RU2294035C2

RU2294035C2 - Avalanche photodiode

Info

Publication number: RU2294035C2
Application number: RU2005108324/28A
Authority: RU
Inventors: Зираддин Ягуб-оглы Садыгов (RU); Зираддин Ягуб-оглы Садыгов
Original assignee: Зираддин Ягуб-оглы Садыгов
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2007-02-20

Abstract

FIELD: semiconductor photosensitive instruments with an internal signal amplification.

SUBSTANCE: the claimed avalanche photodiode may be used for recording of superlow fluxes of light and gamma quanta, as well as of charged particles as components of devices for medical gamma tomography, radiation monitoring and physical experiments. The avalanche photodiode has two semiconductor layers of the opposite type of conductance having a common interface. At least two separate areas of conductance of the same type are formed at least in one of the layers they are positioned along the common boundary of separation of the layers and form P-N-P-N junctions together with them in the direction perpendicular to the mentioned boundary.

EFFECT: improved stability of operation and enhanced sensitivity of the avalanche photodiode.

1 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала, и может быть использовано для регистрации слабых световых импульсов и ядерных частиц.The invention relates to semiconductor devices, specifically to semiconductor avalanche photodiodes with an internal signal strength, and can be used to detect weak light pulses and nuclear particles.

Известно устройство (аналог), включающее полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены широкозонный резистивный слой и полупрозрачный металлический электрод. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границе полупроводник-широкозонный резистивный слой. При этом лавинный ток перетекает к металлическому электроду через резистивный слой. Недостатком устройства является присутствие, а также образование при эксплуатации локальных неуправляемых микропробоев, происходящих в областях неоднородности границы раздела полупроводника с широкозонным резистивным слоем. Дело в том, что области микропробоев, статически распределенные на упомянутой выше границе, имеют токовую связь между собой, поэтому широкозонный резистивный слой недостаточно ограничивает лавинный ток в устройстве. Упомянутые микропробои приводят к локальному разогреву полупроводника, и в результате прибор выходит из строя.A device (analog) is known, comprising a semiconductor substrate, on the surface of which a wide-gap resistive layer and a translucent metal electrode are successively arranged. The avalanche amplification of photoelectrons is carried out at the semiconductor-wide-gap resistive layer interface. In this case, an avalanche current flows to the metal electrode through the resistive layer. The disadvantage of this device is the presence, as well as the formation during operation, of local uncontrolled micro-breakdowns that occur in areas of heterogeneity of the interface between the semiconductor and the wide-gap resistive layer. The fact is that the areas of micro-breakdowns, statically distributed at the aforementioned boundary, have a current connection between each other, so the wide-gap resistive layer does not sufficiently limit the avalanche current in the device. The mentioned micro-breakdowns lead to local heating of the semiconductor, and as a result, the device fails.

Известно устройство (прототип), 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 на границе р-n перехода. Области микропробоя, имеющиеся на границе раздела р-n перехода, имеют зарядовую и токовую связь между собой через электронейтральную часть полупроводникового слоя, то есть в устройстве не осуществляется локальное ограничение тока в отдельных областях микропробоя. Одна или несколько областей небольшого размера не позволяют поднять напряжения на приборе с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на основной площади устройства. Таким образом ограничивается коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности лавинного фотодиода.A device (prototype) is known, including a semiconductor substrate, on the surface of which there is a semiconductor layer opposite the conductivity type substrate. The disadvantage of this device is the presence, as well as the formation during the operation of local uncontrolled micro-breakdowns at the boundary of the pn junction. The areas of micro-breakdown that exist at the interface of the pn junction have a charge and current connection with each other through the electrically neutral part of the semiconductor layer, that is, the device does not carry out local current limitation in individual areas of micro-breakdown. One or several small areas do not allow raising the voltage on the device in order to achieve a high level of the avalanche process on the main area of the device. Thus, the gain of the avalanche process is limited, which is an indicator of the sensitivity level of the avalanche photodiode.

Задачей изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Для достижения этих технических результатов в лавинном фотодиоде, включающем два полупроводниковых слоя, образующие между собой р-n-переход, формируют матрицу отдельных полупроводниковых областей одного типа проводимости. Полупроводниковые области формируют, крайней мере, в одном из полупроводниковых слоев. Тип проводимости полупроводниковых областей выбирают противоположным по отношению к полупроводниковому слою, в котором они создаются. Это приводит к образованию в устройстве p-n-p-n-переходов в направлении, перпендикулярном к упомянутой границе раздела полупроводниковых слоев. Полупроводниковые области располагают вдоль общей границы раздела полупроводниковых слоев, в результате этого в устройстве образуется двумерная матрица тройных p-n-p-n-переходов. Элементы этой матрицы отделены друг от друга областями p-n-перехода.The objective of the invention is to improve stability and increase the sensitivity of the avalanche photodiode. To achieve these technical results, an avalanche photodiode comprising two semiconductor layers forming a pn junction between them form a matrix of individual semiconductor regions of the same conductivity type. Semiconductor regions are formed in at least one of the semiconductor layers. The conductivity type of the semiconductor regions is chosen to be opposite to the semiconductor layer in which they are created. This leads to the formation of pnpn junctions in the device in a direction perpendicular to said interface of the semiconductor layers. Semiconductor regions are arranged along the common interface of the semiconductor layers, as a result of which a two-dimensional matrix of triple p-n-p-n junctions is formed in the device. Elements of this matrix are separated from each other by p-n junction regions.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показаны поперечные сечения возможных вариантов лавинного фотодиода. Устройство изготавливают на базе полупроводникового слоя 1 (подложки), например, кремния р-типа проводимости. На поверхности подложки выращивают эпитаксиальный слой 2 n-типа проводимости, образующий с подложкой p-n-переход. Полупроводниковые области 3 и 4 формируют путем ионного легирования полупроводниковых слоев бором и фосфором. Поперечные размеры полупроводниковых областей определяются специальным фотошаблоном, с помощью которого вскрывают окна в фоторезисте для локального легирования полупроводникового слоя. Энергию ионов при легировании выбирают в зависимости от необходимой глубины залегания полупроводниковых областей. Затем изготавливают известные элементы устройства, как охранные кольца и контактные электроды.The invention is illustrated in the drawing, which shows the cross-section of possible options avalanche photodiode. The device is made on the basis of a semiconductor layer 1 (substrate), for example, p-type silicon. An n-type conductivity epitaxial layer 2 is grown on the surface of the substrate, forming a p-n junction with the substrate. Semiconductor regions 3 and 4 are formed by ion doping of the semiconductor layers with boron and phosphorus. The transverse dimensions of the semiconductor regions are determined by a special photomask, with which they open the windows in the photoresist for local doping of the semiconductor layer. The ion energy during doping is selected depending on the required depth of the semiconductor regions. Then, known elements of the device are made, such as guard rings and contact electrodes.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве лавинное усиление фототока происходит только в областях p-n-p-n-переходов, представляющихся собой независимые каналы умножения носителей заряда. Это происходит благодаря тому, что области тройных p-n-p-n-переходов 5 окружены областями p-n-переходов 6 (см. чертеж). В рабочем режиме к верхнему электроду полупроводникового слоя прикладывается напряжение полярностью соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом средний переход в области тройного p-n-p-n-перехода смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между p-n-p-n-переходами, также смещаются в противоположном направлении. В результате этого достигается такая форма распределения потенциала, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в верхнем фоточувствительном полупроводниковом слое к областям p-n-p-n-переходов. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху p-n-переходе канала умножения, а следующий p-n-переход, смещенный в прямом направлении, выполняет роль потенциальной ямы глубиной около 0,5-0,7 В, в которой собираются умноженные электроны. Накопление электронов в упомянутой потенциальной яме за время нескольких наносекунд приводит к резкому понижению электрического поля в лавинной области (т.е. в первом p-n-переходе), в результате этого лавинный процесс в данном канале умножения прекращается. Затем за время нескольких десятков наносекунд после окончания лавинного процесса накопленные электроны уходят в подложку благодаря достаточной утечки третьего p-n-перехода. Таким образом лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется в независимых каналах умножения, не имеющих зарядовой связи между собой. Благодаря этому улучшается стабильность работы и увеличивается чувствительность лавинного фотодиода.In contrast to the prototype, in the proposed device, avalanche amplification of the photocurrent occurs only in the regions of pnpn junctions, which are independent channels of multiplication of charge carriers. This is due to the fact that the regions of triple pn – pn junctions 5 are surrounded by the regions of pn – junctions 6 (see the drawing). In operating mode, a voltage is applied to the upper electrode of the semiconductor layer with the polarity corresponding to the depletion of the semiconductor substrate from the main charge carriers. In this case, the average transition in the region of the triple p-n-p-n-junction shifts in the forward direction, and the two external transitions in the opposite direction. The pn junction regions located between the pnnpn junctions also shift in the opposite direction. As a result of this, a form of potential distribution is achieved that facilitates the collection of photoelectrons formed in the upper photosensitive semiconductor layer to the regions of pnpn junctions. The photoelectrons are amplified in the first p-n junction of the multiplication channel, and the next p-n junction, shifted in the forward direction, acts as a potential well with a depth of about 0.5-0.7 V, in which the multiplied electrons are collected. The accumulation of electrons in the mentioned potential well during a few nanoseconds leads to a sharp decrease in the electric field in the avalanche region (i.e., in the first p-n junction), as a result of which the avalanche process in this multiplication channel stops. Then, within a few tens of nanoseconds after the end of the avalanche process, the accumulated electrons go to the substrate due to the sufficient leakage of the third p-n junction. Thus, the avalanche amplification of photoelectrons is carried out in independent multiplication channels that do not have a charge coupling between themselves. This improves stability and increases the sensitivity of the avalanche photodiode.

Источники информацииInformation sources

1. Микроэлектроника, 1989, т.18, с.88-90 (аналог).1. Microelectronics, 1989, v. 18, p. 88-90 (analogue).

2. С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Ч.2. М.: Мир, 1984, с.455, (прототип).2. S.Z. Physics of semiconductor devices. Part 2. M .: Mir, 1984, p. 455, (prototype).

Claims

An avalanche photodiode containing two semiconductor layers of the opposite conductivity type having a common interface, characterized in that at least two separate semiconductor regions of the same conductivity type are formed in at least one of the semiconductor layers located along the common interface of the semiconductor layers and forming together pnpn junctions in the direction perpendicular to the aforementioned common interface of semiconductor layers.