RU2770147C1 - Micropixel avalanche photodiode - Google Patents
Micropixel avalanche photodiode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2770147C1 RU2770147C1 RU2021118162A RU2021118162A RU2770147C1 RU 2770147 C1 RU2770147 C1 RU 2770147C1 RU 2021118162 A RU2021118162 A RU 2021118162A RU 2021118162 A RU2021118162 A RU 2021118162A RU 2770147 C1 RU2770147 C1 RU 2770147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor
- matrix
- avalanche photodiode
- layer
- semiconductor regions
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 116
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 31
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000003325 tomography Methods 0.000 abstract description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 6
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical group [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition 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
- H01L31/0248—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
- H01L31/0352—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 their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
-
- 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
- H01L31/08—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
- H01L31/115—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation
- H01L31/117—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation of the bulk effect radiation detector type, e.g. Ge-Li compensated PIN gamma-ray detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковым фоточувствительным приборам, конкретно к полупроводниковым лавинным фотодиодам с внутренним усилием сигнала. Предложенный лавинный фотодиод может быть использован для регистрации сверхслабых импульсов света, вплоть до единичных фотонов, а также для детектирования гамма-квантов и заряженных частиц в составе устройств медицинской гамма-томографии, радиационного мониторинга и ядерно-физических экспериментов.The invention relates to semiconductor photosensitive devices, specifically to semiconductor avalanche photodiodes with internal signal strength. The proposed avalanche photodiode can be used to detect ultraweak light pulses, up to single photons, as well as to detect gamma quanta and charged particles in medical gamma tomography devices, radiation monitoring, and nuclear physics experiments.
Уровень техникиState of the art
Известно устройство /1/ (аналог), включающее полупроводниковую подложку, матрицу полупроводниковых областей противоположного подложке типа проводимости, отделенных от полевого полупрозрачного электрода буферным резистивным слоем с определенной проводимостью. Лавинное усиление фотоэлектронов осуществляется на границах полупроводниковой подложки с полупроводниковыми областями. При этом лавинный ток стекает к полупрозрачному электроду через резистивный слой, расположенный над этими областями. Недостатком устройства является низкий квантовый выход в видимой и ультрафиолетовой области спектра ввиду низкой прозрачности, как буферного слоя, так и полупроводниковых областей. Кроме того, фотоэлектроны, образованные между полупроводниковыми областями, не имеют возможности усиливаться, что приводит к понижению чувствительности устройства.A device /1/ (analogue) is known, including a semiconductor substrate, a matrix of semiconductor regions of the opposite type of conductivity to the substrate, separated from the field translucent electrode by a buffer resistive layer with a certain conductivity. Avalanche amplification of photoelectrons is carried out at the boundaries of the semiconductor substrate with semiconductor regions. In this case, the avalanche current flows to the translucent electrode through the resistive layer located above these areas. The disadvantage of the device is the low quantum yield in the visible and ultraviolet regions of the spectrum due to the low transparency of both the buffer layer and the semiconductor regions. In addition, the photoelectrons formed between the semiconductor regions do not have the opportunity to be amplified, which leads to a decrease in the sensitivity of the device.
Известно устройство /2/ (аналог), включающее полупроводниковую подложку n-типа проводимости и эпитаксиальный слой р-типа проводимости, отделенный от подложки резистивным и диэлектрическим слоями. Внутри диэлектрического слоя сформированы отдельно стоящие полупроводниковые области n-типа проводимости, имеющие выход с одной стороны на резистивный слой, а с противоположной стороны на эпитаксиальный слой. Полупроводниковые области n-типа проводимости обеспечивают локализацию лавинного процесса в р-n переходах, отделенных друг от друга областями диэлектрического слоя. Фоточувствительным слоем, в котором создаются первичные фотоэлектроны, является эпитаксиальный слой, выращенный на поверхности инородных материалов, т.е. на поверхности диэлектрических и резистивных слоев. Поэтому основными недостатками устройства являются сложность технологии изготовления таких эпитаксиальных слоев и высокий уровень темнового тока, приводящие к ухудшению чувствительности устройства и отношения сигнал/шум.A device /2/ (analog) is known, including a semiconductor substrate of n-type conductivity and an epitaxial layer of p-type conductivity, separated from the substrate by resistive and dielectric layers. Separate semiconductor regions of n-type conductivity are formed inside the dielectric layer, having access from one side to the resistive layer, and from the opposite side to the epitaxial layer. Semiconductor regions of n-type conductivity provide localization of the avalanche process in p-n junctions, separated from each other by regions of the dielectric layer. The photosensitive layer in which primary photoelectrons are created is an epitaxial layer grown on the surface of foreign materials, i.e. on the surface of dielectric and resistive layers. Therefore, the main disadvantages of the device are the complexity of the manufacturing technology of such epitaxial layers and the high level of dark current, leading to a deterioration in the sensitivity of the device and the signal-to-noise ratio.
Известно устройство /3/ (аналог), содержащий подложку р-типа проводимости, на поверхности которой выращен эпитаксиальный слой р-типа проводимости. На поверхности эпитаксиального слоя сформирована матрица из полупроводниковых областей с противоположным типом проводимости по отношению к эпитаксиальному слою. Все полупроводниковые области соединены с металлическими шинами через индивидуальные резисторы. Полезной фоточувствительной площадью является полупроводниковая область, где происходит лавинное умножение фотоэлектронов. Между полупроводниковыми областями сформированы глубокие канавки с целью предотвращения оптической и электрической перекрестной наводки. Металлические шины и индивидуальные резисторы также расположены между полупроводниковыми областями. В результате этого, полезная площадь занимает от 30 до 50% общей площади лавинного фотодиода, что является основным недостатком устройства.A device /3/ (analogue) containing a substrate of p-type conductivity, on the surface of which an epitaxial layer of p-type conductivity is grown, is known. On the surface of the epitaxial layer, a matrix of semiconductor regions with the opposite type of conductivity with respect to the epitaxial layer is formed. All semiconductor regions are connected to metal busbars through individual resistors. A useful photosensitive area is the semiconductor region where the avalanche multiplication of photoelectrons occurs. Deep grooves are formed between the semiconductor regions to prevent optical and electrical crosstalk. Metal busbars and individual resistors are also located between the semiconductor regions. As a result, the useful area occupies from 30 to 50% of the total area of the avalanche photodiode, which is the main disadvantage of the device.
Известно также устройство /4/ (прототип), включающее полупроводниковую подложку и два эпитаксиальных слоя, на общей границе которых расположена матрица из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по сравнению с эпитаксиальными слоями. Полупроводниковые области и эпитаксиальные слои расположены между двумя дополнительными полупроводниковыми слоями, которые имеют повышенную проводимость по сравнению с эпитаксиальными слоями. Полупроводниковые области в устройстве используются с целью создания отдельных лавинных областей (микроканалов), обеспечивающих независимое усиление сигнала. Недостатком устройства является высокая вероятность образования неуправляемых микропробоев по всему периметру матрицы полупроводниковых областей. Это вызвано эффектом краевого пробоя, имеющего место в крайних элементах выше упомянутой матрицы. Эффект краевого пробоя не позволяет поднять напряжение на устройстве с целью достижения высокого уровня лавинного процесса на всей площади прибора. В результате этого, ограничивается коэффициент усиления лавинного процесса, являющийся показателем уровня чувствительности устройства.A device /4/ (prototype) is also known, including a semiconductor substrate and two epitaxial layers, on the common boundary of which there is a matrix of semiconductor regions with increased conductivity compared to the epitaxial layers. Semiconductor regions and epitaxial layers are located between two additional semiconductor layers, which have increased conductivity compared to the epitaxial layers. Semiconductor regions in the device are used to create separate avalanche regions (microchannels) that provide independent signal amplification. The disadvantage of the device is the high probability of the formation of uncontrolled micro-breakdowns around the entire perimeter of the matrix of semiconductor regions. This is caused by the edge breakdown effect taking place in the extreme elements of the above mentioned matrix. The effect of edge breakdown does not allow raising the voltage on the device in order to achieve a high level of the avalanche process over the entire area of the device. As a result, the avalanche gain, which is an indication of the sensitivity level of the device, is limited.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Технической задачей изобретения является улучшение стабильности работы и увеличение чувствительности лавинного фотодиода. Задача решается за счет того, что в микропиксельном лавинном фотодиоде, содержащем полупроводниковую подложку, на поверхности которой последовательно расположены первый полупроводниковый слой, матрица из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою и второй полупроводниковый слой, сформированы новые элементы. Эти новые элементы предотвращают краевой пробой по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей с повышенной проводимостью. Первым новым элементом является высоколегированный по отношению к полупроводниковой подложке слой, расположенный между полупроводниковой подложкой и первым полупроводниковым слоем. Вторым новым элементом служит охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою. Матрица из дополнительных полупроводниковых областей с повышенной проводимостью расположена по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей и имеет необходимую ширину L, причем охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей выступает за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя. Формы и размеры новых элементов зависят от типа проводимости полупроводниковых слоев по отношению к полупроводниковой подложке.The technical objective of the invention is to improve the stability and increase the sensitivity of the avalanche photodiode. The problem is solved due to the fact that new elements are formed in a micropixel avalanche photodiode containing a semiconductor substrate, on the surface of which the first semiconductor layer, a matrix of semiconductor regions with increased conductivity relative to the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are sequentially located. These new elements prevent edge breakdown along the entire perimeter of the matrix from semiconductor regions with increased conductivity. The first new element is a layer highly doped with respect to the semiconductor substrate, located between the semiconductor substrate and the first semiconductor layer. The second new element is a security matrix of additional semiconductor regions with increased conductivity in relation to the first semiconductor layer. The matrix of additional semiconductor regions with increased conductivity is located around the entire perimeter of the matrix of semiconductor regions and has the required width L, and the guard matrix of additional semiconductor regions protrudes beyond the area of the highly doped semiconductor layer. The shapes and sizes of the new elements depend on the type of conductivity of the semiconductor layers with respect to the semiconductor substrate.
Микропиксельный лавинный фотодиод содержит полупроводниковую подложку 1 (Фиг. 1), на поверхности которой расположены первый полупроводниковый слой 2, матрица из полупроводниковых областей 3 с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою и второй полупроводниковый слой 4. Для достижения выше упомянутых технических результатов на границе полупроводниковой подложки с первым полупроводниковым слоем сформирован высоколегированный по отношению к полупроводниковой подложке слой 6, а по всему периметру матрицы из полупроводниковых областей выполнена охранная матрица из дополнительных полупроводниковых областей 5 с повышенной проводимостью по отношению к первому полупроводниковому слою. Охранная матрица шириной L выступает за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя, причем размеры дополнительных полупроводниковых областей 5 не превышают размеров полупроводниковых областей 3. Это позволяет предотвратить краевой пробой по всему периметру рабочей области устройства. Дело в том, что благодаря отсутствию высоколегированного слоя под охранной матрицей, обедненный слой, при работе устройства, проникает в подложку, и в результате этого уменьшается напряженность электрического поля по всему периметру фоточувствительной площади устройства, т.е. по всей площади матрицы из полупроводниковых областей микропиксельного лавинного фотодиода. Таким образом предотвращается краевой пробой в крайних элементах матрицы из полупроводниковых областей, что позволяет увеличить напряжение на устройстве с целью увеличения чувствительности лавинного фотодиода.The micropixel avalanche photodiode contains a semiconductor substrate 1 (Fig. 1), on the surface of which the
В зависимости от варианта исполнения полупроводниковые слои в устройстве могут иметь как одинаковый тип проводимости (первый вариант исполнения), так и противоположный тип проводимости (второй вариант исполнения). При этом высоколегированный слой, полупроводниковые области, дополнительные полупроводниковые области и полупроводниковая подложка всегда должны иметь одинаковый тип проводимости.Depending on the embodiment, the semiconductor layers in the device can have both the same type of conductivity (the first version) and the opposite type of conductivity (the second version). In this case, the highly doped layer, the semiconductor regions, the additional semiconductor regions and the semiconductor substrate must always have the same type of conductivity.
Лавинное усиление фототока в первом варианте исполнения устройства происходит только на границах полупроводниковых областей со вторым полупроводниковым слоем, представляющих собой независимые каналы умножения носителей заряда, совпадающие направлением «А» на Фиг. 1. Для этого ко второму (верхнему) полупроводниковому слою прикладывается напряжение полярностью, соответствующей обеднению полупроводниковой подложки от основных носителей заряда. При этом обеднение от основных носителей заряда начинается с границы высоколегированного полупроводникового слоя с первым полупроводниковым слоем, причем средний р-n переход смещается в прямом направлении, а два внешних перехода - в противоположном направлении. Области p-n-перехода, расположенные между каналами умножения (направление «В» на Фиг. 1), также смещаются в противоположном направлении. При этом высоколегированный полупроводниковый слой ограничивает распространение электрического поля в полупроводниковую подложку. В результате этого первый эпитаксиальный слой полностью обедняется до матрицы полупроводниковых областей и достигается такая форма распределения потенциала внутри устройства, которая способствует сбору фотоэлектронов, образованных в первом полупроводниковом слое, в потенциальных микро-ямах из p-n-p-n переходов, образованных вокруг полупроводниковых областей. Усиление фотоэлектронов производится в первом сверху р-n переходе, а следующий р-n переход, смещенный в прямом направлении играет роль гасящего лавину сопротивления. В результате этого образуются потенциальные 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 приграничной области первого р-n перехода), и 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 утечке третьего (нижнего) р-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. Поэтому устройство способно работать в режиме счетчика Гейгера, позволяющего регистрировать единичные световые кванты при комнатной температуре. Во втором варианте исполнения устройства первый полупроводниковый слой и полупроводниковая подложка имеют одинаковый тип проводимости, а второй полупроводниковый слой имеет противоположный к ним тип проводимости. Работа устройства в этом варианте исполнения аналогична первому варианту исполнения. Отличие в том, что здесь обеднение от основных носителей заряда начинается с общей границы полупроводниковых слоев. Под действием напряжения, приложенного к устройству, область обеднения распространяется как в первый полупроводниковый слой, так и второй полупроводниковый слой. Область первого полупроводникового слоя n-типа проводимости играет роль гасящего лавину индивидуального резистора в каждом канале умножения. При этом область первого полупроводникового слоя 2, расположенная непосредственно под охранной матрицей, полностью обедняется. Дело в том, что благодаря отсутствию высоколегированного слоя под охранной матрицей, обедненный слой, при работе устройства, проникает в подложку, и в результате этого уменьшается напряженность электрического поля по всему периметру фоточувствительной площади устройства, т.е. по всей площади матрицы из полупроводниковых областей микропиксельного лавинного фотодиода. Таким образом предотвращается краевой пробой в крайних элементах матрицы из полупроводниковых областей, что позволяет увеличить напряжение на устройстве с целью увеличения чувствительности лавинного фотодиода. В этом случае лавинное усиление фототока происходит только на границах полупроводниковых областей со вторым полупроводниковым слоем.The avalanche amplification of the photocurrent in the first embodiment of the device occurs only at the boundaries of the semiconductor regions with the second semiconductor layer, which are independent channels for the multiplication of charge carriers, coinciding with the direction "A" in Fig. 1. To do this, a voltage is applied to the second (upper) semiconductor layer with a polarity corresponding to the depletion of the semiconductor substrate from the main charge carriers. In this case, depletion from the main charge carriers begins from the boundary of the highly doped semiconductor layer with the first semiconductor layer, and the middle p-n junction is shifted in the forward direction, and two external junctions are shifted in the opposite direction. The p-n junction regions located between the multiplication channels (direction "B" in Fig. 1) are also shifted in the opposite direction. In this case, the highly doped semiconductor layer limits the propagation of the electric field into the semiconductor substrate. As a result, the first epitaxial layer is completely depleted to a matrix of semiconductor regions and such a form of potential distribution inside the device is achieved, which contributes to the collection of photoelectrons formed in the first semiconductor layer in potential micro-wells from p-n-p-n junctions formed around the semiconductor regions. The amplification of photoelectrons is carried out in the first p-n junction from above, and the next p-n junction, shifted in the forward direction, plays the role of quenching the avalanche of resistance. As a result, potential wells with a depth of about 0.5-0.7 V are formed, in which multiplied electrons are collected. The accumulation of electrons in the mentioned potential well over a period of several nanoseconds leads to a sharp decrease in the electric field in the avalanche region (i.e., in the border region of the first p-n transition), and as a result, 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 into the substrate due to sufficient leakage of the third (lower) р-n junction. Thus, the avalanche amplification of photoelectrons occurs in independent multiplication channels that do not have charge coupling between them. This improves stability and increases the sensitivity of the avalanche photodiode. Therefore, the device is capable of operating in the Geiger counter mode, which makes it possible to register single light quanta at room temperature. In the second embodiment of the device, the first semiconductor layer and the semiconductor substrate have the same type of conductivity, and the second semiconductor layer has the opposite type of conductivity. The operation of the device in this embodiment is similar to the first embodiment. The difference is that here the depletion from the majority charge carriers starts from the common boundary of the semiconductor layers. Under the action of a voltage applied to the device, the depletion region extends into both the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The area of the first semiconductor layer of n-type conductivity plays the role of an individual resistor quenching the avalanche in each multiplication channel. In this case, the area of the
Предложенный микропиксельный лавинный фотодиод можно изготовить на базе полупроводниковой подложки, например, кремниевой подложки n-типа проводимости с удельным сопротивлением 10 Ом⋅см. Сначала на рабочей области полупроводниковой подложки формируют высоколегированный полупроводниковый слой n+-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,1 Ом⋅см путем локального диффузионного легирования фосфором. Затем на поверхности полупроводниковой подложки путем молекулярной эпитаксии выращивают первый полупроводниковый слой р-типа (или n-типа) проводимости с удельным сопротивлением 50 Ом⋅см. Матрицу из полупроводниковых областей n+-типа проводимости формируют путем ионного легирования первого полупроводникового слоя атомами фосфора или мышьяка. Диаметр полупроводниковых областей выбирают 5 мкм, а зазор между ними - 3 мкм. Дозу легирования выбирают около 50 мкКл⋅см-2. Также формируют охранную матрицу из дополнительных полупроводниковых областей. Охранную матрицу из дополнительных полупроводниковых областей располагают так, чтобы она выступала за пределы площади высоколегированного полупроводникового слоя. После этого проводят отжиг дефектов при температуре 1000°С. Затем на поверхности первого полупроводникового слоя формируют второй полупроводниковый слой р-типа проводимости с удельным сопротивлением в интервале 3 Ом⋅см путем молекулярной эпитаксии. Это приводит к образованию в объеме устройства чередующихся p-n-переходов в направлении «А», перпендикулярном к плоскости подложки.The proposed micropixel avalanche photodiode can be made on the basis of a semiconductor substrate, for example, an n-type silicon substrate with a resistivity of 10 Ohm⋅cm. First, a highly doped semiconductor layer of n + -type conductivity with a resistivity of 0.1 Ohm⋅cm is formed on the working area of the semiconductor substrate by local diffusion doping with phosphorus. Then, on the surface of the semiconductor substrate, the first semiconductor layer of p-type (or n-type) conductivity with a resistivity of 50 Ohm⋅cm is grown by molecular epitaxy. A matrix of semiconductor regions of n + -type conductivity is formed by ionic doping of the first semiconductor layer with phosphorus or arsenic atoms. The diameter of the semiconductor regions is 5 µm, and the gap between them is 3 µm. The doping dose is chosen to be about 50 µC⋅cm -2 . A security matrix is also formed from additional semiconductor regions. The guard matrix of additional semiconductor regions is positioned so that it protrudes beyond the area of the highly doped semiconductor layer. After that, the defects are annealed at a temperature of 1000°C. Then, on the surface of the first semiconductor layer, a second semiconductor layer of p-type conductivity is formed with a resistivity in the range of 3 Ohm⋅cm by molecular epitaxy. This leads to the formation of alternating pn junctions in the “A” direction perpendicular to the plane of the substrate in the volume of the device.
Источники информацииInformation sources
1. Гасанов А.Г. и др. Патент РФ №1702831 от 27 июня 1997 года.1. Gasanov A.G. and others. Patent of the Russian Federation No. 1702831 dated June 27, 1997.
2. Antich P.P. et al. US Patent #5844291 from December 1, 1998, Class: H01L 31/107.2. Antich P.P. et al. US Patent #5844291 from December 1, 1998, Class: H01L 31/107.
3. Долгошеин Б.А. и др., Патент РФ №2290721 от 27 декабря 2006 года.3. Dolgoshein B.A. et al., RF Patent No. 2290721 dated December 27, 2006.
4. Sadygov Z.Y. and A.F. Zerrouk. US Patent # US 8,742,543 B2 from June 3, 2014.4. Sadygov Z.Y. and A.F. Zerrouk. US Patent # US 8,742,543 B2 dated June 3, 2014.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021118162A RU2770147C1 (en) | 2021-06-21 | 2021-06-21 | Micropixel avalanche photodiode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021118162A RU2770147C1 (en) | 2021-06-21 | 2021-06-21 | Micropixel avalanche photodiode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2770147C1 true RU2770147C1 (en) | 2022-04-14 |
Family
ID=81212691
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021118162A RU2770147C1 (en) | 2021-06-21 | 2021-06-21 | Micropixel avalanche photodiode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2770147C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1702831A1 (en) * | 1989-10-11 | 1997-06-27 | Институт ядерных исследований АН СССР | Avalanche optical detector |
| US6222209B1 (en) * | 1996-12-20 | 2001-04-24 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Wide wavelength range high efficiency avalanche light detector with negative feedback |
| RU2290721C2 (en) * | 2004-05-05 | 2006-12-27 | Борис Анатольевич Долгошеин | Silicon photoelectronic multiplier (alternatives) and locations for silicon photoelectronic multiplier |
| RU2294035C2 (en) * | 2005-03-24 | 2007-02-20 | Зираддин Ягуб-оглы Садыгов | Avalanche photodiode |
| US8742543B2 (en) * | 2007-02-20 | 2014-06-03 | Ziraddin Yagub-Ogly Sadygov | Microchannel avalanche photodiode (variants) |
-
2021
- 2021-06-21 RU RU2021118162A patent/RU2770147C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1702831A1 (en) * | 1989-10-11 | 1997-06-27 | Институт ядерных исследований АН СССР | Avalanche optical detector |
| US6222209B1 (en) * | 1996-12-20 | 2001-04-24 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Wide wavelength range high efficiency avalanche light detector with negative feedback |
| RU2290721C2 (en) * | 2004-05-05 | 2006-12-27 | Борис Анатольевич Долгошеин | Silicon photoelectronic multiplier (alternatives) and locations for silicon photoelectronic multiplier |
| RU2294035C2 (en) * | 2005-03-24 | 2007-02-20 | Зираддин Ягуб-оглы Садыгов | Avalanche photodiode |
| US8742543B2 (en) * | 2007-02-20 | 2014-06-03 | Ziraddin Yagub-Ogly Sadygov | Microchannel avalanche photodiode (variants) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10347670B2 (en) | Photodetection element | |
| US20180331134A1 (en) | Photodiode array | |
| EP1840967B1 (en) | Photodiode array | |
| RU2290721C2 (en) | Silicon photoelectronic multiplier (alternatives) and locations for silicon photoelectronic multiplier | |
| US8779543B2 (en) | Device having an avalanche photo diode and a method for sensing photons | |
| US20170242136A1 (en) | Semiconductor photomultiplier with baseline restoration for a fast terminal signal output | |
| US6455858B1 (en) | Semiconductor radiation detector | |
| TWI647858B (en) | Apparatus and method for single-photon avalanche-photodiode detectors with reduced dark count rate | |
| US20140159180A1 (en) | Semiconductor resistor structure and semiconductor photomultiplier device | |
| US20090206436A1 (en) | Semiconductor apparatus | |
| US9257588B2 (en) | Microchannel avalanche photodiode (variants) | |
| EP0002694B1 (en) | Radiation detector | |
| RU2770147C1 (en) | Micropixel avalanche photodiode | |
| RU2316848C1 (en) | Microchannel avalanche photodiode | |
| RU2294035C2 (en) | Avalanche photodiode | |
| CN111540805B (en) | Semiconductor device and photoelectric detection system | |
| RU2212733C1 (en) | Semiconductor microchannel detector with internally amplified signal | |
| EP3055887B1 (en) | Multi-pixel avalanche photodiode | |
| RU2528107C1 (en) | Semiconductor avalanche detector | |
| RU2650417C1 (en) | Semiconductor avalanche photodetector | |
| CN113224197B (en) | Avalanche detector and preparation method thereof | |
| KR101091205B1 (en) | Vertical silicon photomultiplier decreased dark current | |
| AU2013260752B2 (en) | Microchannel avalanche photodiode | |
| Gramsch et al. | UV enhanced avalanche photodiode array with planar segmentation of the pixels | |
| Liang et al. | A theoretical study of improved front-illuminated avalanche drift detectors |