DE112009004341B4

DE112009004341B4 - Halbleiter-Geigermodus-Mikrozellenphotodioden

Info

Publication number: DE112009004341B4
Application number: DE112009004341.0T
Authority: DE
Inventors: Fedor Nikolaevich Proshin
Original assignee: KETEK GmbH
Current assignee: KLEMIN, SERGEY NIKOLAEVICH, RU; Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2009-01-11
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2029-02-07
Also published as: WO2010080048A1; DE112009004341T5

Abstract

Halbleiter-Geigermodus-Mikrozellenphotodiode mit einem Substrat mit p-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 1012–1017 cm–3, die aus mehreren ähnlichen Zellen besteht, von denen jede nacheinander eine Schicht mit n-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 5·1016–8·1017 cm–3, eine i-Schicht mit einer Leitfähigkeit nahe der intrinsischen Leitfähigkeit und einer Dotierstoffkonzentration von 1012–1017 cm–3, eine Schicht mit p+-Leitfähigkeit, die als Eintrittsfenster wirkt, das auf einer nicht planaren Oberfläche angeordnet ist, und die eine kleinere i-Schicht-Dicke im zentralen Teil der Zelle und eine größere i-Schicht-Dicke im Zellenrandbereich liefert, mit einer Dotierstoffkonzentration, die für die Verhinderung der vollständigen Verarmung der p+-Schicht bei der Arbeitsvorspannung ausreicht, umfasst, wobei jede Zelle einen Widerstand umfasst, der die Schicht mit p+-Leitfähigkeit mit einem Leistungsbus verbindet, und Trennelemente zwischen den Zellen angeordnet sind.

Description

Diese technische Lösung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen, insbesondere auf Detektoren mit hoher Effizienz für Lichtstrahlung, einschließlich Strahlung im sichtbaren Bereich, und kann in verschiedenen Gebieten der Wissenschaft und Technik verwendet werden.
Für die Detektion von Lichtstrahlung wurden früher Photovervielfacher verwendet, die Vakuumvorrichtungen sind, in denen der Fluss von Elektronen, die durch die Photokathode unter dem Auftreffen von optischer Strahlung emittiert werden (Photostrom), durch das Vervielfachersystem infolge von Sekundärelektronenemission verstärkt wird; der Anodenstrom (der Sekundärelektronenkollektor) ist viel höher als der anfängliche Photostrom (typischerweise 10⁵ mal oder mehr). Die am umfangreichsten verwendeten Photovervielfacher sind jene, in denen der Elektronenfluss durch mehrere spezielle Elektroden mit gebogenen Formen vervielfacht wird, den so genannten Dynoden, mit einem Sekundäremissionskoeffizienten von größer als 1. Zum Fokussieren und Beschleunigen der Elektronen werden die Anode und die Dynoden stark vorgespannt (600–3000 V). In einigen Fällen werden spezielle magnetische Fokussiersysteme verwendet oder das Fokussieren wird in sich schneidenden elektrischen und magnetischen Feldern erreicht.
Diese Typen von Vorrichtungen weisen jedoch, obwohl sie in der Konstruktion einfach sind, alle die Nachteile von Vakuumvorrichtungen auf.
Aus diesem Grund sind elektronische Festkörpervorrichtungen für die Detektion von Lichtstrahlung bevorzugt.
Es ist eine Vorrichtung für die Detektion von einzelnen Photonen bekannt [”Avalanche Photodiodes and Quenching Circuits for Single-Photon Detection”, S. Cova, M. Ghioni, A. Lacaita, S. Samori und F. Zappa APPLIED OPTICS, Band 35, Nr. 12, 20. April 1996], die ein Siliziumsubstrat mit einer Epitaxieschicht umfasst, deren Oberfläche einen kleinen (10–200 μm) Bereich (Zelle) aufweist, dessen Leitfähigkeitstyp zu jenem der Schicht entgegengesetzt ist. Die Zelle wird auf über den Durchbruchschwellenwert in Sperrrichtung vorgespannt. Wenn ein Photon in diesem Bereich absorbiert wird, tritt eine Geiger-Entladung auf, die durch den externen Löschwiderstand begrenzt ist. Der Einzelphotonenzähler weist eine hohe Effizienz der Lichtdetektion, aber eine sehr kleine empfindliche Fläche auf und kann die Intensität des Lichtflusses nicht messen. Um diese Nachteile zu beseitigen, ist es erforderlich, eine große Anzahl (≥ 10³) solcher Zellen auf einem gemeinsamen Substrat mit einer Fläche von ≥ 1 mm² zu verwenden. Dann arbeitet jede der Zellen als vorstehend beschriebener Photonenzähler und die Vorrichtung detektiert die Lichtintensität im Verhältnis zur Anzahl von ansprechenden Zellen.
Es ist eine Vorrichtung bekannt (Optical Communication Engineering. Photodetectors. Hrsg. U. Tsang, Moskau, 1988, S. 526), die ein Halbleitersubstrat umfasst, dessen Oberfläche eine Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist. Der Nachteil dieser Vorrichtung ist die Instabilität ihrer Eigenschaften. Diese Instabilität wird durch Folgendes verursacht. Der Vervielfachungskoeffizient eines lawinenartigen Prozesses ist eine steile Funktion der an die Vorrichtung angelegten Vorspannung. Das kritische Potential, bei dem die Kollisionsionisation des Halbleiters beginnt, kann von Punkt zu Punkt über die Vorrichtungsoberfläche variieren, da reale p-n-Übergänge immer Leerstellen, Versetzungen und andere Inhomogenitäten der kristallinen Struktur enthalten. Wenn die an den p-n-Übergang angelegte Vorspannung größer ist als ein gewisses Schwellenniveau, beginnt der lawinenartige Prozess in den Substratbereichen mit dem niedrigeren Durchbruchpotential. Eine weitere Zunahme der Durchbruchspannung verursacht lokale unkontrollierte Mikrodurchbrüche, die den Verstärkungskoeffizienten und die Lebensdauer der Vorrichtung begrenzen.
Bekannt ist (Foss N. A., Ward. S. A., ”Large Area Avalanche Photodiode” Journal of Applied Physics, Feb. 1984, Band 44, S. 728–731) eine Lawinenphotodiode mit einem Siliziumsubstrat, einer Pufferschicht und einer Feldelektrode. Die Feldelektrode wird vorgespannt, um für die Bildung eines Raumladungsbereichs im Substrat mit einer Feldstärke zu sorgen, die für die lawinenartige Vervielfachung der Ladungsträger ausreicht. Die im Raumladungsbereich absorbierten Photonen erzeugen Ladungsträger, die durch das Feld beschleunigt werden und sich in einer lawinenartigen Weise vervielfachen, was eine interne Erhöhung des Photostroms und eine höhere Empfindlichkeit verursacht. Wenn sich aufgrund einer lokalen Erhöhung des Spannungsabfalls an der Pufferschicht ein Mikroplasma bildet, wird der Strom durch das Mikroplasma begrenzt und die Wirkung des Mikroplasmas auf die Vorrichtungsparameter wird weniger stark. Die Injektion von heißen Ladungsträgern vom Halbleiter in die Pufferschicht erhöht jedoch den direkten Fluss durch die Pufferschicht und die Ansammlung der internen Ladung und begrenzt daher die Empfindlichkeit der Vorrichtung.
Es ist auch eine photoelektronische Vorrichtung (RU-Patent RU 2102821 C1 ) bekannt, die ein Halbleitersubstrat und Halbleiterbereiche vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp umfasst. Die Halbleiterbereiche mit dem zu jenem des Substrats entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die regelmäßig voneinander beabstandet sind, werden verwendet, um einzelne Lawinenbereiche (Mikrokanäle) zu erzeugen, die eine Signalbeschleunigung schaffen. Der Nachteil der bekannten Vorrichtung ist die niedrige Effizienz der Ladungssammlung für eine weitere Vervielfachung, da Photoelektronen (oder Löcher), die in den Räumen zwischen den Halbleiterbereichen gebildet werden, nicht vervielfacht werden können.
Bekannt ist (RU-Patent RU 2290721 C2 oder Veröffentlichung EP 1 755 171 A1 ) ein Siliziumphotovervielfacher, der gemäß der ersten Ausführungsform ein Substrat mit p⁺⁺-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹⁸–10²⁰ cm^–3 umfasst und aus Zellen besteht, von denen jede eine Epitaxieschicht mit p-Leitfähigkeit mit einem Dotierstoffkonzentrationsgradienten von 10¹⁸–10¹⁴ cm^–3, die auf dem Substrat gewachsen ist, eine Schicht mit p-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹⁵–10¹⁷ cm^–3 und eine Schicht mit n⁺-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹⁸–10²⁰ cm^–3 umfasst, wobei jede Zelle auf der Siliziumoxidschicht einen polykristallinen Siliziumwiderstand umfasst, der die Schicht mit n⁺-qLeitfähigkeit mit dem Leistungsbus verbindet, und Trennelemente zwischen den Zellen angeordnet sind. Gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst der Siliziumphotovervielfacher ein Substrat mit n-Leitfähigkeit mit einer Schicht mit p⁺⁺-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹⁸–10²⁰ cm^–3 und besteht aus Zellen, wobei die Struktur der Zellen zu jener der Ausführungsform 1 ähnlich ist, jede Zelle auf der Siliziumoxidschicht einen polykristallinen Siliziumwiderstand umfasst und Trennelemente zwischen den Zellen angeordnet sind.
Lawinenphotodioden sind außerdem in den Druckschriften FR 2 475 296 A1 und US 2004/0051165 A1 beschrieben.
Der Nachteil der bekannten Vorrichtung ist die kleine Größe der photoempfindlichen Fläche der Zelle, die durch den Bereich mit der Dotierstoffkonzentration von 10¹⁵–10¹⁷ cm^–3 begrenzt ist, da nur in diesem Bereich die Feldstärke ausreicht, um eine Geiger-Entladung zu erzeugen. Überdies erzeugt eine zusätzliche Dotierung dieses Bereichs Defekte im Silizium, die die Rauschcharakteristiken der Vorrichtung durch Erhöhen der Frequenz der dunklen Pulse und Nachpulse beeinträchtigen, wobei somit die Schwellenempfindlichkeit der Vorrichtung für Licht mit niedriger Intensität verringert wird.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die Empfindlichkeit der Lichtdetektion zu erhöhen, während die Rauschcharakteristiken verbessert werden und die Vorrichtungstechnologie vereinfacht wird.
Es wird vorgeschlagen, die Aufgabe unter Verwendung der Halbleiter-Geigermodus-Mikrozellenphotodiode zu erreichen. Gemäß der ersten Ausführungsform umfasst die Photodiode ein Substrat mit p-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹²–10¹⁷ cm^–3 und besteht aus mehreren ähnlichen Zellen, von denen jede nacheinander eine Schicht mit n-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 5·10¹⁶–8·10¹⁷ cm^–3, eine i-Schicht mit einer Leitfähigkeit nahe der intrinsischen Leitfähigkeit und einer Dotierstoffkonzentration von 10¹²–10¹⁷ cm^–3, eine Schicht mit p⁺-Leitfähigkeit, die als Eintrittsfenster wirkt, das auf einer nicht planaren Oberfläche angeordnet ist, und die eine kleinere i-Schicht-Dicke im zentralen Teil der Zelle und eine größere i-Schicht-Dicke im Zellenrandbereich liefert, mit einer Dotierstoffkonzentration, die für die Verhinderung der vollständigen Verarmung der p⁺-Schicht bei der Arbeitsvorspannung ausreicht, umfasst, wobei jede Zelle einen Widerstand aufweist, der die Schicht mit p⁺-Leitfähigkeit mit einem Leistungsbus verbindet, und Trennelemente zwischen den Zellen angeordnet sind. Gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst die Photodiode ein Substrat mit n-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹²–10¹⁷ cm^–3 und besteht aus mehreren ähnlichen Zellen, von denen jede nacheinander eine Schicht mit p-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 5·10¹⁶–8·10¹⁷ cm^–3, eine i-Schicht mit einer Leitfähigkeit nahe der intrinsischen Leitfähigkeit und einer Dotierstoffkonzentration von 10¹²–10¹⁵ cm^–3, eine Schicht mit n⁺-Leitfähigkeit, die als Eintrittsfenster wirkt, das auf einer nicht planaren Oberfläche angeordnet ist, und die eine kleinere i-Schicht-Dicke im zentralen Teil der Zelle und eine größere i-Schicht-Dicke im Zellenrandbereich liefert, mit einer Dotierstoffkonzentration, die für die Verhinderung der vollständigen Verarmung der n⁺-Schicht bei der Arbeitsvorspannung ausreicht, umfasst, wobei jede Zelle einen Widerstand umfasst, der die Schicht mit n⁺-Leitfähigkeit mit einem Leistungsbus verbindet, und Trennelemente zwischen den Zellen angeordnet sind.
Die Aufgabe wird erreicht, da die nicht planare Oberfläche des Eintrittsfensters Photoelektronen fokussiert, um sie effizient im Bereich mit hohem Feld vom ganzen Volumen der Zelle zu sammeln. Die Feldstärke, die für die Entstehung einer Geiger-Entladung ausreicht, wird über der ganzen Fläche des Eintrittsfensters ausgebildet, d. h. aufgrund der kleineren i-Schicht-Dicke im zentralen Teil und aufgrund der Krümmung des stark dotierten Eintrittsfensterbereichs im Randbereich. Die Abwesenheit einer zusätzlichen Dotierung bewahrt die anfängliche Strukturvollkommenheit des Siliziums und vereinfacht die Herstellungstechnologie.
Die Figur stellt die Konstruktion der Zellen für die Geigermodus-Mikrozellenphotodiode gemäß der ersten Ausführungsform mit den folgenden Bezeichnungen dar: (1) Substrat, (2) erste Epitaxieschicht, (3) zweite Epitaxieschicht, (4) Schicht mit dem Leitfähigkeitstyps ähnlich jenem des Substrats, (5) dielektrische Antireflexschicht, (6) Widerstand, (7) Passivierungsoxid und (8) leitfähiger Kontakt.
Die Geigermodus-Mikrozellenphotodiode gemäß der ersten Ausführungsform umfasst (1) ein Substrat mit p-Leitfähigkeit, (2) eine auf dem Substrat (1) gezüchtete Epitaxieschicht mit n⁺-Leitfähigkeit, (3) eine Epitaxieschicht vom i-Typ, (4) eine Schicht mit p⁺-Leitfähigkeit, (5) eine dielektrische Antireflexschicht, (6) einen Widerstand, (7) ein Passivierungsoxid und vorzugsweise (8) einen Aluminiumkontakt, der die Schicht (4) mit dem Leistungsbus (6) verbindet.
Die Geigermodus-Mikrozellenphotodiode gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst (1) ein Substrat mit n-Leitfähigkeit, (2) eine auf dem Substrat (1) gezüchtete Epitaxieschicht mit p⁺-Leitfähigkeit, (3) eine Epitaxieschicht vom i-Typ, (4) eine Schicht mit n⁺-Leitfähigkeit, (5) eine dielektrische Antireflexschicht, (6) einen Widerstand, (7) ein Passivierungsoxid und vorzugsweise (8) einen Aluminiumkontakt, der die Schicht (4) mit dem Leistungsbus (6) verbindet.
Die Geigermodus-Mikrozellenphotodiode besteht aus ähnlichen 20–100 μm großen Zellen. Aluminiumbusse verbinden alle Zellen miteinander und legen eine Vorspannung an, die höher ist als die Durchbruchspannung, womit für das Arbeiten im Geigermodus gesorgt wird. Wenn ein Photon auf die aktive Fläche der Zelle einfällt, bildet sich eine selbstlöschende Geiger-Entladung aus. Das Löschen, d. h. der Entladungsstopp, wird durch die Fluktuation der Ladungsträgerkonzentration auf null während des Spannungsabfalls am p-n-Übergang verursacht, da jede Zelle einen Widerstand (Strombegrenzungswiderstand) umfasst. Die Signale von den ansprechenden Zellen werden an der gemeinsamen Last summiert. Jede Zelle weist einen Vervielfachungskoeffizienten von bis zu 10⁷ auf. Die Streuung des Vervielfachungskoeffizienten hängt von der technologischen Streuung der Zellenkapazität und der Durchbruchspannung ab und liegt unterhalb 5%. Da alle Zellen ähnlich sind, ist die Detektorantwort auf Lichtblitze mit niedriger Intensität zur Anzahl der ansprechenden Zellen, d. h. der Lichtintensität, proportional.
Die folgende Technologie wird für die Herstellung der Vorrichtung verwendet.
Auf dem Quellensiliziumwafer (Substrat) mit p-Leitfähigkeit mit einem Dotierungsfremdstoff von 10¹² bis 10¹⁷ cm^–3 wird eine Doppelepitaxieschicht gewachsen, so dass die Schicht mit n-Leitfähigkeit benachbart zum Substrat eine Dotierstoffkonzentration von 5·10¹⁶–8·10¹⁷ cm^–3 aufweist, und die zweite i-Schicht wird durch Epitaxie ohne Dotierstoff oder mit einem Dotierstoff, der den entgegengesetzten (p-)Leitfähigkeitstyp verschafft, gewachsen. In Abhängigkeit von der Dicke der zweiten Schicht ist die Dotierstoffkonzentration in ihr 10¹²–10¹⁵ cm^–3 und ihr Leitfähigkeitstyp kann entweder p- oder n- sein.
Individuelle Zellen, wie in der Figur dargestellt, werden in der zweiten i-Epitaxieschicht durch lokales chemisches Flüssigätzen des Siliziums bis zu einer Tiefe von einigen Mikrometern ausgebildet. Die Maskierungsschicht ist das Siliziumoxid mit abgetragenen Fenstern, durch die das Silizium zuerst geätzt und dann mit Ionen dotiert wird, um ein Eintrittsfenster mit p-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹⁸ cm^–3 herzustellen. Das Eintrittsfenster wird mit dielektrischen Schichten aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid beschichtet, die die Antireflexeigenschaften im erforderlichen Spektralbereich bereitstellen.
In jeder Zelle wird ein polykristalliner Siliziumwiderstand auf der Antireflexbeschichtung ausgebildet, von welchem eine Seite mit der p-Schicht der Zelle und die andere mit dem gemeinsamen Aluminiumbus verbunden ist, der alle Zellen der Geigermodus-Mikrozellenphotodiode miteinander verbindet.
Die Trennelemente zwischen den Zellen werden durch reaktives Ionenätzen des Siliziums und Füllen der resultierenden Gräben mit Metall ausgebildet.

Claims

Halbleiter-Geigermodus-Mikrozellenphotodiode mit einem Substrat mit p-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹²–10¹⁷ cm^–3, die aus mehreren ähnlichen Zellen besteht, von denen jede nacheinander eine Schicht mit n-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 5·10¹⁶–8·10¹⁷ cm^–3, eine i-Schicht mit einer Leitfähigkeit nahe der intrinsischen Leitfähigkeit und einer Dotierstoffkonzentration von 10¹²–10¹⁷ cm^–3, eine Schicht mit p⁺-Leitfähigkeit, die als Eintrittsfenster wirkt, das auf einer nicht planaren Oberfläche angeordnet ist, und die eine kleinere i-Schicht-Dicke im zentralen Teil der Zelle und eine größere i-Schicht-Dicke im Zellenrandbereich liefert, mit einer Dotierstoffkonzentration, die für die Verhinderung der vollständigen Verarmung der p⁺-Schicht bei der Arbeitsvorspannung ausreicht, umfasst, wobei jede Zelle einen Widerstand umfasst, der die Schicht mit p⁺-Leitfähigkeit mit einem Leistungsbus verbindet, und Trennelemente zwischen den Zellen angeordnet sind.
Halbleiter-Geigermodus-Mikrozellenphotodiode mit einem Substrat mit n-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 10¹²–10¹⁷ cm^–3, die aus mehreren ähnlichen Zellen besteht, von denen jede nacheinander eine Schicht mit p-Leitfähigkeit mit einer Dotierstoffkonzentration von 5·10^–6–8·10¹⁷ cm^–3, eine i-Schicht mit einer Leitfähigkeit nahe der intrinsischen Leitfähigkeit und einer Dotierstoffkonzentration von 10¹²–10¹⁵ cm^–3, eine Schicht mit n⁺-Leitfähigkeit, die als Eintrittsfenster wirkt, das auf einer nicht planaren Oberfläche angeordnet ist, und die eine kleinere i-Schicht-Dicke im zentralen Teil der Zelle und eine größere i-Schicht-Dicke im Zellenrandbereich liefert, mit einer Dotierstoffkonzentration, die für die Verhinderung der vollständigen Verarmung der n⁺-Schicht bei der Arbeitsvorspannung ausreicht, umfasst, wobei jede Zelle einen Widerstand umfasst, der die Schicht mit n⁺-Leitfähigkeit mit einem Leistungsbus verbindet, und Trennelemente zwischen den Zellen angeordnet sind.