 14 / proposes a photodetector for detecting infrared radiation with high photoelectric gain at high values of quantum efficiency based on an impurity compensated semiconductor with several contacts on one side of the device located at a distance that ensures the flow between the electrodes of the current limited by the space charge (SCLC), which is controlled by a photogenerated charge in the semiconductor volume.

В патенте /15/ предлагается устройство для реализации внутреннего пропорционального усиления в полупроводниковом германиевом детекторе частиц и излучений, в котором расстояние между стрипами (электродами) выбирается по формуле, обеспечивающей создание около одного из электродов напряженности электрического поля с величиной, достаточной для лавинного умножения носителей тока и увеличения за счет этого квантовой эффективности и фотоэлектрического усиления.The patent / 15 / proposes a device for implementing internal proportional amplification in a semiconductor germanium particle and radiation detector, in which the distance between the strips (electrodes) is selected according to a formula that ensures the creation of an electric field strength near one of the electrodes with a value sufficient for avalanche multiplication of current carriers and increases due to this quantum efficiency and photoelectric gain.

В патенте /16/ предлагается кремниевый полупроводниковый инфракрасный фотодиод с формированием узких контактов Шоттки к фоточувствительной области, а также на ее периферии для обеспечения охраны.The patent / 16 / proposes a silicon semiconductor infrared photodiode with the formation of narrow Schottky contacts to the photosensitive region, as well as on its periphery, to ensure protection.

Наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип, является патент /17/. В патенте предлагается быстродействующий кремниевый латеральный фотодетектор с заглубленными электродами и с толстым окислом для снижения влияния краевых полей. Фотодетектор, совместимый с кремниевой СБИС технологией, имеет структуру металл-полупроводник-металл (МПМ-ФД) или латерального p-i-n фотодетектора (ЛПИН-ФД), в которой встречноштыревые (гребенчатые) электроды размещаются на поверхности кремниевой подложки. Электроды МПМ-ФД имеют умеренные значения высоты барьеров для электронов и дырок относительно кремния при образовании барьера Шоттки и изготавливаются таким образом, чтобы заглубиться в поверхность слоя полупроводника кремния по технологии самосовмещенной металлизации при селективном нанесении, селективной реакции или травлении, применяемых при силицидной технологии. Изготовление начинается с выращивания оксидной пленки на поверхности кремниевой подложки с малой скоростью рекомбинации на границе раздела кремний - окисел кремния. Встречноштыревая (гребенчатая) конфигурация вытравливается с применением фотолитографии в окисле, после чего металлические электроды вводятся селективно на поверхности кремния, используя самосовмещенную металлизацию для создания тонких встречноштыревых (гребенчатых) электродов на активном слое, который сам может быть выполнен по тонкопленочной технологии из кремния, германия или их сплавов. Расстояние между электродами может быть выбрано малым для обеспечения малого времени переноса и увеличения чувствительности. Дальше на поверхность наносятся изолирующие слои, которые должны быть: 1) прозрачными и изолирующими; 2) с оптическим поглощением; 3) с оптическим отражением, так чтобы фотогенерированные носители не уходили в сторону не прорекомбинировав. В последнем случае фотодетектор действует как резонатор, увеличивая число генерированных носителей и повышая таким образом чувствительность прибора.The closest analogue adopted by us for the prototype is the patent / 17 /. The patent proposes a high-speed silicon lateral photodetector with recessed electrodes and with thick oxide to reduce the influence of edge fields. A photodetector compatible with silicon VLSI technology has a metal-semiconductor-metal (MPM-FD) or lateral p-i-n photodetector (LPS-FD) structure in which interdigital (comb) electrodes are placed on the surface of a silicon substrate. MPM-FD electrodes have moderate barrier heights for electrons and holes relative to silicon during the formation of the Schottky barrier and are made in such a way as to penetrate the surface of a silicon semiconductor layer using self-aligned metallization technology during selective deposition, selective reaction, or etching used in the silicide technology. Production begins with the growth of an oxide film on the surface of a silicon substrate with a low recombination rate at the silicon – silicon oxide interface. The interdigital (comb) configuration is etched using photolithography in oxide, after which the metal electrodes are selectively introduced onto the silicon surface using self-aligned metallization to create thin interdigital (comb) electrodes on the active layer, which itself can be made using silicon, germanium, or thin-film technology their alloys. The distance between the electrodes can be chosen small to ensure a short transfer time and increase sensitivity. Further, insulating layers are applied to the surface, which should be: 1) transparent and insulating; 2) with optical absorption; 3) with optical reflection, so that the photogenerated carriers do not go aside without recombining. In the latter case, the photodetector acts as a resonator, increasing the number of generated carriers and thereby increasing the sensitivity of the device.

Основной недостаток этого прибора состоит в том, что фоточувствительные области располагаются в основном под электродами относительно большой площади. Эти электроды имеют большую емкость, ограничивающую быстродействие фотодетектора, и экранируют область объемного заряда, поглощают свет, снижают чувствительность.The main disadvantage of this device is that the photosensitive regions are located mainly under the electrodes of a relatively large area. These electrodes have a large capacitance that limits the speed of the photodetector, and they shield the space charge region, absorb light, and reduce sensitivity.

Цель изобретения - уменьшение емкости фотодетектора, повышение быстродействия и повышение фоточувствительности.The purpose of the invention is to reduce the capacity of the photodetector, increase speed and increase photosensitivity.

Суть изобретения состоит в изменении соотношения размеров элементов структуры - рn-перехода и зазора между рn-переходом и контактом к подложке - в латеральном диодном фотодетекторе с лавинным умножением с учетом толщины слоя объемного заряда рn-перехода.The essence of the invention is to change the ratio of the sizes of the structural elements — the pn junction and the gap between the pn junction and the contact to the substrate — in the lateral diode photodetector with avalanche multiplication, taking into account the thickness of the pn junction space charge layer.

Фотодетектор состоит из слаболегированной кремниевой подложки р-типа проводимости, n+ диффузионных областей, создающих с подложкой рn-переход, р+ сильнолегированных областей контактов к подложке, металлических контактов к n+ области и р+ контактам к подложке. Размеры областей n+ и р+ выбираются настолько малыми, чтобы около каждого из них при подключении напряжения происходили концентрация электрического поля и лавинное умножение носителей заряда. Относительно малые размеры и низкий уровень легирования области в подложке в зазоре между n+ областью и р+ контактом к подложке обеспечивают распространение объемного заряда n+р перехода до р+ контакта к подложке и при этом площадь зазора между электродами существенно больше площади самих электродов. За счет уменьшения площади n+ области по отношению к размерам фоточувствительной поверхности уменьшается емкость фотодетектора и повышается быстродействие. За счет создания сеточной структуры электродов с засветкой с поверхности областей объемного заряда в ячейках сетки из n+рр+ переходов, концентрации электрического поля на областях малого размера n+ области и р+ контакта к подложке и лавинного умножения в сильных электрических полях повышается фоточувствительность. Такая структура и режим работы с областями высокой концентрации электрического поля вблизи n+ области и р+ контакта создают раздельные области фотогенерации носителей заряда в области объемного заряда n+р-перехода, начиная с поверхности прибора и лавинное умножение около n+ области и р+ контакта к подложке.The photodetector consists of a lightly doped p-type silicon substrate, n + diffusion regions creating a pn junction with the substrate, p + heavily doped contact regions to the substrate, metal contacts to the n + region and p + contacts to the substrate. The sizes of the regions n + and p + are chosen so small that, near each of them, when the voltage is connected, an electric field concentration and an avalanche multiplication of charge carriers occur. The relatively small size and low doping level of the region in the substrate in the gap between the n + region and the p + contact to the substrate allow the space charge of the n + p junction to reach the p + contact to the substrate to propagate, and the gap between the electrodes is significantly larger than the area of the electrodes themselves. By reducing the area n + of the region with respect to the size of the photosensitive surface, the photodetector capacitance decreases and the speed increases. By creating a grid structure of electrodes with illumination from the surface of the space charge regions in the grid cells from n + pp + transitions, the concentration of the electric field in regions of small size n + regions and p + contact to the substrate, and avalanche multiplication in strong electric fields, the photosensitivity increases. Such a structure and mode of operation with regions of high electric field concentration near the n + region and p + junction create separate regions of charge carrier photogeneration in the space charge region of the n + p junction, starting from the surface of the device and avalanche multiplication near the n + region and p + junction to the substrate .

На фиг.1 представлено поперечное сечение фотодетектора. Топология планарной структуры элемента фотодетектора представлена на фиг.2. Распределение скорости ударной ионизации в структуре прибора в рабочем режиме дано на фиг.3. Условное изображение фотогенерации носителей заряда и их умножение в объеме фотодетектора дано на фиг.4. Зависимость величины фототока от приложенного напряжения показана на фиг.5. На фиг.6 дано поперечное сечение фотодетектора с барьером Шоттки на контакте к n+ области. На фиг.7 дано поперечное сечение фотодетектора, имеющего слаболегированную область n типа проводимости в зазоре между n+ областью и р+ контактом к подложке.Figure 1 shows the cross section of a photodetector. The topology of the planar structure of the photodetector element is presented in figure 2. The distribution of the shock ionization rate in the structure of the device in the operating mode is given in Fig.3. A conditional image of the photogeneration of charge carriers and their multiplication in the volume of the photodetector is given in Fig.4. The dependence of the magnitude of the photocurrent on the applied voltage is shown in Fig.5. Figure 6 shows a cross section of a photodetector with a Schottky barrier at the contact to the n + region. 7 shows a cross section of a photodetector having a lightly doped region n of the type of conductivity in the gap between the n + region and the p + contact to the substrate.

На фиг.1 показано поперечное сечение латерального фотодетектора, где прибор состоит из монокристаллической кремниевой подложки первого р- типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); n+ области (4), расположенной со стороны главной поверхности подложки и имеющей высокую концентрацию примеси, создающей второй n-тип проводимости, металлических контактов к n+ области (5) и к областям р+ контактов к подложке (6), имеющих сильное легирование примесью, создающей первый р- тип проводимости, областей объемного заряда рn-перехода (7) в зазоре между n+ областью (4) и р+ контактами к подложке (6) и в объеме подложки глубже n+ области (4).Figure 1 shows a cross section of a lateral photodetector, where the device consists of a single-crystal silicon substrate of the first p-type conductivity (1) with the main surface (2) and the reverse side (3); n + region (4), located on the side of the main surface of the substrate and having a high concentration of impurities, creating a second n-type conductivity, metal contacts to n + regions (5) and to regions of p + contacts to the substrate (6), which are heavily doped with impurity, creating the first p type of conductivity, the space charge regions of the pn junction (7) in the gap between the n + region (4) and the p + contacts to the substrate (6) and in the substrate volume deeper than the n + region (4).

На фиг.2 представлена топология планарной структуры одного элемента фотодетектора, который может объединяться в матрицу, где элемент фотодетектора состоит из слаболегированной кремниевой подложки р- типа проводимости (1); из n+ областей (2), областей р+ контактов к подложке (3), с расстоянием между n+ областью (2) и областям р+ контактов (3), меньшем толщины слоя объемного заряда (4) в n+р переходе при рабочем напряжении.Figure 2 shows the topology of the planar structure of one photodetector element, which can be combined into a matrix, where the photodetector element consists of a lightly doped p-type silicon substrate (1); from n + regions (2), regions of p + contacts to the substrate (3), with a distance between n + region (2) and regions of p + contacts (3) less than the thickness of the space charge layer (4) in the n + p junction at an operating voltage .

На фиг.3 дано в виде изолиний распределение скорости ударной ионизации (1/сек/см3) в структуре ячейки прибора при включении рабочего напряжения, например 50 В на контакты к n+ области (1) относительно р+ контактов к подложке (2), при котором n+р переход смещается в обратном направлении. Область объемного заряда n+р перехода распространяется в подложке и доходит до р+ контактов. При освещении прибора (3) со стороны главной поверхности в области объемного заряда (4) происходит фотогенерация носителей заряда. Между n+ и р+ областями протекает фототок. Около n+ и р+ областей происходит концентрация электрических полей и в областях лавинного умножения (5) происходят увеличение концентрации носителей заряда и усиление тока.Figure 3 shows in the form of isolines the distribution of the impact ionization rate (1 / sec / cm 3 ) in the structure of the device cell when the operating voltage is turned on, for example, 50 V to the contacts to n + regions (1) relative to p + contacts to the substrate (2), at which the n + p transition shifts in the opposite direction. The space charge region of the n + p junction propagates in the substrate and reaches the p + junction. When the device (3) is illuminated from the main surface in the space charge region (4), photo-generation of charge carriers occurs. A photocurrent flows between n + and p + regions. Near the n + and p + regions, the concentration of electric fields occurs, and in the avalanche multiplication regions (5), an increase in the concentration of charge carriers and an increase in current occur.

На фиг.4 показано поперечное сечение латерального фотодетектора с условным изображением того, каким образом в области объемного заряда (1) падающие кванты света (2) генерируют дырки (3) и электроны (4), которые под действием электрического поля движутся, соответственно, к р+ и n+ областям и вблизи этих областей происходит лавинное умножение носителей заряда (5).Figure 4 shows a cross section of the lateral photodetector with a conditional image of how in the region of the space charge (1) the incident light quanta (2) generate holes (3) and electrons (4), which move, respectively, to p + and n + regions and near these regions there is an avalanche multiplication of charge carriers (5).

На фиг.5 дана зависимость относительной величины фототока от напряжения на фотодетекторе при определенной интенсивности света.Figure 5 shows the dependence of the relative magnitude of the photocurrent on the voltage at the photodetector at a certain light intensity.

На фиг.6. показано поперечное сечение латерального фотодетектора с контактом Шоттки к n+ области, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); n+ области (4), расположенной со стороны главной поверхности подложки и имеющей высокую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости; металлических контактов к n+ области (5) и к областям р+ контактов к подложке (6), имеющих сильное легирование примесью, создающей первый тип проводимости, областей объемного заряда рn-перехода (7) в зазоре между n+ областью (4) и р+ контактами к подложке (6) и глубже n+ области (5), областью объемного заряда (8), образующейся за счет контактной разности потенциалов металлического электрода и полупроводниковой n+ области и которая блокирует емкость n+р-перехода, уменьшая общую емкость фотодетектора.In Fig.6. shows a cross section of the lateral photodetector with a Schottky contact to the n + region, where the device consists of a single-crystal substrate of the first type of conductivity (1) with the main surface (2) and the reverse side (3); n + region (4), located on the side of the main surface of the substrate and having a high concentration of impurities, creating a second type of conductivity; metal contacts to the n + region (5) and to the regions of p + contacts to the substrate (6), which are heavily doped with an impurity that creates the first type of conductivity, the space charge regions of the pn junction (7) in the gap between the n + region (4) and p + contacts to the substrate (6) and deeper than the n + region (5), the space charge region (8), formed due to the contact potential difference of the metal electrode and the semiconductor n + region and which blocks the capacitance of the n + p junction, reducing the total capacitance of the photodetector.

На фиг.7 показано поперечное сечение латерального фотодетектора, где прибор состоит из монокристаллической подложки первого типа проводимости (1) с главной поверхностью (2) и обратной стороной (3); n+ области (4), расположенной со стороны главной поверхности подложки и имеющей высокую концентрацию примеси, создающей второй тип проводимости; металлических контактов к n+ области (5) и к областям р+ контактов к подложке (6), имеющих сильное легирование примесью, создающей первый тип проводимости, областей объемного заряда рn-перехода (7) в зазоре между n+ областью (4) и р+ контактами к подложке (6) и глубже n+ области (5), слаболегированной n области (8) в зазоре между n+ и р+ областями, которая при рабочем напряжении полностью перекрывается объемным зарядом рn-перехода и которая усиливает концентрацию электрического поля около р+ области.7 shows a cross section of the lateral photodetector, where the device consists of a single-crystal substrate of the first type of conductivity (1) with the main surface (2) and the reverse side (3); n + region (4), located on the side of the main surface of the substrate and having a high concentration of impurities, creating a second type of conductivity; metal contacts to the n + region (5) and to the regions of p + contacts to the substrate (6), which are heavily doped with an impurity that creates the first type of conductivity, the space charge regions of the pn junction (7) in the gap between the n + region (4) and p + contacts to the substrate (6) and deeper than the n + region (5), the lightly doped n region (8) in the gap between the n + and p + regions, which at the operating voltage is completely blocked by the space charge of the pn junction and which enhances the electric field concentration near the p + region .

Поперечное сечение на фиг.1 и топология на фиг.2 показывают структуру латерального фотодетектора с размерами в главной плоскости полупроводниковой подложки меньшими, чем толщина слоя объемного заряда рn-перехода между слаболегированной полупроводниковой подложкой одного типа проводимости, например р-типа, и сильнолегированной диффузионной областью второго типа проводимости например n+ типа. Концентрация примеси в подложке может составлять величину 1013-1016 см-3. Концентрация примеси в n+ области может составлять величину 1016-1021 см-3 по крайней мере на три порядка величины больше, чем в подложке. Толщина слоя объемного заряда для резкого рn-перехода при одинаковом напряжении, например 10 В, при указанных концентрациях примеси в подложке из кремния составляет величину от 35 до 1 микрон. При концентрации примеси в подложке 1014 см-3 и напряжении на переходе 50 В толщина слоя объемного заряда составляет величину 20 мкм. Размеры диффузионных областей n+ и р+ областей в главной плоскости полупроводниковой подложки выбираются существенно меньшими, чем толщина области объемного заряда, например, меньше 5 мкм. Такое соотношение размеров обеспечивает эффективность использования поверхности подложки, где при освещении происходит генерация электронов и дырок и возникает фототок в области объемного заряда, а диффузионные n+ и р+ области не экранируют световой поток. Малые размеры n+p-перехода имеют, соответственно, малую величину емкости перехода, что важно для получения высокого быстродействия фотодетектора. Повышение эффективности использования поверхности и снижение емкости достигаются также за счет кольцевой геометрии элемента структуры, в которой в центре кольца расположена диффузионная n+ область, а диффузионная р+ область кольцом, например шестигранной формы, охватывает n+ область. Топология планарной структуры одного элемента прибора позволяет при необходимости соединять элементы в матрицы большой площади, объединяя соседние диффузионные р+ области и проводя соединение элементов металлизацией, как это принято при изготовлении интегральных микросхем.The cross section in FIG. 1 and the topology in FIG. 2 show the structure of the lateral photodetector with dimensions in the main plane of the semiconductor substrate smaller than the thickness of the space charge layer of the pn junction between the lightly doped semiconductor substrate of the same type of conductivity, for example, p-type, and the heavily doped diffusion region the second type of conductivity, for example, n + type. The concentration of impurities in the substrate may be 10 13 -10 16 cm -3 . The impurity concentration in the n + region can be 10 16 -10 21 cm -3 at least three orders of magnitude greater than in the substrate. The thickness of the space charge layer for a sharp pn junction at the same voltage, for example 10 V, at the indicated impurity concentrations in the silicon substrate is from 35 to 1 microns. When the impurity concentration in the substrate is 10 14 cm –3 and the voltage at the transition is 50 V, the thickness of the space charge layer is 20 μm. The sizes of the diffusion regions n + and p + regions in the main plane of the semiconductor substrate are chosen to be significantly smaller than the thickness of the space charge region, for example, less than 5 μm. This size ratio ensures the efficient use of the substrate surface, where electrons and holes are generated during illumination and a photocurrent occurs in the space charge region, while diffusion n + and p + regions do not screen the light flux. The small sizes of the n + p junction, respectively, have a small value of the junction capacitance, which is important for obtaining high-speed photodetector. An increase in surface utilization efficiency and a decrease in capacity are also achieved due to the ring geometry of the structural element, in which the diffusion n + region is located in the center of the ring, and the diffusion p + region by the ring, for example, in a hexagonal shape, covers the n + region. The topology of the planar structure of one element of the device allows, if necessary, to connect the elements into a matrix of a large area, combining adjacent diffusion p + regions and connecting the elements by metallization, as is customary in the manufacture of integrated circuits.

На фиг.3 представлено характеризующее особенность данного фотодетектора расчетное распределение скорости генерации носителей заряда, которое показывает, что при выборе малых размеров n+ и р+ областей порядка одного микрона и величины зазора между этими областями порядка 5 микрон в рабочем режиме происходит концентрация электрического поля около этих областей и возникает умножение носителей заряда. При освещении прибора со стороны главной поверхности в области объемного заряда происходит фотогенерация носителей заряда, условно показанная на фиг.4. Между n+ и р+ областями и, соответственно, между металлическими электродами к этим областям протекает фототок. Концентрация электрического поля около n+ и р+ областей создает области лавинного умножения, в которых происходят увеличение концентрации носителей заряда и усиление тока. Характерно для данного фотодетектора также разделение области генерации фотоносителей и двух областей умножения носителей заряда, а также уменьшение экранирования области генерации диффузионными n+ и р+ областями.Figure 3 shows the calculated distribution of the rate of generation of charge carriers characterizing the feature of this photodetector, which shows that when choosing small sizes n + and p + of regions of the order of one micron and a gap between these regions of the order of 5 microns in the operating mode, the electric field concentration areas and there is a multiplication of charge carriers. When the device is illuminated from the main surface in the space charge region, photo-generation of charge carriers occurs, conventionally shown in Fig. 4. Between the n + and p + regions and, respectively, between the metal electrodes, a photocurrent flows to these regions. The concentration of the electric field near the n + and p + regions creates an avalanche multiplication region in which an increase in the concentration of charge carriers and an increase in current occur. Characteristic of this photodetector is also the separation of the photocarrier generation region and two regions of charge carrier multiplication, as well as the reduction of the screening of the generation region by diffusion n + and p + regions.

На фиг.5 приведены расчетные зависимости относительной величины фототока от приложенного напряжения на фотодетектор. На контакт к n+ области подается рабочее напряжение положительное относительно р+ области контакта к подложке величиной порядка 50 В.Figure 5 shows the calculated dependence of the relative magnitude of the photocurrent on the applied voltage to the photodetector. A positive voltage relative to the p + contact region to the substrate of the order of 50 V is applied to the contact to the n + region.

Для определенности считаем, что подложка - кремниевая р-типа проводимости с концентрацией акцепторов 1014 см-3. Изготовление фотодетектора начинается с формирования окон в окисле, покрывающем подложку. Через эти окна с применением фотомасок проводится ионное легирование n+ и р+ областей. Для активизации примеси пластины отжигаются. На заключительной стадии изготовления фотодетекторов через окна в окисле с помощью фотолитографии формируются металлические, например алюминиевые, электроды.For definiteness, we consider that the substrate is silicon p-type conductivity with an acceptor concentration of 10 14 cm -3 . The manufacture of a photodetector begins with the formation of windows in the oxide covering the substrate. Ion doping of the n + and p + regions is carried out through these windows using photomasks. To activate impurities, the plates are annealed. At the final stage of manufacturing photodetectors, metal electrodes, for example, aluminum, are formed through the windows in the oxide using photolithography.

Для еще большего снижения емкости фотодетектора последовательно с рn-переходом n+р может быть сформирован потенциальный барьер на контакте n+ области с металлом, как это показано на поперечном сечении латерального фотодетектора с контактом Шоттки (фиг.6). Образующийся за счет контактной разности потенциалов металлического электрода и полупроводниковой n+ области слой области объемного заряда создает дополнительную емкость, которая за счет последовательного включения блокирует емкость n+р-перехода, уменьшая общую емкость фотодетектора.To further reduce the capacitance of the photodetector in series with the n + pn junction, a potential barrier can be formed at the contact of the n + region with the metal, as shown in the cross section of the lateral photodetector with the Schottky contact (Fig. 6). The layer of the space charge region formed due to the contact potential difference of the metal electrode and the semiconductor n + region creates an additional capacitance, which, due to series connection, blocks the capacitance of the n + p junction, reducing the total capacitance of the photodetector.

Для усиления лавинного умножения на р+ контактной области к подложке в зазоре можно сформировать слаболегированную n область в зазоре между n+ и р+ областями, которая при рабочем напряжении полностью перекрывается объемным зарядом рn-перехода и которая усиливает концентрацию электрического поля около р+ области за счет образования р+n-перехода, как показано на поперечном сечении латерального фотодетектора (фиг.7).To enhance the avalanche multiplication on the p + contact region to the substrate in the gap, it is possible to form a lightly doped n region in the gap between the n + and p + regions, which at the operating voltage is completely blocked by the space charge of the pn junction and which enhances the electric field concentration near the p + region due to the formation of the p + n junction, as shown in the cross section of the lateral photodetector (Fig.7).

При приложении к фотодетектору напряжения через прибор протекает темновой ток утечки, а при освещении со стороны главной поверхности пластины добавляется фототок генерируемых светом и полученных в результате лавинного умножения в областях концентрации электрического поля носителей заряда. Концентрация электрического поля на элементах малого размера происходит как на р+ области, так и на n+ области, поэтому существуют и дают вклад в увеличение фоточувствительности сразу две области лавинного умножения. При введении слаболегированной n- области между р+ и n+ областями, которая при рабочем напряжении полностью перекрывается областью объемного заряда, позволяет увеличить концентрацию электрического поля около р+ области и, соответственно, лавинное умножение.When voltage is applied to the photodetector, a dark leakage current flows through the device, and when illuminated from the side of the main surface of the plate, a photocurrent generated by light and obtained as a result of avalanche multiplication in regions of concentration of the electric field of charge carriers is added. The concentration of the electric field on elements of small size occurs both in the p + region and in the n + region; therefore, two regions of avalanche multiplication exist and contribute to the increase in photosensitivity. With the introduction of a lightly doped n- region between p + and n + regions, which completely overlaps with the space charge region at the operating voltage, it allows increasing the concentration of the electric field near the p + region and, accordingly, avalanche multiplication.

Относительное изменение тока определяет чувствительность фотодетектора к освещению. Изменение тока фотодетектора измеряется внешним прибором. Скорость изменения показаний измерительного прибора зависит от величины емкости фотодетектора, которая определяется емкостью рn-перехода. Малые размеры рn-перехода и высокое приложенное напряжение создают крайне малую емкость фотодетектора. Последовательное включение с рn-переходом емкости диода Шоттки на контакте металлический контакт - n+ область еще больше уменьшают емкость фотодетектора.The relative change in current determines the sensitivity of the photodetector to lighting. The change in photodetector current is measured by an external device. The rate of change of the readings of the measuring device depends on the value of the capacitance of the photodetector, which is determined by the capacitance of the pn junction. The small dimensions of the pn junction and the high applied voltage create an extremely small photodetector capacitance. The series connection with the junction of the capacitance of the Schottky diode at the contact of the metal contact - n + region further reduces the capacitance of the photodetector.

Функционирование фотодетектора в значительной мере определяется краевыми областями диода, поэтому можно использовать для данного типа фотодетектора название "крайдиод" (craidiode).The functioning of the photodetector is largely determined by the edge regions of the diode; therefore, the name “craidiode” can be used for this type of photodetector.

Источники информацииSources of information

1. Полупроводниковые фотоприемники./Под редакцией Стафеева В.И.// Москва, Радио и связь, 1984.1. Semiconductor photodetectors. / Edited by V. I. Stafeev. // Moscow, Radio and communications, 1984.

2. Патент РФ 2178601.2. RF patent 2178601.

3. Патент РФ 2061282.3. RF patent 2061282.

4. Патент США 4142200.4. US patent 4142200.

5. Патент США 5223919.5. US patent 5223919.

6. Патент США 4060820.6. US patent 4060820.

7. Патент США 5352897.7. US patent 5352897.

8. Патент США 3886579.8. US patent 3886579.

9. Патент США 3244949.9. US patent 3244949.

10. Патент США 3714526.10. US patent 3714526.

11. Патент США 3532945.11. U.S. Patent 3,532,945.

12. Патент США 5602413.12. US patent 5602413.

13. Патент США 6137123.13. US patent 6137123.

14. Патент РФ 1816166.14. RF patent 1816166.

15. Патент РФ 2141703.15. RF patent 2141703.

16. Патент США 4531055.16. U.S. Patent 4,531,055.

17. Патент США 5525828 – прототип.17. US patent 5525828 - prototype.

Claims (3)

1. Фотодетектор, включающий латеральные заглубленные электроды на поверхности кремниевой подложки с металлическими контактами к n+- и р+-областям, отличающийся тем, что расстояние между электродами при рабочем напряжении меньше толщины краевых областей объемного заряда p-n-перехода, а размеры областей электродов меньше толщины области объемного заряда.1. A photodetector comprising lateral recessed electrodes on the surface of a silicon substrate with metal contacts to n + and p + regions, characterized in that the distance between the electrodes at an operating voltage is less than the thickness of the edge regions of the space charge of the pn junction, and the sizes of the electrode regions are less than the thickness area of space charge. 2. Фотодетектор по п.1, отличающийся тем, что в пространстве между электродами располагается слаболегированная область с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки, которая при рабочем напряжении полностью обеднена основными носителями заряда.2. The photodetector according to claim 1, characterized in that in the space between the electrodes there is a lightly doped region with a conductivity type opposite to that of the substrate, which, when the operating voltage is completely depleted in the main charge carriers. 3. Фотодетектор по п.1, отличающийся тем, что металлический контакт к n+-области имеет барьер Шоттки.3. The photodetector according to claim 1, characterized in that the metal contact to the n + region has a Schottky barrier.
RU2003119129/28A 2003-06-27 2003-06-27 Photodetector RU2240631C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003119129/28A RU2240631C1 (en) 2003-06-27 2003-06-27 Photodetector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003119129/28A RU2240631C1 (en) 2003-06-27 2003-06-27 Photodetector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2240631C1 true RU2240631C1 (en) 2004-11-20
RU2003119129A RU2003119129A (en) 2004-12-20

Family

ID=34311028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003119129/28A RU2240631C1 (en) 2003-06-27 2003-06-27 Photodetector

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2240631C1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8063424B2 (en) 2009-11-16 2011-11-22 International Business Machines Corporation Embedded photodetector apparatus in a 3D CMOS chip stack
RU2686396C2 (en) * 2016-10-13 2019-04-25 Кэнон Кабусики Кайся Photodetection apparatus and photodetection system
US10497822B2 (en) 2016-10-13 2019-12-03 Canon Kabushiki Kaisha Photo-detection apparatus and photo-detection system
CN114005894A (en) * 2021-11-22 2022-02-01 鲁东大学 Three-dimensional non-uniform chemical etching spherical electrode silicon detector
CN114613759A (en) * 2020-12-08 2022-06-10 厦门三安光电有限公司 LED semiconductor assembly, preparation method thereof and light-emitting device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8063424B2 (en) 2009-11-16 2011-11-22 International Business Machines Corporation Embedded photodetector apparatus in a 3D CMOS chip stack
RU2686396C2 (en) * 2016-10-13 2019-04-25 Кэнон Кабусики Кайся Photodetection apparatus and photodetection system
US10497822B2 (en) 2016-10-13 2019-12-03 Canon Kabushiki Kaisha Photo-detection apparatus and photo-detection system
US11158755B2 (en) 2016-10-13 2021-10-26 Canon Kabushiki Kaisha Photo-detection apparatus and photo-detection system
US11984525B2 (en) 2016-10-13 2024-05-14 Canon Kabushiki Kaisha Photo-detection apparatus and photo-detection system
CN114613759A (en) * 2020-12-08 2022-06-10 厦门三安光电有限公司 LED semiconductor assembly, preparation method thereof and light-emitting device
CN114005894A (en) * 2021-11-22 2022-02-01 鲁东大学 Three-dimensional non-uniform chemical etching spherical electrode silicon detector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106449770B (en) Ring-gate single-photon avalanche diode for preventing edge breakdown and its preparation method
KR101052030B1 (en) Electromagnetic radiation converter
CN105448945B (en) Coplanar electrode photoelectric diode array and preparation method thereof
KR101111215B1 (en) Electromagnetic radiation converter and a battery
JPH0728049B2 (en) Graded Gap Inversion Layer Photodiode Array
WO2014061610A1 (en) Photodiode array
CN102024863B (en) High-speed enhanced ultraviolet silicon selective avalanche photodiode and manufacturing method thereof
RU2641620C1 (en) Avalanche photodetector
US5187380A (en) Low capacitance X-ray radiation detector
CN103904152B (en) Photoelectric detector and manufacturing method thereof and radiation detector
CN114141886B (en) Avalanche photodiode array detector
US8227882B2 (en) Light-sensitive component with increased blue sensitivity, method for the production thereof, and operating method
CN113270507A (en) Avalanche photodiode and photomultiplier detector
CN113270508A (en) Avalanche photodiode and photomultiplier detector
CN106960852B (en) Ultraviolet avalanche photodiode detector with drift channel and detection method thereof
RU2355066C2 (en) Electromagnetic emission converter
RU2240631C1 (en) Photodetector
CN214152901U (en) Vertical charge transfer type photon demodulator
EP1470574B1 (en) High speed pin photodiode with increased responsivity
US4112457A (en) Photovoltaic device having an extended PN junction
EP1833095B1 (en) Photo diode having reduced dark current
US11749774B2 (en) Avalanche photodetector (variants) and method for manufacturing the same (variants)
CN112786635A (en) Vertical charge transfer type photon demodulator and working method thereof
US20120326260A1 (en) Photodiode that incorporates a charge balanced set of alternating n and p doped semiconductor regions
CN115084307B (en) Anti-irradiation reinforced single photon detector and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120628