RU158474U1

RU158474U1 - Планарный многоплощадочный кремниевый фотодиод

Info

Publication number: RU158474U1
Application number: RU2014151141/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Астахов; Павел Дмитриевич Гиндин; Наталья Игоревна Евстафьева; Елена Федоровна Карпенко; Владимир Владимирович Карпов; Геннадий Михайлович Лихачев; Галина Васильевна Чеканова; Владимир Игоревич Шаевич; Евгений Анатольевич Шведов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Швабе-Фотосистемы"
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-01-10

Abstract

Планарный многоплощадочный кремниевый фотодиод, содержащий кремниевую подложку n-типа проводимости, в которой на рабочей стороне выполнены планарные p-n-переходы, образующие отдельные фоточувствительные площадки и охранное кольцо, являющееся единым дополнительным короткозамкнутым p-n переходом, окружающим каждую площадку, планарные n-области омических контактов к базе, электрически соединенные с p-областью охранного кольца, на поверхности планарной структуры сформирована пленка SiO, в которой выполнены окна к p-областям площадок и охранного кольца и n-областям омического контакта для обеспечения электрического контакта этих областей со слоем алюминия, нанесенным на пленку SiOи формирующим контактную систему, состоящую из контактов к каждой площадке и участков, закорачивающих n-области омического контакта к базе и p-области охранного кольца, отличающийся тем, что подложка имеет удельное сопротивление в диапазоне (4,5÷20) Ом·см.

Description

Заявляемый планарный многоплощадочный кремниевый фотодиод (ФД) относится к полупроводниковым приборам, чувствительным в диапазоне длин волн (0,4-1,2)мкм и применяемым в фотовольтаическом режиме включения в системах отображения рельефа при низких уровнях засветки. К таким приборам предъявляются требования квантовой эффективности не ниже (50÷60)% при низких уровнях темнового тока (I_т).

К таким приборам предъявляются также требования работоспособности в нормальных условиях (НУ) и при повышенной (до +70°C) температуре среды с незначительным ухудшением параметров во втором случае.

При этом одним из важнейших требований является крайне незначительный разброс по площадкам всех важнейших параметров: I_т и токовой чувствительности S_i при каждой из заданных температур среды.

Известны планарные кремниевые ФД (см. ж. Прикладная физика №3, 2003 г., с. 115-121) на подложках кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением 20 и 130 Ом·см, содержащие планарные p⁺-области фоточувствительных площадок с дефектной периферийной областью, созданной имплантацией ионов

для уменьшения поверхностных токов утечки, и омический контакт n⁺-n типа на обратной стороне подложки. Недостатком таких ФД является сложность создания периферийной дефектной области. Дополнительным недостатком ФД на подложках с удельным сопротивлением 20 Ом·см является повышенный уровень I_т и в НУ и при Т=+70°C, а ФД на подложках с удельным сопротивлением 130 Ом·см - особенно высокий уровень I_т при Т=+70°C.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является планарный ФД на подложках кремния n-типа проводимости с удельным сопротивлением (90-100) Ом·см (см. ж. Прикладная физика, №1, 2002 г., с. 48-55). Характерной особенностью таких ФД является наличие охранного кольца (ОК) - дополнительного замкнутого на базу планарного p⁺-n перехода, окружающего планарный p⁺-n переход фоточувствительной площадки и отстоящий от нее на расстояние не больше диффузионной длины дырок в базе. На поверхности рабочей стороны имеется защитная и просветляющая пленка SiO₂ с окнами для контактов. На обратной стороне подложки имеется омический контакт к базе n⁺-n-типа. Контактная система сформирована на основе слоя Al. Недостатком прототипа является повышенный уровень I_т и в НУ и при повышенных температурах.

2

Заявляемая полезная модель решает задачу снижения уровня темнового тока в НУ и при повышенных температурах, а также разброса этих параметров без снижения уровня токовой чувствительности ФД, что является техническим результатом при использовании устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что исходная подложка n-типа проводимости имеет удельное сопротивление в диапазоне (4,5÷20) Ом·см.

Применение более низкоомной, чем в прототипе, подложки решает задачу снижения и выравнивания значений I_т по площадкам ФД в НУ и при повышенных температурах даже при наличии закороченного ОК. В этом случае уменьшена вероятность образования поверхностных каналов утечки и обогащенных областей, наличие которых приводит к туннельным токам. Оба эти фактора приводят к увеличению I_т и его разброса.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, на котором схематически изображен кристалл ФД (а - вид сверху, б - в разрезе).

Согласно чертежу и формуле полезной модели, на рабочей стороне пластины кремния n-типа проводимости 1 с удельным сопротивлением (4,5÷20) Ом·см расположены рабочие фоточувствительные площадки 2 и единое ОК 3 (планарная область p⁺-типа). Рядом с ОК, а в зазоре между площадками - в разрыве между участками ОК, близлежащими к соседним площадкам, расположены участки n⁺-типа омического контакта 4. Планарная поверхность защищена пленкой SiO₂ 5 с окнами для обеспечения контактов 6 ко всем p⁺-областям площадок и контактов 7 к n⁺-областям и соседним p⁺-участкам ОК, обеспечивая их электрическое соединение. Контактная система 6, 7 обеспечивается слоем Al. На обратной стороне имеется слой n⁺-типа 9 (омический контакт к базе) с поверхностным слоем Al 8.

При фотовольтаическом включении предлагаемого ФД в отсутствие засветки через него протекает темновой ток, величина и разброс которого уменьшены и при нормальных условиях, и при повышенных температурах благодаря использованию подложки n-типа проводимости с удельным сопротивлением (4,5÷20) Ом·см.

Были изготовлены 16-площадочные кремниевые ФД на рабочую длину волны 0,53 мкм с площадками размером 1,4×1,4 мм, расположенными в линию, с зазором между площадками 150 мкм в соответствии с предложением, с отступлениями от предложения по каждой из заявляемых позиций формулы полезной модели, а также без закороченного ОК и по прототипу. При этом расстояние от площадок до ОК составляло 50 мкм, ширина ОК до n⁺-областей - 15 мкм, ширина n⁺-областей - 20 мкм.

3

Изготовлена партия из 100 шт. пластин n-Si толщиной 0,4 мм с удельным сопротивлением 1; 4,5; 20 и 100 Ом·см (по 25 шт. пластин каждого варианта исполнения) по следующему технологическому маршруту:

1 - окисление при температуре 1150°C (сухой-влажный-сухой кислород) до толщины пленки SiO₂ d_SiO2=0,6 мкм;

2 - загонка и разгонка атомов бора с окислением для создания p⁺-областей площадок и ОК;

3 - имплантация ионов фосфора с энергией 60 кэВ и дозой 2·10¹⁵ см^-2 с последующим отжигом в атмосфере азота при T₁=600°C (1 час) и Т₁=900°C (1 час) для создания n⁺-области вокруг каждой площадки и на обратной стороне пластины;

4 - вскрытие контактных окон, нанесение слоя Al толщиной 0,75÷0,8 мкм и формирование контактной системы с применением фотолитографии.

После изготовления и разрезания пластин на ЧИПы (16 площадок с двумя планарными омическими контактами) последние приклеивались на ситалловый растр, на который разваривались все планарные контакты кристалла.

На всех площадках собранных таким образом кристаллов измеряли следующие параметры:

- темновой ток при смещении 20 мВ в НУ

;

- темновой ток при смещении 20 мВ при

;

- токовая монохроматическая чувствительность в НУ при фотовольтаическом включении и сопротивлении нагрузки 10 кОм (S_i);

Средние значения всех измеренных параметров и их неравномерности для каждого из вариантов исполнения кристаллов представлены в таблице. При этом неравномерность каждого параметра ΔП рассчитывалась по формуле:

где П_max, П_min,

- соответственно максимальное, минимальное и среднее значение рассматриваемого параметра по данному варианту исполнения.

4

В таблице жирным шрифтом выделены позиции, не отвечающие установленным нормам.

Как следует из данных таблицы наилучшие сочетания значений темнового тока и их неравномерности по площадкам многоплощадочных ФД при заданных значениях S_i имеют место только при реализации предложения. К ухудшению параметра

приводит увеличение удельного сопротивления подложки выше заявленной величины. К ухудшению токовой чувствительности приводит уменьшение удельного сопротивления ниже заявленной величины.

Таким образом, предлагаемый планарный многоплощадочный ФД при фотовольтаическом включении обеспечивает улучшение таких параметров как темновой ток в нормальных условиях и при повышенных температурах, а также равномерность их значений.

Claims

Планарный многоплощадочный кремниевый фотодиод, содержащий кремниевую подложку n-типа проводимости, в которой на рабочей стороне выполнены планарные p⁺-n-переходы, образующие отдельные фоточувствительные площадки и охранное кольцо, являющееся единым дополнительным короткозамкнутым p⁺-n переходом, окружающим каждую площадку, планарные n⁺-области омических контактов к базе, электрически соединенные с p⁺-областью охранного кольца, на поверхности планарной структуры сформирована пленка SiO₂, в которой выполнены окна к p⁺-областям площадок и охранного кольца и n⁺-областям омического контакта для обеспечения электрического контакта этих областей со слоем алюминия, нанесенным на пленку SiO₂ и формирующим контактную систему, состоящую из контактов к каждой площадке и участков, закорачивающих n⁺-области омического контакта к базе и p⁺-области охранного кольца, отличающийся тем, что подложка имеет удельное сопротивление в диапазоне (4,5÷20) Ом·см.