JPS6155791B2 - - Google Patents

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JPS6155791B2
JPS6155791B2 JP52093762A JP9376277A JPS6155791B2 JP S6155791 B2 JPS6155791 B2 JP S6155791B2 JP 52093762 A JP52093762 A JP 52093762A JP 9376277 A JP9376277 A JP 9376277A JP S6155791 B2 JPS6155791 B2 JP S6155791B2
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JP
Japan
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layer
temperature
manufacturing
guard ring
furnace
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JP52093762A
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JPS5341193A (en
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Rarufu Haatoman Adorian
Meruchioaa Hansu
Hooru Shinku Deiuitsudo
Guranto Sumisu Richaado
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    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
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    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
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    • H01L31/105Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PIN type

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフオトダイオード、さらに詳しくは
n+―P―π―P+シリコンアバランシエ(電子な
だれ)フオトダイオードの製造方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a photodiode, and more particularly to a photodiode.
The present invention relates to a method of manufacturing an n + -P-π-P + silicon avalanche photodiode.

レーザーの出現とその光通信用搬送波源として
有望性によつて、弱信号に対して高感度で、光強
度変調に対して迅速に応答するフオトデイテクタ
ーの開発に大きな興味が向けられている。光レシ
ーバーは通常フオトデイテクターとその出力増幅
器を含んでおり、ジヤーナル・オブ・ルミネツセ
ンス(J.of Luminescence,Vol.7,pp.390―414
(1973))のエイチ・メルキオール(H.
Melchior)による「可視光及び近赤外光復調のた
めの鋭敏性高速フオトデイテクター」に基づく次
の一般性能基準を充足すべきである。(1)入射光信
号波長での高応答性(量子効率)、(2)情報バンド
幅を収容するに十分な電気的バンド幅(即ち、応
答速度)、そして(3)検出及び増幅過程により導入
される過剰雑音の最小性。
With the advent of lasers and their promise as carrier sources for optical communications, there has been great interest in developing photodetectors that are sensitive to weak signals and respond quickly to optical intensity modulation. Optical receivers usually include a photodetector and its output amplifier, and are used in the Journal of Luminescence, Vol. 7, pp. 390-414.
(1973)) by H. Melchior (H.
The following general performance criteria based on "Sensitivity High Speed Photodetector for Visible Light and Near-Infrared Light Demodulation" by John Melchior) should be met. (1) high responsivity at the incident optical signal wavelength (quantum efficiency), (2) sufficient electrical bandwidth (i.e., response speed) to accommodate the information bandwidth, and (3) introduction by the detection and amplification process. minimal excess noise.

普通の形式のフオトデイテクターは本質的要素
としてバンド―バンド励起を経て光励起された電
子―ホール対を分離する働きをする高電界をもつ
空乏半導体領域を含んでいるフオトダイオードで
ある。高速フオトダイオードは通常比較的低イン
ピーダンスのものと接続されてそして光励起キヤ
リヤにその負荷回路中で光電流を誘起させ、一方
キヤリヤはその高電界領域を通つて移動する。可
視及び近赤外輻射線を検知するフオトダイオード
は普通比較的大きな逆バイアス電圧で操作されて
キヤリヤドリフト時間を減らしそして著しく大き
い暗電流を生じさせることなくそのダイオードキ
ヤパシタンスを下げる(メルキオールの上記報文
397頁)。逆バイアスのp―i―nフオトダイオー
ドで例えばそのp層に輻射線が入射する場合で
は、表面で反射されない輻射線は吸収されそして
光キヤリヤを生起する前にフオトダイオード物質
にある距離侵入する。接合部(i層)の高電界領
域内に生起した電子及びホール、そしてpおよび
n層からその接合部に再結合の前に拡散する少数
キヤリヤはその高電界領域を横切つて集められそ
して光電流に寄与する。
A common type of photodetector is a photodiode that essentially contains a depleted semiconductor region with a high electric field that serves to separate photoexcited electron-hole pairs via band-to-band excitation. A high speed photodiode is usually connected to a relatively low impedance and allows a photoexcitation carrier to induce a photocurrent in its load circuit while the carrier moves through the high field region. Photodiodes that detect visible and near-infrared radiation are normally operated with relatively large reverse bias voltages to reduce carrier drift time and lower their diode capacitance without producing significantly large dark currents (Melchior's The above report
397 pages). In a reverse biased p-i-n photodiode, for example, when radiation is incident on its p-layer, the radiation that is not reflected at the surface will penetrate the photodiode material some distance before being absorbed and giving rise to light carriers. Electrons and holes generated in the high field region of the junction (i-layer) and minority carriers that diffuse from the p and n layers into the junction before recombination are collected across the high field region and emit light. Contributes to current.

有効量子効率及びフオトダイオード応答速度は
使用波長及びフオトダイオード応答速度は使用波
長及びダイオード物質及び設計に著しく影響され
る。例えば、シリコンフオトダイオードは近紫外
線及び約1μ以下の赤外線で好んで使われる。し
かし、その光透過深さの著しい変動性のため、シ
リコンフオトダイオードは各対象波長に対して最
適にされなければならない(メルキオールの上記
報文400頁)。応答速度は高電界領域の幅が増大す
るので波長が長くなると減少する。
The effective quantum efficiency and photodiode response speed are significantly affected by the wavelength used and the photodiode response speed are significantly influenced by the wavelength used and the diode material and design. For example, silicon photodiodes are preferred for near ultraviolet and infrared radiation below about 1 micron. However, due to the significant variability in their light transmission depth, silicon photodiodes must be optimized for each wavelength of interest (Melchior, supra, p. 400). The response speed decreases with increasing wavelength because the width of the high electric field region increases.

フオトダイオード中の暗電流は弱い光信号に対
する敏感性を制限しそしてその固体内部から又は
その表面から生じうる。表面漏洩電流は高抵抗性
シリコンフオトダイオードに特有の問題点である
が、これは特別の表面処理及び種々のガードリン
グ構造によつてなくすことができる。しかし、シ
リコンフオトダイオード中のバルク(bulk)漏
洩電流は主に空間電荷層内のキヤリア発生による
ものである。注意深く処理されたシリコンダイオ
ードでは空乏容積について10-6〜10-8A/mm
いう低い暗電流が達成された(メルキオールの上
記報文405頁)。
Dark current in a photodiode limits its sensitivity to weak optical signals and can originate from its solid interior or from its surface. Surface leakage current is an inherent problem with high resistance silicon photodiodes, but it can be eliminated by special surface treatments and various guard ring structures. However, bulk leakage current in silicon photodiodes is mainly due to carrier generation within the space charge layer. Low dark currents of 10 -6 to 10 -8 A/mm 3 of depletion volume have been achieved in carefully treated silicon diodes (Melchior, supra, p. 405).

特に有用な形式のフオトダイオードは電子なだ
れ(アバランシエ)フオトダイオード(APD)
で、これは光信号検知を光電流の内部増幅と結合
するものである。内部電流利得は、キヤリアが高
逆バイアス接合の高電界領域を通過しそして衝撃
イオン化機構を経て新しい電子―ホール対を放出
することによつて十分なエネルギを得た時に、
APD中に生ずる。APDの電流利得がキヤリア増
加の統計的性質によつて変動する。立体的均等ア
バランシエ領域でさえ統計的利得変動によつて多
数のシヨツト雑音を越える雑音の上昇が生じそし
てこの変動は通常は通常次式で与えられる過剰雑
音指数で示される。
A particularly useful form of photodiode is the avalanche photodiode (APD).
, which combines optical signal detection with internal amplification of the photocurrent. The internal current gain is determined by the carrier passing through the high electric field region of the high reverse bias junction and gaining sufficient energy by emitting new electron-hole pairs via an impact ionization mechanism.
Occurs during APD. The current gain of the APD varies depending on the statistical nature of the carrier increase. Even in the sterically uniform avalanche region, statistical gain variations result in a noise rise above the multiple shot noise, and this variation is usually expressed in terms of excess noise figure, usually given by:

F(M)=<i >/<i>×M (1) 上式中、<iM >はAPD出力の平均自乗雑音
電流で、これは第1次光電流の平均自乗雑音<i
ph2>で割られ、そして後者には平均利得Mの自
乗が掛けられる。シリコンAPD中の電子のイオ
ン化率αはホールについてのイオン化率βよりは
るかに大きく(例えばβ/α=0.2〜,2)、した
がつてF(M)は電子インジエクシヨンよりもホ
ールインジエクシヨンの方がはるかに早く増大す
る(メルキオールの上記報文409頁)。この考察は
シリコンn+―p―π―p+APDはバツク照射(即
ち光は接合部から離れたp+層で入射されそして
電子は増加領域中に注入される。)であり、フロ
ント照射(即ち、光は接合部近くのn+層で入射
されそしてホールもまたその増加領域中に注入さ
れる)ではないということを示唆している。n+
―p―π―p+シリコンAPDの設計のこの原理の
応用はアイ・イー・イー・イー・トランザクシヨ
ンズ・オン・エレクトロン・デバイス(IEEE
Transactions on Electron Devices、Vol.ED―
14、No.5、pp.239〜251(1967)のエイチ・ダブ
リユー・ルーグ(H・W.Ruegg)による「最適
アバランシエ・フオトダイオードに関して」中に
説明されている。GaAsレーザー波長の高速検知
に特に有用であるこの種のAPDにおいては、キ
ヤリア増加は狭いn+―p領域に束縛されそして
幅広いπ領域が主にコレクターとして、p+層に
入射される光によつて生ずる光励起電子に作用す
る。ルーグは(247頁第1欄で)次のように指摘
している。「最適化された素子は増加領域への純
粋電子注入を確保するためにはp―n+接合とは
反対の照射表面(p+層)を必要とする」。したが
つて、彼は「この場合の全素子厚さは検知される
光の透過深度のオーダーでなければならない」
(GaAsレーザー波長の場合20―30μm)というこ
とを要求しているのである。彼は「この厚さのウ
エフアは取扱うことはできないから、唯一の明白
な解決策はかなり厚いシリコンウエフアに局部キ
ヤビテイ(素子の位置に)をエツチすることであ
る」とつけ加えている。不幸にして均等な厚さの
キヤビテイをエツチし、又はラツピングにより同
等にサブストレートを薄くする要求によつてこの
種のAPDの製造費用が実質上増加する。費用の
増加は薄くされたウエフアによつて取扱いが難し
くなり、こわれ易かつたり、曲がりが生じてマス
クアラインメントが困難になる傾向があり、そし
てパツケージングが困難になるといつたことによ
つてもたらされる。
F(M)=<i M 2 >/<i p h 2 >×M 2 (1) In the above equation, <i M 2 > is the mean square noise current of the APD output, which is equal to the primary photocurrent. Mean square noise <i
p h 2 >, and the latter is multiplied by the average gain M squared. The ionization rate α of electrons in silicon APDs is much larger than the ionization rate β for holes (e.g. β/α = 0.2~,2), so F(M) is more sensitive to hole injection than electron injection. increases much faster (Melchior's paper, p. 409). This consideration suggests that silicon n + -p-π-p + APDs are back-illuminated (i.e., light is injected in the p + layer away from the junction and electrons are injected into the increasing region) and front-illuminated ( That is, it suggests that the light is not incident at the n + layer near the junction and the holes are also injected into the increased region). n +
―p―π―p + The application of this principle in the design of silicon APDs is the
Transactions on Electron Devices, Vol.ED―
14, No. 5, pp. 239-251 (1967), "On Optimal Avalanche Photodiodes" by H. W. Ruegg. In this type of APD, which is particularly useful for fast sensing of GaAs laser wavelengths, the carrier increase is bound to a narrow n + -p region and a broad π region serves primarily as a collector, with the carrier gain being absorbed by the light incident on the p + layer. It acts on the photoexcited electrons that are generated. As Roog points out (page 247, column 1): "Optimized devices require an illuminated surface (p + layer) opposite the p-n + junction to ensure pure electron injection into the augmented region." Therefore, he said, "The total element thickness in this case must be of the order of the depth of penetration of the detected light."
(20-30 μm for GaAs laser wavelength). He adds, "Wafers of this thickness cannot be handled, so the only obvious solution is to etch a local cavity (at the location of the device) into a fairly thick silicon wafer." Unfortunately, the requirement to etch cavities of uniform thickness or to equivalently thin the substrate by wrapping substantially increases the cost of manufacturing such APDs. The increased cost is due to thinner wafers that are more difficult to handle, tend to be more fragile and bend, making mask alignment difficult, and packaging difficult. .

したがつて、その対策は厚いp+層に構造を形
成しそしてn+層を通したフロント照射を用い、
そしてウエフアを薄くしてはならないということ
である。しかし、前述したように、混合ホール及
び電子の注入が雑音の付帯的増加に伴なつて生ず
る。従来技術のフロント照射n+―p―π―p+
リコンAPD(例えば米国特許第3886579号、1975
年5月27日付特許、オーウチ外)では、その構造
は過剰雑音をへらし、低漏洩電流をもたらし、そ
して長期間にわたつて信頼できるように最適にさ
れていなかつた。故に問題とされるのはこのよう
なレシーバー感度が典型的に−55dBm(例えば
825μmの波長そして44.7メガビツト/秒のデー
タ速度で)である素子が光通信系に有用であるか
否かである。したがつて、過度に複雑な処理を使
用することなしに頼りとするAPD中の雑音の悪
条件及び暗電流を減少させそしてフロント照射
APDの一般的な低コスト化及び取扱う場合の利
点が開発されることが望まれるのである。
Therefore, the solution is to form the structure in a thick p + layer and use front illumination through the n + layer,
And the wafer must not be made thin. However, as previously discussed, mixed hole and electron injection occurs with a concomitant increase in noise. Prior art front-illuminated n + -p-π-p + silicon APDs (e.g., U.S. Pat. No. 3,886,579, 1975
patent dated May 27, 2013, Ouch et al., the structure was not optimized to reduce excessive noise, provide low leakage current, and be reliable over long periods of time. Therefore, the problem is that such receiver sensitivity is typically -55 dBm (e.g.
At a wavelength of 825 μm and a data rate of 44.7 Mbit/s), the device is useful in optical communications systems. Therefore, reducing the noise adverse conditions and dark current during relying on APD without using overly complex processing and front illumination
It would be desirable to develop general lower cost and handling advantages for APDs.

したがつて本発明の主な目的はn+―p―π―
p+型APDシリコンフオトダイオードを製造する
ことである。
Therefore, the main purpose of the present invention is to
The purpose is to manufacture p + type APD silicon photodiodes.

本発明のもう一つの目的は過剰雑音幣害をこう
むることなしにフロント照射できるようなAPD
を製造することである。
Another object of the present invention is to develop an APD that allows front illumination without incurring excessive noise pollution.
is to manufacture.

本発明のさらに他の目的は製造時の取扱いが比
較的容易でそして製造に比較的費用がかさまない
ようなフロント照射APDを製造することであ
る。
Yet another object of the present invention is to produce a front-illuminated APD that is relatively easy to handle during manufacture and relatively inexpensive to manufacture.

本発明のもう一つの目的は低過剰雑音性を有す
るようなAPDを製造することである。
Another object of the invention is to produce such an APD with low excess noise.

本発明のさらにもう一つの目的は高量子効率、
短時間応答性、低暗電流性、及び高い信頼度をも
有するようなAPDを製造することである。
Yet another object of the present invention is high quantum efficiency,
The objective is to manufacture an APD that also has short-time response, low dark current, and high reliability.

これら及びその他の目的は本発明―フロント照
射シリコンフオトダイオードの製造方法によつて
達成でき、(1)低転位密度、高導電性P型シリコン
サブストレート上に高抵抗性π型シリコン層をエ
ピタキシヤル成長させ、(2)燐拡散によりそのπ層
中にn型ガードリングを形成し、(3)硼素拡散によ
りそのπ層中のガードリングのまわりにP型チヤ
ンネルストツプを形成し、(4)そのサブストレート
の裏面中に燐を導入して欠陥及び/又は不純物を
ゲツターし、(5)(2)工程、(3)工程及び(4)工程の間そ
の炉温に傾斜(ramp)をつけて(温度を徐々に
変化させて)結晶欠陥を押え、(6)そのπ層中に
n+層を形成し、(7)少なくともそのn+層そしてそ
のガードリングとチヤンネルストツプの間の領域
に反射防止/不動態化コーテイングを形成し、そ
して(8)そのサブストレート、ガードリング及びチ
ヤンネルストツプに電気コンタクトを形成しそし
てそのガードリングコンタクトがπ―n冶金接合
表面部にオーバーラツプしそしてそのチヤンネル
ストツプがπ―p冶金接合表面部にオーバーラツ
プするようにする、以上の工程から成り立つてい
る。
These and other objects can be achieved by the present invention - a method for manufacturing front-illuminated silicon photodiodes, which includes (1) epitaxially forming a highly resistive π-type silicon layer on a low dislocation density, highly conductive P-type silicon substrate; (2) Form an n-type guard ring in the π layer by phosphorus diffusion, (3) Form a P-type channel stop around the guard ring in the π layer by boron diffusion, (4) Introducing phosphorus into the backside of the substrate to get defects and/or impurities and ramping the furnace temperature during steps (5)(2), (3) and (4). (by gradually changing the temperature) to suppress crystal defects and (6)
(7) forming an antireflection/passivation coating on at least the n + layer and the region between the guard ring and the channel stop; and (8) forming an antireflection/passivation coating on the substrate, the guard ring, and the channel stop. The process consists of forming an electrical contact to the channel stop so that the guard ring contact overlaps the π-n metallurgical bond surface, and the channel stop overlaps the π-p metallurgical bond surface. ing.

次の一実施例は高量子効率(GaAs―AGaAs
レーザー波長、例えば0.80〜0.90μmで>90
%)、短時間応答性(例、1ns)、高利得(例、M
=100)、低過剰雑音指数(例、M=100でF
(M)=4〜6)、低暗電流(例、10-11A)そして
高信頼度を有するフロント照射n+―p―π―p+
シリコンAPDの製造に関している。この具体例
の場合、本発明方法は(1)高導電性p+型シリコン
サブストレート上に高抵抗性(>300Ω−cm)π
型シリコン層厚さ約30―60μエピタキシヤル成長
させ、使用するエピタキシヤル成長操作によりこ
の方法が大直径ウエフア(例、直径3インチ
(76ミリ))のバツチ処理に適当なものとなる、(2)
燐の予備沈積及び拡散によりπ層にn型ガードリ
ングを形成し、(3)硼素の早期沈積及び拡散により
ガードリングのまわりにp型チヤンネルストツプ
を形成し、(4)線量約4〜6×1012cm-2で30〜
150KeV硼素イオンをπ層中に移植し、(5)適当な
雰囲気中で2―8時間約1150〜1250℃に加熱して
その移植硼素イオンをドライブし、そしてp層厚
さ約2―12μを形成し、(6)p層をマスクしそして
30〜60分間約1000〜1100℃に加熱してPOC
又は他の適当な供給源からその裏面(Pサブスト
レート)中に燐を導入し、それによつて欠陥及
び/又は不純物をゲツターし、(7)(2)工程ないし(6)
工程の間その炉温に傾斜をつけて結晶欠陥を押
え、(8)そのp層中に薄いn+層厚さ約0.1〜1.0μを
形成し、(9)そのn+層上に薄いSiO2上に1/4波長の
厚いSi3N4層からなる反射防止及び不動態化コー
テイングを形成し、(10)そのSiO2形成後でSi3N4
成前にHC1〜5%中10〜30分間約850〜950℃
でアニールし、(11)そのp+サブストレート裏面に
高導電性p++コンタクト層を形成し、(12)そのサブ
ストレート、ガードリング及びチヤンネルストツ
プに電気コンタクトを形成しそしてガードリング
コンタクトがそのπ―n冶金接合表面部にオーバ
ーラツプしそしてそのチヤンネルストツプコンタ
クトがそのπ―p冶金接合表面部にオーバーラツ
プするようにする、以上の工程から成り立つてい
る。
The next example is a high quantum efficiency (GaAs-AGaAs
>90 at laser wavelength, e.g. 0.80-0.90μm
%), short-time response (e.g. 1ns), high gain (e.g. M
= 100), low excess noise figure (e.g. F at M = 100)
(M) = 4~6), front illumination with low dark current (e.g. 10 -11 A) and high reliability n + - p - π - p +
It concerns the manufacture of silicon APDs. In this specific example, the method of the invention provides (1) a highly resistive (>300 Ω-cm) π on a highly conductive p + type silicon substrate;
The mold silicon layer is epitaxially grown to a thickness of approximately 30-60 μm, and the epitaxial growth procedure used makes the method suitable for batch processing of large diameter wafers (e.g., 3 inches (76 mm) in diameter). )
(3) early deposition and diffusion of boron forms a p-type channel stop around the guard ring; (4) the dose is approximately 4-6. ×10 12 cm -2 from 30
Graft 150 KeV boron ions into the π layer, (5) drive the implanted boron ions by heating to about 1150-1250°C for 2-8 hours in a suitable atmosphere, and reduce the p-layer thickness to about 2-12μ. (6) mask the p layer and
POC 3 by heating to about 1000-1100℃ for 30-60 minutes
or introducing phosphorus into the backside (P substrate) from any other suitable source, thereby gettering defects and/or impurities, step (7)(2) or (6)
During the process, the furnace temperature is ramped to suppress crystal defects, (8) a thin n + layer with a thickness of about 0.1 to 1.0μ is formed in the p layer, and (9) a thin SiO layer is formed on the n + layer. Form an anti - reflection and passivation coating consisting of a 1/4 wavelength thick Si3N4 layer on top of 2 , (10) after the SiO2 formation and before the Si3N4 formation. Approximately 850-950℃ for 30 minutes
(11) form a highly conductive p ++ contact layer on the backside of the p + substrate, (12) form electrical contacts to the substrate, guard ring, and channel stop, and the guard ring contact The process consists of overlapping the π-n metallurgical joint surface and causing the channel stop contact to overlap the π-p metallurgical joint surface.

加えて、このAPDの製造方法の特徴はn+層は
極めて薄くつくられそしてホール注入そしてその
層上に入射する輻射線によつて生起する過剰雑音
を押えることである。この層は極めて薄いけれど
もエツジ降状は使われる特有のガードリング構造
によつて250―400Vの逆バイアスでさえも防げ
る。
In addition, a feature of this APD fabrication method is that the n + layer is made extremely thin and suppresses excess noise caused by hole injection and radiation incident on the layer. Although this layer is extremely thin, edge droop is prevented even at reverse biases of 250-400V due to the unique guard ring structure used.

このAPD製造方法のもう一つの特徴はイオン
注入工程(4)、ドライブイン(追い込み)工程(5)及
び加熱を含む後続工程が相互に交替されそして増
倍領域(P層)の電界分布が実質上三角形なこと
である。この分布は電界依存のイオン化率の競合
効果と高電界領域の光キヤリア混合注入の間で広
範囲の拡散深さにわたつて純電子注入の低雑音性
能に接近するまでの平衡を与える。
Another feature of this APD manufacturing method is that the ion implantation step (4), the drive-in step (5), and the subsequent steps including heating are alternated with each other, and the electric field distribution in the multiplication region (P layer) is substantially It is an upper triangle. This distribution provides a balance between the competing effects of field-dependent ionization rate and optical carrier mixed injection in the high field region, approaching the low-noise performance of pure electron injection over a wide range of diffusion depths.

このn+―p―π―p+APDの製造方法のもう一
つの特徴は主としてHCゲツター工程(10)及びP
ゲツター工程(6)を(3)工程中で形成されたチヤンネ
ルストツプと組合せることによつて従来技術より
暗電流が2〜3オーダー小さくなることである。
Another feature of this n + -p-π-p + APD manufacturing method is that it mainly involves the HC getter step (10) and the P
By combining the getter step (6) with the channel stop formed in step (3), the dark current is reduced by two to three orders of magnitude compared to the prior art.

これら及びその他の本発明の目的は種々の特徴
及び利点と共に添附図面に関係づけてなされる次
のさらに詳わしい説明から容易に理解できるもの
である。
These and other objects of the invention, together with its various features and advantages, will be readily understood from the following more detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.

第1図はこの発明の具体例に基づいて製造され
たn+―p―π―p+シリコンAPDの等角図であ
る。
FIG. 1 is an isometric view of an n + -p-π-p + silicon APD manufactured in accordance with an embodiment of the present invention.

第2図は電界及びマルチプリケイシヨン(増
倍)度分布のグラフで、第1図に示す形式の理論
的APDに対して計算されたものである。
FIG. 2 is a graph of the electric field and multiplication distribution calculated for a theoretical APD of the type shown in FIG.

n+―p―π―p+APD 図面について説明するが、第1図は新規な本発
明方法の一具体例に基づいて作られたシリコン
APDの構造で次いでその操作及び製造方法を述
べる。
n + ―p―π―p + APD Referring to the drawings, FIG.
The structure of APD is then described, followed by its operation and manufacturing method.

APDは第1図に断面状態にして示してある
が、これはp+シリコンサブストレート10の上
に高抵抗性π型シリコン層12をエピタキシヤル
成長させてできている。P層14をπ層12の上
表面大部分にわたつて形成しそして薄いn+層1
6をP層中に形成する。この構造体の一部分によ
り、P層が増倍領域である基本的なn+―p―π
―p+APDが定まる。しかし、実際の装置ではそ
の形はAPDが機能するシステムの条件に合致す
るように修正される。詳しくいえばn型ガードリ
ング18をπ層12中に形成しそしてP層14及
びn+層16を包囲させる。n+層16はP層14
を越えて側方に伸長しそしてガードリングにオー
バーラツプさせて正常動作状態下のn+―P接合
のエツヂ降状を防ぐ。このn+層はまたバイアス
電圧源(示さない)の正端子が接続される輪状金
属コンタクト及びフイールド板20(例えばPtSi
―Ti―Pt―Au又はA)のための接触層として
働く。
The APD, shown in cross-section in FIG. 1, is made by epitaxially growing a highly resistive π-type silicon layer 12 on a p + silicon substrate 10. A P layer 14 is formed over most of the upper surface of the π layer 12 and a thin n + layer 1 is formed.
6 is formed in the P layer. Part of this structure allows the fundamental n + −p−π, where the P layer is the multiplication region
―p + APD is determined. However, in actual devices, the shape is modified to match the conditions of the system in which the APD functions. Specifically, an n-type guard ring 18 is formed in the π layer 12 and surrounds the P layer 14 and the n + layer 16. n + layer 16 is P layer 14
It extends laterally beyond the guard ring and overlaps the guard ring to prevent edge drooping of the n + -P junction under normal operating conditions. This n + layer also includes a ring metal contact and a field plate 20 (e.g. PtSi) to which the positive terminal of a bias voltage source (not shown) is connected.
-Ti-Pt-Au or acts as a contact layer for A).

次いで、P型チヤンネルストツプ22をπ層1
2中に形成する。離れた関係においてであるが、
ガードリング18を包囲するチヤンネルストツプ
は高抵抗性π層12の表面で逆転層を防ぐべく作
用する。輪状金属接点及びフイールド板24(例
えばPtsi―Ti―Pt―Au又はA)をP型チヤン
ネルストツプ22にそしてそれによりP+サブス
トレート10中に作る。サブストレート10との
接触はまたサブストレートの底面に形成された金
属層26(例えばTi―Au)を経てなされる。も
う一つの金属層30(例えばAu)をセラミツク
付ブロツク32に形成する。導電エポキシ層28
又はその他の適当な手段(例えばソルダープレフ
オーム)を用いてAPDをブロツク32にボンド
する。バイアス電圧源の負端子を金属層30にそ
して必要に応じてチヤンネルストツプフイールド
プレート24にも接続する。p―π冶金接合の表
面部34の上方の誘電層35の表面内又はこれに
関してイオン集積を押えるために、チヤンネルス
トツプ・フイールドプレート24が接合部34に
オーバーラツプし、これにより雑音及び漏洩電流
をいずれも押えそして信頼性を改善する。同じ理
由からガードリングフイールドプレート20をn
―π冶金的接合の表面部36にオーバーラツプさ
せる。
Next, the P-type channel stop 22 is attached to the π layer 1.
Form in 2. Although in a distant relationship,
The channel stop surrounding the guard ring 18 acts to prevent an inversion layer at the surface of the highly resistive π layer 12. A ring metal contact and field plate 24 (for example Ptsi-Ti-Pt-Au or A) are made in the P-type channel stop 22 and thereby in the P + substrate 10. Contact with the substrate 10 is also made through a metal layer 26 (eg Ti-Au) formed on the bottom surface of the substrate. Another metal layer 30 (for example Au) is formed on the ceramic block 32. Conductive epoxy layer 28
or bond the APD to block 32 using other suitable means (eg, a solder preform). The negative terminal of the bias voltage source is connected to metal layer 30 and optionally also to channel stop field plate 24. Channel stop field plate 24 overlaps junction 34 to suppress ion accumulation in or with respect to the surface of dielectric layer 35 above surface 34 of the p-π metallurgical junction, thereby reducing noise and leakage currents. Both improve presser foot and reliability. For the same reason, the guard ring field plate 20 is
- overlapping the surface portion 36 of the π metallurgical joint;

検出しようとする輻射線38の反射を少なくす
るため、n+層を薄いSiO2層40と厚さ1/4波長の
Si3N4層からできている反射防止コーテイングで
覆う。これらの層は表面を不動態化させるために
も役立つ。SiO2及びSi3N4層層―後者は層35と
表わされる―をガードリングとチヤンネルストツ
プの間にも形成し、そしてSiO2層がそこでは後
述する前工程からのままであるため厚いというこ
とには注意されたい。
In order to reduce the reflection of the radiation 38 to be detected, the n + layer is made of a thin SiO2 layer 40 with a thickness of 1/4 wavelength.
Cover with an anti-reflection coating made of 4 layers of Si 3 N. These layers also serve to passivate the surface. A 4- layer layer of SiO 2 and Si 3 N - the latter designated as layer 35 - is also formed between the guard ring and the channel stop, and the SiO 2 layer is thick there as it remains from the previous step described below. Please note that.

操作において、π層12及びP層を完全に空乏
にする(横方向には線13あたりまでそして垂直
方向にはサブストレート10にまで下がる)ため
に必要な逆バイアス(通常数百ボルト)を接点2
0と30の間に印加し、そして輻射線38をこの
装置の作用領域、ガードリングの中心の円形ゾー
ン44から入射させる。この輻射線はまずπ層中
に光励起キヤリヤを生起させる。これらキヤリヤ
は高フイールドのP層14中で増倍される。電子
はn+層中に集められそしてホールはP+サブスト
レート10中に集められる。得られた光電流は接
点20及び30を横切つて接続される負荷(示さ
ない)中に流れる。この装置はフロント照射され
るので混成キヤリヤ注入が生ずる。即ち、n+
16に入射した輻射線はホールを作り出しそして
ホールはP層中に注入されここでふやされ、そし
てP層及びπ層に侵入したこの輻射線は電子を生
じさせこれは増倍領域中に注入される。純粋電子
注入(即ちバツク照射のAPDの)の低雑音性に
接近させるため、n+層を非常に薄く作りそして
電界(E)分布を第2図に示すように形成する。
即ち、n+層中でほぼゼロである電界はn+―p接
合近くで非常に急激に立上がりそして実質上P層
中で三角形をなす。この三角分布により、p―π
界面(X2)の近くに入る電子の極低雑音と、そし
てフロント照射からもたらされるP層中の混合ホ
ール及び電子注入の比較的な低雑音(矩形電界分
布に比較して)のマルチプリケイシヨン(増倍)
度(M)をもたらす。
In operation, the contacts provide the reverse bias (typically a few hundred volts) necessary to fully deplete the π layer 12 and the P layer (laterally down to about line 13 and vertically down to substrate 10). 2
0 and 30, and the radiation 38 enters the active area of the device, a circular zone 44 in the center of the guard ring. This radiation first generates photoexcited carriers in the π layer. These carriers are multiplied in the high field P layer 14. Electrons are collected in the n + layer and holes are collected in the P + substrate 10. The resulting photocurrent flows into a load (not shown) connected across contacts 20 and 30. Since this device is front illuminated, mixed carrier injection occurs. That is, the radiation incident on the n + layer 16 creates holes, the holes are injected into the P layer and are increased there, and the radiation that enters the P and π layers generates electrons, which are increased. Injected into the double area. To approach the low noise properties of pure electron injection (ie, of back-illuminated APD), the n + layer is made very thin and the electric field (E) distribution is formed as shown in FIG.
That is, the electric field, which is almost zero in the n + layer, rises very rapidly near the n + -p junction and forms a substantially triangular shape in the p layer. Due to this triangular distribution, p−π
Multiplication of extremely low noise of electrons entering near the interface (X 2 ) and relatively low noise (compared to rectangular electric field distribution) of mixed holes and electron injection in the P layer resulting from front illumination. (multiplication)
degree (M).

n+層の薄いことはこの層中への光吸収を少な
くするのにも役立ちそれにより高い量子効率を保
持できる。もしそうでないとすればn+層中に生
ずる多数の少数キヤリヤが高電界層のP層に到達
する前に再結合するのである。
The thinness of the n + layer also helps to reduce light absorption into this layer, thereby maintaining high quantum efficiency. If this were not the case, a large number of minority carriers generated in the n + layer would recombine before reaching the high electric field P layer.

第2図のグラフは単に理論計算値を示している
けれども、我々はこの発明の詳細な具体例に基づ
いて製造したn+―p―π―p+シリコンAPDに関
してその本質的特徴の実現を次の通り可能にし
た。
Although the graph in FIG. 2 merely shows theoretically calculated values, we will demonstrate the realization of its essential features with respect to the n + -p-π-p + silicon APD manufactured based on a detailed embodiment of this invention. made possible as follows.

(1) 硼素を約5×1017〜1.2×1018cm-3ドープした
低転位密度、P型シリコンサブストレート10
に、厚さ約30〜60μの高抵抗性(>300Ω−
cm)エピタキシヤルシリコン層12を成長させ
た。約0.825μの輻射線で光励起されたキヤリ
ヤの少くとも95%を集めるためには、好ましく
はこのエピタキシヤル層は厚さ35μ以上であ
る。エピタキヤル層はシリコン源としてジクロ
ロシラン(SiH2C)を用いて反応器中で成
長させる。成長速度は詳しくいうと附着温度約
1100―1200℃で3.5μ/分である。ドープ源と
してジボランを用いそして成長が1ミクロンに
及ぶ前のところにおいてHCエツチを1160℃
で行つた。これら高抵抗層を著しくドープされ
たサブストレート上に成長するのでこのサブス
トレートからのオートドープの抑制に意を用い
るべきである。
(1) Low dislocation density, P-type silicon substrate 10 doped with boron at approximately 5×10 17 to 1.2×10 18 cm -3
High resistance (>300Ω−
cm) An epitaxial silicon layer 12 was grown. In order to collect at least 95% of the photoexcited carrier with about 0.825μ radiation, this epitaxial layer is preferably 35μ thick or more. The epitaxial layer is grown in a reactor using dichlorosilane (SiH 2 C 2 ) as the silicon source. In detail, the growth rate is approximately the attachment temperature.
It is 3.5μ/min at 1100-1200℃. Using diborane as the doping source, the HC etch was carried out at 1160°C before the growth reached 1 micron.
I went there. Since these high resistance layers are grown on a heavily doped substrate, care should be taken to suppress autodoping from this substrate.

(2) ついでSiO2層をこのエピタキシヤル層の上
に形成したがこれは湿つたO2雰囲気中例えば
1050℃で2時間かけてシリコンを酸化して行な
つた。標準のフオトリグラフ法によつてガード
リング18を形成させるための開口を酸化物中
に形成した。
(2) A SiO 2 layer was then formed on top of this epitaxial layer, which was e.g.
Silicon was oxidized at 1050°C for 2 hours. An opening was formed in the oxide for the formation of guard ring 18 by standard photolithographic techniques.

(3) 次ぎに燐をこの開口中に拡散させた。供給源
としてPOCを用い900〜950℃で15〜30分
にわたつて燐ガラス層をそこに予備附着させる
ことによつた。この燐ガラス層は取除かれ、そ
してこの燐は1100〜1200℃で30〜60分(臨界的
ではない)かけてN2+0.1%O2雰囲気中で加熱
することによつてエピタキシヤル層12である
下にある部分中に拡散された。この層中にでき
たいくらかの結晶欠陥を減少させるため、この
中間素子構造体(ウエフア)を温度約900℃に
保たれている炉中に入れ、ついで温度を徐々に
1100〜1200℃まで上げた(例えば4〜8℃/
分)。同じ理由から前述の時間の間拡散させた
後温度を900℃まで徐々に下げた。この拡散工
程によつてn型ガードリング18が形成され
た。
(3) Phosphorus was then diffused into this opening. A layer of phosphor glass was predeposited thereon using POC 3 as a source at 900-950°C for 15-30 minutes. The phosphor glass layer is removed and the phosphor is converted into an epitaxial layer by heating at 1100-1200°C for 30-60 minutes (non-critical) in an atmosphere of N2 + 0.1% O2 . 12 was diffused into the underlying portion. In order to reduce some crystal defects formed in this layer, this intermediate device structure (wafer) is placed in a furnace maintained at a temperature of approximately 900°C, and then the temperature is gradually increased.
Raised to 1100-1200℃ (e.g. 4-8℃/
minutes). For the same reason, the temperature was gradually lowered to 900° C. after diffusion for the aforementioned time. Through this diffusion process, an n-type guard ring 18 was formed.

(4) 酸化及びマスキング工程(2)を繰り返してチヤ
ンネルストツプに開口を作つた。
(4) The oxidation and masking step (2) was repeated to create an opening in the channel stop.

(5) ついで硼素をその開口中に拡散したが、950
〜975℃で1〜2時間かけて供給源としてのBN
から硼素ガラス層を開口内に予備附着すること
によつた。この硼素ガラス層は移動されそして
ついでこの硼素は実質上100%O2の雰囲気中、
1100〜1200℃で30〜60分(臨界的でない)かけ
て加熱することによりエピタキシヤル層12の
その下の部分中に拡散された。工程(3)で述べた
のと同様に炉温を900℃を追い込み温度の間で
徐々に変えた。この拡散工程によつてP型チヤ
ンネルストツプ22が形成された。
(5) Boron was then diffused into the opening, but at 950
BN as a source for 1-2 hours at ~975 °C
This was done by pre-depositing a layer of boron glass within the opening. The boron glass layer is transferred and the boron is then removed in an atmosphere of substantially 100% O2 .
It was diffused into the underlying portion of epitaxial layer 12 by heating at 1100-1200° C. for 30-60 minutes (non-critical). As described in step (3), the furnace temperature was set at 900°C and gradually changed between temperatures. A P-type channel stop 22 was formed by this diffusion process.

(6) 酸化及びマスキング工程(2)を再び繰り返して
ガードリング18に近接しそして一部オーバー
ラツプする開口を形成した。次いで硼素イオン
をエピタキシヤル層12の上面中に注入した。
エネルギ及び線量はそれぞれ30〜50KeV及び4
−6×1012cm-2であつた。与えられた素子設計
に対し±5%以内に線量を調整することが特に
重要である。この線量が高過ぎるならば、例え
ば全加熱サイクル(例えば加熱を含むすべての
後続工程の時間及び温度)は、可能であるなら
ば、時間を長くし、及び/又は温度を高くする
ように修正されなければならない。逆に初期線
量が低ければこの素子は非常に小さな利得と高
降状電圧を備えるものとなる。
(6) The oxidation and masking step (2) was repeated again to form an opening adjacent to and partially overlapping the guard ring 18. Boron ions were then implanted into the top surface of epitaxial layer 12.
Energy and dose are 30-50KeV and 4 respectively
-6×10 12 cm -2 . It is especially important to adjust the dose to within ±5% for a given device design. If this dose is too high, the entire heating cycle (e.g. the time and temperature of all subsequent steps including heating) may be modified to longer times and/or higher temperatures, if possible. There must be. Conversely, if the initial dose is low, the device will have very little gain and high voltage drop.

(7) 注入(インプランテイシヨン)後、約1150〜
1250℃で2〜8時間かけて窒素又はアルゴン中
O20.1〜1.0%の雰囲気中で加熱して硼素イオン
をエピタキシヤル層内にドライブした。1200
℃、4時間で例えばこの工程によつて厚さ約6
μのP層14が形成された。しかし、この層は
与えられた操作範囲に対して厚さ2〜12μであ
り、300VでM=100を有するAPDに対しては5
〜7μが望ましい。工程(3)及び(5)のように炉温
を900℃とドライブ温度との間で傾斜させた。
(7) After injection (implantation), approximately 1150 ~
At 1250℃ for 2-8 hours in nitrogen or argon.
Boron ions were driven into the epitaxial layer by heating in an O 2 0.1-1.0% atmosphere. 1200
℃ for 4 hours.
A P layer 14 of μ was formed. However, this layer is 2-12μ thick for a given operating range and 5μ for an APD with M=100 at 300V.
~7μ is desirable. The furnace temperature was ramped between 900°C and the drive temperature as in steps (3) and (5).

(8) 次いで全ウエフアを約1050℃で1時間かけて
再酸化した。サブストレート10の裏面のみ酸
化をはがした。
(8) All wafers were then reoxidized at approximately 1050° C. for 1 hour. The oxidation was removed only from the back side of the substrate 10.

(9) 供給源としてPOCを用いて、次いで燐
ガラス層をサブストレート10の裏面に形成し
た。他の燐供給源例えばPBr3も前記燐予備沈
積と同様にこの予備沈積で適当である。実質上
N2+0.1%O2の雰囲気で1000〜1100℃で30〜60
分加熱してその裏面に燐を拡散した。燐原子に
よつてもたらされた歪及び/又は不順応性転位
は不純物(特に急速拡散の金属不純物)及びそ
の他の欠陥核形成位置をゲツターするのに有効
である。この工程はこの発明のAPDにおいて
暗電流の減少に著しい役割をした。工程(3)及び
(5)と同様、炉温を900℃と拡散温度の間で徐々
に上げる。
(9) A phosphor glass layer was then formed on the backside of the substrate 10 using POC 3 as a source. Other phosphorus sources, such as PBr 3 , are also suitable in this pre-deposition as well as in the phosphorus pre-deposition described above. substantially
30-60 at 1000-1100℃ in N2 + 0.1% O2 atmosphere
The phosphorus was diffused onto the backside by heating for 1 minute. The strain and/or maladaptive dislocations introduced by the phosphorus atoms are effective in getting impurities (particularly rapidly diffusing metal impurities) and other defect nucleation sites. This process played a significant role in reducing dark current in the APD of this invention. Step (3) and
As in (5), gradually raise the furnace temperature between 900℃ and the diffusion temperature.

(10) 次に、その裏面の燐ガラス層を除去しそして
このウエフアを約900℃で10分間再度酸化し
た。標準的なフオトリソグラフ法を用いてこの
酸化物をマスクしそしてn+層16に開口をつ
くつた。
(10) The phosphor glass layer on the back side was then removed and the wafer was reoxidized at about 900 °C for 10 minutes. Standard photolithography techniques were used to mask the oxide and create openings in the n + layer 16.

(11) n+層16を燐予備附着(即ちPOCによ
る燐ガラス層の沈積)を用い、次いで約920〜
930℃で20〜30分間、実質上N2+0.1%O2の雰
囲気中で加熱して形成した。次いでこのガラス
層を除去した。この工程により厚さ約0.3μの
n+層が得られた。後続の加熱工程で、0.1〜1.0
μが適当であるが特に好適な約0.4μに厚さが
ふやされた。代わりに、ヒ素予備沈積又はヒ素
イオン注入とドライブイン(追い込み)により
n+層を形成することもできる。この工程は前
の注入硼素を補いそしてこれによつてp―n+
接合の深さを定める。時間及び温度はそのより
深い拡散に臨界的でありP層中の全変化を少な
くそして降伏電圧を増大させる。そして注入―
ドライブ工程(6)及び(7)に関連するこの工程は所
望の三角電界分布を形成する。
(11) The n + layer 16 is deposited using phosphorous predeposition (i.e., deposition of a phosphorous glass layer by POC 3 ) and then
It was formed by heating at 930° C. for 20-30 minutes in an atmosphere of substantially N 2 +0.1% O 2 . This glass layer was then removed. This process results in a thickness of approximately 0.3μ.
An n + layer was obtained. In the subsequent heating step, 0.1-1.0
The thickness was increased to approximately 0.4μ, where μ is suitable but particularly preferred. Alternatively, by arsenic pre-deposition or arsenic ion implantation and drive-in
It is also possible to form an n + layer. This step supplements the previous boron implant and thereby p−n +
Determine the depth of the joint. Time and temperature are critical to its deeper diffusion, reducing the total change in the P layer and increasing the breakdown voltage. And injection-
This step in conjunction with drive steps (6) and (7) creates the desired triangular electric field distribution.

(12) この中間段階でこの素子について試験がなさ
れその電流―電圧特性及び漏洩電流が測定され
た。仕様に合致するそれらダイオードを後続操
作にかけた。仕様に合致しない臨界P層14中
でオーバードープにされたものは仕様になるま
で注意して加熱された。試験及び再加熱を素子
が仕様に合致するまで反覆できる。
(12) At this intermediate stage, the device was tested and its current-voltage characteristics and leakage current were measured. Those diodes that met specifications were subjected to subsequent operations. Those that were overdoped in critical P layer 14 that did not meet specifications were carefully heated to specifications. Testing and reheating can be repeated until the device meets specifications.

(13) 仕様に合致した素子には周知の乾式酸化法
により薄いSiO2層40(約100―200オングス
トローム)が被覆される。
(13) Devices meeting specifications are coated with a thin layer 40 of SiO 2 (approximately 100-200 angstroms) using well-known dry oxidation techniques.

(14) 次にこのSiO2層を約850〜950℃で10〜30分
間、N2中にHC1―5%入つている雰囲気中
でアニールにかけた。この工程は酸化物中の
Naイオンのような移動イオンを効果的にゲツ
ターし又は捕捉して漏洩電流を少なくするため
に重要である。
(14) This SiO 2 layer was then annealed at approximately 850–950 °C for 10–30 min in an atmosphere of 1–5% HC in N 2 . This process is carried out in oxides.
This is important for effectively getting or trapping mobile ions such as Na ions to reduce leakage current.

(15) 捕捉後、Si3N4の1/4波長層42(この物質
中において測定されるようにλに対して約1000
オングストローム)を化学蒸着法を用いて
SiO2層40上に沈積する。層40及び42は
外部不純物に対して素子を不動態化するのに役
立ちそしてガードリング18にかこまれる作用
領域においては反射防止被膜として働く。
(15) After capture, a quarter-wave layer 42 of Si 3 N 4 (approximately 1000
angstrom) using chemical vapor deposition
Deposit on the SiO 2 layer 40. Layers 40 and 42 serve to passivate the device against external impurities and act as an antireflection coating in the active area surrounded by guard ring 18.

(16) 次いで、ガードリング及びチヤンネルスト
ツプのフイールドプレート20及び24のため
層40及び42にコンタクトウインドーをあけ
た。
(16) Contact windows were then opened in layers 40 and 42 for the field plates 20 and 24 of the guard ring and channel stop.

(17) ついで、サブストレート(初め厚さ約500
μ)の裏面をエツチし又はラツプしてその約75
μを取除きこれにより前記拡散工程(例えばゲ
ツタリング工程(9)で作つた燐層を取り除く。接
触抵抗を下げるため、硼素イオンを線量2〜4
×1015cm-2に対し約30―50KeVでその裏面に注
入する。ついで硼素イオンを窒素雰囲気中約
750〜800℃で30〜60分間加熱して活性にする。
(17) Next, the substrate (initially about 500 mm thick)
Etch or wrap the back side of μ) and approximately 75
μ is removed, thereby removing the phosphorus layer formed in the diffusion step (for example gettering step (9)). To lower the contact resistance, boron ions are added at a dose of 2 to 4
Inject into the back side at approximately 30-50 KeV for ×10 15 cm -2 . Then boron ions are added to the nitrogen atmosphere.
Activate by heating at 750-800℃ for 30-60 minutes.

(18) 適当なマスキングを用いて、PtSi―Ti―Pt
―Au金属化法で金属を附着させてガードリン
グ及びチヤンネルストツプの各フイールドプレ
ート20及び24を形成した。π―p及びπ―
n接合の表面部34及び36のイオン集積をさ
けるために、これらフイールドプレートを各冶
金接合にオーバーラツプさせる。この酸化物―
窒化物層はこれら層より薄いのでそして高い逆
バイアス電圧が印加されるので、このようなオ
ーバーラツプ形態でないと、表面のミクロプラ
ズマ及び/又は漏洩電流によつてインパルス雑
音が生ずるのである。
(18) Using appropriate masking, PtSi―Ti―Pt
- The field plates 20 and 24 of the guard ring and channel stop were formed by depositing metal using the Au metallization method. π-p and π-
To avoid ion accumulation on the n-junction surfaces 34 and 36, these field plates overlap each metallurgical junction. This oxide-
Since the nitride layers are thinner than these layers and a higher reverse bias voltage is applied, without this overlap configuration, impulse noise is generated by surface microplasma and/or leakage currents.

(19) 次にこの素子をN2+8〜15%H2の雰囲気
中、300〜320℃で約16―24時間アニールした。
表面状態密度を減らしそして接触層中のAuを
アニールして密着性を改善するためである。
(19) The device was then annealed at 300-320° C. for about 16-24 hours in an atmosphere of N 2 +8-15% H 2 .
This is to reduce the surface state density and anneal the Au in the contact layer to improve adhesion.

(20) 最後に、Ti―Au合金層26をサブストレ
ート10上に附着せしめた。導電性エポキシ層
28を用いてAPDをセラミツク取付けブロツ
ク32のAu層にボンドした。
(20) Finally, a Ti--Au alloy layer 26 was deposited on the substrate 10. A conductive epoxy layer 28 was used to bond the APD to the Au layer of the ceramic mounting block 32.

上述の手順により、我々はn+―p―π―p+
リコンAPDを製造した。ここでは例えばP+サブ
ストレート10は厚さ500μであり、エピタキシ
ヤルπ層12は厚さ50μでそして抵抗300Ω―cm
以上を有し、イオン注入P層14は厚さ約6μで
そして実質上三角形電界分布を有し、そしてn+
層16は厚さ約0.4μであつた。作用領域44の
直径は約100μであり、ガードリング18の内径
及び外径はそれぞれ180μ及び290μであり、そし
てチヤンネルストツプ22のそれらはそれぞれ
350μ及び480μであつた。
By the above procedure, we fabricated n + -p-π-p + silicon APDs. Here, for example, the P + substrate 10 is 500μ thick and the epitaxial π layer 12 is 50μ thick and has a resistance of 300Ω-cm.
or more, the ion-implanted P layer 14 is about 6μ thick and has a substantially triangular electric field distribution, and n +
Layer 16 was approximately 0.4μ thick. The diameter of the active area 44 is approximately 100μ, the inner and outer diameters of the guard ring 18 are 180μ and 290μ, respectively, and those of the channel stop 22 are approximately 100μ.
They were 350μ and 480μ.

室温でのCW動作二重ヘテロ構造GaAs―A
GaAs接合レーザーからの輻射線(λ=0.825μ)
はフアイバーを経てこのAPDの作用領域に接続
された。
CW operation at room temperature double heterostructure GaAs-A
Radiation from GaAs bonding laser (λ=0.825μ)
was connected to the active area of this APD via a fiber.

このAPDをP層14及びπ層12を100Vで完
全に空乏にしそして降伏電圧375Vで操作した。
この電圧範囲にわたつて5〜数百の電流利得が達
成された。利得100で過剰雑音指数はシヨツト雑
音限界を超える単に4〜6であつた。全暗電流は
約10-11Aにすぎずそして最終的に増加されるそ
の部分は約10-13Aであつた。量子効率は95%を
越えそして応答速度は約1nsであつた。光レシー
バー中に組込まれた際、感度は0.825μそして
44.7メガビツト/秒で−55dBmであつた。信頼度
の立場からは、故障平均時間は200℃のバイアス
ストレスエイジング試験によれば約103〜104時間
であつた。このAPDの製造に使われる更に重要
なパラメーターに対する指定値は次の通りであ
る。
The APD was operated with P layer 14 and π layer 12 fully depleted at 100V and a breakdown voltage of 375V.
Current gains of 5 to several hundred were achieved over this voltage range. At a gain of 100 the excess noise figure was only 4-6, exceeding the shot noise limit. The total dark current was only about 10 -11 A and the final increased portion was about 10 -13 A. The quantum efficiency was over 95% and the response speed was about 1 ns. When incorporated into an optical receiver, the sensitivity is 0.825μ and
It was -55 dBm at 44.7 Mbit/s. From a reliability standpoint, the mean time to failure was about 10 3 to 10 4 hours according to a bias stress aging test at 200°C. The specified values for the more important parameters used in the manufacture of this APD are as follows.

工程(3)において、燐は1200℃で1時間拡散され
た。
In step (3), phosphorus was diffused at 1200°C for 1 hour.

工程(5)において、硼素は1150℃で1時間拡散さ
れた。
In step (5), boron was diffused at 1150°C for 1 hour.

工程(6)において、硼素は線量5.5×1012cm-2±5
%に対し電圧150KeVで注入された。
In step (6), the dose of boron is 5.5×10 12 cm -2 ±5
% was implanted at a voltage of 150 KeV.

工程(7)において、硼素イオンは1200℃で4時間
ドライブされた。
In step (7), boron ions were driven at 1200°C for 4 hours.

工程(9)において、裏面の燐ガラス層を1100℃で
1時間加熱した。
In step (9), the phosphor glass layer on the back side was heated at 1100°C for 1 hour.

工程(11)において、P層の燐ガラス層を925℃で
30分間加熱した。
In step (11), the phosphor glass layer of the P layer is heated at 925℃.
Heat for 30 minutes.

工程(14)において、SiO2層をN2+5%HC
中、900℃で10分間アニールした。
In step (14), the SiO 2 layer is heated with N 2 +5% HC.
Annealed at 900°C for 10 minutes.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に基づいて製造されたn+―p
―π―p+シリコンAPDの斜視図である。第2図
は電界及び増加フアクター分布のグラフである。 〔主要部分の符号の説明〕 10……P+サブ
ストレート、12……πシリコン層、14……P
層、16……n+層、18……ガードリング、2
2……チヤンネルストツプ。
Figure 1 shows n + -p manufactured according to the present invention.
-π-p + It is a perspective view of a silicon APD. FIG. 2 is a graph of electric field and increase factor distribution. [Explanation of symbols of main parts] 10...P + substrate, 12...π silicon layer, 14...P
Layer, 16...n + layer, 18... Guard ring, 2
2...Channel stop.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 フロント照射n―p―π―p+シリコン・ア
バランシユ・フオトダイオードの製法であつて、 (a) 低転位密度で、高導電性のp型シリコン・サ
ブストレート上に、高抵抗性π型シリコン層を
エピタキシヤル成長させ、 (b) 燐拡散によりそのπ層中にn型ガードリング
を形成し、 (c) 硼素拡散によりそのπ層中、ガードリング
の、まわりにp型チヤンネルストツプを形成
し、 (d) 工程(b)及び(c)の間の拡散温度を徐々に変化さ
せて結晶欠陥を低減せしめ、 (e) ガードリング内のπ層の表面部分中に硼素イ
オンを注入し、 (f) 加熱により注入硼素イオン中にドライブをか
けてp層を形成し、 (g) そのp層中にn+層を形成せしめ、 (h) 少なくとも該n+層上反射防止被膜を、そし
て、該ガードリングとチヤンネルストツプの間
の領域に不働態化被膜を形成せしめ、そして (i) 該サブストレート、ガードリング及びチヤン
ネルストツプに電気コンタクトを、ガードリン
グコンタクトはπ―n冶金学的接合の表面部と
オーバーラツプし、該チヤンネルストツプコン
タクトは、π―p冶金学的接合の表面部とオー
バーラツプするように形成し、そして (j) 該注入工程(e)、ドライブ工程(f)及び形成工程
(g)を、加熱を含む後続工程と組合せて相互に適
合せしめ、その結果のp層の電界分布が、実質
的に三角形であり、所望の大きさとなる諸工程
を特徴とする製法。 2 特許請求の範囲第1項に記載の製法におい
て、(k)燐を基板裏面へ導入する工程、及び前記工
程(k)において前記温度変化工程(d)を行なうことを
特徴とする製法。 3 特許請求の範囲第1項または第2項に記載の
製法において、 (h)工程中の反射防止被膜及び不働態化被膜形成を
行うについて、 (1) 薄いSiO2層形成、 (2) HCl含有雰囲気中高温で該SiO2層のアニール (3) 該SiO2層上にSi3N4層厚さ約1/4波長を形成に
よつて行うことを特徴とする製法。 4 特許請求の範囲第1項または第2項または第
3項に記載の製法において、 (a)工程でそのエピタキシヤル層を厚さ少なくと
も30μそして抵抗率少なくとも300Ω−cmを有す
るように成長せしめ、 (f)工程でその硼素イオンをドライブしてp層厚
さ約2―12μを形成し、そして (g)工程でそのn+層を厚さ約0.1―1.0μを有する
ように形成する、ことを特徴とする波長約0.8μ
〜0.9μの輻射線を検知するに適当なダイオード
の製法。 5 特許請求の範囲第1項または第4項に記載の
製法において、 (e)工程で30〜150KeV硼素イオンをドーズ量約
4〜6×1012cm-2で注入し、そして (f)工程で該硼素イオンを実質上N2+0.1〜1.0%
O2の雰囲気中で2〜8時間、約1150〜1250℃に
加熱してドライブインすることを特徴とする製
法。 6 特許請求の範囲第1項または第4項または第
5項に記載の製法において、 (d)工程で温度をその拡散温度とより低い高温と
の間で徐々に変化させ、 (k)工程で燐は、燐ガラス層を付着しそして30〜
60分間、約1000〜1100℃に加熱することによつて
導入され、 (h)の(2)工程中で該SiO2層はHC約1〜5%含
有の雰囲気中で10〜30分間約850〜950℃でアニー
ルされることを特徴とする製法。 7 特許請求の範囲第2項または第3項または第
4項または第5項または第6項に記載の製法にお
いて、 (k)工程で該燐ガラス層をPOCを供給源と
して被着することを特徴とする製法。 8 特許請求の範囲第1項に記載の製法におい
て、 電気接点をそのサブストレートに形成する (i)工程に、 (1) そのサブストレート裏面を十分取除いて前工
程で形成された燐ドープ層を取除き、 (2) 電圧約30〜50KeV、線量約2〜4×1012cm-2
でその裏面に硼素イオンを注入し、そして (3) 約750〜800℃、30〜60分間窒素雰囲気中で加
熱することを特徴とする製法。 9 特許請求の範囲第1項に記載の製法におい
て、 (i)工程の後に実質N2+8〜15%H2雰囲気中で
温度300〜320℃、時間16〜24時間でアニールする
工程を含むことを特徴とする製法。 10 特許請求の範囲第1項または第4項または
第5項または第6項または第7項に記載の製法に
おいて、 (b)工程において第1に温度約900〜950℃、15〜
30時間で燐ガラス層を被着し、次いで炉の温度を
900℃としてから製造されるデバイスを実質N2
0.1%O2雰囲気を有する該炉の中へ配置し、次い
で温度を徐々に約1100〜1200℃まで上昇させた後
所望の燐の拡散を得るように温度を約30〜60分間
一定に保ち、次いで徐々に温度を900℃まで下げ
て該デバイスを炉から取出すことによつてガード
リングを形成し、 (c)工程で第1に硼素ガラス層を約950〜975℃、
1〜2時間で被着し、次いで当該ガラス層を除去
した後炉の温度を約900℃まで下げ、実質100%
O2雰囲気の炉の中へ製造されるデバイスを配置
し、次いで炉内の温度を約1100〜1200℃まで徐々
に上昇させた後所望の硼素の拡散が得られるよう
に約30〜60分間温度を一定に保ち、次いで徐々に
温度を900℃まで下げた後炉内から製造されるデ
バイスを取り出すことよつてチヤンネルストツプ
を形成し、 (f)工程で炉の温度を(b)工程または(c)工程と同様
に約900℃と硼素イオンのドライブイン温度との
間で徐々に変化させ、そして(k)工程で炉の温度を
(b)工程または(c)工程と同様に900℃と燐導入に対
する加熱温度との間で徐々に変化させることを特
徴とする製法。
[Claims] 1. A method for manufacturing a front-illuminated n-p-π-p + silicon avalanche photodiode, comprising: (a) on a low dislocation density, highly conductive p-type silicon substrate; A highly resistive π-type silicon layer is grown epitaxially, (b) an n-type guard ring is formed in the π layer by phosphorus diffusion, and (c) a p-type guard ring is formed in the π layer and around the guard ring by boron diffusion. (d) gradually changing the diffusion temperature between steps (b) and (c) to reduce crystal defects; (e) forming a channel stop in the surface portion of the π layer within the guard ring; implanting boron ions, (f) driving the implanted boron ions by heating to form a p layer, (g) forming an n + layer in the p layer, (h) at least above the n + layer; an anti-reflective coating and a passivating coating in the area between the guard ring and the channel stop; and (i) providing an electrical contact to the substrate, the guard ring and the channel stop, the guard ring contact being (j) the implantation step (e); Drive process (f) and forming process
(g) in combination with subsequent steps including heating to make them mutually compatible, so that the resulting electric field distribution in the p-layer is substantially triangular and of the desired magnitude. 2. The manufacturing method according to claim 1, characterized in that (k) the step of introducing phosphorus to the back surface of the substrate, and the temperature changing step (d) in the step (k). 3. In the manufacturing method according to claim 1 or 2, forming an antireflection coating and a passivation coating during the (h) process includes (1) forming two thin SiO layers, (2) HCl A manufacturing method characterized in that: (3) annealing of the SiO 2 layer at a high temperature in a containing atmosphere; and forming 4 Si 3 N layers about 1/4 wavelength thick on the SiO 2 layer. 4. A method according to claim 1 or 2 or 3, in which step (a) the epitaxial layer is grown to a thickness of at least 30 μm and a resistivity of at least 300 Ω-cm; (f) driving the boron ions to form a p-layer with a thickness of about 2-12μ; and (g) forming the n + layer with a thickness of about 0.1-1.0μ; Characterized by a wavelength of approximately 0.8μ
A method of manufacturing a diode suitable for detecting radiation of ~0.9μ. 5. In the manufacturing method according to claim 1 or 4, in step (e), 30 to 150 KeV boron ions are implanted at a dose of about 4 to 6 x 10 12 cm -2 , and in step (f) The boron ions are substantially reduced to N 2 +0.1 to 1.0%.
A manufacturing method characterized by heating and drive-in at approximately 1150-1250°C for 2-8 hours in an O 2 atmosphere. 6. In the manufacturing method according to claim 1, 4, or 5, in step (d) the temperature is gradually changed between the diffusion temperature and a lower high temperature, and in step (k) Phosphorus adheres the phosphor glass layer and 30~
In step (h) (2), the SiO 2 layer is heated to about 850 °C for 10 to 30 minutes in an atmosphere containing about 1 to 5% HC. A manufacturing method characterized by annealing at ~950℃. 7. In the manufacturing method according to claim 2 or 3 or 4 or 5 or 6, in step (k) depositing the phosphor glass layer using POC 3 as a source. A manufacturing method characterized by 8. In the manufacturing method according to claim 1, in step (i) of forming electrical contacts on the substrate, (1) the back surface of the substrate is sufficiently removed to remove the phosphorus-doped layer formed in the previous step. (2) Voltage approximately 30 to 50 KeV, dose approximately 2 to 4 × 10 12 cm -2
A manufacturing method characterized by implanting boron ions into the back surface thereof, and (3) heating at approximately 750 to 800°C for 30 to 60 minutes in a nitrogen atmosphere. 9. The manufacturing method according to claim 1, including the step of annealing after step (i) at a temperature of 300 to 320° C. for 16 to 24 hours in a substantially N 2 + 8 to 15% H 2 atmosphere. A manufacturing method characterized by 10 In the manufacturing method according to claim 1 or 4 or 5 or 6 or 7, in the step (b), the temperature is first about 900 to 950°C, 15 to
Deposit the phosphor glass layer for 30 hours, then reduce the furnace temperature.
Devices manufactured at 900°C are heated to virtually N 2 +
placed in the furnace with 0.1% O 2 atmosphere, then gradually increase the temperature to about 1100-1200 °C and then keep the temperature constant for about 30-60 minutes to obtain the desired phosphorus diffusion; Next, a guard ring is formed by gradually lowering the temperature to 900°C and taking out the device from the furnace, and in step (c), the boron glass layer is first heated at about 950-975°C.
The glass layer was deposited in 1 to 2 hours, and after removing the glass layer, the temperature of the furnace was lowered to about 900℃, and the glass layer was completely coated.
Place the device to be fabricated into a furnace with O2 atmosphere, and then gradually increase the temperature in the furnace to about 1100-1200 °C and then keep the temperature for about 30-60 minutes to obtain the desired boron diffusion. The channel stop is formed by keeping the temperature constant and then gradually lowering the temperature to 900°C and then taking out the manufactured device from the furnace. As in step c), the temperature of the furnace is gradually changed between approximately 900℃ and the drive-in temperature of boron ions, and in step (k), the temperature of the furnace is increased.
A manufacturing method characterized by gradually changing the heating temperature between 900°C and the heating temperature for phosphorus introduction, similar to step (b) or step (c).
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