RU2731665C1 - Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) - Google Patents
Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2731665C1 RU2731665C1 RU2019106820A RU2019106820A RU2731665C1 RU 2731665 C1 RU2731665 C1 RU 2731665C1 RU 2019106820 A RU2019106820 A RU 2019106820A RU 2019106820 A RU2019106820 A RU 2019106820A RU 2731665 C1 RU2731665 C1 RU 2731665C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- multiplication
- multiplication layer
- dielectric layer
- avalanche
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 59
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 9
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 claims description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical class [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 230000004941 influx Effects 0.000 description 1
- 238000000752 ionisation method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/08—Semiconductor 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
- H01L31/10—Semiconductor 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
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/0248—Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L31/182—Special manufacturing methods for polycrystalline Si, e.g. Si ribbon, poly Si ingots, thin films of polycrystalline Si
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1884—Manufacture of transparent electrodes, e.g. TCO, ITO
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Изобретения относятся к лавинным фотодетекторам (ЛФД) - быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды и т.д. Предложен способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции: на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения; на всю поверхность слоя умножения наносят слой диэлектрика; на части верхней поверхности слоя умножения и слоя диэлектрика формируют по меньшей мере один лавинный усилитель, для чего в слое диэлектрика и слое умножения вытравливают выемку, боковые стенки которой покрывают слоем диэлектрика, формируют контактный слой упомянутого лавинного усилителя путем заполнения выемки сильнолегированным поликристаллическим кремнием с типом проводимости, противоположным проводимости слоя умножения, с последующей диффузией из области поликристаллического кремния в слой умножения, и фотопреобразователь, образующийся вне выемки; на поверхность контактного слоя и слоя диэлектрика наносят первый электрод из прозрачного материала; на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод. Также предложены еще один способ изготовления ЛФД и ЛФД, изготовленные этими способами. Изобретения обеспечивают высокую пороговую чувствительность и также позволяют уменьшить темновой ток прибора. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 18 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к лавинным фотодетекторам (ЛФД)- быстродействующим, высокочувствительным приборам, широко используемым в лидарах, системах связи, технического зрения, робототехнике, в медицине и биологии в мониторинге окружающей среды, и т.д.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Традиционный ЛФД состоит из нанесенных наполупроводниковую подложку различных полупроводниковых слоев.
Одна группа таких слоев образует фотопреобразователь, в котором сигнальные фотоны, поглощаясь, создают свободные носители заряда: электроны и дырки. Эти образованные светом носители заряда попадают в другую группу слоев полупроводниковых материалов - лавинный усилитель, в котором формируется область электрического поля с напряженностью, достаточной для лавинного умножения этих носителей.
Для уменьшения темнового тока лавинного усилителя и, следовательно, улучшения пороговой чувствительности ЛФД можно уменьшать площадь лавинного усилителя по сравнению с площадью фото преобразователя.
Известны конструкции ЛФД, патенты US 9,035,410; RU 2641620, где лавинный усилитель, имеющий два слоя: контактный и слой умножения, и фотопреобразователь расположены на общей подложке, при этом площадь фотопреобразователя превосходит площадь усилителя.
В таких приборах удается дополнительно оптимизировать их параметры, в том числе улучшать пороговую чувствительность за счет снижения площади лавинного усилителя. В конструкции по патенту RU 2641620слой умножения обращен к подложке, выполнен из полупроводникового материала того же типа проводимости, что и фотопреобразователь сигнала и непосредственно примыкает к этому, отдельно выполненному, фотопреобразователю, что позволяет снизить избыточные темновые шумы, возникающие при переносе фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель через внешнюю электрическую цепь, реализуемом в конструкции US 9,035,410.
НЕДОСТАТКИ ПРОТОТИПА
В конструкциях патента RU 2641620слой умножения выполнен технологически независимо от фотопреобразователя, что приводит к ограничению попадания фотоносителей из слоя фотопреобразователя в слой умножения и, тем самым, к потерям усиленного фото сигнала. В результате ухудшается базовая характеристика ЛФД - пороговая чувствительность.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Задачей настоящего изобретения является создание ЛФД, конструкция которого позволяла бы реализовывать высокую пороговую чувствительность, не ограниченную малоэффективным переносом фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель. Кроме того, предлагаемые конструкции фотодетектора позволяют уменьшить темновой ток прибора.
Решение этих задач позволяет улучшить основную характеристику лавинного фотодетектора - его пороговую чувствительность.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение представляет ЛФД, конструкция и способ изготовления которого позволяет повысить эффективность переноса фотоносителей из фотопреобразователя в лавинный усилитель благодаря тому, что слой умножения выполняют на всей проводящей подложке. На части слоя умножения формируют контактный слой по меньшей мере одного лавинного усилителя. В результате создания вышеуказанной конструкции за пределами контактного слоя слой умножения выполняет функцию фотопреобразователя. В результате инициируемые в фотопреобразователе фотоносители беспрепятственно попадают в область умножения лавинного усилителя. Первый и второй электроды лавинного фотодетектора размещают на контактном слое и подложке соответственно.
Для уменьшения влияния паразитных приповерхностных носителей заряда на работу лавинного усилителя его область умножения заглубляется относительно верхней поверхности области фотопреобразователя, путем вытравливания выемки в слое умножения, на дне которой формируется контактный слой лавинного усилителя.
С целью ограничения темнового тока прибора, попадающего из соседних с ним областей подложки, на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равнуюили большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложкии слоя умножения для формирования внутри неефотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения.
Целесообразно полупроводниковую подложку выполнить из низкоомного материала.
Желательно подложку и слой умножения выполнить из одинакового полупроводникового материала.
Возможно, слой умножения на поверхности подложки сформировать методом эпитаксии, а контактный слой выполнить путем легирования слоя умножения примесью, образующей слой с типом проводимости противоположным тому, который имеет слой умножения.
Также желательно канавку выполнить шириной от 1,5 до 2,0 мкм.
Также возможно между контактным слоем лавинного усилителя и первым электродом нанести высокоомный слой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенные ниже чертежи, объясняющие конструкцию, являются частью изобретения, иллюстрируя его суть вместе с дальнейшим описанием.
Фиг. 1 является схематическим изображением поперечного разреза первого варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 101, слой умножения 102, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, слой диэлектрика 103, нанесенный на поверхность слоя умножения 102 и боковые стенки канавки под контактный слой 105, контактный слой 105, выполненный за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 104 глубиной 0,5 - 2,5 мкм, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 106 и фотопреобразователя 107, располагаемого за пределами лавинного усилителя, первый электрод 108, расположенный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, и слоя диэлектрика 103 выполненный из прозрачного материала и второй электрод 109, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101.
Фиг. 1A иллюстрирует процесс нанесения слоя умножения 102 на кремниевую подложку 101;
Фиг. 1B иллюстрирует процесс нанесения диэлектрического слоя 103 на поверхность слоя умножения 102;
Фиг. 1С иллюстрирует процесс формирования областей лавинного усилителя 106 путем создания контактного слоя 105, за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 104, глубиной 0,5 - 2,5 мкм, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 106 и фотопреобразователя 107, располагаемого за пределами лавинного усилителя;
Фиг. 1D иллюстрирует процесс формирования первого электрода 108 из прозрачного проводящего материала на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, и слоя диэлектрика 103;
Фиг. 1Е иллюстрирует процесс формирования второго электрода 109 на полупроводниковой подложке 101.
Фиг. 2 является схематическим изображением поперечного разреза второго варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 201, слой умножения 202, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, слой диэлектрика 203, нанесенный на поверхность слоя умножения 202 и боковые стенки выемки 204 под контактный слой 205, выполненный за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 204 глубиной 0,5 - 2,5 мкм, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 206 и фотопреобразователя 207, замкнутую канавку 210 шириной от 1,5 до 2,0 мкм с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители и фотопреобразователь, слой высокоомного материала 211 сформированный на сильнолегированном поликристаллическом кремнии, заполняющим выемку 104, прозрачный электрод 208, сформированный на поверхности слоя высокоомного материала 211 и слоя диэлектрика 203 и второй электрод 209, сформированный на полупроводниковой подложке 201.
Фиг. 2A иллюстрирует процесс нанесения слоя умножения 202 на кремниевую подложку 201;
Фиг. 2B иллюстрирует процесс формирования замкнутой канавки 210,заполненной сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, для формирования внутри неефотодетектора;
Фиг. 2C иллюстрирует процесс нанесения диэлектрического слоя 203 на поверхность слоя умножения 202;
Фиг. 2D иллюстрирует процесс формирования областей лавинного усилителя 206 путем создания контактного слоя 205, за счет диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 204, глубиной 0,5 - 2,5 мкм, с образованием, по меньшей мере, одного лавинного усилителя 206 и фотопреобразователя 207, располагаемого за пределами лавинного усилителя;
Фиг. 2Е иллюстрирует процесс формирования слоя высокоомного материала 211 на контактном слое 205 лавинного усилителя 206;
Фиг. 2F иллюстрирует процесс формирования первого электрода 208 из прозрачного проводящего материала на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, и слоя диэлектрика 203;
Фиг. 2G иллюстрирует процесс формирования второго электрода 209 на полупроводниковой подложке 201;
Фиг. 3A показывает схематический вид сверху второго варианта фотодетектора с одним лавинным усилителем 206 и канавкой 210;
Фиг. 3B показывает схематический вид сверху второго варианта фотодетектора с тремя лавинными усилителями 206 и канавкой 210.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Используемые в тексте и на чертежах номера ссылок, кроме номера 100, обозначающего регистрируемый свет, состоят из трех цифр, первая из которых - номер фигуры, вторая и третья - номер элемента конструкции.
Например, ссылка 206, отображенная на фиг. 2,обозначает элемент 06,изприведенного ниже списка.
Номера элементов конструкций, используемые в чертежах:
01 - Подложка;
02 - Слой умножения;
03 - Слой диэлектрика;
04 - Выемка, заполненная сильнолегированным поликристаллическим кремнием;
05 - Контактный слой;
06 - Лавинный усилитель;
07 - Фотопреобразователь;
08 - Первый прозрачный электрод;
09 - Второй электрод;
10 - Замкнутая канавка;
11 - Слой высокоомного материала.
На фиг.1 схематически изображен поперечный разрез варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 101, слой умножения 102, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, слой диэлектрика 103, нанесенный на поверхность слоя умножения 102, выемку 104, заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием, контактный слой 105, выполненный путем диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния, с типом проводимости, противоположным типу проводимости слоя умножения, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 106 и фотопреобразователя 107, располагаемого за пределами лавинного усилителя, первый электрод 108, выполненный из прозрачного материала и расположенный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104 и слоя диэлектрика 103, и второй электрод 109, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101.
Способ изготовления изображенного на фиг. 1 ЛФД проиллюстрирован фигурами 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F и заключается в последовательном выполнении следующих операций:
На кремниевую подложку 101 наносят слой умножения 102 того же типа проводимости, что и подложка (фиг.1А);
На поверхность слоя умножения 102 наносят диэлектрический слой 103 (фиг.1B);
В слое умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 106 путем вытравливания выемки 104 глубиной 0,5 - 2,5 мкм в диэлектрическом слое 103 и слое умножения 102, формирования слоя диэлектрика на боковых поверхностях выемки 104, и заполнения выемки 104сильнолегированным поликристаллическим кремнием (Фиг. 1С);
Контактный слой 105 формируют путем диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, с образованием, по меньшей мере, одного лавинного усилителя 106 и фотопреобразователя 107, располагаемого за пределами лавинного усилителя (Фиг. 1D);
На поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, и слоя диэлектрика 103 формируют первый электрод 108 из прозрачного проводящего материала (Фиг. 1E);
На нижней поверхности полупроводниковой подложки 101 формируют второй электрод 109 (Фиг. 1F).
Примером изготовления ЛФД, изображенного на фиг.1, является способ, при котором на кремниевую подложку 101 p+ - типа с концентрацией примеси более 1018 см-3, методом эпитаксии наращивают слой умножения 102 толщиной 5 - 7 мкм, выполненный из кремния p-типа с концентрацией примеси в 1015-1017 см-3. На поверхности слоя умножения формируют по меньшей мере один лавинный усилитель 106, для чего в слое диэлектрика 103 и слое умножения 102 вытравливают выемку 104 глубиной 0,5 -2,5 мкм, закрывают ее боковые стенки слоем диэлектрика и заполняют выемку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с концентрацией примеси более 1018 см-3 и типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения 102, после чего проводят диффузию этой примеси в слой умножения 102 для образования контактного слоя 105, при этом за пределами лавинного усилителя 106 формируется слой фотопреобразователя 107. На поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104 и слоя диэлектрика 103 формируют первый электрод 108, выполненный из прозрачного материала - ITO или AZO, а на нижней поверхности полупроводниковой подложки 101 формируют второй электрод 109, выполненный в виде пленки алюминия толщиной порядка 0,5-1,0 мкм.
ЛФД, показанный на фиг.1, работает следующим образом.
К электроду 108 относительно электрода 109 прикладывается положительное напряжение величиной, достаточной для возникновения в слое умножения 102 лавинного усилителя 106 процесса ударной ионизации, приводящего к умножению свободных носителей заряда.
Регистрируемый свет 100, падающий на поверхность фотопреобразователя 107, поглощается в этом слое и образует в нем свободные носители заряда: электроны и дырки. Свободные электроны, инициированные светом (фотоэлектроны) в фотопреобразователе 107, под воздействием суперпозиции электрических полей, одно из которых проникает из лавинного усилителя 106, а другое индуцируется в фотопреобразователе от первого электрода 108, дрейфуют в направлении слоя лавинного умножения 102 и далее умножаются в нем, формируя выходной сигнал фотодетектора, в то время как дырки уходят в подложку 101. Фотоэлектроны, инициированные светом в не обедненной области фотопреобразователя 107, собираются в обедненную область фотопреобразователя за счет диффузии, обусловленной возникающим в фотопреобразователе градиентом концентрации свободных электронов.
Для уменьшения влияния паразитных приповерхностных носителей заряда на работу лавинного усилителя его область умножения заглубляется относительно верхней поверхности области фотопреобразователя, путем вытравливания выемки 104 в слое умножения, на дне которой формируется контактный слой 105 лавинного усилителя 106. При этом попадание в область лавинного усилителя фотоносителей из объема фотопреобразователя от актуальных длинноволновых регистрируемых сигналов осуществляется эффективно, тогда как подток темновых носителей с поверхности раздела диэлектрик - фотопреобразователь затруднен.
На фиг. 2 схематически изображен поперечный разрез второго варианта заявляемого ЛФД, содержащего полупроводниковую подложку 201, слой умножения 202, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки с типом проводимости, аналогичным типу проводимости слоя умножения, слой диэлектрика 203, нанесенный на поверхность слоя умножения 202 выемку 204, заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием, контактный слой 205, выполненный путем диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположным типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 204 глубиной 0,5 - 2 мкм с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 206, и фотопреобразователя 207, располагаемого за пределами лавинного усилителя, замкнутую канавку 210 шириной от 1,5 до 2,0 мкм с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются лавинные усилители и фотопреобразователь, слой высокоомного материала 211 сформированный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, прозрачный электрод 208, сформированный на поверхности слоя высокоомного материала 211 и слоя диэлектрика 202 и второй электрод 209, сформированный на полупроводниковой подложке 201.
Способ изготовления ЛФД, изображенного на фиг. 2, проиллюстрирован фигурами 2А, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G и 2H и заключается в последовательном выполнении следующих операций.
На кремниевую подложку 201 наносят слой умножения 202 того же типа проводимости, что и подложка (фиг.2А);
На поверхности слоя умножения 202 вытравливают замкнутую канавку 210 на глубину, равнуюили большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри неефотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения 202 (фиг.2B);
На поверхность слоя умножения 202 и канавки 209 наносят диэлектрический слой 203 (фиг.2C);
В слое умножения формируют одну или несколько областей лавинного усилителя 206 путем вытравливания выемки 204 глубиной 0,5 - 2,5 мкм в диэлектрическом слое 203 и слое умножения 202, формирования слоя диэлектрика на боковых поверхностях выемки 204 и заполнения выемки слоем сильнолегированного поликристаллического кремния (фиг.2D);
Контактный слой 205, формируют путем диффузии примеси из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения, заполняющего выемку 204, с образованием по меньшей мере, одного лавинного усилителя 206 и фотопреобразователя 207, располагаемого за пределами лавинного усилителя. (Фиг. 2E);
На поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, формируют слой высокоомного материала 211. (Фиг. 2F);
На поверхности слоя высокоомного материала 211 и слоя диэлектрика 203 формируют первый электрод 208 из прозрачного проводящего материала (Фиг. 2G);
На нижней поверхности полупроводниковой подложки 201 формируют второй электрод 209 (фиг.2H).
Примером изготовления ЛФД, изображенного на фиг.2, является способ, при котором на кремниевую подложку 201 p+ - типа с концентрацией примеси более 1018 см-3, методом эпитаксии наращивают слой умножения 202, выполненный из кремния p-типа с концентрацией примеси в 1015-1017 см-3 толщиной 5 - 7 мкм. Далее на поверхности слоя умножения 202 вытравливают замкнутую канавку 210 шириной от 1,5 до 2,0 мкм на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора и заполняют эту канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения 202. На поверхности слоя умножения 202 формируют по меньшей мере один лавинный усилитель 205, для чего в слое диэлектрика и слое умножения вытравливают выемку глубиной 0,5 -2,5 мкм, закрывают ее боковые стенки слоем диэлектрика, заполняют выемку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с концентрацией примеси более 1018 см-3 и типом проводимости, противоположном типу проводимости слоя умножения 202, после чего проводят диффузию этой примеси в слой умножения 202 для образования контактного слоя 205, при этом за пределами лавинного усилителя 206формируется слой фотопреобразователя 207. На поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, формируют слой высокоомного материала 211 из высокоомного поликристаллического кремния. На поверхности слоя высокоомного материала 211 и слоя диэлектрика 203 формируют первый электрод 207 из прозрачного проводящего материала - ITO или AZO, а на нижней поверхности подложки 201 формируют второй электрод 208, выполняемый в виде пленки алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм.
Особенностью работы варианта ЛФД, изображенного на фиг. 2, снабженного замкнутой канавкой 210, является подавление подтока паразитных носителей заряда, попадающих в лавинный усилитель прибора из соседних с ним областей. Для эффективного подавления таких паразитных токов канавка глубиной, превышающей толщину слоя умножения, заполнена сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения. Результатом уменьшения темнового тока ЛФД является дополнительное улучшение пороговой чувствительности.
Слой высокоомного материала 211, расположенный на поверхности сильнолегированного поликристаллического кремния, заполняющего выемку 104, обеспечивает отрицательную обратную связи при формировании лавины и позволяет реализовывать высокие коэффициенты умножения, в частности при работе в т.н. Гейгеровском режиме.
Claims (41)
1. Способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции:
- на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения;
- на всю поверхность слоя умножения наносят слой диэлектрика;
- на части верхней поверхности слоя умножения и слоя диэлектрика формируют по меньшей мере один лавинный усилитель, для чего в слое диэлектрика и слое умножения вытравливают выемку, боковые стенки которой покрывают слоем диэлектрика,
- формируют контактный слой упомянутого лавинного усилителя путем заполнения выемки сильнолегированным поликристаллическим кремнием с типом проводимости, противоположным проводимости слоя умножения, с последующей диффузией из области поликристаллического кремния в слой умножения, и фотопреобразователь, образующийся вне выемки;
- на поверхность контактного слоя и слоя диэлектрика наносят первый электрод из прозрачного материала;
- на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.
2. Способ изготовления лавинного фотодетектора, включающий следующие операции:
- на всей поверхности полупроводниковой подложки формируют слой умножения;
- на поверхности слоя умножения вытравливают замкнутую канавку на глубину, равную или большую толщины слоя умножения, но меньшую суммарной толщины подложки и слоя умножения для формирования внутри нее фотодетектора;
- заполняют канавку сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения;
- на всю поверхность слоя умножения наносят слой диэлектрика;
- внутри замкнутой канавки формируют по меньшей мере один лавинный усилитель, для чего в слое диэлектрика и слое умножения вытравливают выемку, боковые стенки которой покрывают слоем диэлектрика;
- формируют контактный слой упомянутого лавинного усилителя путем заполнения выемки сильнолегированным поликристаллическим кремнием с типом проводимости, противоположным проводимости слоя умножения, с последующей диффузией из области поликристаллического кремния в слой умножения и фотопреобразователь, образующийся вне вытравленной области;
- на поверхность контактного слоя наносят высокоомный слой;
- на поверхность высокоомного слоя и слоя диэлектрика наносят первый электрод из прозрачного материала;
- на нижней поверхности полупроводниковой подложки формируют второй электрод.
3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем, что полупроводниковую подложку выполняют из низкоомного материала.
4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что подложку и слой умножения выполняют из одинакового полупроводникового материала.
5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что слой умножения на поверхности подложки формируют методом эпитаксии.
6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что в слое диэлектрика и слое умножения вытравливают выемку глубиной 0,5-2,5 мкм.
7. Способ по пп. 2-6, отличающийся тем, что замкнутую канавку выполняют шириной от 1,5 до 2,0 мкм.
8. Способ по пп. 2-6, отличающийся тем, что до нанесения первого электрода на контактный слой лавинного усилителя наносят высокоомный слой.
9. Лавинный фотодетектор, изготовленный по способу согласно п. 1, содержащий:
- полупроводниковую подложку;
- слой умножения, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки;
- диэлектрический слой, нанесенный на всю поверхность слоя умножения;
- контактный слой, сформированный путем диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположным проводимости слоя умножения, заполняющим вытравленную область слоя умножения, боковая поверхность которой покрыта слоем диэлектрика, с образованием по меньшей мере одного лавинного усилителя и фотопреобразователя за пределами контактного слоя;
- первый электрод из прозрачного материала, нанесенный на поверхность контактного и диэлектрического слоя;
- второй электрод, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки.
10. Лавинный фотодетектор по п. 9, отличающийся тем, что в слое диэлектрика и слое умножения глубина вытравленной выемки составляет 0,5-2,5 мкм.
11. Лавинный фотодетектор, изготовленный по способу согласно п. 2, содержащий:
- полупроводниковую подложку;
- слой умножения, нанесенный на всю поверхность полупроводниковой подложки;
- диэлектрический слой, нанесенный на всю поверхность слоя умножения;
- контактный слой, сформированный путем диффузии из сильнолегированного поликристаллического кремния с типом проводимости, противоположным проводимости слоя умножения, заполняющим вытравленную область слоя умножения, боковая поверхность которой покрыта слоем диэлектрика, с образованием по меньшей мере одного лавинного усилителя и фотопреобразователя за пределами контактного слоя;
- первый электрод из прозрачного материала, нанесенный на поверхность контактного и диэлектрического слоя;
- второй электрод, сформированный на нижней поверхности полупроводниковой подложки;
- замкнутую канавку с глубиной, равной или большей толщины слоя умножения, но меньшей суммарной толщины подложки и слоя умножения и заполненную сильнолегированным поликристаллическим кремнием с таким же типом проводимости, как у слоя умножения, внутри которой размещаются по меньшей мере один лавинный усилитель и фотопреобразователь.
12. Лавинный фотодетектор по п. 11, отличающийся тем, что в слое диэлектрика и слое умножения глубина вытравленной выемки составляет 0,5-2,5 мкм.
13. Лавинный фотодетектор по п. 12, отличающийся тем, что канавка выполнена шириной от 1,5 до 2,0 мкм.
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019106820A RU2731665C1 (ru) | 2019-03-12 | 2019-03-12 | Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) |
| EP20768999.3A EP3939093A4 (en) | 2019-03-12 | 2020-03-04 | AVALANCHE PHOTOSENSOR (AND VARIANTS) AND METHOD FOR MAKING IT (AND VARIANTS) |
| IL285677A IL285677B2 (en) | 2019-03-12 | 2020-03-04 | Photoglay of the avalanche type (variants) and a method for producing it (variants) |
| CN202080020492.4A CN113574680B (zh) | 2019-03-12 | 2020-03-04 | 雪崩光电探测器(变型)及其制造方法(变型) |
| JP2021555095A JP2022524557A (ja) | 2019-03-12 | 2020-03-04 | アバランシェ光検出器（変形形態）およびこれを製造するための方法（変形形態） |
| US17/432,916 US11749774B2 (en) | 2019-03-12 | 2020-03-04 | Avalanche photodetector (variants) and method for manufacturing the same (variants) |
| KR1020217028107A KR20210137454A (ko) | 2019-03-12 | 2020-03-04 | 눈사태형 광검출기(변형) 및 그 제조 방법(변형) |
| PCT/RU2020/050037 WO2020185124A2 (en) | 2019-03-12 | 2020-03-04 | Avalanche photodetector (variants) and method for manufacturing the same (variants) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019106820A RU2731665C1 (ru) | 2019-03-12 | 2019-03-12 | Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2731665C1 true RU2731665C1 (ru) | 2020-09-07 |
Family
ID=72421868
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019106820A RU2731665C1 (ru) | 2019-03-12 | 2019-03-12 | Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11749774B2 (ru) |
| EP (1) | EP3939093A4 (ru) |
| JP (1) | JP2022524557A (ru) |
| KR (1) | KR20210137454A (ru) |
| CN (1) | CN113574680B (ru) |
| IL (1) | IL285677B2 (ru) |
| RU (1) | RU2731665C1 (ru) |
| WO (1) | WO2020185124A2 (ru) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2732694C1 (ru) * | 2019-03-12 | 2020-09-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Детектор Фотонный Аналоговый" (Ооо "Дефан") | Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1823725A1 (ru) * | 1991-03-26 | 1997-02-27 | Институт электроники АН БССР | Лавинный фотодетектор |
| US7829915B2 (en) * | 2008-06-19 | 2010-11-09 | National Central University | Avalanche photodiode |
| US9035410B2 (en) * | 2006-11-27 | 2015-05-19 | The Boeing Company | Avalanche photodiode detector |
| RU2641620C1 (ru) * | 2016-09-20 | 2018-01-18 | Общество с ограниченной ответственностью "ДЕтектор Фотонный Аналоговый" | Лавинный фотодетектор |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5669876A (en) * | 1979-11-12 | 1981-06-11 | Mitsubishi Electric Corp | Manufacture of silicon avalanche photo-diode |
| CA1228663A (en) * | 1984-04-10 | 1987-10-27 | Paul P. Webb | Photodetector with isolated avalanche region |
| JPS6233482A (ja) * | 1985-08-07 | 1987-02-13 | Mitsubishi Electric Corp | アバランシエホトダイオ−ド |
| KR19980058393A (ko) * | 1996-12-30 | 1998-10-07 | 김영환 | 애벌런치 포토 다이오드 및 그의 제조방법 |
| US6555890B2 (en) * | 2000-05-23 | 2003-04-29 | Sensors Unlimited, Inc. | Method for combined fabrication of indium gallium arsenide/indium phosphide avalanche photodiodes and p-i-n photodiodes |
| US6583482B2 (en) * | 2000-12-06 | 2003-06-24 | Alexandre Pauchard | Hetero-interface avalance photodetector |
| RU2185689C2 (ru) * | 2001-02-20 | 2002-07-20 | Головин Виктор Михайлович | Лавинный фотоприемник (варианты) |
| US6707075B1 (en) * | 2002-12-10 | 2004-03-16 | International Business Machines Corporation | Method for fabricating avalanche trench photodetectors |
| US7341921B2 (en) * | 2003-05-14 | 2008-03-11 | University College Cork - National University Of Ireland, Cork | Photodiode |
| CA2613195A1 (en) * | 2005-06-10 | 2006-12-21 | Amplification Technologies, Inc. | High sensitivity, high resolution detector devices and arrays |
| RU2316848C1 (ru) * | 2006-06-01 | 2008-02-10 | Садыгов Зираддин Якуб-оглы | Микроканальный лавинный фотодиод |
| US7652257B2 (en) * | 2007-06-15 | 2010-01-26 | General Electric Company | Structure of a solid state photomultiplier |
| JP5501814B2 (ja) * | 2010-03-17 | 2014-05-28 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| US9397243B2 (en) * | 2013-07-23 | 2016-07-19 | Sifotonics Technologies Co., Ltd. | Ge—Si avalanche photodiode with silicon carrier-energy-relaxation layer and edge electric field buffer region |
| US9570438B1 (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-14 | Infineon Technologies Austria Ag | Avalanche-rugged quasi-vertical HEMT |
| FR3056019B1 (fr) * | 2016-09-13 | 2018-10-12 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Photodiode de type spad |
| EP3309846A1 (en) * | 2016-10-14 | 2018-04-18 | STMicroelectronics (Research & Development) Limited | Avalanche diode and method for manufacturing the same |
| CN106784054A (zh) * | 2017-03-06 | 2017-05-31 | 北京世纪金光半导体有限公司 | 一种紫外雪崩光电二极管探测器及其探测方法 |
| WO2018189898A1 (ja) * | 2017-04-14 | 2018-10-18 | 三菱電機株式会社 | 半導体受光素子 |
-
2019
- 2019-03-12 RU RU2019106820A patent/RU2731665C1/ru active
-
2020
- 2020-03-04 EP EP20768999.3A patent/EP3939093A4/en active Pending
- 2020-03-04 JP JP2021555095A patent/JP2022524557A/ja active Pending
- 2020-03-04 IL IL285677A patent/IL285677B2/en unknown
- 2020-03-04 KR KR1020217028107A patent/KR20210137454A/ko not_active Application Discontinuation
- 2020-03-04 CN CN202080020492.4A patent/CN113574680B/zh active Active
- 2020-03-04 US US17/432,916 patent/US11749774B2/en active Active
- 2020-03-04 WO PCT/RU2020/050037 patent/WO2020185124A2/en unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1823725A1 (ru) * | 1991-03-26 | 1997-02-27 | Институт электроники АН БССР | Лавинный фотодетектор |
| US9035410B2 (en) * | 2006-11-27 | 2015-05-19 | The Boeing Company | Avalanche photodiode detector |
| US9570647B2 (en) * | 2006-11-27 | 2017-02-14 | The Boeing Company | Avalanche photodiode detector |
| US7829915B2 (en) * | 2008-06-19 | 2010-11-09 | National Central University | Avalanche photodiode |
| RU2641620C1 (ru) * | 2016-09-20 | 2018-01-18 | Общество с ограниченной ответственностью "ДЕтектор Фотонный Аналоговый" | Лавинный фотодетектор |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022524557A (ja) | 2022-05-06 |
| WO2020185124A2 (en) | 2020-09-17 |
| CN113574680B (zh) | 2024-01-12 |
| KR20210137454A (ko) | 2021-11-17 |
| EP3939093A2 (en) | 2022-01-19 |
| IL285677B2 (en) | 2024-03-01 |
| CN113574680A (zh) | 2021-10-29 |
| WO2020185124A3 (en) | 2020-10-22 |
| US11749774B2 (en) | 2023-09-05 |
| IL285677A (en) | 2021-10-31 |
| EP3939093A4 (en) | 2022-12-14 |
| IL285677B1 (en) | 2023-11-01 |
| US20220199847A1 (en) | 2022-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7576371B1 (en) | Structures and methods to improve the crosstalk between adjacent pixels of back-illuminated photodiode arrays | |
| US11189741B2 (en) | Photodiode device, photodiode detector and methods of fabricating the same | |
| US10411051B2 (en) | Coplanar electrode photodiode array and manufacturing method thereof | |
| RU2641620C1 (ru) | Лавинный фотодетектор | |
| JP2662062B2 (ja) | 光電変換装置 | |
| RU2731665C1 (ru) | Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) | |
| CN107195723B (zh) | 一种雪崩光敏器件及其制备方法 | |
| RU2732694C1 (ru) | Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) | |
| RU2732695C1 (ru) | Лавинный фотодетектор (варианты) и способ его изготовления (варианты) | |
| JP2013501364A (ja) | 高効率のｃｍｏｓ技術に適合性のあるシリコン光電子倍増器 | |
| CN117116957A (zh) | 一种单光子雪崩二极管阵列及其制备方法 | |
| CN114122186A (zh) | 一种像元边缘低电场强度的硅光电倍增管及其制造方法 | |
| KR20150063882A (ko) | 실리콘 광증배관 소자 및 그 제조 방법 |