RU2583857C1 - Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений - Google Patents

Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений Download PDF

Info

Publication number
RU2583857C1
RU2583857C1 RU2014144848/28A RU2014144848A RU2583857C1 RU 2583857 C1 RU2583857 C1 RU 2583857C1 RU 2014144848/28 A RU2014144848/28 A RU 2014144848/28A RU 2014144848 A RU2014144848 A RU 2014144848A RU 2583857 C1 RU2583857 C1 RU 2583857C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bus
region
base
emitter
conductivity
Prior art date
Application number
RU2014144848/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Александрович Леготин
Виктор Николаевич Мурашев
Сергей Иванович Диденко
Ксения Андреевна Кузьмина
Ирина Вячеславовна Борзых
Олег Игоревич Рабинович
Валерий Петрович Яромский
Светлана Петровна Бажуткина
Ольга Андреевна Носова
Людмила Павловна Мурашева
Вячеслав Алексеевич Штыков
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2014144848/28A priority Critical patent/RU2583857C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2583857C1 publication Critical patent/RU2583857C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/24Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/115Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности регистрации оптических и глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений. Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений может использоваться в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности и контроля рельефа местности, оптических линий связи. Технический результат достигается за счет применения новой электрической схемы, в которой имеется собирающий ионизационный ток p-i-n-диод, а также 2-эмиттерный биполярный n-p-n (p-n-p)транзистор, первый эмиттер которого подключен соответственно к первой выходной адресной шине, а второй - ко второй выходной адресной шине, а база биполярного транзистора через резистор подключена к шине напряжения смещения, а коллектор - к шине питания. При этом данная электрическая схема реализуется в конструкции интегральной схемы, в которой функционально совмещены высоковольтный p-i-n-диод и низковольтный усиливающий ионизационный ток биполярный транзистор. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к полупроводниковым монолитным координатным фотоприемникам и детекторам радиационных частиц и излучений.
Известны ячейки (пиксели) для монолитных 2-мерных матриц детекторов, которые построены: на основе p-i-n-диода, который не обеспечивает усиления сигнала в пикселе и, следовательно, быстродействие и чувствительность детектора (1. D. Patti etal United States Patent № US 6,465,857,B1 Date Oct. 15.2002, US 006465857 B1), диодно-емкостной структуре, которая не обеспечивает быстродействие (2. I. Peric; «А novel monolithic pixelated particle detector implemented in high-voltage CMOS technology», Nucl. Inst. Meth. Band A 582, pp. 876-885, August 2007), DEPMOS - МОП транзисторе с управлением по подложке, которые имеют низкую крутизну и относительно высокий уровень шумов (3. J. Kemmer, G. Lutz: Nucl. Instrum. Methods A 273, 588-598 (1988)), на функционально-интегрированных БИ-МОП, n-МОП транзисторных структурах имеют нелинейность усиления при малом уровне сигнала (4. Интегральная Би-МОП ячейка детектора излучений (патент РФ №2383968 от 20.03.2006; 5. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений, патент РФ №2494497 от 21.07.2011).
Наиболее близкой по технической сущности является ячейка на биполярной транзисторной структуре для 2-мерной матрицы фотоприемника - детектора излучений, которая представлена в патенте (6. Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой, патент РФ №2427942, опублик. 08.04.2010).
Данная электрическая схема и конструкция ячейки (пиксели) выбрана в качестве прототипа.
Данная ячейка на биполярной транзисторной структуре с сетчатой базой содержит полупроводниковую подложку, в которой расположена область коллектора 1-го типа проводимости, на которой имеется электрод коллектора, в области коллектора расположена область базы, 2-го типа проводимости, в области базы расположена область эмиттера 1-го типа проводимости, на которой расположен электрод эмиттера, отличающаяся тем, что область базы 2-го типа проводимости выполнена в виде сетки, при этом величины областей пространственного заряда, образованные p-n переходами коллектор - база, превышают расстояние между соседними линиями сетчатой базы.
Данная ячейка имеет относительно низкое напряжение пробоя (менее 70 В), что не позволяет достичь максимально возможных величин области пространственного заряда (ОПЗ), например, в кремниевой подложке, толщина которой составляет обычно 300-460 мкм, небольшая глубина ОПЗ не позволяет соответственно эффективно детектировать излучения, имеющие большую глубину проникновения в полупроводниковый материал подложки (например, рентгеновского или релятивистского электронного излучений). Кроме этого большая величина ОПЗ в коллекторном переходе транзистора существенно ограничивает его быстродействие.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности регистрации глубоко проникающих излучений и повышение быстродействия детектора излучений.
Технический результат достигается за счет:
- электрической схемы, которая содержит дополнительную шину положительного (отрицательного) напряжения питания, к которой подключен коллектор биполярного транзистора, дополнительную шину напряжения смещения, подключенную через резистор к базе 2-эмиттерного биполярного транзистора.
Данная электрическая схема реализуется с помощью оригинальной конструкции интегральной схемы, в которой функционально совмещены высоковольтный p-i-n-диод и низковольтный усиливающий ионизационный ток 2-эмиттерного биполярного транзистора.
- конструкции ячейки, в которой имеется дополнительная область 1-го типа проводимости, расположенная в области анода (катода) p-i-n-диода и базы 2-го типа проводимости, являющаяся областью коллектора 2-эмиттерного биполярного транзистора, на которой расположен электрод коллектора, подключенный к шине положительного (отрицательного) напряжения питания.
Изобретение поясняется приведенными чертежами:
- электрическая схема изобретения, приведенная на фиг. 1, содержит 2-эмиттерный n (р) биполярный транзистор Т1, база которого через резистор R подключена к шине напряжения смещения VСМ и аноду (катоду) диода, катод (анод) которого подсоединен к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, первый эмиттер транзистора подсоединен к адресной шине - X, второй эмиттер к адресной шине - Y, его коллектор подсоединен к шине положительного (отрицательного) напряжения питания VCC;
- конструкция изобретения показана на фиг. 2.
Ячейки 2-мерной матрицы содержат шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, шину напряжения смещения VСМ, первую - X, и вторую - Y выходные ортогональные адресные шины, полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости - 1, на нижней поверхности которой расположен сильно легированный слой 1-ого типа проводимости - 2, на котором расположен электрод подложки - 3, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания +VDD, а на верхней поверхности подложки расположены область 2-го типа проводимости - 4, являющаяся одновременно p (n) областью анода (катода) p-i-n-диода и областью базы 2-эмиттерного биполярного транзистора, на ней расположен электрод базы - 5, которая подсоединена к первому электроду - 6 резистора - 7, расположенного на диэлектрике - 8, второй электрод резистора - 9 подключен к шине напряжения смещения VСМ, в области базы расположены две сильнолегированные области n (p) типа проводимости первого - 10 и второго - 11 эмиттеров, соответствующими электродами - 12, 13 подключенные соответственно к первой - X и второй - Y выходным ортогональным адресным шинам, по границе ячейки расположена n+(p+) охранная область - 14, в области базы 2-го типа проводимости - 4 расположена дополнительная область коллектора - 15 2-эмиттерного биполярного транзистора, с расположенным на ней электродом коллектора - 16, соединенным с шиной положительного (отрицательного) напряжения питания VCC.
Пример конкретной технологической реализации изобретения
Двумерная матрица пиксель-ячеек детектора может быть выполнена по стандартной биполярной технологии, используемой при изготовлении интегральных схем, например по следующему технологическому маршруту:
а) формирование n+ - контактной области - 2 к пластине кремния - 1 сопротивлением ρv~5 кОм/см с ориентацией 100, например, диффузией фосфора в обратную сторону пластины;
б) проведение фотолитографии и формирование ионным легированием бора (дозой 4 мкКл и высокотемпературным отжигом 4 часа при температуре 1050°С), p-базы - 4 глубиной h=4 мкм;
в) проведение фотолитографии и формирование ионным легированием фосфора (дозой 0,5 мкКл), n-охранной области вокруг пиксели;
г) проведение термического окисления, толщина оксида h=0,8 мкм, и проведение фотолитографии мезаобластей;
д) проведение термического окисления открытой поверхности кремния, толщина оксида h=0,3 мкм, и проведение фотолитографии контактных окон эмиттера, базы, коллектора;
е) проведение фотолитографии и формирование области коллектора путем имплантации фосфора дозой 2,5 мкКл в его контактное окно, с последующей разгонкой на глубину h=2 мкм;
ж) осаждение поликремния и проведение по нему фотолитографии разводки;
з) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния мышьяком дозой 1000 мкКл областей эмиттера и коллектора;
и) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния бором дозой 300 мкКл области контакта к базе и резистору
к) проведение фотолитографии ионного легирования поликремния бором дозой 5 мкКл (резистора);
л) проведение термического отжига при температуре 1050°С 50 мин;
м) осаждение первого плазмохимического (низкотемпературного) оксида и проведение фотолитографии контактных окон к поликремнию, осаждение первого слоя алюминия;
н) проведение фотолитографии разводки (обтрава) алюминия первого уровня;
о) осаждение второго плазмохимического (низкотемпературного) оксида и проведение фотолитографии контактных окон к алюминию первого уровня, осаждение второго слоя алюминия;
п) проведение операции фотолитографии разводки (обтрава) второго алюминия.
Изготовленные по данной технологии тестовые n-p-n биполярные транзисторы имели пробивное напряжение Vкэ около 12 В, а p-i-n-диоды - пробивное напряжение Vпр свыше 250 В. Коэффициент усиления имел значения в пределах β=50-100.

Claims (2)

1. Биполярная ячейка, которая содержит шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, первую и вторую выходные ортогональные адресные шины, 2-эмиттерный биполярный n-p-n (p-n-p) транзистор, первый эмиттер которого подключен соответственно к первой выходной адресной шине, а второй - ко второй выходной адресной шине, отличающаяся тем, что дополнительно содержит шину напряжения смещения, которая через резистор подключена к базе 2-эмиттерного биполярного транзистора, p-i-n-диод, катод (анод) которого соединен с шиной высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, анод (катод) - с базой 2-эмиттерного биполярного транзистора, а коллектор - с дополнительной шиной положительного (отрицательного) напряжения.
2. Конструкция биполярной ячейки содержит шины высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, первую и вторую выходные ортогональные адресные шины, полупроводниковую подложку 1-го типа проводимости, на нижней поверхности которой расположен сильно легированный слой 1-го типа проводимости, на котором расположен электрод подложки, подсоединенный к шине высокого положительного (отрицательного) напряжения питания, а на верхней поверхности подложки расположены диэлектрик и область 2-го типа проводимости, являющаяся одновременно p (n) областью анода (катода) p-i-n-диода и областью базы 2-эмиттерного биполярного транзистора, которая подсоединена через резистор, расположенный на диэлектрике, к шине напряжения смещения, в области базы расположены сильнолегированные области n (p) типа проводимости первого и второго эмиттеров, подключенные соответственно к первой и второй выходным ортогональным адресным шинам, отличающаяся тем, что в области анода (катода) p-i-n-диода и базы 2-го типа проводимости расположена дополнительная область 1-го типа проводимости, являющаяся одновременно областью коллектора 2-эмиттерного биполярного транзистора, на которой расположен электрод коллектора, подключенный к шине положительного (отрицательного) напряжения питания, а дополнительная шина напряжения смещения через резистор соединена с базой транзистора и шиной напряжения смещения.
RU2014144848/28A 2014-11-10 2014-11-10 Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений RU2583857C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014144848/28A RU2583857C1 (ru) 2014-11-10 2014-11-10 Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014144848/28A RU2583857C1 (ru) 2014-11-10 2014-11-10 Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2583857C1 true RU2583857C1 (ru) 2016-05-10

Family

ID=55960219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014144848/28A RU2583857C1 (ru) 2014-11-10 2014-11-10 Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2583857C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5847422A (en) * 1997-05-19 1998-12-08 Foveonics, Inc. MOS-based active pixel sensor cell that utilizes the parasitic bipolar action of the cell to output image data
RU2133524C1 (ru) * 1998-07-29 1999-07-20 Мелешко Евгений Алексеевич Координатно-чувствительный детектор (варианты)
US6465857B1 (en) * 1999-06-15 2002-10-15 Stmicroelectronics S.R.L. Semiconductor particle detector and a method for its manufacture
RU2002118855A (ru) * 2002-07-17 2004-03-10 Саито ТАКЕШИ (JP) Интегральная ячейка детектора излучений
RU2383968C2 (ru) * 2006-03-20 2010-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "ПИКСЕЛЬ" Интегральная би-моп ячейка детектора излучений
RU2427942C1 (ru) * 2010-04-08 2011-08-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой
RU2494497C2 (ru) * 2011-07-21 2013-09-27 Виктор Николаевич Мурашев Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5847422A (en) * 1997-05-19 1998-12-08 Foveonics, Inc. MOS-based active pixel sensor cell that utilizes the parasitic bipolar action of the cell to output image data
RU2133524C1 (ru) * 1998-07-29 1999-07-20 Мелешко Евгений Алексеевич Координатно-чувствительный детектор (варианты)
US6465857B1 (en) * 1999-06-15 2002-10-15 Stmicroelectronics S.R.L. Semiconductor particle detector and a method for its manufacture
RU2002118855A (ru) * 2002-07-17 2004-03-10 Саито ТАКЕШИ (JP) Интегральная ячейка детектора излучений
RU2383968C2 (ru) * 2006-03-20 2010-03-10 Общество с ограниченной ответственностью "ПИКСЕЛЬ" Интегральная би-моп ячейка детектора излучений
RU2427942C1 (ru) * 2010-04-08 2011-08-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой
RU2494497C2 (ru) * 2011-07-21 2013-09-27 Виктор Николаевич Мурашев Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
US10872995B2 (en) Avalanche diode along with vertical PN junction and method for manufacturing the same field
US9780247B2 (en) SPAD-type photodiode
CN108281506B (zh) 硅漂移探测器
CN101356654B (zh) 为检测可见光而优化的半导体辐射探测器
KR102682692B1 (ko) 애벌란치 포토다이오드 어레이
CN104810377A (zh) 一种高集成度的单光子雪崩二极管探测器阵列单元
JP2013187527A (ja) 半導体デバイスおよび撮像装置
CN107895743B (zh) 单光子雪崩光电二极管探测器的装置和方法
US20130200477A1 (en) Semiconductor photomultiplier device
US8994138B2 (en) Hardened photodiode image sensor
US20140159180A1 (en) Semiconductor resistor structure and semiconductor photomultiplier device
CN106960852B (zh) 具有漂移沟道的紫外雪崩光电二极管探测器及其探测方法
RU2494497C2 (ru) Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений
RU2583857C1 (ru) Биполярная ячейка координатного фотоприемника - детектора излучений
RU2383968C2 (ru) Интегральная би-моп ячейка детектора излучений
JP2013145180A (ja) 放射線検出器,放射線検出装置及びそれらの動作方法
CN111540805B (zh) 半导体装置和光电探测系统
RU2427942C1 (ru) Интегральная ячейка детектора излучения на основе биполярного транзистора с сетчатой базой
RU2532241C1 (ru) Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц
Murashev et al. Monolithic ionizing particle detector based on active matrix of functionally integrated structures
KR101301897B1 (ko) 마이크로채널 애벌란시 포토다이오드
RU2528107C1 (ru) Полупроводниковый лавинный детектор
RU2102820C1 (ru) Лавинный детектор
US9252317B2 (en) Multi-pixel avalanche transistor
CN108417662A (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