PL198264B1

PL198264B1 - Photodiode

Info

Publication number: PL198264B1
Application number: PL338022A
Authority: PL
Inventors: Jan Bar
Original assignee: Inst Tech Elektronowej
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2008-06-30
Also published as: PL338022A1

Abstract

Fotodioda posiadająca strukturę półprzewodnikową umieszczoną w obudowie, której jedną część stanowi podłoże połączone elektrycznie z kontaktem do obszaru złączowego struktury, znamienna tym, że struktura pół przewodnikowa (4) umieszczona jest w obudowie tak, że jej obszar światłoczuły (7) skierowany jest w stronę podłoża (1) obudowy, przez który jest oświetlany, ponadto po tej samej stronie struktury (4) poza obszarem światłoczu łym (7) znajduje się kontakt do obszaru złączowego (6), który łączy obszar światłoczuły (7) z metalizacją (3) na podłożu (1) obudowy.A photodiode having a semiconductor structure placed in the housing which one part is the substrate electrically connected with a contact to the joint area structure, characterized in that the semi- conductor (4) is placed in the housing so that its photosensitive area (7) faces is towards the housing ground (1) through which is illuminated, moreover, after the same side of the structure (4) outside the photosensitive region there is a contact to a junction area (7) (6) that connects the photosensitive area (7) with metallization (3) on the base (1) of the housing.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest fotodioda oświetlana od strony złączy p-n, przeznaczona do montażu bezdrutowego, stosowana w przyrządach oświetlanych od strony złączy p-n, takich jak detektory scyntylacyjne pracujące w silnym polu magnetycznym.The subject of the invention is a photodiode illuminated from the p-n junction, intended for wireless assembly, used in devices illuminated from the p-n junction, such as scintillation detectors operating in a strong magnetic field.

W przypadku pracy fotodiody w silnych polach elektromagnetycznych, połączenia drutowe mogą ulegać uszkodzeniom, a dodatkowo mogą się w nich indukować szkodliwe zakłócenia. Same połączenia drutowe wprowadzają również szkodliwą indukcyjność.If the photodiode works in strong electromagnetic fields, the wire connections may be damaged, and additionally, harmful interference may be induced in them. The wire connections themselves also introduce harmful inductance.

Znane jest rozwiązanie fotodiody bez połączeń drutowych stosowane w detektorach CMS pracujących w polu magnetycznym. Detektory takie opracowane zostały przez firmę EG & G, a rozwiązanie to dotyczy wyłącznie specjalnej struktury oświetlanej od strony przeciwnej do strony, gdzie są wykonane złącza p-n. Właściwa praca takiego detektora opiera się na zapewnieniu odpowiedniego sprzężenia fotodiody i scyntylatora, co z kolei wymaga stosowania fotodiod o odpowiedniej konstrukcji. Stosowane fotodiody posiadają strukturą półprzewodnikową umieszczoną wewnątrz obudowy. Obudowa najczęściej jest dwudzielna. Jedną część obudowy stanowi podłoże, do którego następnie przyłącza się strukturę i łączy się elektrycznie metalizację obszaru aktywnego struktury z podłożem, a drugą część stanowi przykrywka.There is a known solution of a photodiode without wire connections used in CMS detectors working in a magnetic field. Such detectors were developed by EG & G, and this solution applies only to a special structure illuminated from the side opposite to the side where the p-n junctions are made. Proper operation of such a detector is based on ensuring the appropriate coupling of the photodiode and the scintillator, which in turn requires the use of photodiodes of an appropriate design. The photodiodes used have a semiconductor structure placed inside the housing. The housing is usually divided into two parts. One part of the housing is the substrate to which the structure is then attached and the metallization of the active area of the structure is electrically connected to the substrate, and the other part is the cover.

Zastosowana tu struktura półprzewodnikowa ma po jednej stronie zlokalizowane wyprowadzenia elektryczne, natomiast po drugiej stronie obszar aktywny, w którym zachodzi detekcja promieniowania emitowanego przez scyntylator. W konstrukcji tej wyprowadzenia elektryczne struktury łączą się z metalizacją znajdującą się na podłożu. Struktura opisanej fotodiody wymaga stosowania zaawansowanej technologii a zwłaszcza wieloetapowych, długotrwałych procesów implantacji i epitaksji.The semiconductor structure used here has electric leads on one side, and an active area on the other side, where the radiation emitted by the scintillator is detected. In this construction, the electrical leads of the structure connect with the metallization on the substrate. The structure of the described photodiode requires the use of advanced technology, especially multi-stage, long-term implantation and epitaxy processes.

Znana jest także konstrukcja fotodiody, która ma wyprowadzenia elektryczne i obszar światłoczuły po tej samej stronie. Struktura fotodiody jest montowana w obudowie ceramicznej obszarem światłoczułym skierowanym ku górze. Obudowa ta składa się z metalizowanego podłoża oraz dołączonej do niego dystansowej ramki ceramicznej. W konstrukcji tej elektryczne połączenie obszaru światłoczułego z podłożem jest realizowane poprzez połączenie drutowe, gdzie jeden koniec drutu jest dołączony do metalizacji znajdującej się na powierzchni obszaru światłoczułego, a drugi koniec jest dołączony do metalizacji ceramicznego podłoża.Also known is a photodiode design that has electric leads and a photosensitive region on the same side. The photodiode structure is mounted in the ceramic housing with the photosensitive area facing upwards. The housing consists of a metallized substrate and a ceramic spacer frame attached to it. In this construction, the electrical connection of the photosensitive area with the substrate is achieved by a wire connection, where one end of the wire is connected to the metallization on the surface of the photosensitive area, and the other end is connected to the metallization of the ceramic substrate.

Opisana fotodioda nie może być jednak wykorzystywana w detektorach pracujących w silnym polu magnetycznym, ponieważ połączenia drutowe ulegają uszkodzeniu na skutek działania silnych pól magnetycznych.The described photodiode, however, cannot be used in detectors working in a strong magnetic field, because the wire connections are damaged due to the action of strong magnetic fields.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji fotodiody, która byłaby prostsza w realizacji, a tym samym tańsza, a jednocześnie zapewniałaby odpowiednie połączenia elektryczne, łatwość sprzężenia ze scyntylatorem oraz nie byłaby wrażliwa na silne pole magnetyczne.The aim of the invention is to develop a photodiode structure that would be simpler to implement, and thus cheaper, and at the same time would ensure appropriate electrical connections, ease of coupling with a scintillator, and would not be sensitive to a strong magnetic field.

Istotą wynalazku jest fotodioda posiadająca strukturę półprzewodnikową umieszczoną w obudowie, której jedną część stanowi podłoże połączone elektrycznie z kontaktem do obszaru złączowego struktury. Struktura półprzewodnikowa w obudowie jest umieszczona tak, że jej obszar światłoczuły skierowany jest w stronę podłoża obudowy, przez które jest oświetlany. Po tej samej stronie struktury wokół obszaru światłoczułego znajduje się kontakt do obszaru złączowego, przy czym kontakt ten przynajmniej w jednym miejscu wystaje o co najmniej kilka mikrometrów ponad płaszczyznę obszaru światłoczułego i jest połączony elektrycznie z metalizacją na podłożu obudowy. Korzystnie jest, jeżeli w podłożu obudowy jest otwór o powierzchni równej powierzchni obszaru światłoczułego struktury, przez który jest oświetlany ten obszar, a miejsca wystające kontaktu do obszaru złączowego znajdują się na okręgu.The essence of the invention is a photodiode having a semiconductor structure placed in a housing, one part of which is the substrate electrically connected to the contact area of the structure junction. The semiconductor structure in the housing is positioned with its photosensitive region facing the housing substrate through which it is illuminated. On the same side of the structure there is a contact area around the photosensitive area around the photosensitive area, the contact protruding at least at one point above the plane of the photosensitive area by at least a few micrometers and electrically connected to the metallization on the housing substrate. Preferably, there is an opening in the housing substrate with an area equal to the area of the photosensitive area of the structure through which this area is illuminated, and the contact areas protruding into the interface area are on a circle.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia montowanie bezdrutowe struktur fotodiodowych oświetlanych od strony złączowej, jak oświetlana jest przeważająca większość struktur fotodetektorowych. Oświetlanie od strony złączowej jest znacznie korzystniejsze ze względu na uzyskiwane parametry fotoelektryczne w znacznej większości zastosowań.The solution according to the invention allows for wireless mounting of photodiode structures illuminated from the junction side, as the vast majority of photodetector structures are illuminated. Illumination from the junction side is much more advantageous due to the obtained photoelectric parameters in the vast majority of applications.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania fotodiody lawinowej o średnicy 3 mm, pokazanym na rysunku.The invention is explained in more detail on the embodiment of an avalanche photodiode with a diameter of 3 mm, shown in the drawing.

Figura 1 rysunku przedstawia widok dolnej części obudowy, czyli podłoża.Figure 1 of the drawings is a view of the bottom of the housing, i.e., the substrate.

Figura 2 przedstawia widok struktury półprzewodnikowej od strony obszaru światłoczułego.Figure 2 shows a view of the semiconductor structure from the photosensitive region side.

Figura 3 pokazuje widok z boku struktury półprzewodnikowej umieszczonej na podłożu obudowy.Figure 3 shows a side view of a semiconductor structure placed on the housing substrate.

Figura 4 natomiast pokazuje widok z boku fotodiody, w której struktura przykryta jest osłonką.Figure 4, on the other hand, shows a side view of a photodiode in which the structure is covered with a sheath.

PL 198 264 B1PL 198 264 B1

Fotodioda taka posiada strukturę 4 połączoną elektrycznie z podłożem 1 będącym częścią dwudzielnej obudowy. Struktura tej fotodiody ma metalizację 6 zmodyfikowaną w stosunku do typowych struktur. Modyfikacja ta polega na tym, że typowa (wykonana w procesie wytwarzania struktury) metalizacja stanowiąca kontakt do obszaru złączowego (góra struktury) jest selektywnie pogrubiona. Pogubienia 5 metalizacji 6 wystają ponad powierzchnię struktury od 50 do 100 pm. W opisywanym przykładzie pogrubienia 5 metalizacji 6 dokonano przez selektywne elektrolityczne nałożenie złota (ale może być także nikiel). Pogrubienie 5 metalizacji 6 można uzyskać także przez selektywne naparowywanie lutu miękkiego, dołączanie złotych kulek metodą ultrakompresji lub też dołączanie kulek z lutu miękkiego.Such a photodiode has a structure 4 electrically connected to the substrate 1 which is part of a split housing. The structure of this photodiode has a metallization 6 modified in relation to typical structures. This modification consists in the fact that the typical (made in the process of fabricating the structure) metallization which is the contact to the joint area (top of the structure) is selectively thickened. The strips 5 of the metallization 6 project above the surface of the structure by 50 to 100 µm. In the described example, the thickening 5 of the metallization 6 was achieved by selective electroplating of gold (but may also be nickel). Thickening 5 of the metallization 6 can also be obtained by selective vapor deposition of soft solder, attaching gold beads by ultra-compression method or also attaching soft solder beads.

Tak wykonaną strukturę 4 następnie łączy się z ceramicznym podłożem 1 stanowiącym jedną część obudowy fotodiody. Podłoże 1 ma kształt prostokąta, jest wykonane z ceramiki alundowej 96% o grubości 0,25 mm i ma na środku otwór 2 o średnicy 3 mm. Ponadto od strony połączenia ze strukturą podłoże 1 to posiada obszary 3, na których znajduje się metalizacja złota umożliwiająca połączenie elektryczne z obszarem p+ struktury 4. Metalizacja 3 wykonana jest z użyciem techniki sitodruku. Łączenie to polega w naszym przypadku na przylutowaniu struktury do podłoża, ale może być także prowadzone za pomocą klejenia lub termokompresji.The structure 4 made in this way is then bonded to the ceramic substrate 1 constituting one part of the photodiode housing. The substrate 1 is rectangular in shape, made of 96% alumina ceramic with a thickness of 0.25 mm and has a hole 2 in the center with a diameter of 3 mm. Moreover, on the side of connection with the structure, the substrate 1 has areas 3, on which there is a gold metallization that enables an electrical connection with the p + area of the structure 4. The metallization 3 is made using the screen printing technique. In our case, this connection consists in soldering the structure to the substrate, but it can also be carried out by gluing or thermocompression.

Obszar podłoża struktury fotodiody jest zwierany z metalizacją podłoża przy pomocy żywicy przewodzącej. Otwór 2 w podłożu 1 może być wypełniony materiałem o specjalnych własnościach optycznych. Struktura 4 przykrywana jest pokrywką ceramiczną 9 stanowiącą drugą część obudowy i łączona z podłożem 1 przy pomocy żywicy z wypełniaczem.The substrate area of the photodiode structure is combined with the metallization of the substrate by a conductive resin. The opening 2 in the substrate 1 can be filled with a material with special optical properties. The structure 4 is covered with a ceramic lid 9 constituting the second part of the housing and connected to the substrate 1 by means of a filler resin.

Claims

1. A photodiode having a semiconductor structure placed in a housing, one part of which is a substrate electrically connected to a contact area of the structure junction area, characterized in that the semiconductor structure (4) is arranged in the housing with its photosensitive area (7) facing towards the base (1) of the housing through which it is illuminated, moreover, on the same side of the structure (4), apart from the photosensitive area (7), there is a contact area (6) that connects the photosensitive area (7) with the metallization (3) on the substrate (1) housing.

2. The photodiode according to claim 1 6. A method according to claim 1, characterized in that the substrate (1) has an opening (2) with an area preferably equal to that of the photosensitive area (7) of the structure (4).

3. The photodiode according to claim 1, The apparatus of claim 1, characterized in that the contact to the interface area (6) in at least one location (5) projects at least a few micrometers above the plane of the photosensitive area (7).

4. The photodiode according to claim 1, A material according to claim 1, characterized in that the opening (2) in the substrate (1) is filled with a material with special optical properties (8).

5. The photodiode according to claim 1, The contact area of Claim 1, characterized in that the contact areas (5) into the joint area (6) are on a circle.