Лавинный фотоприемник

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Залесский Валерий Борисович Красницкий Василий Яковлевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Лавинный фотоприемник, содержащий полупроводниковую подложку с локальными областями противоположного подложке типа проводимости, буферный слой и два металлических электрода, первый из которых расположен на буферном слое, а второй - на обратной стороне подложки с образованием к ней омического контакта, отличающийся тем, что буферный слой выполнен в виде отдельных участков на слое диэлектрика, расположенного на поверхности подложки, вне локальных областей противоположного подложке типа проводимости и соединенных с ними и параллельно между собой первым металлическим электродом, лежащим на слое диэлектрика. 6271 1 Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано, например, в волоконно-оптических линиях связи, в качестве детекторов ионизирующих излучений, фотодатчиков устройств обработки информации. Известен лавинный фотоприемник (ЛФП) 1, состоящий 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. Такой лавинный фотоприемник имеет низкие квантовую эффективность, обусловленную поглощением и отражением части излучения полупрозрачным полевым электродом,и стабильность характеристик из-за зарядки диэлектрической пленки под действием высокоэнергетических носителей заряда. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является лавинный фотоприемник 2, 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 - переходах. Такой лавинный фотоприемник имеет низкую квантовую эффективность, обусловленную наличием полевого электрода и малой площадью областей, в которых развивается лавинный процесс. Техническая задача изобретения - повышение однородности лавинного пробоя по площади и увеличение процента годных изделий. Поставленная техническая задача решается тем, что в лавинном фотоприемнике, состоящем из полупроводниковой подложки, сформированных в ней локальных областей противоположного подложке типа проводимости, буферного слоя и двух металлических электродов, один из которых расположен на буферном слое, а второй - на обратной стороне подложки и создает к ней омический контакт, буферный слой выполнен в виде одного и более отдельных участков, которые расположены на слое диэлектрика вне локальных областей противоположного подложке типа проводимости и соединены с ними и параллельно между собой противоположными сторонами первым металлическим электродом,лежащим на диэлектрике. Совокупность указанных признаков позволяют повысить однородность лавинного пробоя по площади ЛФП за счет отключения дефектных областей ЛФП, изменения сопротивления буферных областей до уровня, обеспечивающего равенство лавинного тока со всех - областей ЛФП. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 (поперечный разрез лавинного фотоприемника) и фиг. 2 (внешний вид лавинного фотоприемника). Лавинный фотоприемник (фиг. 1) содержит 1 - полупроводниковая подложка 2 - локальные области противоположного подложке типа проводимости 3 - диэлектрический слой 4 - участки буферного слоя 5 - первый металлический электрод 6 - область пространственного заряда - перехода 7 - второй металлический электрод. В полупроводниковой подложке 1 первого типа проводимости сформированы локальные области 2, второго, противоположного подложке, типа проводимости, формирующие множество - переходов 6. На поверхности подложки 1, вне локальных областей 2, расположен диэлектрический слой 3, препятствующий протеканию поверхностных токов утечки между областями 1 и 2, на поверхности диэлектрического слоя 3 расположен бу 2 6271 1 ферный слой 4, выполненный в виде одного и более отдельных участков (фиг. 2). Первый металлический электрод 5, расположенный на диэлектрике, соединяет с одной стороны участки буферного слоя 4 с областями противоположного подложке типа проводимости 2 и с другой стороны участки буферного слоя 4 между собой таким образом, что области противоположного подложке типа проводимости 2 с участками буферного слоя 4 соединены параллельно. На обратной стороне подложки 1 сформирован второй металлический электрод 7, образующий омический контакт к подложке 1. Устройство работает следующим образом. К металлическим электродам 5 и 7 прикладывается постоянное напряжение таким образом, чтобы - переход находился под обратным смещением. При этом все приложенное напряжение в основном падает на буферном слое 4 и области пространственного заряда - перехода 6. С увеличением напряжения происходит расширение области пространственного заряда (ОПЗ) - перехода 6 и увеличение в нем напряженности электрического поля и при соответствующем напряжении напряженность электрического поля может достичь значений, достаточных для лавинообразования ( 105) , т.е. для развисм тия в ОПЗ процесса ударной ионизации носителей заряда. Для того чтобы инициировать лавинный процесс, необходимо ввести в область ОПЗ - перехода 6 с высокой напряженностью электрического поля носители заряда - электроны или дырки. Это достигается облучением полупроводниковой структуры световым потоком с длинами волн, соответствующими области собственного поглощения полупроводника (для 0,351,1 мкм). Под воздействием падающего светового потока происходит генерация электроннодырочных пар в объеме полупроводника. Попадая в ОПЗ - перехода, носители заряда под действием высокой напряженности электрического поля приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов кремния, генерируя вторичные носители заряда, в результате чего возникает внутреннее усиление тока. При протекании через - переход большого лавинного тока происходит резкое уменьшение его сопротивления. Таким образом, происходит перераспределение напряжения между - переходом и буферным слоем так, что напряжение, приложенное к - 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 - перехода. Таким образом, в лавинном фотоприемнике устанавливается режим самостабилизации коэффициента лавинного умножения. Наличие в полупроводниковой подложке 1 различного рода дефектов приводит к локальному увеличению напряженности поля в области дефекта и возникновению пробоя при напряжениях меньших, чем у - перехода с однородным лавинным характером пробоя (микроплазменный пробой). Очевидно, что при этом умножаются неосновные носители заряда, генерированные только в этой локальной области, т.е. лавинное умножение носит неравномерный по площади характер, что снижает процент выхода годных, в особенности при изготовлении ЛФП большой площади. Так как структура лавинного фотодиода состоит из множества областей с - переходами, к которым последовательно присоединены участки буферного слоя, имеющие конечное значение сопротивления, то в дефектном - переходе ток утечки, определяемый микроплазменным пробоем, будет существенно выше, чем у других - переходов. Протекание тока утечки через локальный участок буферного слоя, в зависимости от его величины, приводит к проявлению двух эффектов 1 - нагреву буферного слоя выше температуры испарения, перегоранию участка буферного слоя и отключению дефектной области. 3 6271 1 2 - нагреву участка буферного слоя, его окислению под действием кислорода воздуха и высокой температуры и увеличению его сопротивления. Так как все приложенное к структуре напряжение прикладывается к буферному слою и - переходу, то увеличение сопротивления буферного слоя приведет к соответствующему уменьшению напряжения на - переходе и гашению микроплазмы, т.е. будет осуществлена отрицательная обратная связь по напряжению. Оба этих эффекта приводят к отключению дефектных областей и восстановлению работоспособности лавинного фотоприемника, таким образом достигается увеличение однородности лавинного пробоя по площади структуры и увеличение процента годных изделий. Пример конкретного выполнения. На поверхности кремниевой пластины -типа проводимости с удельным сопротивлением 1 Омсм методом термического окисления в кислороде формировался диэлектрический слой 0,3 мкм и с помощью фотолитографии - топологический рисунок слоя 2. Затем проводилось локальное травление окисного слоя, снятие фоторезиста и диффузия фосфора во вскрытые области для формирования слоев противоположного подложке типа проводимости. Далее методом вакуумного напыления на поверхности пластины формировалась пленка - (или поликремний) толщиной 0,1 мкм и проводилась фотолитография по этой пленке для формирования топологического рисунка участков буферного слоя 3. После этого методом вакуумного напыления наносился слой алюминия толщиной 1 мкм и формировался топологический рисунок первого металлического электрода 5. После плазмохимической зачистки обратной стороны пластины на нее также наносился сплошной слой алюминия для формирования второго металлического электрода 7 и вжигание алюминия при температуре 450 С для формирования омического контакта к подложке 1. Источники информации 1. А.с. СССР 1131403, П 01 31/00, 1984. 2. А.с. СССР 1644708, МПК Н 01 31/00, 1989. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.