RU178710U1 - Полупроводниковый детектор с внутренним усилением - Google Patents
Полупроводниковый детектор с внутренним усилением Download PDFInfo
- Publication number
- RU178710U1 RU178710U1 RU2017146335U RU2017146335U RU178710U1 RU 178710 U1 RU178710 U1 RU 178710U1 RU 2017146335 U RU2017146335 U RU 2017146335U RU 2017146335 U RU2017146335 U RU 2017146335U RU 178710 U1 RU178710 U1 RU 178710U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- emitter
- epitaxial
- detector
- ohmic contact
- Prior art date
Links
- 230000003321 amplification Effects 0.000 title claims abstract description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title abstract description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 MOS hydride Chemical class 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical group [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
- H01L29/73—Bipolar junction transistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/08—Semiconductor 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
- H01L31/10—Semiconductor 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 characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/115—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation
- H01L31/117—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation of the bulk effect radiation detector type, e.g. Ge-Li compensated PIN gamma-ray detectors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Использование: для создания полупроводниковых детекторов излучения. Сущность полезной модели заключается в том, что детектор с усилением на основе биполярного транзистора содержит n-подложку, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, на рабочей стороне n-подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора, эпитаксиальный p-слой базы, толщина которого много меньше диффузионной длины электронов, эпитаксиальный i-слой эмиттера толщиной много меньше длины амбиполярной диффузии и n-слой эмиттера, к n-слою эмиттера сформирован омический контакт. Технический результат обеспечение возможности получения высокого коэффициента усиления, не уменьшая площадь эмиттера. 1 ил.
Description
Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ядерных излучений. Область применения - эксперименты ядерной и ускорительной физики, в том числе регистрация нейтронного излучения при использовании совместно с конвертером.
Известен детектор на основе биполярного транзистора, обладающий усилением [R.L. Williams, P.P. Webb, Proc. Asheville Conf., NAS-NRC Publ., 871, P. 182, 1961]. К обеим сторонам тонкой пластины высокоомного кремния p-типа формируются сильнолегированные области n-типа путем диффузии или имплантации. Детектор работает в режиме с подключенной базой, либо в режиме оборванной базы (режим фототранзистора), эмиттер в обоих случаях заземлен на коллектор подается положительное смещение. Рабочей областью детектора является обедненная область коллектора, практически целиком лежащая в p-области. Налетающая ядерная частица наводит в области пространственного заряда коллектора ионизацию. Генерированные электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем: электроны «уходят» в коллектор, а дырки попадают в квазинейтральную базу и вызывают инжекцию электронов из эмиттера. В режиме протекания постоянного тока через эмиттер-база достигалось усиление 200-300, в режиме фототранзистора при непрерывном освещении - 600. Недостатком данной конструкции является то, что коэффициент усиления такого детектора зависит от ширины квазинейтральной базы, и, таким образом, рабочее смещение на коллекторе необходимо подбирать для получения определенного коэффициента усиления.
Известна конструкция ядерного детектора [R. Horisberger, «The bipolar silicon microstrip detector: a proposal for a novel precision tracking device», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, V. 288, pp. 87-91, 1990], объединяющая технологию полностью обедненных кремниевых микростриповых детекторов, изготовленных на кремнии, с концепцией биполярного транзистора. Это достигается путем добавления n++-«кармана» внутрь p+-имплантированной области p+-i-n диода, которая представляет собой стрип либо пиксель координатного детектора. Самая простая схема считывания с биполярной матрицы пикселей с помощью алюминиевой шины также дает биполярный микростриповый детектор. Полученная структура обладает усилением и является по сути биполярным транзистором с высокоомным коллектором. Представленная конструкция, лишена недостатков предыдущей и также позволяет изготавливать координатные детекторы.
Известны различные конструкции координатно-чувствительных детекторов, содержащих двухмерную матрицу из полупроводниковых одно- и двухэмиттерных биполярных транзисторов и их различные варианты исполнения [Патент РФ 2133524 С1, «Координатно-чувствительный детектор (варианты)», Мурашев В.Н. и др., опубликовано 20 июля 1999 г.]
Известен координатный микростриповый детектор [G. Batignani, S. Bettarini, М. Bondioli, М. Boscardin, L. Bosisio, G.-F. Dalla Betta, S. Dittongo, F. Forti, G. Giacomini, M.A. Giorgi, P. Gregori, C. Piemonte, I. Rachevskaia, S. Ronchin, and N. Zorzi «Functional Characterization of a High-Gain BJT Radiation Detector», IEEE Transactions on Nuclear Science, V. 52, NO. 5, 2005] в котором каждый стрип представляет собой биполярный детектор. Эмиттер такого транзистора площадью 18×18 мкм2 расположен в конце длинной базовой области (4.8 мм), которая и является стрипом. Детектор содержит 25 стрипов шириной 30 мкм и шагом 100 мкм. Типичный коэффициент усиления такого прибора составил 600.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является детектор на основе кремниевого биполярного транзистора, имеющий выскокий коэффициент усиления [D.J. Hana, G. Batignani, A. Del Guerra, G.-F. Dalla Betta, M. Boscardin, L. Bosisio, M. Giorgi, F. Forti, «High-gain bipolar detector on float-zone silicon», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, V. 512, pp. 572-577, 2003]. Детектор изготовлен на подложке высокочистого кремния, полученного зонной плавкой, толщиной 280 мкм, к обратной стороне которой изготовлен омический контакт на основе геттерированного слоя аморфного кремния, легированного фосфором, для сохранения высоких времен жизни неравновесных носителей в используемом материале. База формировалась имплантацией бора с энергией 400 кэВ и дозой 1⋅1012 см-2 с последующей разгонкой. Последующее формирование n++-эмиттера проводилось имплантацией фосфора с энергией 400 кэВ (доза 7⋅1012 см-2) и дальнейшей диффузией. Эмиттер имел круговую геометрию диаметром 2 мм. При этих параметрах детектор демонстрировал высокий коэффициент усиления: 3820 для рентгеновских квантов с энергией 22 кэВ от источника Cd (поток 7.77⋅104 с-1) и 4400 для инфракрасного излучения с длиной волны 0.83 мкм и мощностью 0.17 нВт.
Особенностью данного класса приборов (детекторов с внутренним усилением на основе биполярного транзистора) является то, что падение потенциала, создаваемое дырками на эмиттере обратно пропорционально его емкости. Таким образом, для увеличения коэффициента усиления детектора необходимо уменьшать площадь эмиттерного перехода.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение чувствительности детекторов с усилением на основе биполярных транзисторов.
Технический результат достигается тем, что детектор с усилением на основе биполярного транзистора, содержащий n+-подложку, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, на рабочей стороне подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора, эпитаксиальный p-слой базы, толщина которого много меньше диффузионной длины электронов, и n+-слой эмиттера, к n+-слою эмиттера сформирован омический контакт, между эпитаксиальным p-слоем базы и n+-слоем эмиттера дополнительно содержит эпитаксиальный i-слой эмиттера толщиной много меньше длины амбиполярной диффузии. Введение эпитаксиального i-слоя эмиттера позволяет снизить емкость эмиттера и, тем самым, увеличить создаваемый зарядом дырок в базе потенциал, открывающий эмиттер.
Полезная модель поясняется приведенным ниже чертежом.
На фиг. 1 показана принципиальная конструкция детектора с усилением, содержащего n+-подложку 1, на обратной стороне которой сформирован омический контакт коллектора 2; на рабочей стороне n+-подложки 1 последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора 3, эпитаксиальный p-слой базы 4, эпитаксиальный i-слой эмиттера 5 и n+-слой эмиттера 6, к n+-слою эмиттера 6 сформирован омический контакт эмиттера 7; поверхность полупроводниковой структуры закрыта пассивирующим покрытием 8; к омическому контакту эмиттера 7 последовательно сформирована контактная площадка 9.
Принцип работы детектора аналогичен вышеописанному: генерированные в области эпитаксиального i-слоя высокоомного коллектора 3 электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем; далее дырки, попадая в квазинейтральную область эпитаксиального p-слоя базы 4, создают падение потенциала на эмиттере, вызывая инжекционный ток. Толщина эпитаксиального i-слоя эмиттера 5 выбирается таким образом, чтобы инжектируемые электроны из эмиттера полностью «попадали» в коллектор, то есть толщина эпитаксиального i-слоя эмиттера 5 должна быть много меньше длины амбиполярной диффузии, а толщина эпитаксиального p-слоя базы 4 должны быть значительно меньше диффузионной длины электронов.
Далее представлен один из примеров реализации предлагаемой полезной модели. Детектор изготавливается с помощью стандартных технологических операций микроэлектроники. В настоящем патенте представлен пример создания предложенной конструкции на GaAs, однако данная меза-планарная технология может быть также реализована и на других широкозонных полупроводниковых соединениях, таких как GaN, SiC и др. Эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора 3 толщиной 40-120 мкм с концентрацией носителей на уровне 3⋅10 см-3 выращивается методом хлоридной эпитаксии на n+-подложке 1 из GaAs, легированной до концентрации 2⋅1018 см-3. Сверху эпитаксиального i-слоя высокоомного коллектора 3 методом хлоридной эпитаксии выращивается эпитаксиальный p-слой базы 4 толщиной не более 1 мкм и уровнем легирования 5⋅1017 см-3; далее методом МОС-гидридной эпитаксии последовательно выращиваются: эпитаксиальный i-слой эмиттера 5; n+-слой эмиттера 6. Уровень легирования n+-слоя эмиттера 6 выбирается на уровне не менее 1-2⋅1018 см-3.
Основные технологические операции изготовления детектора:
1) Формирование омического контакта коллектора 2 на основе системы Ni/AuGe/Au к n+-подложке 1 методом термического напыления;
2) Формирование рисунка металлизации омического контакта эмиттера 7 на основе Ni/AuGe/Au к n+-слою эмиттера 6 посредством термического напыления и «взрывной» фотолитографии;
3) Формирование двойной меза-структуры методом реактивного ионно-лучевого травления;
4) Вжигание омических контактов коллектора 2 и эмиттера 7 к n+ в течение 1.5 мин при температуре 450°С в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2⋅10-6 мм.рт.ст;
5) Осаждение пассивирующего покрытия 8, например полиимида, и вскрытие окон под контакт;
6) Формирование контактных площадок 9 с помощью гальванического осаждения золота.
Представленная технология позволяет создавать как дискретные, так и координатные детекторы.
Claims (1)
- Детектор с усилением на основе биполярного транзистора, содержащий n+-подложку, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, на рабочей стороне n+-подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора, эпитаксиальный p-слой базы, толщина которого много меньше диффузионной длины электронов, эпитаксиальный i-слой эмиттера толщиной много меньше длины амбиполярной диффузии и n+-слой эмиттера, к n+-слою эмиттера сформирован омический контакт.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017146335U RU178710U1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Полупроводниковый детектор с внутренним усилением |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017146335U RU178710U1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Полупроводниковый детектор с внутренним усилением |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU178710U1 true RU178710U1 (ru) | 2018-04-17 |
Family
ID=61974939
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017146335U RU178710U1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Полупроводниковый детектор с внутренним усилением |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU178710U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU188417U1 (ru) * | 2018-12-21 | 2019-04-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5455429A (en) * | 1993-12-29 | 1995-10-03 | Xerox Corporation | Semiconductor devices incorporating p-type and n-type impurity induced layer disordered material |
| RU2133524C1 (ru) * | 1998-07-29 | 1999-07-20 | Мелешко Евгений Алексеевич | Координатно-чувствительный детектор (варианты) |
| US20070072332A1 (en) * | 2005-09-26 | 2007-03-29 | Josef Kemmer | Semiconductor radiation detectors and method for fabrication thereof |
| RU2494497C2 (ru) * | 2011-07-21 | 2013-09-27 | Виктор Николаевич Мурашев | Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений |
| RU2583857C1 (ru) * | 2014-11-10 | 2016-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений |
-
2017
- 2017-12-27 RU RU2017146335U patent/RU178710U1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5455429A (en) * | 1993-12-29 | 1995-10-03 | Xerox Corporation | Semiconductor devices incorporating p-type and n-type impurity induced layer disordered material |
| RU2133524C1 (ru) * | 1998-07-29 | 1999-07-20 | Мелешко Евгений Алексеевич | Координатно-чувствительный детектор (варианты) |
| US20070072332A1 (en) * | 2005-09-26 | 2007-03-29 | Josef Kemmer | Semiconductor radiation detectors and method for fabrication thereof |
| RU2494497C2 (ru) * | 2011-07-21 | 2013-09-27 | Виктор Николаевич Мурашев | Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений |
| RU2583857C1 (ru) * | 2014-11-10 | 2016-05-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU188417U1 (ru) * | 2018-12-21 | 2019-04-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4149174A (en) | Majority charge carrier bipolar diode with fully depleted barrier region at zero bias | |
| JP2954034B2 (ja) | 単一キャリア型固体放射線検出装置 | |
| US8530933B2 (en) | Photo transistor | |
| US9076906B2 (en) | Hetero-junction bipolar phototransistor with improved noise characteristic | |
| RU178710U1 (ru) | Полупроводниковый детектор с внутренним усилением | |
| CN106960852B (zh) | 具有漂移沟道的紫外雪崩光电二极管探测器及其探测方法 | |
| IE50185B1 (en) | Transistors | |
| US3745424A (en) | Semiconductor photoelectric transducer | |
| JPS62109376A (ja) | 受光用半導体装置 | |
| Tove | Methods of avoiding edge effects on semiconductor diodes | |
| US20150115319A1 (en) | Planar avalanche photodiode | |
| US3700980A (en) | Schottky barrier phototransistor | |
| US4524374A (en) | Device for detecting infrared rays | |
| RU188417U1 (ru) | Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора | |
| CN108417662B (zh) | 一种自带信号放大功能氮化镓基射线探测器及其制备方法 | |
| US11769603B2 (en) | H-3 silicon carbide PN-type radioisotopic battery and manufacturing method of the same | |
| RU2383968C2 (ru) | Интегральная би-моп ячейка детектора излучений | |
| CN208157438U (zh) | 一种自带信号放大功能氮化镓基射线探测器 | |
| CA2407364C (en) | Bipolar transistor | |
| US10002979B1 (en) | Unipolar doping in photodiode and phototransistor | |
| Wang et al. | Improvements on radiation-hardened performance of static induction transistor | |
| CN116504866B (zh) | 高时间分辨率单光子探测器及其制备方法 | |
| JPS62286278A (ja) | ホツトキヤリアトランジスタ | |
| CN117055092B (zh) | 一种集成apd的宽禁带中子检测计数器及其制备方法 | |
| JPS5937865B2 (ja) | トランジスタ |