RU188680U1 - Планарный одно- или многоплощадочный фотодиод из антимонида индия - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ИК-излучению, и может использоваться при изготовлении дискретных, линейчатых и матричных фотодиодов (ФД) спектральной области 3-5 мкм на основе антимонида индия. Планарный одно- или многоплощадочный ФД из антимонида индия содержит подложку из монокристалла InSb n-типа проводимости или эпитаксиальной структуры со слоем такого монокристалла, являющегося базой ФД, на поверхности которой располагаются одна или несколько фоточувствительных площадок р-типа проводимости, каждая из которых или группа площадок окружены охранным кольцом (ОК) в виде замкнутой на базу дополнительной планарной р-области, расположенной на расстоянииот планарных границ площадки или группы площадок, причем значениеодновременно не превышает двух диффузионных длин дырок в базе ФД и определяется заданным предельно-допустимым напряжением обратного смещения ФД (U) при расчете, исходя из полуэмпирической формулы. Полезная модель решает задачу обеспечения минимальности значения, то есть минимальной дальности расположения ОК от фоточувствительной площадки или группы площадок при заданной величине Uв пределах до 12 В. 2 ил.

Description

Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к ИК-излучению и может использоваться при изготовлении дискретных, линейчатых и матричных фотодиод (ФД) спектральной области 3-5 мкм на основе антимонида индия. Применение антимонида индия обеспечивает получение наивысших фотоэлектрических параметров ФД по сравнению с другими полупроводниковыми материалами благодаря наивысшей квантовой эффективности и отработанности технологий получения исходных кристаллов и фотодиодных структур.

Современные одно- и многоплощадочные ФД из антимонида индия (InSb) представляют собой охлаждаемую до температур (80±10)К планарную фотодиодную структуру p⁺-n типа на основе кристаллов n-типа проводимости, являющихся базой ФД. Фоточувствительными площадками являются пленарные площадки р⁺-типа (эмиттеры).

Обязательным элементом ФД является охранное кольцо (ОК), которое образовано дополнительной, замкнутой на базу планарной р⁺-областью, окружающей площадку или группу площадок и расположенное на расстоянии

от этих площадок. Такое ОК (короткозамкнутый р⁺-n переход) является областью с нулевой скоростью генерации и бесконечной скоростью рекомбинации дырок, благодаря чему оно «отсасывает» в себя из базы неравновесные и равновесные дырки с расстояний до двух диффузионных длин дырок (L_д). Благодаря этому ОК обеспечивает отсутствие фотовзаимосвязи между площадками, ограничивает фотоэлектрический размер площадок и «гасит» все неравновесные процессы между ОК и площадкой, если та находится в пределах 2L_д от ОК, следствием чего является «гашение» взрывных шумов фонового типа (см. Микроэлектроника, т. 18, вып. 5 (1989), с. 455-463).

Отбор равновесных дырок с периферии площадки в ОК приводит к уменьшению темнового тока площадки на ту величину, которая обусловлена этими дырками, и этот эффект усиливается при уменьшении размера площадки (за счет уменьшения отношения площади к периметру площадки) и уменьшении расстояния

(см. Прикладная физика, №2 (1999), с. 73-79). Таким образом, для того, чтобы в полной мере выполнить свои задачи, ОК должно располагаться не дальше 2L_д от площадки и как можно ближе к ней. Однако, как показывают экспериментальные результаты, приближение ОК к площадке на расстояниях меньше 30 мкм, уменьшая темновой ток, приводит к резкому уменьшению предельно-допустимого напряжения обратного смещения площадки (U_ПД), превышение которого приводит либо к временной, либо к устойчивой деградации ФД, и это необходимо учитывать при проектировании топологии ФД.

Из изложенного следует, что значение

не должно превышать 2L_д и при этом быть минимальным, но ограниченным снизу значением, обеспечивающим заданную величину U_ПД.

Известен планарный ФД из InSb, имеющий U_ПД = 12 В, с ОК, расположенным на расстоянии

от площадки размером 50×50 или 150×150 мкм (см. Патент SU 1589963 А1 от 17.01.1995 г.), однако такой ФД не отвечает требованию минимальности расстояния

при U_ПД<(10-12)В.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятый за прототип планарный ФД из InSb, имеющий U_ПД = 6,5 В с ОК, расположенным на расстоянии

от площадки размером 150×150 мкм (см. Документация АО «Московский завод «САПФИР» АГЦ7.340.144), однако значение

в таком ФД также не отвечает требованию минимальности при U_ПД≤6,5 В.

Заявляемая полезная модель решает задачу обеспечения минимальности значения

, то есть минимальной дальности расположения ОК от фоточувствительной площадки или группы площадок, при заданной величине U_ПД в пределах до 12 В.

Указанный технический результат достигается тем, что в планарном одно- или многоплощадочном ФД из антимонида индия, содержащем подложку из монокристалла InSb n-типа проводимости или эпитаксиальной структуры со слоем такого монокристалла, являющегося базой ФД, на поверхности которой располагаются одна или несколько фоточувствительных площадок р⁺-типа проводимости, каждая из которых или группа площадок окружены охранным кольцом в виде замкнутой на базу дополнительной планарной р⁺-области, расположенной на расстоянии

от пленарных границ площадки или группы площадок, причем значение

одновременно не превышает двух диффузионных длин дырок в базе ФД и определяется заданным предельно-допустимым напряжением обратного смещения ФД (U_ПД) при расчете исходя из полуэмпирической формулы:

где

- расстояние в см;

е - элементарный заряд;

N - концентрация основных носителей заряда в базе;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость InSb;

ε_о - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;

U_з - напряжение запаса.

Предлагаемая полезная модель основывается на следующих экспериментальных результатах.

Были изготовлены 4 партии 10-площадочных планарных ФД из кристаллов InSb марки ИСЭ-2в по серийной технологии с применением локальной имплантации ионов Ве⁺ и стационарного постимплантационного отжига (формирование планарных р⁺-n переходов), анодного окисления и нанесения слоя SiO_x термическим распылением для защиты поверхности, нанесения контактной системы последовательным термическим напылением слоев хрома и золота и операций контактной фотолитографии.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом фиг. 1, на котором пластина n - InSb, являющаяся базой 1ФД, содержит р⁺-площадки (эмиттеры) 2 размером 50×50 мкм, которые располагаются в линию; каждая площадка 2 окружена р⁺ ОК 3, расположенным на расстоянии

от площадок и закороченным на базу 1 (закоротки ОК 4), где

= 4, 10, 20 или 30 мкм соответственно в партиях №1-4. Готовые пластины разрезали на ЧИПы ФД, собиравшиеся в герметичные капсулы, которые заливали жидким азотом и измеряли прямые и обратные ветви вольт-амперных характеристик (ВАХ) площадок.

Результаты измерений обнаружили следующие особенности. Прямые ветви ВАХ практически не отличаются для площадок разных партий, а обратные зависят от величины

: напряжение «загиба» возрастает при увеличении

. При дальнейшем возрастании прикладываемого напряжения и достижении некоторой его величины U_д происходит деградация ВАХ площадок: появляется шунтирующее сопротивление уровней от единиц до сотен кОм. При этом значения U_д также возрастают с увеличением

в соответствии с данными, представленными на чертеже фиг. 2 в виде зависимости предельно-допустимого напряжения (U_ПД) от величины

, где U_ПД = U_д-U₃, a U₃ = 0,5 В - запас по U_ПД, гарантирующий отсутствие деградации.

Из данных чертежа фиг. 2 видно, что величина U_ПД возрастает при увеличении

во всем диапазоне значений от 4 до 30 мкм.

Представленные результаты объясняются зарядкой поверхности электронами, «разгоняемыми» электрическим полем области пространственного заряда (ОПЗ) площадки до энергий, достаточных для их заброса и закрепления на поверхности базы. При увеличении обратного смещения, ОПЗ площадки расширяется и в глубину кристалла, и вдоль поверхности базы в сторону ОК. При этом в ОПЗ площадки увеличивается напряженность электрического поля, постепенно достигая величины, при которой электроны, движущиеся вдоль поверхности из эмиттера в базу, на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для переброса и закрепления на поверхности базы у границы с эмиттером. При этом на данном участке поверхности базы формируется отрицательный поверхностных заряд, индуцирующий у поверхности кристалла «наведенный» р⁺-слой, увеличивающий площадку. При увеличении смещения этот слой постепенно расширяется в сторону ОК и при достижении ОК замыкает площадку на базу через сопротивление этого слоя. Такая ситуация соответствует напряжению U_Д, величина которого будет возрастать при отдалении ОК от площадки из-за необходимости увеличения смещения для расширения приповерхностной части ОПЗ площадки вплоть до ОК. Параллельно возрастает и величина U_ПД.

Такая модель позволяет подойти следующим образом к расчету зависимости величины U_ПД от

. В качестве исходного уравнения применена известная зависимость ширины ОПЗ (W) несимметричного р-n перехода от напряжения обратного смещения (U) (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Москва, «Мир», 1984 г., с. 84):

Исходя из формулы (2) и считая, что величина U_Д соответствует расширению поверхностной части ОПЗ площадки вплоть до границы ОК, когда

, зависимость U_ПД от

можно представить в виде формулы:

Однако, как показало сравнение рассчитанных по этой формуле значений U_ПД с экспериментальными на чертеже фиг. 2, рассчитанные значения существенно (в 2-7 раз по мере увеличения

) превышают экспериментальные. Это объясняется тем, что в формуле (3) не учтено постепенное смещение границы площадки к ОК за счет ее увеличения при росте наведенного р⁺-слоя. Этот процесс и приводит к отставанию роста экспериментальных значений U_ПД от расчетных при увеличении смещения и его можно учесть, дополнив формулу (3) эмпирическим безразмерным коэффициентом k в виде убывающей функции

, которая получена аппроксимацией экспериментальных данных чертежа фиг. 2 с помощью программного обеспечения «Origin». Полученное выражение для k имеет вид:

где

- в см.

Добавив выражение (4) в формулу (3) получаем окончательную расчетную формулу (1), связывающую величины

и U_ПД и позволяющую получить значения U_ПД по заданным значениям

(4, 10, 20 и 30 мкм) с отклонением от экспериментальных данных не более чем на 5% при N = 2⋅10¹⁴ см^-3.

Указанное значение N соответствует нижнему пределу легирования InSb использовавшейся марки ИСЭ-2, благодаря чему обеспечивается дополнительный запас по параметру U_ПД при применении этого же материала с большими значениями N (до 2⋅10¹⁵ см^-3).

Отступления от условий формулы (4) в сторону больших значений

не обеспечивает выполнение требований по минимизации темнового тока, а в сторону меньших значений - по обеспечению заданного значения U_ПД, и это подтверждается экспериментальными данными на чертеже фиг. 2.

Таким образом, реализация предложения при проектировании ФД позволяет исходя из формулы (1) определять минимальное значение

, при котором обеспечивается заданное значение U_ПД и минимальный темновой ток ФД. С другой стороны при заданном расстоянии

формула (1) позволяет определять значение U_ПД, исходя из которого определяется рабочее напряжение ФД. Такой подход может использоваться при проектировании матричного фотодиодного кристалла с ограниченными или минимизированными размерами шага и пикселов.

Claims (8)

1. Планарный одно- или многоплощадочный фотодиод (ФД) из антимонида индия (InSb), содержащий подложку из монокристалла InSb n-типа проводимости или эпитаксиальной структуры со слоем такого монокристалла, являющегося базой ФД, на поверхности которой располагаются одна или несколько планарных фоточувствительных площадок р⁺-типа проводимости, каждая из которых или группа площадок окружены охранным кольцом в виде замкнутой на базу дополнительной планарной р⁺-области, расположенной на расстоянии

   

   от планарных границ площадки или группы площадок, причем значения

   

   одновременно не превышают двух диффузионных длин дырок в базе ФД и определяются заданным предельно-допустимым напряжением обратного смещения ФД (U_ПД) при расчете, исходя из полуэмпирической формулы:
2. 
3. где

   

   - расстояние в см;
4. е - элементарный заряд;
5. N - концентрация основных носителей заряда в базе ФД;
6. ε - относительная диэлектрическая проницаемость InSb;
7. ε_о - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
8. U_з - напряжение запаса.

Images