Кремниевый pin-фотодиод большой площади

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод (ФД) большой площади относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению ближнего ИК-диапазона. Новьм в заявляемом кремниевом pin-фотодиоде является использование пластин определенной толщины (400 мкм) со строго ограниченным интервалом значений удельного сопротивления (р=10-14 кОм·см). В соответствии с формулой полезной модели была разработана структура pin-фотодиода. Для ее реализации разработана серийная технология, изготовлены, испытаны и поставлены заказчикам опытные партии образцов кремниевых pin-фотодиодов большой площади ФД342-02. Совокупность отличительных признаков позволило выпускать унифицированное изделие, чувствительное к излучению с длиной волны 0,9 мкм и 1,06 мкм и предназначенное для использования в оптико-электронных системах определения координат источников излучения, в том числе в условиях высокой фоновой засветки.

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод (ФД) большой площади относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению с длиной волны 0,9 мкм и 1,06 мкм, и предназначен для использования в оптико-электронных системах определения координат источников излучения, в том числе в условиях высокой фоновой засветки.

Известен аналог - кремниевый pin-фотодиод большой площади ФД141К, разработанный в ОКБ НПО «Кварц» (г.Черновцы, Украина) и содержащий подложку р-типа проводимости, на которой сформирован фоточувствительный элемент (область с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки). Недостатком прибора является узкий спектральный диапазон (рабочая длина волны - 1,06 мкм) и достаточно высокое для pin-фотодиода рабочее напряжение (115 В).

Наиболее близким к заявляемой модели и принятым за прототип является кремниевый pin-фотодиод большой площади ФД342, разработанный нашим предприятием для замены изделия ФД141К. Указанный фотодиод также содержал подложку р-типа проводимости, на которой сформирован фоточувствительный элемент (область с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки). Для изготовления ФД использовались пластины монокристаллического кремния толщиной 400 мкм с удельным сопротивлением =10-40 кОм.см. Приборы изготовленные на основе такого материала обеспечивали основные фотоэлектрические характеристики (емкость С - не более 70 пФ, темновой ток I_т - не более 7 мкА, токовую чувствительность S - не менее 0,2 А/Вт) уже при рабочем напряжении 70 В. Вместе с тем ФД342 по-прежнему имеет ограниченную область чувствительности (только на длине волны 1,06 мкм), что не позволяет использовать его в аппаратуре, работающей на длине волны 0,9 мкм, в том числе в условиях высокой фоновой засветки.

Заявляемая полезная модель решает задачу создания унифицированного кремниевого прибора большой площади (А=154 мм ²), чувствительного на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм, со следующими характеристиками:

- рабочее напряжение U _p - не более 50 В;

- токовая чувствительность на длине волны 0,9 мкм S - не менее 0,45 А/Вт;

- токовая чувствительность на длине волны 0,9 мкм в условиях засветки S - не менее 0,35 А/Вт

- токовая чувствительность на длине волны 1,06 мкм S - не менее 0,2 А/Вт;

- емкость С - не более 150 пФ.

Для решения поставленной задачи при изготовлении унифицированного фотодиода используются пластины толщиной ˜400 мкм с удельным сопротивлением, лежащем строго в интервале 10-14 кОм.см. Заявляемая полезная модель поясняется:

- таблицами 1-13, в которых представлены результаты расчета допусков по величинам толщины и удельного сопротивления пластин, обеспечивающих выполнение заданного уровня токовой чувствительности;

- фиг.1, на которой представлена топология и сечение А-А полезной модели;

- фиг.2, на которой представлено конструктивное исполнение

полезной модели.

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод изготавливался на основе пластин, минимальное удельное сопротивление которых оценивалось, исходя из требований по емкости:

C=A/W (1),

Где с - емкость ФД=150 пф,

- диэлектрическая постоянная кремния =55.10 ^-12,

А - площадь ФД=154 мм² ,

W - ширина области пространственного заряда.

Из формулы (1) следует, что W должна быть не менее 300 мкм. Исходя из этого значения определяется концентрация примеси в пластинах кремния:

N=2.U_p/q/W²=2.10 ¹² см^-3 (2),

Этой концентрации примеси в кремниевых пластинах р-типа проводимости соответствует

удельное сопротивление р=10 кОм.см (3)

Коэффициент поглащения в кремнии на длине волны 0,9 мкм равен 300 см-1, поэтому даже при минимальной толщине структуры (140 мкм) квантовая эффективность должна составить:

=(1-e-w)=0,99,

а максимальная стационарная чувсвительность S=0,71 А/Вт.

Относительная импульсная чувствительность S зависит от длительности сигнала Тс, постоянной времени ФД _tф и RC-составляющей t_RC:

Sи=T _c/T_c²+t _ф²+t_RC ² (4)

Постоянная времени ФД t_ф зависит от ширины W, рабочего напряжения U_p , последовательного сопротивления R_n следующим образом:

t_ф=0,0055. [W ²/(U_p-R_n).(1+0,151.(U _p-R_n)/W (5)

RC - составляющая является произведением следующих величин:

R _n=(/A)/(W-2....(U_p-R_n) (6)

С=.A/2....(U_p-R_n)(7)

Результаты расчета ширины ОПЗ W, постоянной времени ФД t_ф, последовательного сопротивления Rn, емкости ФД С, RC-составляющей t_RC и чувствительности S в том числе в условиях фоновой засветки представлены в таблицах 1-12. Заштрихованные ячейки таблиц означают условия, при которых не обеспечивается выполнения требуемых параметров, т.е. уменьшение относительной чувствительности при фоновой засветке превышало 0,35/0,45=0,78.

Результаты расчетов сведены в таблицу 13.

Результаты расчета показали, что при использовании пластин толщиной 400 мкм в диапазоне удельного сопротивления 10-14 кОм.см можно обеспечить создание унифицированного кремниевого прибора большой площади, чувствительного на длинах волн 1,06 мкм и 0,9 мкм.

Пример. В соответствии с заявляемой моделью был спроектирован и изготовлен кремниевый pin-фотодиод большой площади. Указанный прибор выполнялся на пластине 1 (фиг.1) монокристаллического кремния р-типа проводимости толщиной 400 мкм с удельным сопротивлением 10-14 кОм.см. Фоточувствительная область 2 и область охранного кольца 3 формировались с помощью диффузии фосфора через пленку двуокиси кремния (SiO₂) 3. Необходимая толщина пленки 0,65 мкм достигалась за счет термического окисления пластины кремния при Т=1100°С. Создание омических контактов 4, 5 осуществлялось путем нанесения пленки золота с подслоем титана. Толщина контактного покрытия - 0,5 мкм. Топология прибора обеспечивалась фотолитографическими процессами. Фоточувствительный элемент (ФЧЭ) прибора образовывался после дисковой резки кремниевой пластины на кристаллы размером 16×16 мм. Диаметр фоточувствительной области - 14 мм.

Кристалл ФЧЭ собирался в прецизионном корпусе (фиг.2) в следующей последовательности. Кристалл 1 припаивается на ситалловую изоляционную подложку 6, последняя, в свою очередь, приклеивается на цоколь 7. Цоколь имеет четыре рабочих вывода 8, изолированных с помощью стеклянных изоляторов 9. Электрическое соединение внешних рабочих выводов 8 с контактными площадками ФЧЭ и подложки производится контактной точечной сваркой золотой проволоки 10 диаметров 0,05 мм. Крышка 11 со стеклянным окном 12 герметически приваривалась к цоколю 7 в инертной азотной среде.

Структура, топология и технология изделия позволяют освоить его в производстве и наладить серийный выпуск. Использование заявляемой полезной модели позволило по сравнению с прототипом:

- расширить спектральный диапазон чувствительности прибора (рабочие длины волн -0,9 мкм и 1,06 мкм);

- улучшить эксплуатационные характеристики (снизить рабочее напряжение);

- унифицировать производство фотодиодов для регистрации импульсного излучения в спектральном диапазоне 0,9-1,06 мкм;

- обеспечить работу прибора в условиях высокой фоновой засветки.

Указанные кремниевые pin-фотодиоды (ФД342-02), изготовленные в соответствии с признаками заявляемой полезной модели, обеспечили потребность оптико-электронной аппаратуры - лазерных дальномеров, работающих на длинах волн 0,9 мкм и 1,06 мкм, в том числе - в условиях высокой фоновой засветки. Разработка внедрена в производство в 2003 г. Объем поставок таких приборов превысил 6000 шт. в год.

Кремниевый pin-фотодиод большой площади, содержащий подложку р-типа проводимости, на которой сформирован фоточувствительный элемент (область с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки), отличающийся тем, что для его изготовления используются пластины толщиной ˜400 мкм с удельным сопротивлением, лежащем строго в интервале 10-14 кОм·см.