UA102180C2 - Uv radiation detector with integrated light filter - Google Patents
Uv radiation detector with integrated light filter Download PDFInfo
- Publication number
- UA102180C2 UA102180C2 UAA201204061A UAA201204061A UA102180C2 UA 102180 C2 UA102180 C2 UA 102180C2 UA A201204061 A UAA201204061 A UA A201204061A UA A201204061 A UAA201204061 A UA A201204061A UA 102180 C2 UA102180 C2 UA 102180C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- oko
- enn
- light filter
- anode
- radiation
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 22
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 241000283707 Capra Species 0.000 claims 3
- 241000209761 Avena Species 0.000 claims 1
- 235000007319 Avena orientalis Nutrition 0.000 claims 1
- 241000282326 Felis catus Species 0.000 claims 1
- 241001446467 Mama Species 0.000 claims 1
- 241000468053 Obodhiang virus Species 0.000 claims 1
- 241001377938 Yara Species 0.000 claims 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 claims 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims 1
- 235000015110 jellies Nutrition 0.000 claims 1
- 239000008274 jelly Substances 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 6
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000005360 phosphosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Детектор УФ випромінювання з інтегрованим світлофільтром призначений для виміру інтенсивності УФ випромінювання в діапазоні хвиль 200-400 нм як вхідний перетворювач енергіїThe UV radiation detector with an integrated light filter is designed to measure the intensity of UV radiation in the 200-400 nm wave range as an input energy converter
УФ випромінювання в електричний сигнал і може бути використаний для радіаційного контролюUV radiation into an electrical signal and can be used for radiation control
УФ випромінювання А, В і С діапазонів в умовах високогірного та космічного середовища, для потреб контрольних вимірів в медицині, виробництві та в системах зв'язку.UV radiation of A, B and C ranges in high-altitude and space environments, for the needs of control measurements in medicine, production and communication systems.
Як вхідний перетворювач енергії для подібних детекторів в більшості використовуються кремнієві фотодіоди. Потік фотонів потрапляє до р-п-переходу через напівпрозорий електрод з високолегованою областю під ним. Типовим представником цього класу перетворювачів енергії є діод 58553 фірми Нататаїзи /НАМАМАТ5О РНОТОМІСВ5 К.К., Боїїй е(асфе Оімізіоп |11.Silicon photodiodes are mostly used as an input energy converter for such detectors. The flow of photons enters the p-p junction through a translucent electrode with a highly doped region below it. A typical representative of this class of energy converters is the diode 58553 of the company Natataisi /NAMAMAT5O RNOTOMISV5 K.K., Boyii e(asfe Oimiziop |11.
Поширеність застосування подібних приладів, незважаючи на невисоку квантову ефективність кремнію в УФ діапазоні, зумовлена їх дешевизною порівняно з фотодіодами на широкозонних матеріалах, відпрацьованістю існуючої кремнієвої технології, легкістю інтеграції в складніші пристрої. Чутливість фотодіода, освітлюваного через напівпрозору р- область, описана, як представлено в статті А. Рашспага еї а! А 5ййсоп ріпе/0М зеїІесіїме 5іпре-зпарей рпоїоадіоде//The widespread use of such devices, despite the low quantum efficiency of silicon in the UV range, is due to their cheapness compared to photodiodes on wideband materials, the maturity of the existing silicon technology, and the ease of integration into more complex devices. The sensitivity of a photodiode illuminated through a semi-transparent p-region is described as presented in the article by A. Rashspag ei a! A 5yysop ripe/0M zeiIesiime 5ipre-zparei rpoioadiode//
Зепвзог5 апа Асіцайгз5 76 (1999) 172-177 |З), таким виразом: х х в(х)- алі) то ві етохах |" вах! (0)Zepvzog5 apa Asitsaygz5 76 (1999) 172-177 |Z), with the following expression: х х в(х)- ali) to в етохах |" wow! (0)
Йм о Хо де:Ym o Ho de:
Ам - енергія фотона, д - елементарний заряд,Am - photon energy, d - elementary charge,
Т - коефіцієнт прозорості вхідного вікна, п - внутрішня квантова ефективність, а - коефіцієнт поглинання світла,T is the transparency coefficient of the entrance window, n is the internal quantum efficiency, and is the light absorption coefficient,
Хв - глибина потенціального бар'єру,Min is the depth of the potential barrier,
Хо - товщина мертвого шару, 5 - частка неосновних носіїв, поглинутих в мертвому шарі, що не рекомбінували перед тим, як дістатися до металевого контакту.Ho is the thickness of the dead layer, 5 is the fraction of minor carriers absorbed in the dead layer that did not recombine before reaching the metal contact.
Втрата чутливості завдяки існуванню мертвого шару досить значна навіть для кращих зразків фотодіодів. Додаткову втрату чутливості вносить поглинання в високолегованій області над переходом, яка є невід'ємною частиною діоду. зо Відомий кремнієвий діод, описаний в роботі Н. 7іттетптапп еї а!Ї Базі Стоз Іпіедгагейд ЕіпдегThe loss of sensitivity due to the existence of a dead layer is quite significant even for the best samples of photodiodes. An additional loss of sensitivity is introduced by absorption in the highly doped region above the junction, which is an integral part of the diode. zo The well-known silicon diode described in the work of N. 7ittetptapp ei a!Y Bazi Stoz Ipiedgageid Eipdeg
Рпоїодіоде5 Тог а М/іде 5ресігта! Напде// Ргосеєдіпд5 ої Ше Зг2гпа Еигореап 5оїїа-5іаїе ОемісеRpoiodiode5 Tog a M/ide 5resigta! Napde// Rgoseedipd5 oi She Zg2gpa Eigoreap 5oiia-5iaie Oemise
Везеагсі Сопіегепсе Неїйа Рігепге, Нау, 24-26 Зері. 2002 ІЗ), прийнятий заявниками як частковий прототип. Чутливість даного приладу в УФ діапазоні підвищено за рахунок гребінчастої форми аноду, завдяки чому в проміжках анодної структури відсутня р- область з мертвим шаром, до того ж, пари носіїв породжуються, починаючи з поверхні діода, в тонкому (порядку сотні нанометрів для ультрафіолету) робочому шарі. Однак висока чутливість таких діодів у видимому та ІЧ діапазоні змушує застосовувати додаткові світлофільтри, що або поглинають значну частину падаючого випромінювання, або коштують дорожче самого діода.Vezeagsi Sopiegepse Neiia Rigepge, Nau, 24-26 Zeri. 2002 IZ), accepted by the applicants as a partial prototype. The sensitivity of this device in the UV range is increased due to the comb shape of the anode, due to which there is no p-region with a dead layer in the gaps of the anode structure, in addition, carrier pairs are generated, starting from the surface of the diode, in a thin (on the order of hundreds of nanometers for ultraviolet) working layers However, the high sensitivity of such diodes in the visible and IR ranges forces the use of additional light filters that either absorb a significant part of the incident radiation or cost more than the diode itself.
Тому розробка кремнієвих фотоприймачів, малочутливих до видимого та ІЧ випромінювання досі актуальна.Therefore, the development of silicon photodetectors that are not very sensitive to visible and IR radiation is still relevant.
Відомий УФ фотодіод зі зменшеною чутливістю в видимому та ІЧ діапазонах, прийнятий заявниками як частковий прототип. Конструкція та принцип дії прототипу описані в роботі |2|.A known UV photodiode with reduced sensitivity in the visible and IR ranges, accepted by the applicants as a partial prototype. The design and principle of operation of the prototype are described in work |2|.
В даній конструкції ефект селективності досягнуто за рахунок використання залежності поглинання світла в кремнії від довжини хвилі та розділення носіїв, породжених фотонами різних енергій за рахунок створеного в структурі потенціального бар'єру на відстані 400 нм від вхідної поверхні. Сам УФ діод сформований в тонкому п-шарі, виконаному в р-підкладці. Анод діоду з р. областю під ним має гребінчасту структуру та виконаний на поверхні приладу. Катод фотодіода розташований на лицевій стороні приладу. На тильній стороні підкладки виконано додатковий анод, замкнений на катод. Носії, породжені малоенергетичними фотонами в шарах,In this design, the effect of selectivity is achieved due to the use of the dependence of light absorption in silicon on the wavelength and the separation of carriers generated by photons of different energies due to the potential barrier created in the structure at a distance of 400 nm from the input surface. The UV diode itself is formed in a thin p-layer made in a p-substrate. The anode of the diode with a region under it has a comb structure and is made on the surface of the device. The cathode of the photodiode is located on the front side of the device. An additional anode, locked to the cathode, is made on the back side of the substrate. Carriers generated by low-energy photons in layers,
БО розташованих нижче потенціального бар'єру, відводяться до нижнього переходу і рекомбінують.BOs located below the potential barrier are taken to the lower transition and recombined.
Недоліком даного прототипу є те, що в шарі вище потенціального бар'єру низькоенергетичні фотони також породжують пари носіїв, що створює струм завади, близький до струму сигналу.The disadvantage of this prototype is that in the layer above the potential barrier, low-energy photons also generate pairs of carriers, which creates an interference current close to the signal current.
Крім того, мала товщина сформованої п-бази і обумовлена поглинанням кремнію мала глибина залягання потенціального бар'єру змусили розробників до створення тонкого (р-)-п переходу з формуванням досить низькоомної п-області, що значно збільшило електроємність діода і викликало необхідність застосування субмікронної структури анода з підвищеними втратами падаючої енергії на непрозорих ділянках анода. Крім того, такі діоди досить дорогі, що видно по переважному застосуванню раніше описаних типів фотодіодів.In addition, the small thickness of the formed p-base and the small depth of the potential barrier due to the absorption of silicon forced the developers to create a thin (p-)-p junction with the formation of a rather low-resistance p-region, which significantly increased the capacitance of the diode and necessitated the use of a submicron anode structures with increased losses of incident energy on opaque areas of the anode. In addition, such diodes are quite expensive, which is evident from the predominant use of the previously described types of photodiodes.
Задача - створення пристрою, вільного від вказаних недоліків вибраних прототипів. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що, маючи на меті створення пристрою з використанням кремнієвої технології, чутливого до УФ випромінювання, зі зменшеною чутливістю до видимого та ІЧ випромінювання та зменшеною електричною ємністю, заявники пропонують інтегрований пристрій, в склад якого входить УФ чутливий діод та електрично такий самий опорний діод, в топологію якого введений елемент, прозорість якого залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання, і ці діоди виконані на спільній напівпровідниковій підкладці з високоомного матеріалу та мають спільний катод, причому анод кожного діода знаходиться в проміжках анода іншого діода. Інтегральне виконання гарантує близькість електричних параметрів.The task is to create a device free from the indicated shortcomings of the selected prototypes. The technical solution to the problem is achieved by the fact that, with the aim of creating a device using silicon technology, sensitive to UV radiation, with reduced sensitivity to visible and IR radiation and reduced electrical capacity, the applicants propose an integrated device, which includes a UV sensitive diode and electrically the same reference diode, in the topology of which an element is introduced, the transparency of which depends on the wavelength of the incident radiation, and these diodes are made on a common semiconductor substrate of high-resistance material and have a common cathode, and the anode of each diode is located in the gaps between the anode of another diode. Integral implementation guarantees proximity of electrical parameters.
Фотострум першого діода є функцією вимірюваного та заважаючого компонентів падаючого потоку, фотострум опорного діода залежить в основному від заважаючого компоненту.The photocurrent of the first diode is a function of the measured and interfering components of the incident current, the photocurrent of the reference diode depends mainly on the interfering component.
Корисним сигналом є різниця фотострумів або різниця напруг на анодах діодів. Обидва струми описуються формулами, наведеними в |2| з поясненнями. ів в. дев я в вто взрв нена в)A useful signal is the photocurrent difference or the voltage difference on the anodes of the diodes. Both currents are described by the formulas given in |2| with explanations. iv v. virgin I exploded on Tuesday)
М -о пм Мо оM -o pm Mo o
Для нашого випадку фактор с (частка носіїв, що не подолали потенціальний бар'єр) дорівнює 0 (бар'єр в базі відсутній), МУ - ширина смужки аноду, О - відстань між смужками.For our case, the factor c (the fraction of carriers that have not overcome the potential barrier) is equal to 0 (there is no barrier in the base), MU is the width of the anode strip, O is the distance between the strips.
Враховуючи наведені залежності, заявники пропонують наступне. 1. Детектор УФ випромінювання з інтегрованим світлофільтром, що згідно фіг. 1 складається з напівпровідникової, наприклад, п-кремнієвої підкладки (1), на якій розташовані УФ чутливий діод з анодним електродом (2), контактною площадкою (9) і р.- областю (3) під ним та опорний діод з анодним електродом (4), контактною площадкою (8) і р-- областю (5) під ним, в топологію якого введений елемент (10), прозорість якого знижується при зменшенні довжини хвилі падаючого випромінювання, наприклад, шар фосфоросилікатного скла, і ці діоди мають спільний катод (7) з п областю (б) під ним. Вихідний сигнал - диференціальний, власна чутливість обох діодів визначається згідно з формулою (2). 2. Пристрій згідно з фіг. 2, в якому як частково прозорий елемент застосовано сформовану р'- область (11).Taking into account the above dependencies, the applicants propose the following. 1. UV radiation detector with an integrated light filter, which according to fig. 1 consists of a semiconductor, for example, p-silicon substrate (1), on which a UV-sensitive diode with an anode electrode (2), a contact pad (9) and a p-region (3) below it and a reference diode with an anode electrode ( 4), the contact pad (8) and the p region (5) below it, in the topology of which an element (10) is introduced, the transparency of which decreases when the wavelength of the incident radiation decreases, for example, a layer of phosphosilicate glass, and these diodes have a common cathode (7) with n area (b) below it. The output signal is differential, the inherent sensitivity of both diodes is determined according to formula (2). 2. The device according to fig. 2, in which the formed p'-region (11) is used as a partially transparent element.
З. Пристрій згідно з фіг. З р- області (3) та (5) розширено майже до контакту, причому зо електричні характеристики обох діодів лишилися ідентичними, власна чутливість обох діодів визначається згідно з формулою (1), а необхідне послаблення УФ складової випромінювання в опорному діоді отримане завдяки збільшеній товщині р. області (5).C. The device according to fig. Z-regions (3) and (5) are expanded almost to contact, and the electrical characteristics of both diodes remain identical, the inherent sensitivity of both diodes is determined according to formula (1), and the necessary attenuation of the UV radiation component in the reference diode is obtained due to the increased thickness region (5).
Перелік графічних матеріалів 1. Фіг. 1 представляє схематичну будову пристрою за п. 1 з умовним зображенням підкладки, УФ чутливого діоду з анодним електродом, контактною площадкою і р- областю під ним та опорного діоду з анодним електродом, контактною площадкою і р- областю під ним, фільтруючим елементом та спільний катод з п-- областю під ним. 2. Фіг. 2 представляє схематичну будову пристрою за п. 1 з умовним зображенням підкладки, УФ чутливого діоду з анодним електродом, контактною площадкою і р- областю під ним та опорного діоду з анодним електродом, контактною площадкою і р- областю під ним, додатковою р-- областю та спільний катод з п-- областю під ним. 3. Фіг. З представляє схематичну будову пристрою за п. 1 з умовним зображенням підкладки, УФ чутливого діоду з анодним електродом, контактною площадкою і поширеною р областю під ним та опорного діоду з анодним електродом, контактною площадкою і поширеною р'- областю під ним та спільний катод з п-- областю під ним.List of graphic materials 1. Fig. 1 represents the schematic structure of the device according to item 1 with a conventional image of the substrate, a UV-sensitive diode with an anode electrode, a contact pad and a p-region below it, and a reference diode with an anode electrode, a contact pad and a p-region below it, a filter element and a common cathode with n-- area below it. 2. Fig. 2 shows the schematic structure of the device according to item 1 with a conventional image of the substrate, a UV-sensitive diode with an anode electrode, a contact pad and a p-region below it, and a reference diode with an anode electrode, a contact pad and a p-region below it, an additional p-region and a common cathode with an n region below it. 3. Fig. C represents the schematic structure of the device according to item 1 with a conventional image of the substrate, a UV-sensitive diode with an anode electrode, a contact pad and a widespread p region under it, and a reference diode with an anode electrode, a contact pad and a widespread p' region under it, and a common cathode with n-- the area under it.
Робота заявленого пристрою 1. Короткохвильове (УФ) та довгохвильове (видиме та ІЧ) випромінювання потрапляє одночасно на обидва діоди. УФ складова потоку, що падає на опорний діод, послаблюється за рахунок поглинання фільтруючим шаром (10) перед попаданням до фоточутливої області діоду.Operation of the claimed device 1. Short-wave (UV) and long-wave (visible and IR) radiation falls on both diodes simultaneously. The UV component of the flow falling on the reference diode is weakened due to absorption by the filter layer (10) before reaching the photosensitive area of the diode.
БО Таким чином, через обидва діоди з однаковою побудовою електрично активних елементів, мають різну освітленість і, відповідно, різний опір. При однакових струмах живлення діодів це призводить до різного падіння напруги на кожному з них. Сигнал, пропорційний УФ складовій потоку, отримується або на виході операційного підсилювача при підключенні обох анодів до його входів, або визначається при безпосередньому вимірі різниці потенціалів на анодах. 2. Робота заявленого пристрою згідно з п. 2 формули не має особливостей відносно п. 1, за винятком того, що УФ поглинаючий шар (11) опорного діода виконано як додаткову непідключену р-- область.BO Thus, due to both diodes with the same construction of electrically active elements, they have different illumination and, accordingly, different resistance. With the same supply currents of the diodes, this leads to a different voltage drop on each of them. A signal proportional to the UV component of the flow is obtained either at the output of the operational amplifier when both anodes are connected to its inputs, or is determined by direct measurement of the potential difference across the anodes. 2. The operation of the claimed device according to item 2 of the formula has no features with respect to item 1, except that the UV absorbing layer (11) of the reference diode is made as an additional unconnected p-- region.
3. Робота заявленого пристрою згідно з п.3. Operation of the declared device according to p.
З не має особливостей відносно п. 1, за винятком того, що при однакових електричних параметрах діодів для зменшення УФ засвічування опорного діоду використано потовщення р-- області (5).C has no peculiarities in relation to item 1, except that with the same electrical parameters of the diodes, to reduce the UV illumination of the reference diode, the thickening of the p region (5) was used.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
UAA201204061A UA102180C2 (en) | 2012-04-02 | 2012-04-02 | Uv radiation detector with integrated light filter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
UAA201204061A UA102180C2 (en) | 2012-04-02 | 2012-04-02 | Uv radiation detector with integrated light filter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
UA102180C2 true UA102180C2 (en) | 2013-06-10 |
Family
ID=51949005
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
UAA201204061A UA102180C2 (en) | 2012-04-02 | 2012-04-02 | Uv radiation detector with integrated light filter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
UA (1) | UA102180C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016019098A1 (en) * | 2014-07-31 | 2016-02-04 | Analog Devices, Inc. | Improved filter coating design for optical sensors |
-
2012
- 2012-04-02 UA UAA201204061A patent/UA102180C2/en unknown
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2016019098A1 (en) * | 2014-07-31 | 2016-02-04 | Analog Devices, Inc. | Improved filter coating design for optical sensors |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
ITTO20130398A1 (en) | AVALANCHE PHOTODIODO OPERATING IN GEIGER MODE INCLUDING AN ELECTRO-OPTICAL CONFINEMENT STRUCTURE FOR THE REDUCTION OF INTERFERENCE, AND PHOTODIUM RACK | |
KR101331024B1 (en) | Semiconductor radiation detector optimized for detecting visible light | |
KR20040064277A (en) | Avalanche photodiode for photon counting applications and method thereof | |
UA102180C2 (en) | Uv radiation detector with integrated light filter | |
KR20190105566A (en) | Sensing field effect element and its manufacturing method | |
Patel et al. | Polarity flipping in an isotype heterojunction (p-SnS/p-Si) to enable a broadband wavelength selective energy-efficient photodetector | |
WO2012063027A2 (en) | Photon detector | |
JPH06334209A (en) | Photoelectron detector | |
WO2013145757A1 (en) | Light receiving device | |
US20150285942A1 (en) | Solid state photo multiplier device | |
US9435641B2 (en) | Optical angle measurement | |
Saveliev | Silicon photomultiplier-new era of photon detection | |
EP3404379A1 (en) | Optical device for angle measurements | |
Nakajima et al. | High-precision absolute rotary angular measurement by using a multielectrode circular position-sensitive detector | |
Schmidt et al. | Position-sensitive photodetectors made with standard silicon-planar technology | |
ES2346624B1 (en) | HIGH PRECISION DEVICE FOR THE DETERMINATION OF THE ANGLE OF INCIDENCE OF A LUMINISCENT RADIATION. | |
Hossain et al. | Low breakdown voltage CMOS compatible pn junction avalanche photodiode | |
JP6878528B2 (en) | Photon detection device, system and manufacturing method | |
US11177410B2 (en) | Electrically modulated IR sensitive photodiode and its integration in CMOS | |
US11217619B2 (en) | Sensor device and method of manufacturing the same | |
JP5781990B2 (en) | Semiconductor photo detector | |
US8384012B2 (en) | Photodiode comprising polarizer | |
KR102365927B1 (en) | Photo-diode for detecting characteristics of linear polarization | |
KR102244132B1 (en) | Manufacturing method for dual-photodiode, dual-photodiode manufactured by the method, measuring method for wavelength and intensity using the same | |
KR100776320B1 (en) | Image sensor comprising mos structure with gate electrode which is transmitting light |