SE470116B - Detektorkrets med en som detektor arbetande halvledardiod och en med dioden integrerad förstärkarkrets - Google Patents

Description

4701l6 Det är vidare känt att utföra detektordioder med integrerade förstärkare.

Dioden och förstärkaren utbildas därvid i ett på ett högdopat substrat anordnat epitaktiskt kiselskikt. Diodens ena kontaktområde utbildas därvid vid samma yta som förstärkaren, och dess andra kontaktområde utgörs av substratskiktet. Dioden är alltså utförd som en vertikal diod, och dess utarmningsområde utbildas i det epitaktiska skiktet. Ett sådant skikt är är väl lämpat för utförande av förstärkarkretsar, t ex av CMOS-typ, men ger på grund av den lägre kiselkvaliteten en sämre funktion hos detektordioden.

REDoGöRELsE För: UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma en detektorkrets av inledningsvis angivet slag, vid vilken hög snabbhet och optimala detekteringsegenskaper erhålles och vilken kan framställas genom ett enkelt och därmed ekonomiskt och utbytesmässigt fördelaktigt tillverkningsförfarande.

Vad som kännetecknar en detektorkrets enligt uppfinningen framgår av bifo- gade patentkrav.

FIGURBESKBIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifo- gade fig 1-4. Fig 1 visar en utföringsform av en krets enligt uppfinningen, där fig la visar ett snitt genom kretsen och fig lb en vy av den yta hos halvledarkroppen där dioden och förstärkarkretsen är utbildade. Fig 2 visar mera i detalj ett snitt genom den i fig 1 visade dioden. Fig 3 visar ett exempel på hur förstärkarkretsen kan vara utformad. Fig 4 visar en alterna- tiv utföringsform av uppfinningen.

Fig la och fig lb visar en utföringsform av en detektorkrets enligt uppfin- ningen. Fig la visar ett snitt genom den halvledarskiva i vilken detektor- kretsen är utförd, och fig lb utgör en vy av den i fig la övre ytan hos halvledarskivan. Kretsen är utförd i en halvledarskiva l av högkvalitativt 'P46 kiselmaterial. Lämpligen används därvid kisel framställt genom den s k flytzonmetoden, med vars hjälp monokristallint kisel med hög frihet från '(1 defekter kan framställas. Skivan l är homogent dopad med ett dopningsämne av n-typ, exempelvis fosfor. Skivan har mycket låg dopningsgrad, exempelvis 12 3 en störämneskoncentration på 8 - 10 cm- , vilket motsvarar en resistivi- tet på cirka 550 ohmcm. Skivan 1 har en utsträckning på 1 - 1 mm och en tjocklek på 525 pm. 470116 Som framgår av fig 1 är en som detektor arbetande halvledardiod 20 anordnad centralt i skivans 1 övre yta. Dioden 20 omges av ett område 30 där förstärkarkretsar för förstärkning av diodsignalen är anordnade. Inom området 30 är ett antal p-fickor 36 och ett antal n-fickor 37 anordnade. I p-fickorna 36 är ett antal n-kanaltransistorer utbildade och i fickorna 37 ett antal p-kanaltransistorer. Transistorerna är av CMOS-typ. De är för- bundna med varandra och med dioden 20 på sådant sätt att en i och för sig känd förstärkarkrets bildas för förstärkning av utsignalen från dioden 20.

Skivan 1 med de däri utbildade kretsarna är kapslad på lämpligt sätt och ansluten till kontaktorgan för tillförande av matningsspänningar och för anslutning av förstärkarkretsens utsignal till yttre organ.

Som närmare visas i fig 2 innefattar detektordioden ett centralt anordnat p+-dopat kontaktområde 21 med en diameter på 60 pm. Området är i det beskrivna utföringsexemplet åttkantigt men kan alternativt utgöras av en polygon med annat antal sidor än åtta, eller vara cirkulärt. Området 21 omges på ett avstånd av cirka 5 Fm av ett andra kontaktområde 22, vilket är n+-dopat. Områdets 22 inre begränsningslinje har samma form som området 21 och dess yttre begränsningslinje har formen av en kvadrat. Området 21 har en tjocklek av 0,35 pm, och området 22 en tjocklek av 0,25 pm. Områ- dena 21 och 22 är dopade med en störämneskoncentration på cirka 1020 cm-3, vilket motsvarar en ytresistivitet på cirka 50-100 ohm/ruta. På ytan av kiselskivan 1 är ett skyddsskikt 101 av kiseldioxid anordnat. Ovanpå detta skikt ligger ett skikt 102 av Si3N4. Skikten 101 och 102 sträcker sig även över förstärkarkretsarna 30 och tjänstgör som skyddsskikt även för dessa kretsar. Tjockleken hos skiktet 102 är 60 nm och är så vald att den utgör en kvarts våglängd för det ljus, vilket detektorn är avsedd att detektera.

Den nämnda tjockleken hos skiktet 102 är anpassad till en våglängd (i luft) på 850 nm. Skiktet 21 sträcker sig radiellt utåt genom ett avbrott i skiktet 22 till ett område 23, där en anodkontakt ZÄ gör kontakt med området 21. Skikten 101 och 102 är ovanför området 22 försedda med en öppning 25 (se fig lb), där en katodkontakt 26 kontakterar området 22.

I drift påtrycks dioden en spänning i backriktningen, dvs en sådan spänning att diodens katod blir positiv i förhållande till dess anod. Vid den beskrivna dioden kan denna spänning vara t ex 5 V. Om spänningen väljes på lämpligt sätt i förhållande till diodens dimensioner och till resistivite- ten hos skivan 1, utbildas ett utarmningsområde under området 21, och med 470 M6 en gränsyta som har den med linjen 27 betecknade formen. Vid lämpligt val m- ..- av driftspänning erhålles som synes ett mycket homogent utarmningsområde, dvs utarmningsområdet har en approximativt konstant tjocklek under hela området 21. Detta medför i sin tur att fältstyrkeförhållandena är lika över hela arean av området 21 och att därmed detekteringskänsligheten blir approximativt konstant oberoende av var inom området 21 infallande ljus träffar detta.

På skivan 1 är ett ytterligare skyddsskikt 31 av bor-fosforsilikatglas med en tjocklek på 800 nm anordnat utom över den centrala ljusdetekterande delen av dioden 20. Ett ytterligare skyddsskikt 32 av Si02 med en tjocklek på 1300 nm är anordnat ovanpå sistnämnda glasskikt. Eftersom de nu nämnda skyddsskikten är relativt väl genomsläppliga för ljus är ett ljusskyddande skikt 33 anordnat över förstärkarkretsarna 30. Detta skikt kan t ex utgöras av ett skikt av metalliskt titan eller titannitrid och kan påföras genom sputtring. Även andra material än de nu nämnda kan användas för skydds- skiktet 33. Materialet bör dock ha låg genomsläpplighet för ljus för att förhindra att infallande ljus genererar elektron-hålpar i förstärkar- kretsarna och därmed stör deras funktion. Företrädesvis väljs materialet också så att det har låg reflektans för det aktuella ljuset, detta för att förhindra att från skyddsskiktet reflekterat ljus stör funktionen hos dioden 20 eller hos övriga i samma kapsel anordnade kretsar.

Fig 3 visar ett exempel på hur förstärkarkretsarna 30 kan vara utförda och anslutna till detektordioden 20. Dioden 20 är ansluten till en ingång hos en inverterande förstärkare 301 av CMOS-typ. Förstärkaren är försedd med ett återkopplingsmotstånd 302. Dioden 20 ligger i backriktningen. Mot dio- den infallande strålning genererar elektron-hålpar i diodens utarmnings- område, och en mot strålningsintensiteten svarande ström Id flyter genom dioden och utgör ingångssignal till förstärkaren 301. Från förstärkaren erhålles en utsignal Ua, vilken tillförs en ingång hos en komparator 305.

En referensström Ir tillförs en ingång hos en förstärkare 303, vilken är försedd med ett återkopplingsmotstånd 304. Från förstärkaren erhålles en avül mot referensströmmen svarande utsignal Ur, vilken tillförs en andra ingång hos komparatorn 305. Utsignalen US från förstärkaren 305 motsvarar skill- naden Id - Ir och blir positiv då Id > Ir. Genom val av lämpligt värde hos referensströmmen Ir kan på detta sätt sådana oönskade detekteringssignaler elimineras, vilka annars skulle ha orsakats av oundvikligt brus eller andra störningar. 417m 'H6 w Fig 4a och fig Äb visar en alternativ utföringsform av en detektorkrets enligt uppfinningen, där fig 4a visar ett snitt genom kretsen och fig 4b en vy över den yta hos kretsen där dioden och förstärkarkretsarna är anord- nade. Dioden 20 har ett centralt n+-dopat kontaktområde 221, vilket omges av ett ringformat p+-dopat kontaktområde 211, vilket i sin tur omges av det n+-dopade kontaktområdet 22. Områdena 221 och 22 är förbundna med varandra och utgör diodens katodkontakt. Området 211 utgör diodens anodkontakt.

Diodens elektriska anslutningar är schematiskt visade i figuren. Utsträck- ningen hos det utarmningsomrâde som bildas vid påtryckt backförspänning över dioden anges i figuren med linjen 27.

Som ovan har beskrivits är en detektorkrets enligt uppfinningen utförd i en homogent lågdopad skiva av högkvalitativt (defektfritt) kisel. Med "lågdopat" avses härvid att kiselskivans dopningskoncentration är högst 1 - 1013 cm_3, vilket motsvarar en resistivitet på 1000 ohmcm.

En detektorkrets enligt uppfinningen erbjuder väsentliga fördelar. Genom att förstärkarkretsarna kan läggas mycket nära detektordioden kan en lägre signalnivå från dioden accepteras, vilket innebär att diodens laterala dimensioner kan vara mindre, och detta medför i sin tur att dess egen- kapacitans blir låg, och därmed blir hela detektorkretsens snabbhet hög.

Vidare kan flera funktioner integreras på samma chip. Vidare är vid kretsen enligt uppfinningen alla kontakter anordnade på en och samma sida av halv- ledarskivan, vilket erbjuder väsentliga fördelar ur tillverknings- och kapslingssynpunkt. För tillverkningsprocessen kan sålunda konventionell planarteknik användas både för dioden och för förstärkarkretsarna. Vidare kan framställningen av diodens olika områden göras samtidigt med och med samma dopningsförfaranden som motsvarande områden i förstärkarkretsarna.

Likaså kan erforderliga skyddsskikt anbringas samtidigt både på dioden och över förstärkarkretsarna. Det sistnämnda gäller speciellt det i fig 2 visade kiselnitridskiktet 102, vilket samtidigt tjänstgör som skyddsskikt för förstärkarkretsarna och antireflexskikt för dioden. Tillverkningspro- cessen för en detektorkrets enligt uppfinningen blir alltså enkel, och till detta bidrar också att en homogen kiselskiva med homogen dopning används som grundmaterial. Inte heller erfordras några särskilda förfarandesteg för anbringande av epitaktiska skikt.

I den ovan beskrivna utföringsformen av uppfinningen har förstärkarkretsar- na antagits vara utförda i CMOS-teknik. Alternativt kan de utföras i någon annan känd planarteknisk process, exempelvis nMOS-teknik, pMOS-teknik etc. 470 'H6 I de ovan beskrivna utföringsformerna har det eller de centrala kontakt- områdena samt den inre randen hos det yttre kontaktområdet cirkulär form (fig 4) eller formen av regelbundna månghörningar (fig 1). Alternativt kan andra former användas inom ramen för uppfinningen, exempelvis rektangulär form eller elliptisk form. Den yttre randen hos det yttre kontaktområdet 22 är i de ovan beskrivna utföringsformerna kvadratisk men denna rand kan givetvis alternativt ha godtycklig form.

Vid den i fig 1 beskrivna utföringsformen finns ett enda centralt kontakt- område 21, vilket omsluts av ett yttre kontaktområde 22. Alternativt kan inom det område som begränsas av den inre randen av det yttre kontakt- området 22 flera centrala kontaktområden av samma typ och sinsemellan elektriskt förbundna anordnas bredvid varandra.

I de ovan beskrivna utföringsformerna utgörs grundmaterialet - skivan 1 - av lågdopat n-ledande kisel. Alternativt kan dock grundmaterialet utgöras av lågdopat p-ledande kisel, varvid i så fall diodens 20 övriga områden ges motsatt ledningstyp mot den som visas i ovan beskrivna utföringsformer.

Vid en detektorkrets enligt uppfinningen kan flera detektordioder anordnas på samma kiselskiva, varvid separata förstärkarkretsar anordnas för varje diod. Dioderna kan därvid exempelvis vara anordnade att motta ljus från olika optiska fibrer.

Förutom förstärkarsteg för förstärkning av diodsignalen kan godtyckliga ytterligare kretsar anordnas i samma kiselskiva och anordnas att samverka med dioderna och förstärkarkretsarna. Exempelvis kan sålunda i samma skiva som detektorkretsen anordnas drivsteg för yttre kretsar, t ex DMOS IGBT eller tyristorer.

Typiska användningsområden för en detektorkrets enligt uppfinningen är för fiberoptisk kommunikation eller i optokopplare, men ett stort antal andra användningsområden är givetvis också tänkbara.

Claims (8)

470. 'H6 PATENTKRAV

1. Detektorkrets med en som detektor arbetande halvledardiod (20) och med en med dioden integrerad förstärkarkrets (30), k ä n n e t e c k n a d av att dioden är utförd som en lateral diod samt att dioden och förstärkar- kretsen är utförda i en homogent lågdopad kiselskiva (1) av en första ledningstyp (N).

2. Detektorkrets enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att dioden har ett högdopat vid kiselskivans yta anordnat första kontakt- område (21) av en andra ledningstyp (P), att minst ett högdopat andra kontaktområde (22) av nämnda första lednings- typ (N) är anordnat vid kiselskivans yta, på avstånd från det första kon- taktområdet och omslutande detta område.

3. Detektorkrets enligt något av patentkraven 1 och 2, k ä n n e - t e c k n a d av att ett strålningsskyddsskikt (33) är anbringat över den del av kiselskivans yta, där förstärkarkretsen (30) är anordnad.

4. Detektorkrets enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d av att skyddsskiktet (33) är utfört av ett material med låg optisk reflektans.

5. Detektorkrets enligt patentkrav Ä, k ä n n e t e c k n a d av att skyddsskiktet (33) utgörs av ett skikt av titan.

6. Detektorkrets enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d av att ett antireflexskikt (102) är anbringat över den del av kiselskivans yta där dioden (20) är anordnad.

7. Detektorkrets enligt patentkrav 6, vid vilken förstärkaren är utförd i CMOS-teknik, där i CMOS-processen ingår utbildandet av ett kiselnitridskikt på ytan av kiselskivan, k ä n n e t e c k n a d av att antireflexskiktet (102) utgörs av nämnda kiselnitridskikt.

8. Detektorkrets enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d av att kiselskivans dopning är sådan att dess resistivitet är minst 500 ohmcm.