RU108883U1

RU108883U1 - SILICON PIN PHOTODIOD

Info

Publication number: RU108883U1
Application number: RU2011118021/28U
Authority: RU
Inventors: Лариса Альбертовна Косухина; Галина Владимировна Либерова; Марина Олеговна Мирошниченко; Павел Евгеньевич Хакуашев; Инна Викторовна Чинарева
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН"
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2011-09-27

Abstract

1. Кремниевый pin-фотодиод, содержащий подложку, фоточувствительную область и область охранного кольца, выполненные в подложке со стороны воздействия излучения, контактный слой, выполненный на другой стороне подложки, двухслойные контакты из слоя золота и подслоя хрома к фоточувствительной области и области охранного кольца, изолирующую и просветляющую пленку и отражающую контактную систему, расположенную на контактном слое, отличающийся тем, что отражающая контактная система состоит из пленок хрома и золота, причем толщина пленки хрома составляет 5-6 нм. ! 2. Кремниевый pin-фотодиод по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена p-типа проводимости, фоточувствительная область и область охранного кольца - n+-типа проводимости, а контактный слой - p+-типа проводимости. 1. Silicon pin photodiode containing a substrate, a photosensitive region and a guard ring region made in the substrate from the side of radiation exposure, a contact layer made on the other side of the substrate, two-layer contacts made of a gold layer and a chromium sublayer to the photosensitive region and the guard ring region, an insulating and antireflective film and a reflective contact system located on the contact layer, characterized in that the reflective contact system consists of chromium and gold films, and the thickness of the chromium film is 5-6 nm. ! 2. The silicon pin photodiode according to claim 1, characterized in that the substrate is made of p-type conductivity, the photosensitive region and the guard ring region are of the n + type of conductivity, and the contact layer is of the p + type of conductivity.

Description

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод (ФД) относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению с длиной волны 1,06 мкм. Он предназначен для использования в различной электронно-оптической аппаратуре, в которой требуется регистрация коротких импульсов лазерного излучения (10-40 нс), прежде всего с длиной волны 1,06 мкм. К такой аппаратуре относятся лазерные дальномеры, системы наведения по лучу, обнаружители лазерного излучения, системы защиты танков от лазерного оружия, высокоточное оружие и другие системы [1].The inventive silicon pin photodiode (PD) relates to the field of semiconductor devices sensitive to radiation with a wavelength of 1.06 μm. It is intended for use in various electron-optical equipment, which requires registration of short laser pulses (10-40 ns), primarily with a wavelength of 1.06 μm. Such equipment includes laser rangefinders, beam guidance systems, laser radiation detectors, systems for protecting tanks from laser weapons, high-precision weapons and other systems [1].

Известен кремниевый pin-фотодиод (патент на полезную модель РФ №82381 U1, ОАО «Московский завод «Сапфир») чувствительный к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм и содержащий подложку p-типа проводимости, в которой со стороны воздействия излучения сформированы фоточувствительная область n⁺-типа рабочего p-n-перехода и область охранного кольца, а на другой стороне подложки сформирована область p⁺-типа омического контакта.A silicon pin photodiode is known (patent for utility model of the Russian Federation No. 82381 U1, Moscow Sapphire Plant OJSC) sensitive to radiation in the wavelength range of 0.4-1.2 μm and containing a p-type substrate, in which In the case of radiation, a photosensitive region of the n ⁺ type of the working pn junction and a guard ring region are formed, and a region of the p ⁺ type of ohmic contact is formed on the other side of the substrate.

Известен pin-фотодиод (В.П.Астахов и др., Результаты замены радиационно-сплавной технологии изготовления фотодиодов из InSb на планарную имплантацию. Физика твердого тела. Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского, 2009 г., №5, с.48-54), в котором двухслойные металлические контакты к фоточувствительной области и области охранного кольца состоят из слоя золота (Аu) толщиной 800 нм и подслоя хрома (Сr) толщиной 80 нм.Known pin-photodiode (V.P. Astakhov et al., The results of the replacement of radiation-alloy technology for the manufacture of InSb photodiodes by planar implantation. Solid state physics. Bulletin of the Nizhny Novgorod University named after N.I. Lobachevsky, 2009, No. 5, p. 48-54), in which the two-layer metal contacts to the photosensitive region and the guard ring region consist of a gold layer (Au) 800 nm thick and a chromium sublayer (Cr) 80 nm thick.

Известен кремниевый pin-фотодиод (US 2010/0240203 A1, Harvard University, дата публикации 23.09.2010 г.) в котором двухслойные контакты выполнены из слоя золота с подслоем хрома. При этом фотодиод содержит отражающую контактную систему, состоящую из пленок золота и хрома.A silicon pin photodiode is known (US 2010/0240203 A1, Harvard University, publication date 09/23/2010) in which the two-layer contacts are made of a gold layer with a chromium sublayer. In this case, the photodiode contains a reflective contact system consisting of films of gold and chromium.

Известен кремниевый pin-фотодиод большой площади (патент на полезную модель РФ №56069 U1, ФГУП «НПО «Орион») чувствительный на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм и принятый в качестве прототипа. В подложке из монокристаллического кремния p-типа проводимости с помощью диффузии фосфора через пленку двуокиси кремния (SiO₂) сформированы области n⁺-типа проводимости: фоточувствительная область и область охранного кольца. На другой стороне подложки сформирован контактый слой p⁺-типа проводимости. Создание двухслойных омических контактов к фоточувствительной области, области охранного кольца и контактному слою p⁺-типа проводимости осуществлялось путем нанесения пленки золота с подслоем титана. Указанным патентом защищено изделие ФД 342, изготавливаемое ФГУП «НПО «Орион». Указанный фотодиод работает при напряжении 70 В. Недостатком этого прибора является низкий уровень монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм. Кроме того, процент выхода годных фотодиодов по чувствительности не превышает 85%.Known silicon pin-photodiode large area (patent for utility model of the Russian Federation No. 56069 U1, FSUE "NPO" Orion ") sensitive at wavelengths of 1.06 μm and 0.9 μm and adopted as a prototype. In a substrate of p-type monocrystalline silicon using phosphorus diffusion through a film of silicon dioxide (SiO ₂ ), n ⁺ -type conductivity regions are formed: a photosensitive region and a guard ring region. On the other side of the substrate, a p ⁺ type conductivity contact layer is formed. The creation of two-layer ohmic contacts to the photosensitive region, the region of the guard ring, and the contact layer of the p ⁺ type of conductivity was carried out by applying a gold film with a titanium sublayer. This patent protects the product ФД 342 manufactured by FSUE NPO Orion. The specified photodiode operates at a voltage of 70 V. The disadvantage of this device is the low level of monochromatic pulse sensitivity to a wavelength of 1.06 μm. In addition, the percentage of yield of suitable photodiodes in sensitivity does not exceed 85%.

Задачей полезной модели является повышение значения монохроматической импульсной чувствительности к длине волны 1,06 мкм и увеличение процента выхода годных приборов до 98%.The objective of the utility model is to increase the value of monochromatic pulse sensitivity to a wavelength of 1.06 μm and increase the percentage of suitable devices to 98%.

Технический результат достигается тем, что кремниевый pin-фотодиод, содержит подложку, фоточувствительную область и область охранного кольца, выполненные в подложке со стороны воздействия излучения, контактный слой, выполненный на другой стороне подложки, двухслойные контакты из слоя золота и подслоя хрома к фоточувствительной области и области охранного кольца, изолирующую и просветляющую пленку, отражающую контактную систему, расположенную на контактном слое и состоящую из пленок хрома и золота, причем толщина пленки хрома составляет 5-6 нм.The technical result is achieved by the fact that the silicon pin photodiode contains a substrate, a photosensitive region and a guard ring region made in the substrate on the side of radiation, a contact layer made on the other side of the substrate, two-layer contacts made of a gold layer and a chromium sublayer to the photosensitive region and the area of the guard ring, an insulating and antireflective film reflecting the contact system located on the contact layer and consisting of chromium and gold films, and the thickness of the chromium film is 5-6 nm.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема кремниевого pin-фотодиода, где:The essence of the utility model is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of a silicon pin-photodiode, where:

1 - подложка p-типа проводимости;1 - p-type substrate conductivity;

2 - фоточувствительная область n⁺-типа проводимости;2 - photosensitive region of n ⁺ type conductivity;

3 - область охранного кольца n⁺-типа проводимости;3 - region of the guard ring of n ⁺ type conductivity;

4 - контактный слой p⁺-типа проводимости;4 - contact layer of p ⁺ type conductivity;

5 - изолирующая и просветляющая пленка;5 - insulating and antireflective film;

6 - слой золота (Аu);6 - a layer of gold (Au);

7 - подслой хрома (Сr);7 - chromium sublayer (Cr);

8 - пленка золота(Аu);8 - a film of gold (Au);

9 - пленка хрома(Сr).9 - film of chromium (Cr).

Кремниевый pin-фотодиод состоит из подложки 1 p-типа проводимости. Со стороны воздействия излучения, в подложке сформирована фоточувствительная область 2 n⁺-типа проводимости и область 3 охранного кольца. На другой стороне подложки сформирован контактный слой 4 p-типа проводимости. Со стороны фотодиода, на которое воздействует излучение, расположена пленка 5 двуокиси кремния (SiO₂), выполняющая функцию изолирующего и просветляющего покрытия. Двухслойные металлические контакты к фоточувствительной области 2 и области 3 охранного кольца состоят из слоя 6 золота и подслоя хрома 7. Отражающая контактная система состоит из пленки золота 8 и пленки хрома 9 толщиной 5-6 нм. Отражающая контактная система расположена на контактном слое 4.Silicon pin photodiode consists of a substrate 1 p-type conductivity. From the side of radiation exposure, a photosensitive region of 2 n ⁺ -type conductivity and region 3 of the guard ring are formed in the substrate. A p-type conductivity contact layer 4 is formed on the other side of the substrate. On the side of the photodiode, which is affected by radiation, is a film of silicon dioxide 5 (SiO ₂ ), which serves as an insulating and antireflective coating. The two-layer metal contacts to photosensitive region 2 and region 3 of the guard ring consist of a gold layer 6 and a chromium sublayer 7. The reflective contact system consists of a gold film 8 and a chromium film 9 with a thickness of 5-6 nm. The reflective contact system is located on the contact layer 4.

Проблемой разработки кремниевых ФД для длины волны 1,06 мкм является малый коэффициент поглощения излучения. Его значение составляет α~10 см^-1 [2]. Вследствие этого даже при весьма большой толщине пластины W~1 мм поглотится только 63% излучения. Из условий, оптимизации рабочего напряжения и быстродействия выбирают еще меньшую толщину пластины, W~450 мкм. Тогда поглощается, при однократном прохождении излучения, только следующая его часть:The problem of developing silicon PDs for a wavelength of 1.06 μm is the low absorption coefficient of radiation. Its value is α ~ 10 cm ^-1 [2]. As a result, even with a very large plate thickness W ~ 1 mm, only 63% of the radiation will be absorbed. From the conditions, optimization of operating voltage and speed, an even smaller plate thickness, W ~ 450 μm, is chosen. Then it is absorbed, with a single passage of radiation, only the following part:

где К - доля поглощенного излучения;where K is the fraction of absorbed radiation;

W - толщина пластины;W is the thickness of the plate;

x - глубина поглощения излучения;x is the depth of radiation absorption;

α - коэффициент поглощения излучения.α is the absorption coefficient of radiation.

Это в два-три раза меньше, чем квантовый выход в окрестности максимума спектральной характеристики ~0,8-0,9 мкм.This is two to three times less than the quantum yield in the vicinity of the maximum spectral characteristic of ~ 0.8-0.9 microns.

В связи с этим создают на тыльной поверхности подложки отражающую контактную систему, которая обеспечивает повторное прохождение излучения. В этом случае квантовый выход повышается до значений:In this regard, create a reflective contact system on the back surface of the substrate, which provides the re-passage of radiation. In this case, the quantum yield increases to values:

Как видно из (1) и (2), чувствительность в этом случае повышается на 60%.As can be seen from (1) and (2), the sensitivity in this case increases by 60%.

Известно, что высокий коэффициент отражения на длине волны 1,06 мкм имеют такие металлы, как медь (90%), серебро (96%), золото (98,6%) [3]. Медь и серебро, как правило, в качестве контактного материала не используются, так как они легко окисляются и образуют твердые растворы с металлами внешнего вывода - золотом и алюминием. Эти твердые растворы имеют повышенное электрическое сопротивление и низкую механическую прочность.It is known that metals such as copper (90%), silver (96%), gold (98.6%) have a high reflection coefficient at a wavelength of 1.06 μm [3]. Copper and silver, as a rule, are not used as contact material, since they are easily oxidized and form solid solutions with metals of the external output - gold and aluminum. These solid solutions have increased electrical resistance and low mechanical strength.

Золото наиболее пригодно для использования в качестве контактного слоя. Однако оно имеет плохую адгезию к кремнию, поэтому необходимо применять двухслойную систему, в которой золото играет роль верхнего проводящего слоя, а нижний металлический слой обеспечивает адгезию к кремнию. В качестве такого материала может быть использован хром, который имеет высокую адгезию к кремнию и создает хороший омический контакт. Недостатком хрома является низкий коэффициент отражения - 57%.Gold is most suitable for use as a contact layer. However, it has poor adhesion to silicon, so it is necessary to use a two-layer system in which gold plays the role of the upper conductive layer, and the lower metal layer provides adhesion to silicon. As such a material, chromium can be used, which has high adhesion to silicon and creates good ohmic contact. The disadvantage of chromium is the low reflection coefficient of 57%.

Известно, что при прохождении излучения через тонкие металлические пленки его интенсивность уменьшается по закону [3]:It is known that when radiation passes through thin metal films, its intensity decreases according to the law [3]:

где I₀ - интенсивность падающего излучения;where I ₀ is the intensity of the incident radiation;

I_х - интенсивность излучения, прошедшего через пленку толщиной х;I _x - the intensity of radiation transmitted through a film of thickness x;

λ - длина волны;λ is the wavelength;

n и k - оптические постоянные металла.n and k are the optical constants of the metal.

Для хрома n=3,59; k=1,26 [3].For chromium n = 3,59; k = 1.26 [3].

Рассчитаем долю прошедшего излучения при толщине пленки хрома в контактной системе pin-фотодиода х=20 нм. Из соотношения (3) следует, что доля прошедшего излучения с длиной волны 1,06 мкм через пленку хрома с учетом двойного прохождения (х=40 нм) составляет 11,7%.We calculate the fraction of transmitted radiation at a chromium film thickness in the contact system of the pin photodiode x = 20 nm. From relation (3) it follows that the fraction of transmitted radiation with a wavelength of 1.06 μm through the chromium film, taking into account double transmission (x = 40 nm), is 11.7%.

Таким образом, для увеличения отражения излучения от отражающей пленки контактной системы необходимо выбрать минимально допустимую толщину пленки хрома так, чтобы она обеспечивала наибольшее пропускание излучения, а отражение происходило от верхней пленки золота.Thus, to increase the reflection of radiation from the reflective film of the contact system, it is necessary to choose the minimum allowable thickness of the chromium film so that it provides the highest transmission of radiation, and reflection occurs from the upper gold film.

Уменьшение толщины пленки хрома возможно до такого уровня, при котором обеспечивается адгезия золота к кремнию.A decrease in the thickness of the chromium film is possible to a level at which the adhesion of gold to silicon is ensured.

Проведенные эксперименты показали, что минимальная толщина пленки хрома, обеспечивающая адгезию контактной системы к кремнию, составляет 5-6 нм. При такой толщине согласно (3) пропускание пленки хрома при двойном прохождении излучения через нее составляет 58,5% и 52,6% соответственно.The experiments showed that the minimum thickness of the chromium film, providing adhesion of the contact system to silicon, is 5-6 nm. With such a thickness, according to (3), the transmission of a chromium film with double passage of radiation through it is 58.5% and 52.6%, respectively.

Пример. В соответствии с заявляемой полезной моделью был спроектирован кремниевый pin-ФД, разработана технология напыления тонких пленок хрома (толщина - 5-6 мкм), изготовлены 3 партии pin-ФД.Example. In accordance with the claimed utility model, a silicon pin-FD was designed, a technology for deposition of thin chromium films (thickness 5-6 μm) was developed, and 3 batches of pin-FD were manufactured.

Напыление контактной системы Cr-Au проводилось на установке L-560 методом резистивного испарения из молибденовых испарителей. Контроль скорости напыления и толщины напыленной пленки осуществлялся in situ с помощью высокочастотного измерителя скорости осаждения и толщины осаждаемых пленок ХТС Инфикон фирмы Leybold-Heraues.The Cr-Au contact system was sprayed on an L-560 installation by resistive evaporation from molybdenum evaporators. The spraying rate and the thickness of the deposited film were monitored in situ using a high-frequency meter of the deposition rate and thickness of the deposited XTC Infikon films manufactured by Leybold-Heraues.

На изготовленных фотодиодах измерялась монохроматическая чувствительность к постоянному (S₀) и импульсному (S_имп) излучению. В таблице 1 приведены сравнительные типовые значения параметров фотодиодов с различными толщинами пленок хрома в контактной системе. Monochromatic sensitivity to constant (S ₀ ) and pulsed (S _imp ) radiation was measured on fabricated photodiodes. Table 1 shows comparative typical values of the parameters of photodiodes with different thicknesses of chromium films in the contact system.

Таблица 1Table 1 Толщина пленки Сr в pin-фотодиодеCr film thickness in pin photodiode S₀ S ₀ S_имп S _imp х=20 нмx = 20 nm 0,270.27 0,220.22 х=5-6 нмx = 5-6 nm 0,430.43 0,330.33

Список литературы.Bibliography.

1. А.М.Филачев, И.И.Таубкин, М.А.Тришенков. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. М.: Физматкнига, 2007 г., 384 с.1. A.M. Filachev, I.I. Taubkin, M.A. Trishenkov. Solid state photoelectronics. Physical fundamentals. M .: Fizmatkniga, 2007, 384 p.

2. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов, М.: Мир, 1984 г., т.2, стр.347.2. S.Z. Physics of Semiconductor Devices, Moscow: Mir, 1984, vol. 2, p. 347.

3. Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике, М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962 г., стр.158, 172, 174.3. N.I. Koshkin, M.G. Shirkevich. Handbook of Elementary Physics, Moscow: State Publishing House of Physics and Mathematics, 1962, p. 158, 172, 174.

Claims

1. Silicon pin photodiode containing a substrate, a photosensitive region and a guard ring region made in the substrate from the side of radiation exposure, a contact layer made on the other side of the substrate, two-layer contacts made of a gold layer and a chromium sublayer to the photosensitive region and the guard ring region, an insulating and antireflective film and a reflective contact system located on the contact layer, characterized in that the reflective contact system consists of chromium and gold films, and the thickness of the chromium film is 5-6 nm.

2. The silicon pin photodiode according to claim 1, characterized in that the substrate is made of p-type conductivity, the photosensitive region and the guard ring region are of the n ⁺ type of conductivity, and the contact layer is of the p ⁺ type of conductivity.