Кремниевый pin-фотодиод

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод относится к полупроводниковым приборам, изготавливаемым по диффузионной технологии, чувствительным к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм и применяемых, как правило, в системах управления лазерным лучом с длиной волны 0,9 мкм при низких напряжениях смещения (9-12 В) в условиях различных фоновых засветок, в том числе высоких, во всем диапазоне спектральной чувствительности прибора.

Заявляемая полезная модель решает задачу увеличения до 100% выхода годных кристаллов по чувствительности на длине волны 0,9 мкм в условиях высокой фоновой засветки и низком (9 В) напряжении смещения, а также повышения уровня чувствительности в условиях отсутствия фоновой засветки и снижения вдвое уровня темнового тока.

Для решения поставленной задачи при изготовлении кремниевых pin-фотодиодов по диффузионной технологии с применением высокотемпературных (950-1150 С) процессов используют пластины кремния с временем жизни электронов в исходном кристалле не ниже 600 мкс.

Заявляемый кремниевый pin-фотодиод относится к полупроводниковым приборам, изготавливаемым по диффузионной технологии, чувствительным к излучению в диапазоне длин волн 0,4-1,2 мкм и применяемых, как правило, в системах управления лазерным лучом с длиной волны 0,9 мкм при низких напряжениях смещения (9-12 В) в условиях различных фоновых засветок, в том числе высоких, во всем диапазоне спектральной чувствительности прибора.

Известен кремниевый pin-фотодиод большой площади, содержащий подложку р-типа проводимости, на которой сформирован фоточувствительный элемент, для изготовления которого используются пластины толщиной ~400 мкм с удельным сопротивлением 10-14 кOм·см_(см. патент РФ на полезную модель 56069, МПК Н01L 31/00, опубл. 2006.08.27). Недостатком этого прибора является низкий уровень параметров при низком напряжении смещения (9-12 В) при высоких фазовых засветках.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является кремниевый pin-фотодиод ФД 344-01 (см. КД ЖИАЮ 75.7641.018, ОАО «Московский завод «Сапфир»). Этот фотодиод сформирован на пластинах р-типа проводимости толщиной не более 0,27 мм с удельным сопротивлением 8-14 кOм·см и временем жизни электронов в исходном кристалле не менее 300 мкс. Приборы на основе такого материала обеспечивают заданные значения основных фотоэлектрических параметров, в том числе чувствительности при смещении 9 В в условиях высокой фоновой засветки в нормальных условиях и при температуре +85 С, однако выход годных кристаллов по этим параметрам не превышает 70%.

Заявляемая полезная модель решает задачу увеличения до 100% выхода годных кристаллов по чувствительности на длине волны 0,9 мкм в условиях высокой фоновой засветки и низком (9 В) напряжении смещения, а также повышения уровня чувствительности в условиях отсутствия фоновой засветки и снижения вдвое уровня темнового тока.

Для решения поставленной задачи при изготовлении кремниевых pin-фотодиодов по диффузионной технологии с применением высокотемпературных (950-1150 С) процессов используют пластины кремния с временем жизни электронов в исходном кристалле не ниже 600 мкс.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема фотодиода.

Предложенный кремниевый pin-фотодиод состоит из подложки 1 р-типа проводимости, в которой на одной стороне сформированы области n⁺- типа рабочего р-n перехода 2 и охранного кольца 3, а на обратной стороне - область р⁺-типа омического контакта 4. При этом подложка 1 выполнена из материала с временем жизни электронов не менее 600 мкс.

В соответствии с заявляемой полезной моделью были изготовлены 2 партии pin-фотодиодов. Партия 1 изготавливалась на пластинах, отобранных по значению времени жизни () в пределах 300-360 мкс. Партия 2 отобрана по значению в пределах 600-700 мкс. Остальные параметры пластин и материала были одинаковыми: толщина пластин ~ 270 мкм, удельное сопротивление 8-14 кOм·см. Пластины обеих партий проходили все процессы изготовления одновременно в одних и тех же реакторах диффузионных печей и вакуумных установках.

Характерными элементами топологии для обеих партий являются рабочий n ⁺-р переход диаметром 14 мм и окружающий его n⁺ -р переход охранного кольца, разделенные зазором 200 мкм.

Основными процессами изготовления являлись термическое окисление при температуре 1150 С в потоке кислорода (сухой-влажный-сухой), диффузия фосфора (загонка при температуре 950 С и разгонка при температуре 1050 С) в окна в окисле для формирования n⁺ -областей, геттерирование загонкой фосфора в обратную сторону подложки при температуре 970 С, загонка бора при температуре 970 С для формирования омического контакта (p⁺-области) на обратной стороне подложки. Металлизация осуществлялась слоем золота с подслоем хрома, нанесенными методом термического распыления. Топология структур в процессе изготовления обеспечивалась методом контактной фотолитографии. Кристаллы вырезались из пластин с помощью дисковой резки. Было изготовлено и измерено по 200 кристаллов из каждой партии пластин. Измерения параметров производились на кристаллах с помощью прижимных зондов.

Измерялись следующие параметры: чувствительность на длине волны 0,9 мкм в нормальных условиях без и с фоновой засветкой (S_i, S_i^ф), при температуре +85 С без и с фоновой зacвeткoй (S_i⁺, S_i^+ф), а также темновой ток в нормальных условиях.

Средние значения измеренных параметров для годных кристаллов обеих партий представлены в таблице вместе с данными по емкости и выходу годных кристаллов. Значения параметров S _i и S_i⁺ измерялись при напряжении смещения 12 В, а параметров S_i⁺ и S_i^+ф - при 9 В. 30% забракованных кристаллов из партии 1 обусловлены значениями S_i⁺ и S_i^+ф меньше заданной величины 0,23 А/Вт.

партии исходных	Выход годных	Диапазон значений	S i,	Siф	Si+,	Si+ф	IT,
пластин	кристаллов, %	емкости, пФ	А/Вт	А/Вт	А/Вт	А/Вт	мкА
1 (=300-360 мкс)	70	52-64	0,45	0,33	0,46	0,32	0,62
2 (=600-700 мкс)	100	65-72	0,51	0,39	0,475	0,368	0,31

Из данных таблицы следует, что для партии пластин 2 с большим значением в исходном материале характерен существенно больший выход годных кристаллов (100%) и более высокий уровень всех параметров, соответствующий приборам более высокого класса.

Полученные результаты в соответствии с данными по емкости объясняются тем, что в исходных кристаллах с меньшим значением при термообработках, сопутствующих изготовлению pin-фотодиодов, происходит более заметная компенсация и увеличение исходного удельного сопротивления (емкости меньше), чем в кристаллах с большими значениями (емкости больше). В результате при измерении чувствительности, особенно при больших фоновых засветках, когда часть области пространственного заряда (ОПЗ) n⁺-p перехода экранируется свободными носителями заряда, в приборах на основе этого материала более заметная доля приложенного электрического смещения теряется на области базы и меньшее смещение приходится на n⁺-p переход. В результате уменьшается напряженность электрического поля в ОПЗ, вследствие чего уменьшается ток через n⁺ -р переход, определяющий чувствительность.

В целом представленные результаты свидетельствуют о том, что исходные высокоомные кристаллы кремния р-типа проводимости предрасположены к компенсации и увеличению удельного сопротивления при термообработках, при этом степень компенсации тем больше, чем меньше в исходных кристаллах время жизни неосновных носителей заряда - электронов. Очевидно, что при термообработках «глубокие» центры, определяющие величину , частично перестраиваются в другие центры, компенсирующие проводимость р-типа. В том случае, когда «глубоких» центров больше (меньше ), формируется также большее количество компенсирующих центров.

Из приведенных в таблице данных также видно, что для подложек из материала с временем жизни электронов не менее 600 мкс повышается уровень чувствительности в условиях отсутствия фоновой засветки и снижается вдвое уровень темнового тока.

Кремниевый pin-фотодиод, состоящий из подложки р-типа проводимости, в которой сформированы на одной стороне области n⁺ -типа рабочего р-n-перехода и охранного кольца, а на обратной стороне - область р⁺-типа омического контакта, отличающийся тем, что подложка выполнена из материала с временем жизни электронов не менее 600 мкс.