Фотодиод

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Блынский Виктор Иванович Голуб Елена Степановна Лемешевская Алла Михайловна Цымбал Владимир Сергеевич(73) Патентообладатели Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Фотодиод, включающий кремниевую подложку одного типа проводимости, в приповерхностной области которой сформированы две совмещенные области с противоположным подложке типом проводимости, образующие с ней общую область пространственного заряда перехода, первая из которых представляет сплошную мелкозалегающую область, по периферии которой сформировано смыкающееся с ней охранное кольцо того же типа проводимости, внешний край которого в месте выхода на подложку закрыт пассивирующим диэлектриком, а вторая область представляет сетку глубоко сформированных локальных областей, расположенных друг от друга на расстоянии, меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда в подложке, а поверх этих областей расположен просветляющий диэлектрик, отличающийся тем, что первая и вторая области сформированы с различной легирующей примесью, причем коэффициент диффузии легирующей примеси второй области больше коэффициента диффузии легирующей примеси первой области. Полезная модель относится к области оптоэлектроники и может быть использована в качестве компонента сцинтилляционных детекторов ионизирующего излучения, применяемых в приборах медицинской диагностики, устройствах обнаружения скрытых дефектов металлоконструкций, аппаратуре таможенного контроля. Известна конструкция фотодиода, включающего кремниевую подложку -типа проводимости, на которой сформирован эпитаксиальный слой -типа, в приповерхностной области которого сформирована выполненная в виде сетки область -типа, образующая с эпитаксиальным слоем фоточувствительный переход. Ширина ячейки сетки меньше диффузионной длины дырок в эпитаксиальном слое 1. Указанный фотодиод обладает малой фоточувствительностью в видимой области спектра. Наиболее близким техническим решением является фотодиод, включающий кремниевую подложку -типа, в приповерхностной области которой сформированы две совмещенные области с другим типом проводимости, образующие с подложкой общий -переход, первая из которых представляет расположенную под поверхностью подложки сплошную слаболегированную мелкозалегающую область, по периферии которой сформировано смыкающееся с ней охранное кольцо того же типа проводимости, внешний край которого в месте выхода на подложку закрыт пассивирующим диэлектриком, а вторая совмещенная с ней более глубокая область того же типа проводимости состоит из объединенных локальных областей, образующих сетку и расположенных друг от друга на расстоянии, меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда в подложке, а на подложке поверх сплошной мелкозалегающей области в месте выхода внутреннего края охранного кольца на поверхность подложки расположен просветляющий диэлектрик. В качестве легирующей примеси в обеих областях с другим типом проводимости используется бор 2. Указанный фотодиод имеет малую фоточувствительность в видимом диапазоне спектра. Технической задачей полезной модели является увеличение фоточувствительности в видимой области спектра. Техническая задача решается тем, что в фотодиоде, включающем кремниевую подложку одного типа проводимости, в приповерхностной области которой сформированы две совмещенные области с противоположным подложке типом проводимости, образующие с ней общую область пространственного заряда перехода, первая из которых представляет сплошную мелкозалегающую область, по периферии которой сформировано смыкающееся с ней охранное кольцо того же типа проводимости, внешний край которого в месте выхода на подложку закрыт пассивирующим диэлектриком, а вторая область представляет сетку глубоко сформированных локальных областей, расположенных друг от друга на расстоянии, меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда в подложке, а поверх этих областей расположен просветляющий диэлектрик, первая и вторая области сформированы с различной легирующей примесью, причем коэффициент 2 74832011.08.30 диффузии легирующей примеси второй области больше коэффициента диффузии легирующей примеси первой области. Совокупность указанных признаков позволяет изготавливать рельефный переход с глубиной, соизмеримой с глубиной, на которой поглощается преобладающая доля фотонов рабочего излучения в кремнии. Добавка в фототок создается вследствие дополнительного собирания неосновных носителей заряда, генерируемых светом в подложке вблизи локальных областей, образующих сетку, из-за уменьшения расстояния от точек их генерации до области полупроводника с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки. Большая глубина рельефа перехода позволяет увеличить чувствительность фотодиода не только к фиолетовому и голубому, но и к зеленому свету. Сущность полезной модели поясняется фигурами, где 1 - подложка,2 - первая область,3 - вторая область,4 - локальная область,5 - область пространственного заряда - перехода,6 - охранное кольцо,7 - пассивирующий диэлектрик,8 - просветляющий диэлектрик. Фотодиод состоит из кремниевой подложки 1, на поверхности которой сформированы две совмещенные области 2 и 3 с противоположным подложке 1 типом проводимости. Первая область 2 представляет слаболегированную мелкозалегающую область, с ней совмещена вторая область 3, представляющая сетку локальных областей 4, легированных другой примесью, и они расположены глубже, чем слаболегированный мелкозалегающий слой первой области 2. В местах контакта первой области 2 и локальных областей 4 второй области 3 с подложкой 1 образуется общая область пространственного заряда (ОПЗ) перехода 5, глубина залегания которой увеличивается за счет более глубоко сформированных локальных областей 4. По периферии первой области 2 расположено охранное кольцо 6 с тем же типом проводимости, что и первая область 2, внешние края которого выходят на подложку 1 и закрыты пассивирующим диэлектриком 7. На поверхностях областей 2 и 3 расположен просветляющий диэлектрик 8. В преобладающей части применяемых сцинтилляционных детекторов используются сцинтилляторы на , максимум спектра высвечивания которых соответствует 0,550,56 мкм. Поэтому требуются фотодиоды с высокой чувствительностью к свету этой длины волны. Глубина, на которой поглощается 63 света в кремнии с указанной длиной волны, составляет 1,61 мкм 3. Соответственно, 95 света с данной длиной волны поглощается на глубине 5 мкм. Для коротковолновых квантов света, поглощающихся в ОПЗ, скорость рекомбинации генерируемых светом носителей заряда минимальна, а квантовый выход близок к 1004. Поэтому для большой фоточувствительности необходимо наличие ОПЗ, нижний край которого располагается на глубине не менее указанного значения. Однако такую глубину ОПЗ весьма сложно технологически реализовать даже при использовании высокоомного кремния. Проблема заключается в том, что в детекторах ионизирующего излучения выходной сигнал мал, и для его усиления и обработки обычно используются предусилители, в которых для уменьшения шума внешнее электрическое смещение на фотодиоде обычно не превышает нескольких десятков миллиВольт. В связи с этим расширение ОПЗ приложением внешнего напряжения не представляется возможным. Фотодиод работает следующим образом. Подавляющая часть излучения с рабочей длиной волны света при попадании на фотодиод поглощается в основном в участках подложки 1 между локальными областями 4. 3 74832011.08.30 Сетка из локальных областей 4 выполняет одновременно несколько функций. С одной стороны, она уменьшает последовательное сопротивление слаболегированного мелкозалегающего слоя первой области 2 и тем самым снижает постоянную временифотодиода. С другой стороны, глубоко сформированные локальные области 4 улучшают условия собирания неосновных носителей заряда, генерируемых светом в подложке 1 вблизи локальных областей 4 (фиг. 2). Участки подложки между локальными областями 4 состоят из нейтрального полупроводника подложки 1 и частично области пространственного заряда перехода 5. Глубина области пространственного заряда перехода 5 зависит от удельного сопротивления подложки 1 и рабочего напряжения на переходе. Неосновные носители заряда, генерируемые в подложке 1, в зависимости от точки генерации в подложке вследствие миграции под действием диффузии попадают либо в первую область 2, либо в участки локальных областей 4 и создают фототок. При этом неосновные носители заряда, генерируемые светом вблизи локальных областей 4, достигают их раньше, чем область 2. Это приводит к снижению рекомбинационных потерь и увеличению квантового выхода фотодиода. Пример выполнения. Фотодиод выполнен в кремниевой подложке 1 -типа с удельным сопротивлением 1000 Ом, имплантациейсформирована область 2 -типа глубиной 0,2 мкм, размеры которой составляют 55 мм. Имплантацией фосфора сформирована другая область 3 -типа,состоящая из локальных областей 4 -типа, образующих сетку, глубина которой после проведения всех термообработок по созданию фотодиода составляет 1,6 мкм. Ширина локальной области 4 после проведения техпроцесса по созданию фотодиода составляет 5,5 мкм, расстояние между ними - 50 мкм. По периметру первой области 2 из слаболегированного мелкозалегающего слоя -типа имплантацией фосфора сформировано охранное кольцо 6 -типа, смыкающееся с ней и являющееся омическим контактом к -областям. Вокруг охранного кольца сформирована -область, через которую осуществляется омический контакт к подложке. Просветляющий диэлектрик 8 выполнен двухслойным. Первый слой просветляющего диэлектрика (на подложке) состоит из 2 толщиной 80 нм, второй слой - из 34 толщиной 110 нм. Спектральная чувствительность фотодиода при приеме света с длиной волны 550 нм составляет 0,38 А/Вт. Пассивирующий диэлектрик 7 выполнен на основе 2. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4