RU2102820C1

RU2102820C1 - Avalanche detector

Info

Publication number: RU2102820C1
Application number: RU96119669/25A
Authority: RU
Inventors: Зараддин Ягуб-оглы Садыгов
Original assignee: Зараддин Ягуб-оглы Садыгов
Priority date: 1996-10-10
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 1998-01-20

Abstract

FIELD: detection of low flux of radiation and nuclear particles. SUBSTANCE: device has semiconductor substrate which surface is covered with semiconductor regions which conductivity type is opposite to conductivity type of substrate, and gate electrode which is insulated from substrate with buffer layer. Semiconductor regions are insulated from substrate with semiconductor layers which conductance is less than that of semiconductor regions. They provide p-n junction with substrate. Said semiconductor regions are connected to gate electrode through film resistor which is insulated from semiconductor layers by means of buffer layer. Additional semiconductor regions are provided on boundary between semiconductor layers and substrate. Conductivity of additional semiconductor regions is greater than that of substrate. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, конкретно к полупроводниковым фотоприемникам с внутренним усилием сигнала, и может быть использовано для регистрации слабых потоков излучения и ядерных частиц. The invention relates to semiconductor devices, specifically to semiconductor photodetectors with an internal signal strength, and can be used to register weak radiation fluxes and nuclear particles.

Известно устройство (аналог, включающее полупроводниковую подложку на поверхности которой расположен полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев (микроплазм) на границе p-n перехода. Микроплазмы, статически распределенные на границе раздела p-n перехода имеют зарядовую и токовую связь между собой через электронейтральную часть полупроводникового слоя, то есть в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в области отдельных микроплазм. Упомянутые микроплазмы приводят к локальному разогреву полупроводника, и в результате прибор выходит из строя. A device is known (an analogue including a semiconductor substrate on the surface of which there is a semiconductor layer opposite to the conductivity type substrate. The disadvantage of this device is the presence and formation during operation of local uncontrolled micro breakdowns (microplasma) at the pn junction. Microplasma statically distributed at the pn junction interface have charge and current coupling between each other through the electrically neutral part of the semiconductor layer, i.e., the device does not carry out local limitation of current in the region of individual microplasmas The mentioned microplasmas lead to local heating of the semiconductor, and as a result the device fails.

Известно устройство, взятое за прототип, включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформированы полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости и полевой электрод, отделенный от подложки и от полупроводниковых областей буферным слоем. Интервал между полупроводниковыми областями превышает толщину буферного слоя. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе подложка-полупроводниковая область. Лавинный ток протекает к полевому электроду через буферный слой, расположенный над полупроводниковыми областями. Однако это приводит к ухудшению чувствительности устройства в зеленой и ультрафиолетовой областях спектра излучения, поглощающегося в основном у поверхности полупроводниковых областей. По этой причине большинство генирированных светом носителей заряда рекомбинирует в электронейтральной части полупроводниковых областей, не достигая лавинной области для усиления. Конструкция устройства такова, что минимальная глубина полупроводниковых областей ограничена характерной длиной до рекомбинации в них неосновных носителей заряда, идущих со стороны буферного слоя. Таким образом, уменьшение толщины полупроводниковых областей с целью улучшения чувствительности приводит к увеличению темнового тока прототипа, что в свою очередь приводит к ухудшению отношения сигнал/шум устройства. A device is known which is taken as a prototype, including a semiconductor substrate, on the surface of which semiconductor regions of the opposite conductivity type are formed and a field electrode separated from the substrate and from the semiconductor regions by a buffer layer. The interval between the semiconductor regions exceeds the thickness of the buffer layer. The avalanche amplification of photoelectrons occurs at the interface between the substrate and the semiconductor region. An avalanche current flows to the field electrode through a buffer layer located above the semiconductor regions. However, this leads to a deterioration in the sensitivity of the device in the green and ultraviolet regions of the spectrum of the radiation absorbed mainly at the surface of the semiconductor regions. For this reason, most light-generated charge carriers recombine in the electrically neutral part of the semiconductor regions without reaching the avalanche region for amplification. The design of the device is such that the minimum depth of the semiconductor regions is limited by the characteristic length before recombination in them of minority charge carriers coming from the side of the buffer layer. Thus, reducing the thickness of the semiconductor regions in order to improve sensitivity leads to an increase in the dark current of the prototype, which in turn leads to a deterioration in the signal-to-noise ratio of the device.

Задачей изобретения является улучшение отношения сигнал/шум и увеличение чувствительности лавинного детектора. Для достижения этого технического результата в лавинном детекторе, включающем полупроводниковую подложку на поверхности которой расположены полупроводниковые области противоположного подложке типа проводимости и полевой электрод, отделенный от подложки буферным слоем, полупроводниковые области отделены от подложки полупроводниковыми слоями с пониженной по отношению к полупроводниковым областям проводимостью, образующими с подложкой p-n переход, причем упомянутые полупроводниковые области соединены с полевым электродом через пленочный резистор, отделенный от полупроводниковых слоев буферным слоем, а на границе полупроводниковых слоев с подложкой выполнены дополнительные полупроводниковые области с повышенной по отношению к подложке проводимостью. The objective of the invention is to improve the signal-to-noise ratio and increase the sensitivity of the avalanche detector. To achieve this technical result, in an avalanche detector comprising a semiconductor substrate on the surface of which there are semiconductor regions of the opposite type of conductivity substrate and a field electrode separated from the substrate by a buffer layer, the semiconductor regions are separated from the substrate by semiconductor layers with reduced conductivity with respect to the semiconductor regions, forming with a pn junction substrate, said semiconductor regions being connected to the field electrode via a ple a night resistor separated from the semiconductor layers by a buffer layer, and additional semiconductor regions with increased conductivity relative to the substrate are made at the interface between the semiconductor layers and the substrate.

На чертеже показан лавинный детектор, поперечное сечение. Устройство выполнено на базе полупроводниковой подложки 1, на поверхности которой выполнены отдельные полупроводниковые области 2 противоположного подложке типа проводимости. Полупроводниковые области отделены от подложки полупроводниковыми слоями 3 с пониженной проводимостью по отношению к полупроводниковым областям. Полупроводниковые области соединены с полевым электродом 4 с помощью пленочного резистора 5. Полевой электрод и пленочный резистор отделены от подложки и полупроводниковых слоев буферным слоем 6 с проводимостью более, чем в десять раз меньше, чем проводимость пленочного резистора. На границе полупроводниковых слоев с подложкой сформированы дополнительные полупроводниковые области 7 с повышенной по отношению к подложке проводимостью, причем напряжение пробоя поверхности подложки внутри дополнительных полупроводниковых областей меньше, чем вне их. The drawing shows an avalanche detector, a cross section. The device is made on the basis of a semiconductor substrate 1, on the surface of which individual semiconductor regions 2 of the opposite conductivity type substrate are made. The semiconductor regions are separated from the substrate by semiconductor layers 3 with reduced conductivity with respect to the semiconductor regions. The semiconductor regions are connected to the field electrode 4 by a film resistor 5. The field electrode and the film resistor are separated from the substrate and the semiconductor layers by a buffer layer 6 with a conductivity of more than ten times less than the conductivity of the film resistor. At the boundary of the semiconductor layers with the substrate, additional semiconductor regions 7 with increased conductivity with respect to the substrate are formed, and the breakdown voltage of the surface of the substrate inside the additional semiconductor regions is less than outside them.

В отличие от прототипа в предлагаемом лавинном детекторе усиление фототока осуществляется только на границе полупроводниковых слоев с дополнительными полупроводниковыми областями, причем минимальная толщина электронейтральной части полупроводниковых слоев не ограничена диффузионной длиной неосновных носителей заряда, благодаря этому повышается чувствительность устройства. Кроме того, фототок протекает не через буферный слой, под которым происходит лавинный процесс, а через пленочный резистор, отделенный от полупроводниковых слоев буферным слоем, имеющим существенно меньшую проводимость, чем пленочный резистор. Это позволяет значительно уменьшить компоненту темневого тока, идущего со стороны полевого электрода лавинного детектора. Дополнительные полупроводниковые области с повышенной проводимостью, сформированные между подложкой и полупроводниковыми слоями, вызывает образование поперечной составляющей электрического поля, предотвращающего умножение компоненты темневого тока, идущего со стороны объема подложки. В результате уменьшения темнового тока и предотвращения возможности его умножения отношение сигнал/шум в устройстве улучшается. Unlike the prototype, in the proposed avalanche detector, the photocurrent is amplified only at the boundary of the semiconductor layers with additional semiconductor regions, and the minimum thickness of the electrically neutral part of the semiconductor layers is not limited by the diffusion length of minority charge carriers, thereby increasing the sensitivity of the device. In addition, the photocurrent does not flow through the buffer layer, under which the avalanche process occurs, but through the film resistor, which is separated from the semiconductor layers by the buffer layer, which has a significantly lower conductivity than the film resistor. This can significantly reduce the component of the dark current coming from the side of the field electrode of the avalanche detector. Additional semiconductor regions with increased conductivity formed between the substrate and the semiconductor layers causes the formation of the transverse component of the electric field, which prevents the multiplication of the dark current component coming from the side of the substrate volume. As a result of reducing the dark current and preventing the possibility of multiplying it, the signal-to-noise ratio in the device improves.

В рабочем режиме к полевому электроду относительно подложки прикладывается потенциал полярностью, соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. После некоторого порогового значения потенциала на части поверхности подложки, занятой дополнительными полупроводниковыми областями, начинается лавинный процесс, который используется для усиления потока фотоэлектронов. Световой поток направляют на лавинный детектор со стороны полевого электрода. In the operating mode, a potential with a polarity corresponding to the depletion of the semiconductor substrate from the main charge carriers is applied to the field electrode relative to the substrate. After a certain threshold value of the potential, an avalanche process begins on a part of the substrate surface occupied by additional semiconductor regions, which is used to enhance the flow of photoelectrons. The luminous flux is directed to the avalanche detector from the side of the field electrode.

Лавинный детектор изготавливают следующим образом. На поверхности, например кремниевой подложки n-типа проводимости с концентрацией примесей 10¹⁵ см^-3 формируют дополнительные полупроводниковые области диаметром и глубиной по 2 мкм и шагом 5 мкм путем ионного легирования фосфором и последующей разгонкой. Концентрацию примесей в дополнительных полупроводниковых областях устанавливают 2х10¹⁶ см^-3 Затем на поверхности формируют полупроводниковые области p-типа проводимости в виде квадрата 22х22 мкм с интервалом 2 мкм, глубиной 1 мкм и концентрацией нескомпенсированных примесей 4х10¹⁶ см^-3. После этого на поверхности подложки формируют буферный слой из SiO₂ толщиной 0,2 мкм. Затем в слое SiO₂ над полупроводниковыми слоями вскрывают окна размером 2х2 мкм и шагом 24 мкм. Путем ионного легирования бором через указанные окна в полупроводниковых слоях формируют полупроводниковые области с концентрацией примесей 10¹⁹ см^-3, глубиной 0,5 мкм и шагом 24 мкм. Пленочный резистор формируют из слоя карбида кремния толщиной 0,2 мкм и сопротивлением 10⁶ Ом/квадрат путем ионно-плазменного распыления. Полевой электрод формируют в виде сетки с интервалом 22 мкм, причем полоски полевого электрода располагают между полупроводниковыми областями.An avalanche detector is made as follows. On the surface, for example, of an n-type silicon substrate with an impurity concentration of 10 ¹⁵ cm ^-3 , additional semiconductor regions with a diameter and depth of 2 μm and a pitch of 5 μm are formed by ion doping with phosphorus and subsequent acceleration. The concentration of impurities in the additional semiconductor regions is set to 2x10 ¹⁶ cm ^-3. Then p-type semiconductor regions are formed on the surface in the form of a square 22x22 μm with an interval of 2 μm, a depth of 1 μm and an uncompensated impurity concentration of 4x10 ¹⁶ cm ^-3 . After that, a buffer layer of SiO ₂ with a thickness of 0.2 μm is formed on the surface of the substrate. Then, in a SiO ₂ layer above the semiconductor layers, windows of 2 × 2 μm in size and a pitch of 24 μm are opened. By ion doping with boron through these windows, semiconductor regions are formed in semiconductor layers with an impurity concentration of 10 ¹⁹ cm ^-3 , a depth of 0.5 μm and a pitch of 24 μm. A film resistor is formed from a silicon carbide layer with a thickness of 0.2 μm and a resistance of 10 ⁶ Ω / square by ion-plasma spraying. The field electrode is formed in the form of a grid with an interval of 22 μm, and the strips of the field electrode are located between the semiconductor regions.

Claims

An avalanche detector comprising a semiconductor substrate, on the surface of which there are semiconductor regions of the opposite type of conductivity substrate and a field electrode separated from the substrate by a buffer layer, characterized in that the semiconductor regions are separated from the substrate by semiconductor layers with reduced conductivity with respect to the semiconductor regions forming the substrate pn junction, wherein said semiconductor regions are connected to the field electrode via a film resistor, separated d from the semiconductor layers by the buffer layer, and additional semiconductor regions with increased conductivity relative to the substrate are made at the interface between the semiconductor layers and the substrate.