лавинный фотоприемник

Формула изобретения

1. Лавинный фотоприемник, содержащий первый полупроводниковый слой, сформированные в первом полупроводниковом слое области с повышенной по отношению к нему концентрацией легирующих примесей, выполненные между областями выемки, размещенный в выемках диэлектрический слой, а также проводящий электрод и резистивный слой, введенный в контакт с областью и проводящим электродом, отличающийся тем, что в него дополнительно введен граничащий с первым второй полупроводниковый слой, а упомянутые выемки и размещенный в них диэлектрический слой углублены во второй полупроводниковый слой.

2. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что первый полупроводниковый слой выполнен состоящим из двух подслоев с различной концентрацией носителей.

3. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что во втором полупроводниковом слое концентрация носителей, по меньшей мере, в пограничной зоне выше чем концентрация носителей в первом полупроводниковом слое.

4. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что контакт каждой области с резистивным слоем осуществляется локальным участком области, концентрация легирующих примесей в котором выше чем в остальной части области.

5. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что ширина каждой области выполнена меньшей расстояния между выемками.

6. Лавинный фотоприемник по п.1, отличающийся тем, что поверх диэлектрического слоя в выемке выполнен светоизолирующий слой.

7. Лавинный фотоприемник по п.6, отличающийся тем, что светоизолирующий слой выполнен заполняющим весь объем выемки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к полупроводниковым приемникам, и может быть использовано для регистрации излучения различных диапазонов спектра и заряженных частиц.

Известен лавинный фотоприемник, работающий в режиме внутреннего усиления, описанный в "Proceedings supplements nuclear physics В", 61В(1998), р.347-352, содержащий полупроводниковую подложку, буферный слой, полевой электрод и сформированные на поверхности полупроводниковой подложки под буферным слоем области обратного по отношению к подложке типа проводимости и с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей. Он представляет собой новый тип микроячеистого полупроводникового фотоприемника, состоящего из N независимых идентичных p-n переходов, каждый из которых работает с ограниченной модой гейгеровского усиления на общую нагрузку. Ограничение лавинного процесса в каждой ячейке достигается за счет механизма обратной связи, возникающего как за счет падения напряжения на емкости ячейки (между локальной неоднородностью и полевым электродом), так и за счет объемного заряда. Однако ячейки в упомянутой конструкции имеют взаимосвязь за счет растекания заряда в сработавшей ячейке, что приводит к снижению потенциала в соседних ячейках и уменьшению их усиления, а также к образованию микроплазм, влияющих на процесс лавинного умножения. Увеличение расстояния между ячейками приводит к снижению квантовой эффективности и, следовательно, чувствительности к падающему излучению.

В лавинном фотоприемнике, наиболее близком к заявляемому по числу совпадающих признаков (RU, 2142175 C1, H 01 L 31/06, 1999 г.), повышение квантовой эффективности осуществляется путем увеличения коэффициента заполнения поверхности прибора рабочими активными элементами (элементами, в пределах которых осуществляется лавинное размножение носителей тока) с одновременным уменьшением взаимосвязи между ними. Приемник содержит полупроводниковую подложку, буферный слой и полевой электрод, дополнительный слой, граничащий с подложкой с большей, чем в ней, концентрацией носителей, области с повышенной по отношению к подложке концентрацией легирующих примесей, сформированные на свободной поверхности полупроводниковой подложки под буферным слоем, а также выполненные в полупроводниковой подложке между упомянутыми областями выемки на глубину, не меньшую глубины упомянутых областей, полностью отделяющие по поверхности подложки одну область от другой. При этом развязка между рабочими элементами достигается за счет определенного формирования поля на поверхности прибора, что позволяет обеспечить максимальную плотность рабочих элементов на полупроводниковой подложке и, следовательно, повысить отношение количества генерируемых прибором носителей к количеству упавших на него фотонов. Дополнительный слой служит для ограничения толщины ОПЗ, и наличие этого слоя снижает электрический потенциал между рабочими элементами. Однако возможно проникновение вторичного светового излучения, возникающего в рабочих элементах при протекании лавинного процесса, инициируемого внешними фотонами, попадающими на один из элементов фотоприемника, либо собственными шумами, на соседние элементы. Это ограничивает чувствительность и разрешающую способность фотоприемника.

Настоящее изобретение решает задачу повышения чувствительности и разрешающей способности лавинного фотоприемника, а также расширение области его применения путем более глубокой оптической и гальванической развязки отдельных его ячеек.

Задача решается тем, что в лавинном фотоприемнике, содержащем первый полупроводниковый слой, сформированные в первом полупроводниковом слое области с повышенной по отношению к нему концентрацией легирующих примесей, выполненные между областями выемки, размещенный в выемках диэлектрический слой, а также проводящий электрод и резистивный слой, введенный в контакт с каждой областью и проводящим электродом, дополнительно введен граничащий с первым второй полупроводниковый слой, а упомянутые выемки и расположенный в выемках диэлектрический слой углублены во второй полупроводниковый слой. Это позволяет практически полностью исключить возможность взаимного влияния отдельных рабочих зон между выемками (ячеек) фотоприемника при возникновении в зоне одной из них вторичных фотонов, рождаемых процессом лавинного усиления под воздействием внешних фотонов либо собственных шумов, обусловленных тепловыми процессами в приемнике. Первый полупроводниковый слой выполнен состоящим из двух подслоев с различной концентрацией носителей. Во втором полупроводниковом слое концентрация носителей по меньшей мере в пограничной зоне выше концентрации носителей в первом полупроводниковом слое. Контакт каждой области с резистивным слоем осуществляется локальным участком области, при этом концентрация легирующих примесей в упомянутом участке выше, чем в остальной части области. Ширина каждой области может быть выполнена меньшей расстояния между выемками. Поверх диэлектрического слоя в выемке выполнен светоизолирующий слой. Этот слой может быть выполнен заполняющим весь объем выемки. Светоизолирующий слой может быть выполнен проводящим и введен в контакт с проводящим электродом. Следствием вышеизложенного является улучшение шумовых харакетристик фотоприемника и его пространственного разрешения, что обеспечивает возможность регистрации менее интенсивных излучений вплоть до регистрации отдельных фотонов.

Изобретение поясняется описанием и приложенными к нему чертежами. На фиг.1 изображено поперечное сечение лавинного фотоприемника; на фиг.2 - топология фотоприемника.

Лавинный фотоприемник содержит первый полупроводниковый слой 1, граничащий с ним второй полупроводниковый слой 2, проводящий электрод 3 и резистивный слой 4 с высоким омическим сопротивлением. В полупроводниковом слое 1 сформированы области 5 с повышенной по отношению ко всему слою концентрацией легирующих примесей, каждая из которых образует активную ячейку фотоприемника. Возможное количество ячеек в одном фотоприемнике ограничено только технологическими возможностями производства и задачами регистрации излучения. Между областями 5 выполнены выемки 6, полностью отделяющие по поверхности первого полупроводникового слоя одну вышеупомянутую область, а следовательно, и ячейку фотоприемника от другой. На поверхности ячейки и в каждой из выемок 6 расположен диэлектрический слой 7. Выемки 6 и диэлектрический слой 7 углублены во второй полупроводниковый слой 2. Величина углубления может быть незначительной, но достаточной для перекрытия диэлектрическим слоем первого полупроводникового слоя до границы со вторым. Этим достигается практически полная гальваническая развязка рабочих ячеек фотоприемника. Часть диэлектрического слоя, размещенная на поверхности ячейки, может быть выполнена с просветляющим покрытием. Поверх диэлектрического слоя 7 в каждой из выемок 6 выполнен светоизолирующий слой 8, обеспечивающий оптическую развязку между ячейками. Он может быть выполнен как в виде слоя конечной толщины, так и полностью заполняющим весь объем выемки. Светоизолирующий слой 8 может быть выполнен проводящим и введен в контакт с проводящим электродом. В этом случае емкости, образующиеся между полупроводниковыми слоями и проводящим слоем в зоне расположения выемок, позволяют увеличить усиление фотоприемника. Контакт области 5 с резистивным слоем 4 осуществляется локальным участком области, концентрация легирующих примесей в котором может быть выше, чем в остальной части области, что также улучшает электрические характеристики прибора за счет уменьшения темновых токов. Ширина каждой из областей 5 может быть выполнена меньшей расстояния между выемками 6, при этом в краевых областях ячеек снижается напряженность электрического поля, расширяется спектральный диапазон фотоприемника. Первый полупроводниковый слой 1 выполнен состоящим из двух подслоев с различной концентрацией носителей (на фиг.1 линия раздела показана пунктиром) для снижения рабочего напряжения фотоприемника при сохранении толщины области пространственного заряда. Концентрация носителей во втором полупроводниковом 2, по меньшей мере в зоне 9 вблизи границы со слоем 1, выше концентрации носителей в слое 1. Этот прием облегчает технологический процесс изготовления фотоприемника и требования к подбору материалов. Лавинный фотоприемник может быть выполнен в виде различных модификаций, отличающихся типом проводимости и величиной концентрации носителей элементов поз. 5, 1 и 2, например (соответственно): n⁺ -p-p⁺; p⁺-n-n⁺, n⁺ -n-p⁺; р⁺-р-n⁺; n⁺ -p⁺-p-p⁺; p⁺-p-n⁺ -n, при этом предлагается соответствующий выбор легирующих примесей, их материалов и концентраций.

Лавинный фотоприемник работает следующим образом.

К проводящему электроду 3 прикладывается напряжение, обеспечивающее образование в полупроводниковом слое 1 области пространственного заряда (ОПЗ) с напряженностью поля, достаточной для лавинного размножения носителей тока, причем наибольшая напряженность поля устанавливается вблизи областей 5 либо вблизи полупроводникового слоя 2. Фотоны, поглощаемые в ОПЗ, генерируют носители тока, которые лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока. В случае возникновения в отдельной ячейке лавинного пробоя образуются свободные носители заряда, накапливаемые на границах ОПЗ ячейки, снижающие напряженность электрического поля в ней, при этом лавинный процесс в ячейке прекращается. После рассасывания заряда через резистивный слой напряженность поля повышается и лавинный процесс может возобновляться с прежней интенсивностью. Выемки 6 с размещенным в них диэлектрическим слоем 7 осуществляют гальваническую развязку между ячейками фотоприемника, препятствуя изменению напряженности электрического поля в ячейке при образовании лавинного процесса в соседних с ней ячейках. Кроме того, при больших значениях напряженности (перенапряженный режим работы) при образовании лавинного процесса в отдельной ячейке происходит испускание вторичных фотонов, которые могут инициировать лавинные процессы в других ячейках. Оптическую развязку ячеек обеспечивает светоизолирующий слой 8, нанесенный в выемках поверх диэлектрического слоя. Изобретение позволяет повысить чувствительность и разрешающую способность фотоприемника, расширить его спектральный диапазон.

Лавинный фотоприемник по настоящему изобретению используется для регистрации величины излучения малой интенсивности, в том числе в режиме счета отдельных фотонов, а также для регистрации заряженных частиц, в том числе при создании координатных систем.