Лавинный фотоприемник

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(57) Лавинный фотопримник, содержащий полупроводниковую подложку, локальные области противоположного подложке типа проводимости, буферный слой и металлический электрод, отличающийся тем, что между локальными областями противоположного типа проводимости сформированы сильнолегированные области с таким же как у подложки типом проводимости, расположенные на расстоянии, меньшем, чем ширина области пространственного заряда при напряжении лавинного пробоя, а буферный слой и металлический электрод расположены над поверхностью областей противоположного типа проводимости. Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано, например, в волоконнооптических линиях связи, в качестве детекторов ионизирующих излучений, фотодатчиков устройств обработки информации. Одним из перспективных направлений развития оптоэлектроники является создание высокочувствительных интегральных фотоприемных элементов, в частности фотоприемников с внутренним усилением. Общим недостатком всех имеющихся конструкций лавинных фотодиодов на р- переходе является сильная зависимость коэффициента умножения от колебаний питающего напряжения. В значительной степени свободными от этого недостатка являются лавинные фотодиоды со структурой металл - буферный слой - полупроводник,где в качестве буферного слоя используется как диэлектрики, так и материалы, имеющие сравнительно вы 2929 1 сокое (более 1000 Ом) удельное сопротивление. В таких приборах за счет наличия высокоомного буферного слоя существует отрицательная обратная связь по напряжению, обеспечивающая существенную стабилизацию коэффициента усиления по напряжению, высокие (104) значения коэффициента усиления фототока и высокую однородность усиления по площади. В то же время, наличие полевого металлического электрода на поверхности структуры существенно (2 раза) снижает величину светового потока, проникающего в объем полупроводника и генерирующего фототок, т.е. снижает квантовую эффективность фотоприемника. Известна конструкция лавинного фотоприемника, состоящего из кремниевой подложки и двух электродов, один из которых является омическим металлическим контактом, расположенным на тыльной стороне полупроводниковой подложки, а второй - полупрозрачный электрод, лежащий на диэлектрической пленке толщиной 0,1 мкм, отделяющий его от подложки 1. Недостатком этой конструкции является малый срок службы, обусловленный деградацией границы раздела -2 под действием горячих носителей и низкая квантовая эффективность, обусловленная наличием полупрозрачного металлического электрода. Известна конструкция лавинного фотоприемника 2, состоящего из полупроводниковой подложки первого типа проводимости, полупроводникового слоя второго типа проводимости, буферного диэлектрического слоя и металлических электродов, один из которых является омическим контактом, расположенным на тыльной стороне полупроводниковой подложки, а второй - полупрозрачный электрод, лежащий на диэлектрической пленке. Недостатком такой конструкции является низкая квантовая эффективность, обусловленная поглощением и отражением части излучения полупрозрачным полевым электродом. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является лавинный фотоприемник 3, состоящий из полупроводниковой подложки, буферного слоя и полевого электрода. На поверхности подложки под буферным слоем сформированы области обратного по отношению к подложке типа проводимости, напряжение пробоя внутри областей меньше, чем вне их, а расстояние между областями не меньше толщины буферного слоя. Лавинное умножение носителей заряда происходит во вновь введенных р- переходах. Недостатком такой конструкции является низкая квантовая эффективность, обусловленная наличием полевого электрода. В основу изобретения положена задача повышения фоточувствительности лавинного фотоприемника за счет увеличения квантовой эффективности фотопреобразования. Существо изобретения заключается в том, что в лавинном фотоприемнике, состоящем из полупроводниковой подложки, локальных областей противоположного подложке типа проводимости, буферного слоя и металлического электрода, между локальными областями противоположного типа проводимости сформированы сильнолегированные области с таким же, как у подложки типом проводимости, расположенные на расстоянии, меньшем, чем ширина области пространственного заряда при напряжении лавинного пробоя, а буферный слой и металлический электрод расположены над поверхностью областей противоположного типа проводимости. Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлены поперечный разрез лавинного фотоприемника, содержащего полупроводниковую подложку 1 типа проводимости с омическим контактом 7, в которой расположены области 2 и 3 противоположного и того же типа проводимости, соответственно буферный слой 4 и металлический электрод 5. Между полупроводником 1 и полупроводниковым слоем 2 образуется р переход имеющий область пространственного заряда (ОПЗ) 6. Соотношение между диэлектрическими проницаемостями полупроводниковых слоев, пробивным полем слоя диэлектрика и полем лавинообразования в р- переходе таково, что поле лавинообразования возникает до начала пробоя диэлектрика, а напряжение смещения на металлическом электроде 5 таково, что напряженность поля в ОПЗ р- перехода между областями 2 и 3 соответствует напряженности поля лавинообразования. Устройство изготавливалось следующим образом. В кремниевой пластине -типа проводимости с удельным сопротивлением 20 Омсм формировался защитный слой 0,3 мкм и методами оптической литографии- топологический рисунок слоев 2 и 3, обеспечивающий равноудаленность границ слоев 2 и 3. Затем проводилось локальное травление окисного слоя, снятие фоторезиста, повторная фотолитография со вскрытием окон только под слой 2 и ионная имплантация бора во вскрытые окна. При этом слой фоторезиста служил маской для предотвращения легирования других областей. Затем операции фотолитографии повторялись,вскрывая только окна под слой 3 и проводилась ионная имплантация фосфора. После снятия фоторезиста и химобработки проводился отжиг имплантированных слоев, при этом глубина р- переходов составила 2,53 мкм. Затем стандартными методами вакуумного напыления и фотолитографии формировались пленки резистивного слоя карбида кремния и алюминиевый полевой электрод заданного топологического рисунка. К- областям формировались контактные окна и омический контакт 7. Устройство работает следующим образом. К электроду затвора 5 прикладывается постоянное напряжение таким образом, чтобы р- переход находился под обратным смещением. При этом все приложенное на 2 2929 1 пряжение в основном падает на буферном слое 4 и р- переходе. С увеличением напряжения происходит расширение ОПЗ 6 р- перехода и увеличение в нем напряженности электрического поля. При достижении определенного значения напряжения границы ОПЗ достигнут- областей и в силу более высокой концентрации в них примеси, распространяться далее не смогут. В соответствии с выражением для треугольной 2, где Е - напряженность электричеформы распределения напряженности поля в ОПЗ р- перехода ского поля в полупроводнике,- напряжение смещения,- расстояние между обкладками конденсатора,т.е. областями р ипроводимости, дальнейшее увеличение напряжения приводит к увеличению напряженности электрического поля в этих областях и при соответствующем напряжении напряженность электрического поля может достичь значений, достаточных для лавинообразования, т.е. для развития в ОПЗ процесса ударной ионизации носителей заряда и соответственно резкого увеличения тока через прибор. При протекании через р- переход большого лавинного тока происходит резкое уменьшение его сопротивления. Таким образом, происходит перераспределение напряжения между р- переходом и буферным слоем так, что напряжение, приложенное к р- переходу уменьшается, а к буферному - увеличивается. Это, в свою очередь, приводит к снижению напряженности электрического поля в ОПЗ и уменьшению коэффициента лавинного умножения, что в свою очередь, приводит к уменьшению лавинного тока и увеличению сопротивления р- перехода. Таким образом, в лавинном фотоприемнике устанавливается режим самостабилизации коэффициента лавинного умножения, как и в известном техническом решении. Для того чтобы инициировать лавинный процесс, необходимо ввести в область с высокой напряженностью электрического поля носителей заряда - электроны или дырки. Это достигается облучением полупроводниковой структуры световым потоком с длинами волн, соответствующими области собственного поглощения полупроводника (для 0,251,1 мкм). Падающее излучение поглощается в полупроводнике по закону 0-х, где- количество фотонов на расстоянии х от поверхности полупроводниковой подложки, 0 - количество фотонов, падающее на поверхность полупроводниковой подложки,- коэффициент поглощения излучения данной длины волны в полупроводнике. Величина, обратная коэффициенту поглощения, т.е. 1/, показывает на какой глубине интенсивность излучения уменьшается в е раз. Так, 1/ для 0,3 мкм составляет для кремния - 106 см-1, 0,4 мкм - 4104 см-1,0,5 мкм - 104 см-1. Отсюда следует, что все коротковолновое излучение практически полностью поглощается на глубине 2 мкм. В обычных планарных фотодиодах приповерхностная область представляет собой высоколегированную область противоположного подложке типа проводимости, в которой, соответственно, имеет место высокая рекомбинация генерированных светом носителей заряда. Поэтому, такие фотодиоды не обладают высокой чувствительностью к коротковолновому излучению. В конструкции прототипа на поверхности полупроводниковой подложки расположен полупрозрачный полевой электрод, поглощающий и отражающий до 4060 падающего светового потока. В предлагаемой конструкции р иобласти для уменьшения затененной части фотоприемника формируются по возможности узкими ( 1 мкм), а ширина области с высокой напряженностью электрического поля выбирается, исходя из желаемого рабочего напряжения. Так, например, для рабочего напряжения 200 В,ширина зазора между р иобластями составляет 10 мкм, т.е. эффективная фотоприемная площадь составляет 83 . При падении коротковолнового излучения на такую фотоприемную площадку генерированные светом носители заряда сразу попадают в область высокого поля и дрейфуют к области умножения. Вследствие малой концентрации примеси в области наличия высокого электрического поля и сравнительно малых расстояний, рекомбинация носителей заряда практически не происходит, поэтому квантовая эффективность приближается к теоретическому пределу. Дальнейшее увеличение квантовой эффективности для более длинных длин волн можно достичь, если а) р иобласти формировать в углублениях с вертикальными стенками и глубиной, соизмеримой с глубиной проникновения излучения с регистрируемой длиной волны в полупроводник. б) Формировать контакты к р иобластям только по периферийной части фотоприемной площадки, а буферный слой располагается под р областями. Таким образом, предлагаемый лавинный фотоприемник по сравнению с прототипом имеет более высокую фоточувствительность за счет увеличения квантовой эффективности фотопреобразования. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 3