RU2105388C1

RU2105388C1 - Avalanche photodetector

Info

Publication number: RU2105388C1
Application number: RU96106491A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Горловин; Владимир Александрович Петров; Михаил Львович Тарасов
Original assignee: Виктор Михайлович Горловин; Владимир Александрович Петров; Михаил Львович Тарасов
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: optical detectors. SUBSTANCE: device has substrate, buffer layer which is covered with field electrode, and additional layer which conductance is opposite to substrate. Said additional layer has regions of increased doping concentration and is located between substrate and buffer layer. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к полупроводниковым фотоприемникам, и может быть использовано для регистрации оптического излучения. The invention relates to the field of microelectronics, namely to semiconductor photodetectors, and can be used to record optical radiation.

Известен лавинный фотодиод, содержащий р-п переход в режиме лавинного размножения носителей тока (Полупроводниковые фотоприемники: ультрафиолетовый, видимый, ближний инфракрасный диапазоны спектра. Под ред. В.И. Стафеева, М. : Радио и связь, 1984, стр. 130). Фотоны, поглощаемые в области р-п перехода, генерируют носители тока, которые разгоняются под действием поля и лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока и повышению чувствительности. Однако наличие в приборе микроплазм приводит к ограничению чувствительности. Known avalanche photodiode containing pn junction in the mode of avalanche reproduction of current carriers (Semiconductor photodetectors: ultraviolet, visible, near infrared spectral ranges. Edited by V.I. Stafeev, M.: Radio and communications, 1984, p. 130) . Photons absorbed in the region of the pn junction generate current carriers that accelerate under the influence of the field and multiply avalanche-like, which leads to an internal amplification of the photocurrent and an increase in sensitivity. However, the presence of microplasmas in the device limits the sensitivity.

Известен лавинный фотодиод, содержащий кремниевую подложку, буферный слой и полевой электрод (Foss N.A., Ward S.A., "Large area avalanche photodiode", Yournal of Applied Physics, Febr. 1984, vol. 44, p. 728-731). К полевому электроду приложено напряжение, обеспечивающее образование в подложке области пространственного заряда (ОПЗ) с напряженностью поля, достаточной для лавинного размножения носителей тока. Фотоны, поглощаемые в ОПЗ, генерируют носители тока, которые разгоняются под действием поля и лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока и повышению чувствительности. В случае возникновения микроплазмы за счет локального увеличения падения напряжения на буферном слое происходит ограничение тока через микроплазму, что уменьшает ее влияние на параметры прибора. Однако имеющая место инжекция горячих носителей из полупроводника в буферный слой приводит к увеличению сквозного потока через буферный слой, накоплению встроенного заряда и, как следствие, к ограничению чувствительности прибора. Known avalanche photodiode containing a silicon substrate, a buffer layer and a field electrode (Foss N.A., Ward S.A., "Large area avalanche photodiode", Yournal of Applied Physics, Febr. 1984, vol. 44, p. 728-731). A voltage is applied to the field electrode, which ensures the formation of a space charge region (SCR) in the substrate with a field strength sufficient for avalanche propagation of current carriers. Photons absorbed in the SCR generate current carriers that accelerate under the influence of a field and multiply avalanche-like, which leads to an internal amplification of the photocurrent and an increase in sensitivity. In the case of microplasma due to a local increase in the voltage drop across the buffer layer, the current through the microplasma is limited, which reduces its effect on the parameters of the device. However, the current injection of hot carriers from the semiconductor into the buffer layer leads to an increase in the through flow through the buffer layer, the accumulation of the built-in charge, and, as a result, the sensitivity of the device is limited.

Наиболее близким решением к заявляемому является лавинный фотодиод, содержащий полупроводниковую подложку, буферный слой, полевой электрод и сформированные на поверхности полупроводниковой подложки под буферным слоем области обратного по отношению к подложке типа проводимости, отстоящие друг от друга не менее чем на толщину буферного слоя. Лавинное размножение носителей тока происходит во вновь введенных р-п переходах, при этом горячие носители теряют энергию за счет столкновений с кристаллической решеткой введенных областей, что уменьшает инжекцию носителей в буферный слой, при этом зазоры между областями исключают влияние возможной микроплазмы в отдельной области на процесс лавинного умножения в других областях, а в отдельной области, содержащей микроплазму, увеличение тока ограничивается сопротивлением буферного слоя. The closest solution to the claimed is an avalanche photodiode containing a semiconductor substrate, a buffer layer, a field electrode and formed on the surface of the semiconductor substrate under the buffer layer of the region of the conductivity type opposite to the substrate, spaced from each other by at least the thickness of the buffer layer. Avalanche multiplication of current carriers occurs in newly introduced pn junctions, while hot carriers lose energy due to collisions with the crystal lattice of the introduced regions, which reduces the injection of carriers into the buffer layer, while the gaps between the regions exclude the influence of possible microplasma in a separate region on the process avalanche multiplication in other areas, and in a separate area containing microplasma, the increase in current is limited by the resistance of the buffer layer.

Однако фотоны, составляющие излучение в коротковолновой области спектра, поглощаются непосредственно вблизи поверхности полупроводника, там, где отсутствует усиливающее поле. Отсюда низкая квантовая эффективность в упомянутой области спектра и, следовательно, низкая чувствительность фотоприемника. However, the photons that make up the radiation in the short-wavelength region of the spectrum are absorbed directly near the surface of the semiconductor, where there is no amplifying field. Hence the low quantum efficiency in the mentioned region of the spectrum and, therefore, the low sensitivity of the photodetector.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения чувствительности фотоприемника в коротковолновой области спектра регистрируемого излучения путем увеличения квантовой эффективности. The present invention is directed to solving the problem of increasing the sensitivity of the photodetector in the short-wavelength region of the spectrum of the detected radiation by increasing the quantum efficiency.

Задача решается тем, что в лавинном фотоприемнике, содержащем подложку, буферный слой и нанесенный на него полевой электрод, а также области повышенной концентрации легирующих примесей, расстояние между которыми не меньше толщины буферного слоя, между подложкой и буферным слоем введен дополнительный слой полупроводника обратного по отношению к подложке типа проводимости, а упомянутые области расположены, по меньшей мере, на одной из поверхностей этого слоя. При этом области лавинного умножения оказываются удаленными от поверхности полупроводника вглубь его, а фотогенерированные носители собираются тянущим от поверхности полем и попадают в зоны усиления, при этом возрастает квантовая эффективность. The problem is solved in that in an avalanche photodetector containing a substrate, a buffer layer and a field electrode deposited on it, as well as regions of an increased concentration of dopants, the distance between which is not less than the thickness of the buffer layer, an additional layer of an inverse semiconductor is introduced between the substrate and the buffer layer with respect to to a substrate of the conductivity type, and said regions are located at least on one of the surfaces of this layer. In this case, the areas of avalanche multiplication turn out to be remote from the surface of the semiconductor, and photogenerated carriers are collected by a field pulling from the surface and fall into amplification zones, while the quantum efficiency increases.

Изобретение будет понятно из описания и приложенного к нему чертежа, на котором изображено сечение фотоприемника. The invention will be clear from the description and the attached drawing, which shows a section of a photodetector.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - полупроводниковая подложка, 2 - дополнительный слой, 3 - буферный слой, 4 - полевой электрод, 5 - области повышенной концентрации легирующих примесей. The following notation is used in the drawing and in the text: 1 — semiconductor substrate, 2 — additional layer, 3 — buffer layer, 4 — field electrode, 5 — regions of increased concentration of dopants.

Устройство состоит из полупроводниковой подложки 1, расположенного на ней дополнительного слоя 2, противоположного по отношению к подложке типа проводимости, размещенных последовательно с ним буферного слоя 3 и полевого электрода 4. На поверхности дополнительного слоя, примыкающего к подложке, либо на поверхности его, примыкающей к буферному слою, либо на обеих поверхностях дополнительного слоя сформированы области с повышенной концентрацией легирующих примесей 5. The device consists of a semiconductor substrate 1, an additional layer 2 located on it, the opposite type of conductivity relative to the substrate, a buffer layer 3 and a field electrode 4 placed in series with it. On the surface of the additional layer adjacent to the substrate, or on its surface adjacent to areas with an increased concentration of dopants 5 are formed on the buffer layer, or on both surfaces of the additional layer.

Фотоприемник работает следующим образом. The photodetector works as follows.

К полевому электроду 4 прикладывается напряжение, достаточное для лавинного размножения носителей тока в области р-п перехода, причем наибольшая напряженность поля устанавливается вблизи неоднородностей, образованных областями с повышенной концентрацией легирующих примесей 5. Фотоны, поглощаемые в ОПЗ, генерируют носители тока, которые под действием поля собираются и попадают в области усиления, где лавинообразно размножаются, что приводит к внутреннему усилению фототока и повышению чувствительности фотоприемника. Фотоны коротковолновой области спектра поглощаются непосредственно вблизи поверхности полупроводника и собирающее поле для генерированных ими носителей заряда направлено вглубь проводника. Области 5 служат для локализации микроплазм ограничением тока сопротивлением буферного слоя 3, причем влияние микроплазмы, возникающей в отдельной области, на процесс лавинного умножения в других подобных областях исключено вследствие наличия зазоров между ними. Величина зазоров выбирается такой, чтобы проводимость между каждой областью 5 и полевым электродом 4 была не меньше проводимости между областями 5, причем соотношение указанных проводимостей в первом приближении определяется лишь соотношением толщины буферного слоя 3 и величины зазора. A sufficient voltage is applied to the field electrode 4 for an avalanche multiplication of current carriers in the region of the pn junction, with the highest field strength being established near inhomogeneities formed by regions with a high concentration of dopants 5. Photons absorbed in the SCR generate current carriers which, under the action of the fields are collected and fall into the amplification region, where they multiply avalanche-like, which leads to an internal amplification of the photocurrent and an increase in the sensitivity of the photodetector. Photons of the short-wavelength region of the spectrum are absorbed directly near the surface of the semiconductor and the collecting field for the charge carriers generated by them is directed deep into the conductor. Areas 5 serve to localize microplasmas by limiting the current to the resistance of the buffer layer 3, and the influence of microplasma arising in a separate region on the process of avalanche multiplication in other similar regions is excluded due to the presence of gaps between them. The size of the gaps is chosen so that the conductivity between each region 5 and the field electrode 4 is not less than the conductivity between the regions 5, and the ratio of these conductivities in a first approximation is determined only by the ratio of the thickness of the buffer layer 3 and the size of the gap.

Не имеет значения тип проводимости областей 5 и расположение их на той или иной (или на обеих) поверхностях дополнительного слоя 2, так как упомянутые области служат для концентрации напряженности электрического поля и лавинное умножение происходит на границе дополнительного слоя 2 и подложки 1 в местах, наиболее близко расположенных к областям 5. The type of conductivity of the regions 5 and their location on one or another (or both) surfaces of the additional layer 2 does not matter, since these regions serve to concentrate the electric field and avalanche multiplication occurs at the boundary of the additional layer 2 and the substrate 1 in places close to areas 5.

Лавинный фотоприемник может быть изготовлен, например, на подложке из Si п-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 5•10¹⁵ см^-3, на которой методом эпитаксии выращен слой из Si р-типа проводимости с концентрацией примеси 10¹⁵ см^-3. В дополнительном слое, например, на его поверхности, граничащей с буферным слоем, методом диффузии сформированы области, например р⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси 10¹⁸ см^-3 размером 3 мкм и глубиной 2 мкм, равномерно расположенные на расстоянии 8 мкм друг от друга. Буферный слой может быть выполнен как однослойным из SiC методом ионно-плазменного напыления, так и в виде сочетания слоев SiC, SiO₂. Полупрозрачный для излучения оптического диапазона полевой электрод из Ti изготавливается методом термического испарения в вакууме. Толщина буферного слоя составляет 0,2 мкм, толщина электрода - 0,015 мкм.An avalanche photodetector can be made, for example, on a p-type Si substrate with a dopant concentration of 5 • 10 ¹⁵ cm ^-3 , on which a p-type Si layer with an impurity concentration of 10 ¹⁵ cm ^{-3 is} grown by epitaxy. In an additional layer, for example, on its surface adjacent to the buffer layer, regions are formed by diffusion, for example, a p ⁺ -type of conductivity with a dopant concentration of 10 ¹⁸ cm ^-3 of 3 μm in size and 2 μm deep, evenly spaced at a distance of 8 μm each from friend. The buffer layer can be made as a single layer of SiC by ion-plasma spraying, or in the form of a combination of layers of SiC, SiO ₂ . A Ti field electrode translucent for radiation of the optical range is made by thermal evaporation in vacuum. The thickness of the buffer layer is 0.2 μm, the thickness of the electrode is 0.015 μm.

В настоящее время изготовлены экспериментальные образцы лавинного фотоприемника. At present, experimental samples of an avalanche photodetector have been manufactured.

Claims

An avalanche photodetector containing a substrate, a buffer layer, a field electrode deposited on it, doped regions, the distance between which is not less than the thickness of the buffer layer, characterized in that between the substrate and the buffer layer an additional layer of the conductivity type, which is opposite to the substrate, is introduced, the doped regions at least on one of the surfaces of this layer and are made with a concentration of dopants above the concentration of dopants in the additional layer.