CS219491B1

CS219491B1 - Silicon photodiode

Info

Publication number: CS219491B1
Application number: CS801821A
Authority: CS
Inventors: Jan Hlavka; Miroslav Lycka
Original assignee: Jan Hlavka; Miroslav Lycka
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1980-03-17
Publication date: 1983-03-25

Abstract

Předmětem vynálezu je křemíková fotodioda. Účelem vynálezu je zvýšení fotoelektrické citlivosti křemíkových fotodiod v oboru kratšleh vlnových délek světla při zachování vysoké fotoelektrické citlivosti v celém pracovním oboru vlnových délek světla. Uvedeného účelu se dosáhne vytvořením přechodu PN v těsné blízkosti osvětlovaného povrchu fotodiody, takže se velká část nadbytečných nositelů generovaných v blízkosti povrchu podílí na fotoproudu. Vzhledem k výhodné spektrální závislosti fotoelektrické citlivosti fotodiod je možné použít je ve fotometrii, kolorimetrii, optoelektronice, při konstrukci expozimetrů, v regulační technice a také pro detekci elektronů.The subject of the invention is a silicon photodiode. The purpose of the invention is to increase the photoelectric sensitivity of silicon photodiodes in the short wavelength range of light while maintaining high photoelectric sensitivity in the entire working wavelength range of light. The stated purpose is achieved by creating a PN junction in close proximity to the illuminated surface of the photodiode, so that a large part of the excess carriers generated near the surface participates in the photocurrent. Due to the advantageous spectral dependence of the photoelectric sensitivity of photodiodes, they can be used in photometry, colorimetry, optoelectronics, in the construction of exposure meters, in control technology and also for electron detection.

Description

Vynález se týká křemíkové fotodiody. •rFďMdtody nacházejí v 'současné době stále větší uplatnění jednak při přímé přeměně slunečního záření v elektrickou energii, jednak v regulační a měřicí technice. Z tohoto hlediska je výhodná vysoká fotoelektrická citlivost v celém oboru viditelného záření. Běžně vyráběné fotodiody nesplňují požadavek vysoké fotoelektrické citlivosti v krátkovlnné části viditelného spektra, kde se jejich citlivost prudce snižuje. To je značně nevýhodné zejména ,při využití fotodiod v měřicí technice. Pokles fotovodivosti je podmíněn tím, že přechod PN, který z velké části určuje 'vlastnosti fotodiody, je vytvářen dosti hluboko pod osvětlovaným povrchem fotodiody. Nadbyteční nositelé generovaní krátkovlnným zářením z velké části ^!zrekombinují u osvětleného povrchu fotodiody a pouze část se jicji dostane k přechodu PN, kde se podílejí na fotoproudu.The invention relates to a silicon photodiode. Nowadays methods are increasingly used for direct conversion of solar radiation into electrical energy and for control and measurement technology. From this point of view, high photoelectric sensitivity in the entire visible radiation field is preferred. Commonly produced photodiodes do not meet the requirement of high photoelectric sensitivity in the short-wave part of the visible spectrum, where their sensitivity decreases sharply. This is particularly disadvantageous when using photodiodes in measuring technology. The drop in photoconductivity is conditioned by the PN junction, which largely determines the properties of the photodiode, being formed well below the illuminated surface of the photodiode. Excess bearers generated by shortwave radiation largely ^! they recombine the photodiodes near the illuminated surface and only a part of them reach the PN junction where they participate in the photodrive.

Uvedené nevýhody jsou odstraněny křemíkovou fotodiodou podle vynálezu, jejíž podstata spočívá v tom, že v základním materiálu je vytvořen přechod PN ve vzdálenosti menší než 1 μπι od osvětleného povrchu.These disadvantages are overcome by the silicon photodiode according to the invention, which is characterized in that a PN junction is formed in the base material at a distance of less than 1 μπι from the illuminated surface.

Vytvořením přechodu PN v těsné blízkosti osvětlovaného povrchu fotodiody se dosáhne toho, že se velká část nadbytečných nositelů generovaných v blízkosti tohoto povrchu podílí na fotoproudu. Tím je dosaženo vysoké fotoelektrické citlivosti v celé oblasti viditelného záření, případně i v blízkosti ultrafialové oblasti. Navíc je taková fotodíoda schopna detekovat částice, které mají v křemíku krátký dolet, a tím způsobují povrchovou generaci nadbytečných nositelů, jako například elektrony. Dále se takové fotodiody vyznačují krátkou dobou odezvy, kratší než 10⁶ s. Zvýšená fotocitlivost se projeví i vysokou hodnotou účinnosti fotodiody.By creating a PN junction in close proximity to the illuminated surface of the photodiode, a large portion of the excess wearers generated near that surface is involved in the photocurrent. This results in a high photoelectric sensitivity in the entire visible radiation region, possibly even in the vicinity of the ultraviolet region. In addition, such a photodiode is capable of detecting particles that have a short range in silicon, thereby causing surface generation of superfluous carriers, such as electrons. Furthermore, such photodiodes are characterized by a short response time of less than 10 ⁶ s. An increased photodiode efficiency also results in increased photosensitivity.

Na výkresech je znázorněno konstrukční provedení fotodiody podle vynálezu, kde jsou uvedeny charakteristiky několika zhotovených fotodiod, znázorňující dosahované vlastnosti, a to- na obr. 2 až 4. Na obr. 1 je uveden průřez fotodiodou a uspořádání elektrod na osvětlovaném povrchu fotodiody. Je zde kontakt k osvětlovanému povrchu 1, implantovaná oblast přechodu PN 2, podložka 3 a kontakt k podložce 4. Na obr. 2 jsou uvedeny spektrální závislosti fotonapětí naprázdno, tj. závislosti napětí naprázdno, odpovídajícího jednotkové hustotě energiového toku dopadajícího záření na vlnové délce dopadajícího záření, několika zhotovených fotodiod, ze kterých je zřejmá dosahovaná fotocitlivost. Závislost 1 odpovídá fotodiodě implantované bórem o energii 25 keV, o dávce 5 . 10¹⁵ cm'², teplota žíhání byla 820 °C, závislost 2 odpovídá fotodiodě implantované fosforem o energii 75 keV, o dávce 10¹⁵ cm'², teplota žíhání byla 700 °C, závislost 3 odpovídá fotodiodě implantované bórem o energii 75 keV, o dávceThe drawings show the construction of a photodiode according to the invention, showing the characteristics of several photodiodes showing the properties achieved, in Figs. 2 to 4. Fig. 1 shows a cross-section of the photodiode and electrode arrangement on the illuminated surface of the photodiode. There is contact to the illuminated surface 1, implanted transition region PN 2, pad 3, and contact to pad 4. Fig. 2 shows the spectral dependence of the open-circuit photovoltaic, i.e. the open-circuit voltage dependence corresponding to the unit density of the incident energy flux on the incident wavelength. radiation, several made photodiodes, which show the achieved photosensitivity. Dependence 1 corresponds to a 25 keV photodiode implanted with a dose of 5 to 25 keV. 10 ¹⁵ cm ² , annealing temperature 820 ° C, dependence 2 corresponds to 75 keV phosphor implanted photodiode, 10 ¹⁵ cm ² , annealing temperature 700 ° C, dependence 3 corresponds to 75 keV boron implanted photodiode, about the dose

1015 cm^-2, teplota žíhání byla 700 °C. Pro· srovnání je uvedena závislost 4 odpovídající běžné fotodiodě. Na obr. 3 je znázorněna závislost fotoproudu nakrátko na hustotě energiovéhoi toku dopadajícího záření. Závislost 1 odpovídá běžné 'fotodiodě, závislost 2 odpovídá fotodiodě implantované bórem o energii 50 keV, o dávce 10¹⁵ cm², teplota žíhání byla 700 °C, závislost 3 odpovídá fotodiodě implantované bórem o energii 150 keV, o dávce 10¹⁵ cm², teplota žíhání byla 700 °C. Na obr. 4 je uvedena závislost zesílení elektrického proudu, tj. poměr elektrického proudu fotodiodou k proudu dopadajících elektronů, na urychlujícím napětí dopadajících elektronů. Závislost 1 odpovídá fotodiodě implantované fosforem o energii 30 keV, o- dávce 10¹⁵ cm², teplota žíhání byla 820 °C, závislost 2 odpovídá fotodiodě implantované bórem o energii 25 keV, o dávce 5.10¹⁵ cm², teplota žíhání byla 820 °C, závislost 3 odpovídá fotodiodě implantované bórem o energii 100 ke V, o dávce 10¹⁵ cm², teplota žíhání byla 820 °C.1015 cm ^-2 , annealing temperature 700 ° C. For comparison, the dependence 4 corresponding to a common photodiode is given. Fig. 3 shows the dependence of the short-circuit photocurrent on the energy flux density of the incident radiation. Dependence 1 corresponds to a conventional photodiode implanted with boron of 50 keV energy at 10 ¹⁵ cm ² , annealing temperature was 700 ° C, dependency 3 corresponds to a photodiode implanted with boron of energy of 150 keV at 10 ¹⁵ cm ² , the annealing temperature was 700 ° C. Fig. 4 shows the dependence of the amplification of the electric current, i.e. the ratio of the electric current of the photodiode to the incident electron current, on the accelerating voltage of the incident electron. Dependence 1 corresponds to a photodiode implanted with 30 keV phosphorus, dose 10 ¹⁵ cm ² , annealing temperature was 820 ° C, dependence 2 corresponds to a 25 keV photodiode implanted with energy, 5.10 ¹⁵ cm ² , annealing temperature was 820 ° C Dependence 3 corresponds to a photodiode implanted with boron with an energy of 100 to V, dose 10 ¹⁵ cm ² , annealing temperature was 820 ° C.

Pro správnou funkci diod podle vynálezu je rozhodující vytvoření mělkého přechodu PN 2 u jednoho povrchu základní desky 3. Pro ověření správné funkce fotodiod podle vynálezu byly vytvořeny různé přechody PN, a to iontovou implantací bóru, fosforu a arzénu o energii v rozmezí 25 až 150 keiV. K implantaci je však možno použít i jiných příměsí, například hliníku, galium, antimon apod. K dosažení elektrické aktivity implantovaných příměsí a k dosažení nízké rekombinace bylo prováděno termické nebo laserové žíhání. Termické žíhání bylo prováděno při teplotách v rozmezí 600 až 800 ^CC v argonové atmosféře, je však možno použít i jinou ochrannou atmosféru. Laserové žíhání bylo .prováděno rubínovým pulsním laserem. Podmínky žíhání je možno volit i jinak a žíhání lze provést i elektronovým svazkem. Kontakty k implantované vrstvě byly vytvořeny napařením slitiny zlato—antimon nebo titanu v případě donorových implantovaných příměsí a slitiny zlato—galium nebo hliníku pro akceptorové příměsi. Kontakty k implantované vrstvě však lze vytvořit i jiným způsobem, například napařením nebo elektrolytickým nanesením jiného kontaktovacího kovu. Měrný odpor použitého křemíku byl v rozmezí 0,1 až 10 ohm cm, typu N, resp. P, podle druhu implantované příměsi. Elektrické kontakty k zadní straně fotodiody byly slitinové. I tyto kontakty lze zhotovit buď napařením, nebo elektrolytickým, nebo i chemickým pokovením a případným temperováním. Pro· činnost fotodiod není způsob vytvoření zadních kontaktů rozhodující; kontakty musí mít malý elektrický odpor. K takto vytvořeným kontaktům lze připevnit přívody buď termokompresí, pájením, nebo lze použít vodivou pastu či tmel.For the proper functioning of the diodes according to the invention it is crucial to create a shallow PN 2 transition on one surface of the motherboard 3. Various PN transitions have been created to verify the proper functioning of the photodiodes according to the invention by ion implantation of boron, phosphorus and arsenic with energy ranging from 25 to 150 keiV . However, other impurities such as aluminum, gallium, antimony and the like may be used for implantation. Thermal or laser annealing was performed to achieve electrical activity of implanted impurities and to achieve low recombination. Thermal annealing was carried out at temperatures ranging from 600 to 800 ^° C in an argon atmosphere, but other protective atmospheres may also be used. The laser annealing was performed with a ruby pulse laser. The annealing conditions can be chosen differently and the annealing can also be performed by electron beam. Contacts to the implanted layer were formed by steaming a gold-antimony alloy or titanium in the case of donor implanted impurities and a gold-gallium or aluminum alloy for the acceptor impurities. However, the contacts to the implanted layer may also be formed by other means, for example by vapor deposition or electrolytic deposition of another contact metal. The resistivity of the silicon used was between 0.1 and 10 ohm cm, type N, respectively. P, depending on the type of implanted impurity. The electrical contacts to the back of the photodiode were alloyed. These contacts can also be made either by steaming or by electrolytic or chemical metallization and possibly tempering. For the operation of the photodiodes, the manner in which the rear contacts are formed is not critical; the contacts must have low electrical resistance. The leads can be attached either by thermocompression, soldering or by conductive paste or sealant.

Vzhledem k výhodné spektrální závislosti fotoelektrické citlivosti fotodiod je možno je použít jako detektorů záření, navíc o krátkou dobou odezvy, v různých přístrojích, jako jsou fotometry, koiorimetry, - expozlmetry apod., Fotodiod je moždo póůžíFjako detektorů v blízké ultrafialové oblasti. Vzhledem k vysoké účinnosti lze fotodiody použít i jako sluneční články a dále v regulační, technice. Fotodiod podle vynálezu lze použít i pro detekci elektronů.Due to the advantageous spectral dependence of the photoelectric sensitivity of the photodiodes, they can be used as radiation detectors, in addition to a short response time, in various devices such as photometers, coiorimeters, exposure meters, etc.. Due to the high efficiency, photodiodes can also be used as solar cells and further in regulation technology. The photodiode according to the invention can also be used for electron detection.

Claims

A silicon photodiode of high photoelectric sensitivity throughout the entire visible radiation range, characterized in that a PN junction is formed in the base material less than 1 μΐη from the illuminated surface.

2 sheets of drawings