Детектор ультрафиолетового излучения

 

Полезная модель относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению ультрафиолетового (УФ) диапазона, и предназначена для использования в устройствах детектирования лазерного излучения, спектрофотометрии, в системах обнаружения пламени огня, медико-биологических исследованиях, а также в аппаратуре специального назначения. Детектор содержит коллекторную область (1) подложки, на которой сформирована низколегированная базовая область (2) р-типа проводимости и высоколегированная эмиттерная область (3). На рабочей стороне подложки расположена пленка (8) двуокиси кремния (SiO2). Контактные области (4, 5, 6) соответственно эмиттера, базы и коллектора металлизированы пленкой алюминия, легированного кремнием Al(Si 1%). Базовая и коллекторная области закорочены металлизацией. Новым в заявляемом кремниевом детекторе является снижение концентрации примеси в базе до величины 1015-1016 см-3 и создание металлизации, закорачивающей низколегированную область базы и коллекторную область подложки, что позволило повысить быстродействие детектора, упростить и удешевить процесс его изготовления. 1 н.з.п. ф-лы, 5 илл.

Заявляемый кремниевый детектор относится к области полупроводниковых приборов, чувствительных к излучению ультрафиолетового диапазона, и предназначен для использования в устройствах детектирования лазерного излучения, спектрофотометрии, в системах обнаружения пламени огня, медико-биологических исследованиях, а также в аппаратуре специального назначения. Во многих случаях требуется, чтобы детектор наряду с высокой чувствительностью в ультрафиолетовой (УФ) области спектра обладал пониженной чувствительностью в видимом и инфракрасном (ИК) диапазоне. Предлагаемый детектор относится именно к такому классу.

Известен аналог кремниевый фотодиод S1227-BQ [Каталог кремниевых приборов, выпускаемых фирмой "Hamamatsu", 2004 г.]. Недостатком прибора является то, что он не ограничивает чувствительность в видимом диапазоне.

Наиболее близким к заявляемому детектору и принятому за прототип является детектор УФ-излучения с ограниченной чувствительностью в видимом и ИК-спектральном диапазоне [R.S.Popovic, K.Solt, U.Falk and Z.Stoessel "A Silicon Ultraviolet Detector", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990), pp.553-558]. Детектор содержит коллекторную область подложки, тонкую высоколегированную область базы п+ - типа проводимости с концентрацией примеси более 1018 см-3, тонкую высоколегированную область эмиттера, причем области базы и коллектора закорочены с помощью металлизации, а также просветляющую пленку двуокиси кремния SiO2 толщиной 30 нм на рабочей стороне коллекторной подложки.

Недостатком данного детектора является высокая концентрация примеси в базе, обусловливающая большую величину емкости диода, что приводит к ограничению использования детектора для регистрации высокочастотных сигналов. Вторым недостатком является сложность способа изготовления, требующего специального дорогостоящего оборудования для проведения процессов быстрого термического отжига после ионной имплантации примесей, с целью получения требуемого профиля распределения примесей.

Заявляемая полезная модель решает задачи повышения быстродействия детектора, а также позволяет упростить и удешевить его изготовление, заменив процесс быстрого термического отжига стандартным процессом термического отжига.

Для решения поставленных задач в известном детекторе ультрафиолетового излучения, содержащем коллекторную область подложки, тонкую высоколегированную область эмиттера, просветляющую пленку двуокиси кремния на рабочей стороне коллекторной области подложки, формируют тонкую низколегированную область базы р-типа проводимости и металлизацию, закорачивающую тонкую низколегированную область базы и коллекторную область подложки.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где:

- фиг.1 представлено поперечное сечение заявляемого детектора ультрафиолетового излучения (размеры указаны условно);

- фиг.2 представлена схема включения заявляемого детектора;

- фиг.3 представлено распределение примесей в эмиттере и базе заявляемой детектора;

- фиг.4 представлен пример конструктивного исполнения заявляемого детектора;

- фиг.5 представлены спектральные характеристики заявляемого детектора (сплошная линия) и сравнительного УФ-детектора с обычной диодной структурой (пунктирная линия).

Заявляемый УФ-детектор (фиг.1) содержит коллекторную область подложки 1, на которой сформирована низколегированная базовая область 2 р-типа проводимости, а также высоколегированная эмиттерная область 3. На рабочей стороне коллекторной области подложки располагается пленка 8 двуокиси кремния, выполняющая функцию изолирующего и просветляющего покрытия. Контактные области (4, 5, 6) соответственно эмиттера, базы, коллектора металлизированы пленкой 7 алюминия, легированного кремнием Al(Si 1%), при этом базовая и коллекторная области закорочены металлизацией.

УФ-детектор работает следующим образом (фиг.2). При попадании на него излучения hv фотоносители генерируются во всех трех областях - в коллекторной области подложки n-типа проводимости толщиной Wк, в тонкой Wб низколегированной области базы р-типа проводимости и тонкой Wэ высоколегированной n +-типа проводимости области эмиттера. На переходах эмиттер-база и база-коллектор эти фотоносители разделяются и создают фототоки эмиттер-база Iфб и база-коллектор Iфк. Так как в заявляемом детекторе области базы и коллектора закорочены, то ток Iфк во внешнюю цепь не поступает. При этом устройство принципиально отличается от включения транзисторов. Переход эмиттер-база смещается в обратном направлении Uсм.обр и работает фактически как фотодиод. Из изложенного следует, что данный детектор чувствителен только к излучению, поглощаемому в тонкой эмиттерной области Wэ и прилегающей к ней части базы Wб1, как это изображено на фиг.2. Суммарная толщина этих областей соответствует глубине поглощения УФ-излучения и синей области видимого излучения, что обусловливает оптическую фильтрацию заявляемого детектора. Низкий уровень концентрации примеси в базе обеспечивает низкую емкость УФ-детектора. Как известно [М.А.Тришенков Фотоприемные устройства и ПЗС. Радио и связь, Москва, 1992 г., стр.58.], емкость фотодиода С равна:

где:

А - площадь перехода эмиттер-база, [см2];

0=8,85×10-14 Фсм-1 - диэлектрическая проницаемость вакуума;

=11,9 - диэлектрическая постоянная кремния;

q=1,6×10-19 Кл - заряд электрона;

Na - концентрация примеси в базе, [см-3 ];

U=|Uсм|+к - падение напряжения на переходе эмиттер-база, В;

Uсм - внешнее напряжение смещения на р-п-переходе;

к - контактная разность потенциалов перехода.

Как следует из фиг.2, подключение малой емкости С к сопротивлению нагрузки Rн приводит к малой постоянной времени RнС, следовательно, повышается быстродействие детектора.

Пример. В соответствии с заявляемой полезной моделью был спроектирован и изготовлен детектор УФ-излучения.

В качестве исходного материала выбран кремний (Si) п-типа проводимости с удельным сопротивлением 20 Омсм (концентрацией ~ 2×1014 см-3). Базовая и эмиттерная области, а также контактные области транзистора формировались методом ионной имплантации с последующим термическим отжигом при температуре 900°С в течение 10 минут. В качестве легирующей примеси базы и контактной области к ней использовался бор (В), режимы легирования: энергия Е=40кэВ, доза D=2×1011 см-2 и 2×1015 см-2 соответственно. Эмиттер и контактные области к коллектору и эмиттеру формировались имплантацией мышьяка (As), Е=30 кэВ, D=5×10 см-2 и 2×1015 см-2 соответственно. Как следует из фиг.3, на которой представлено рассчитанное распределение примесей, глубина эмиттерного перехода составляет ~ 80 нм, базового ~ 300 нм, концентрация примеси в базе ~1015-10 16 см-3. В качестве просветляющего покрытия использовалась пленка двуокиси кремния (SiO2) толщиной 30 нм, наносимая методом пиролитического осаждения при температуре 450°С. Для создания контактных площадок использовалась пленка алюминия, легированного кремнием Al(Si 1%) толщиной 800 нм. Размер подложки 3×3 мм2, ее толщина 0,45 мм; размер фоточувствительной площадки 1,5×1,5 мм2.

Полупроводниковая подложка (со всей описанной структурой) собиралась в металлостеклянном корпусе в следующей последовательности. Сначала подложка 1 монтировалась на керамический изолятор 2, последний в свою очередь - на цоколь 3. Цоколь имеет два рабочих вывода 4, изолированных с помощью стеклянных изоляторов 5. Электрические соединения подложки с выводами осуществлялись с помощью золотой проволоки 6 диаметром 0,03 мм.

Были проведены испытания изготовленных УФ-детекторов.

В результате получены следующие основные фотоэлектрические параметры детектора:

- чувствительность на длине волны 0,2 мкм - 0,06 А/Вт;

- спектральная характеристика детектора, представленная на фиг.3.;

- минимальный темновой ток при обратном смещении 5 В - 0,01 нА;

- электрическая емкость при обратном смещении 5 В - 150 пФ (удельная емкость ~ 70 пФ/мм2),

В соответствии с формулой (1) удельная емкость прототипа при концентрации легирующей примеси ~1018 составляет 1000 пФ/мм2, соответственно его постоянная времени примерно в 15 раз выше, а быстродействие ниже, чем у заявляемого детектора.

Для сравнения были также изготовлены УФ-детекторы с обычной диодной структурой. В качестве исходного материала использовался кремний р-типа проводимости с удельным сопротивлением 40 Омсм. Область с п+-типом проводимости, контактная область р+-типа проводимости к подложке, просветляющая пленка двуокиси кремния и металлизированные контакты создавалась по такой же технологии, как и заявляемого детектора.

Спектральные характеристики, представленные на (фиг.4) свидетельствует о том, что в УФ-области спектра чувствительность заявляемого детектора соответствует чувствительности сравнительного, тогда как в видимом и ИК-диапазоне его чувствительность значительно снижена.

Заявляемый детектор по сравнению с прототипом позволил более чем на порядок снизить емкость и за счет этого во столько же раз расширить радиочастотную полосу детектора.

Кремниевые УФ-детекторы, изготовленные в соответствии с признаками заявляемой полезной модели, могут быть использованы в медицине, как датчики компонентов солнечного УФ-излучения, во флуоресцентной спектроскопии, в спектроскопии биологических веществ с аминокислотами, в экологическом мониторинге, в частности, для контроля розлива пятен нефти на воде и на суше, а также в системах обнаружения ракет по люминесцентному излучению свободных радикалов в факеле этих ракет.

Детектор ультрафиолетового излучения, содержащий коллекторную область подложки, тонкую высоколегированную область эмиттера, просветляющую пленку двуокиси кремния на рабочей стороне коллекторной области подложки, отличающийся тем, что содержит тонкую низколегированную область базы и металлизацию, закорачивающую низколегированную область базы и коллекторную область подложки.



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована для создания передающих устройств лазерной дальнометрии, оптической локации и связи, в системах зондирования турбулентных сред, в газоаналитических и спектрометрических системах
Наверх