RU188417U1 - Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора - Google Patents
Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора Download PDFInfo
- Publication number
- RU188417U1 RU188417U1 RU2018145593U RU2018145593U RU188417U1 RU 188417 U1 RU188417 U1 RU 188417U1 RU 2018145593 U RU2018145593 U RU 2018145593U RU 2018145593 U RU2018145593 U RU 2018145593U RU 188417 U1 RU188417 U1 RU 188417U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- epitaxial
- detector
- contact
- geteroemittera
- Prior art date
Links
- 230000003321 amplification Effects 0.000 title claims abstract description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 title claims abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- 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
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 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
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field 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
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [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
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
-
- 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
- H01L29/737—Hetero-junction transistors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Использование: для изготовления детектора излучения. Сущность полезной модели заключается в том, что детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора содержит 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, эпитаксиальный i-слой гетероэмиттера толщиной много меньше длины амбиполярной диффузии, гетероэпитаксиальный n-слой широкозонного полупроводника, и узкозонный контактный n-слой гетероэмиттера, к узкозонному контактному n-слою гетероэмиттера сформирован омический контакт. Технический результат: обеспечение возможности увеличения чувствительности детектора. 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.
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.
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 одиночный 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 22 кэВ-ных рентгеновских квантов источника Cd (поток 7.77⋅104 с-1) и 4400 для инфракрасного излучения с длиной волны 0.83 мкм и мощностью 0.17 нВт.
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.
Недостатком всех перечисленных выше конструкций на основе Si является низкая тепловая устойчивость и невысокая эффективность регистрации гамма-излучения с энергией более 20 кэВ.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является детектор на основе гетеробиполярного транзистора [G.I. Ayzenshtat, D.Y. Mokeev, О.P. Tolbanov, V.A. Khan «Modeling of characteristics of ionizing radiation detector based on AlGaAs-GaAs heterostructure», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, V. 494, pp. 229-232, 2002]. Детектор работает по принципу, описанному выше и представляет собой гетеробиполярный транзистор с высокоомным коллектором. Конструкция имеет следующую последовательность слоев n-AlGaAs-эмиттер/p+-GaAs база/ n--GaAs-коллектор/ n++-GaAs-коллектор. Использование широкозонного эмиттера позволяет создать дополнительный потенциальный барьер для дырок, связанный с разрывом энергетических зон. Этот барьер препятствует «уходу» дырок из базы в эмиттер, что увеличивает коэффициент инжекции эмиттера и соответственно коэффициент усиления. Использование GaAs в качестве материала детектора значительно повышает эффективность регистрации гамма-квантов в сравнении с кремнием.
Особенностью данного класса приборов (детекторов с внутренним усилением на основе биполярного или гетеробиполярного 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 гетеробиполярного транзистора.
Технический результат достигается тем, что детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора, содержащий n+-подложку, на обратной стороне которой сформирован омический контакт, на рабочей стороне подложки последовательно сформированы эпитаксиальный i-слой высокоомного коллектора, эпитаксиальный р-слой базы, толщина которого много меньше диффузионной длины электронов, гетероэпитаксиальный n+-слой широкозонного полупроводника и узкозонный контактный n+-слой гетероэмиттера, к узкозонному контактному n+-слою гетероэмиттера сформирован омический контакт, между эпитаксиальным p-слоем базы и n+-слоем гетероэмиттера дополнительно содержит эпитаксиальный i-слой гетероэмиттера толщиной много меньше длины амбиполярной диффузии. Введение эпитаксиального i-слоя гетероэмиттера позволяет снизить барьерную емкость гетероперехода и, тем самым, увеличить создаваемый зарядом дырок в базе потенциал, открывающий гетероэмиттер.
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 гетероэмиттера 5 и гетероэпитаксиальный n+-слой широкозонного полупроводника 6, узкозонный контактный n+-слой гетероэмиттера 7, к узкозонному контактному n+-слою гетероэмиттера 7 сформирован омический контакт гетероэмиттера 8; поверхность полупроводниковой структуры закрыта пассивирующим покрытием 9; к омическому контакту гетероэмиттера 8 последовательно сформирована контактная площадка 10.
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 гетероэмиттере, вызывая инжекционный ток. Толщины эпитаксиального i-слоя гетероэмиттера 5 и эпитаксиального р-слоя базы 4 выбираются таким образом, чтобы инжектируемые электроны из гетероэмиттера полностью «попадали» в коллектор, то есть толщина эпитаксиального i-слоя гетероэмиттера 5 должна быть много меньше длины амбиполярной диффузии, а толщина эпитаксиального р-слоя базы 4 должна 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⋅1011 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 МОС-гидридной эпитаксии выращивается эпитаксиальный р-слой базы 4 толщиной до 0.3 мкм и уровнем легирования 1⋅1018-5⋅1019 см-3; далее методами МОС-гидридной или молекулярно-пучковой эпитаксии последовательно выращиваются: эпитаксиальный i-слой гетероэмиттера 5; гетероэпитаксиальный n+-слой широкозонного полупроводника 6 на основе твердого раствора AlxGa1-xAs и узкозонный контактный n+-слой гетероэмиттера 7 на основе твердого раствора In0.5Ga0.5As Уровень легирования гетероэпитаксиального n+-слоя широкозонного полупроводника 6 выбирается на уровне 2⋅1017-2⋅1018 см-3, уровень легирования узкозонного контактного n+-слоя гетероэмиттера 7 - не ниже 1⋅1019 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 гетероэмиттера 8 на основе Ni/AuGe/Au к узкозонному контактному n+-слою гетероэмиттера 7 посредством термического напыления и «взрывной» фотолитографии;
3) Формирование двойной меза-структуры методом реактивного ионно-лучевого травления;
4) Вжигание омических контактов коллектора 2 и гетероэмиттера 8 к n+-слоям 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 9, например полиимида, и вскрытие окон под контакты;
6) Формирование контактных площадок 10 с помощью гальванического осаждения золота.
Представленная технология позволяет создавать как дискретные, так и координатные детекторы.
Claims (1)
- Детектор с усилением на основе гетеробиполярного 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, эпитаксиальный i-слой гетероэмиттера толщиной много меньше длины амбиполярной диффузии, гетероэпитаксиальный n+-слой широкозонного полупроводника, и узкозонный контактный n+-слой гетероэмиттера, к узкозонному контактному n+-слою гетероэмиттера сформирован омический контакт.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145593U RU188417U1 (ru) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145593U RU188417U1 (ru) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU188417U1 true RU188417U1 (ru) | 2019-04-11 |
Family
ID=66168642
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018145593U RU188417U1 (ru) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU188417U1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| US7368822B2 (en) * | 2006-01-03 | 2008-05-06 | National Chiao Tung University | Copper metalized ohmic contact electrode of compound device |
| RU2494497C2 (ru) * | 2011-07-21 | 2013-09-27 | Виктор Николаевич Мурашев | Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений |
| RU178710U1 (ru) * | 2017-12-27 | 2018-04-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Полупроводниковый детектор с внутренним усилением |
-
2018
- 2018-12-21 RU RU2018145593U patent/RU188417U1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| US7368822B2 (en) * | 2006-01-03 | 2008-05-06 | National Chiao Tung University | Copper metalized ohmic contact electrode of compound device |
| RU2494497C2 (ru) * | 2011-07-21 | 2013-09-27 | Виктор Николаевич Мурашев | Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений |
| RU178710U1 (ru) * | 2017-12-27 | 2018-04-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Полупроводниковый детектор с внутренним усилением |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106711253B (zh) | 一种iii族氮化物半导体雪崩光电二极管探测器 | |
| US8530933B2 (en) | Photo transistor | |
| US20050029541A1 (en) | Charge controlled avalanche photodiode and method of making the same | |
| CN109494275A (zh) | 一种AlGaN基日盲紫外光电晶体管探测器及其制作方法 | |
| CN109285914B (zh) | 一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器及其制备方法 | |
| JPS58105578A (ja) | 半導体デバイス | |
| JP2017199935A (ja) | 平面のアバランシェ・フォトダイオード | |
| RU188417U1 (ru) | Детектор с усилением на основе гетеробиполярного транзистора | |
| RU178710U1 (ru) | Полупроводниковый детектор с внутренним усилением | |
| Ji et al. | On the scope of GaN-based avalanche photodiodes for various ultraviolet-based applications | |
| JPH077017A (ja) | Ｐｎ接合部を正確に配置する低濃度ドープバッファ領域を備えた電気接合装置 | |
| 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 | |
| Bertuccio | Silicon carbide radiation microdetectors for harsh environments | |
| Tsang et al. | GaInAs/GaInAsP/InP heterostructure bipolar transistors with very thin base (150 Å) grown by chemical beam epitaxy | |
| US10002979B1 (en) | Unipolar doping in photodiode and phototransistor | |
| CN208157438U (zh) | 一种自带信号放大功能氮化镓基射线探测器 | |
| US4922314A (en) | Hot charge-carrier transistors | |
| JP2001525117A (ja) | エピタキシャル成長層を有するアバランシェ半導体デバイス | |
| Shatalov et al. | Electron irradiation effects in polyimide passivated InP/InGaAs single heterojunction bipolar transistors | |
| JPS62286278A (ja) | ホツトキヤリアトランジスタ | |
| Chen et al. | Current transport characteristics of SiGeC/Si heterojunction diode | |
| Berger et al. | An AlGaAs double‐heterojunction bipolar transistor grown by molecular‐beam epitaxy | |
| JP2758611B2 (ja) | バイポーラトランジスタ素子 | |
| JP2653471B2 (ja) | 半導体装置 | |
| CN117310785A (zh) | 一种宽禁带半导体中子探测器及其制备方法 |